Содержание к диссертации
Введение
2 Научно-методические принципы подземной отработки кимберлитовых трубок с комбайновой выемкой и закладкой выработанного пространства 41
2.1 Систематизация технологических схем подземной разработки трубкообразных рудных тел с комбайновым способом добычи и закладкой выработанного пространства 41
2.2 Влияние основных факторов на интенсивность разработки кимберлитовых месторождений слоевыми системами разработки с закладкой выработанного пространства и комбайновой отбойкой 60
2.3 Обоснование параметров фронта очистных работ при комбайновой выемке 78
Выводы по главе 2 80
3. Геомеханические условия отработки кимберлитовых рудных тел геотехнологиями с комбайновой выемкой и закладкой выработанного пространства 83
3.1 Методика оценки напряженно-деформированного состояния при подземной разработке кимберлитовых месторождений с учетом порядка развития горных работ 85
3.2 Моделирование изменения напряженно-деформированного состояния породного, рудного и искусственного массивов при различном порядке и последовательности выемки запасов 91
3.3 Исследование влияния деформационных свойств закладочного массива на напряженно- деформированное состояние разделительных массивов 100
3.4 Оценка устойчивости очистных выработок при высокоинтенсивных геотехнологиях выемки кимберлитовых трубок 106
Выводы по главе 3 120
4. Натурные исследования отработки кимберлитовых трубок с комбайновой выемкой и закладкой выработанного пространства в условиях рудника «интернациональный» 123
4.1 Краткая геологическая характеристика участка 125
4.2 Результаты опытно-промышленных испытаний 127
4.3 Влияние площади поперечного сечения очистных выработок на производительность комбайнового комплекса 131
4.4 Влияние очередности выемки заходок в слое на производительность комбайнового комплекса 133
4.5 Влияние длины доставки на производительность добычного комплекса 135
выводы по главе 4 137
5 Обоснование технологических схем и параметров высокоинтенсивной подземной разработки коренных месторождений кимберлитов (на примере рудника «интернациональный») 139
5.1 Выбор конкурирующих вариантов базовых типов технологических схем для сравнения 139
5.2 Сравнение интенсивности конкурирующих вариантов сучетом влияющих факторов 141
5.3 Сравнение конкурирующих вариантов по переменным затратам 144
Заключение 147
Литература 149
- Влияние основных факторов на интенсивность разработки кимберлитовых месторождений слоевыми системами разработки с закладкой выработанного пространства и комбайновой отбойкой
- Моделирование изменения напряженно-деформированного состояния породного, рудного и искусственного массивов при различном порядке и последовательности выемки запасов
- Влияние очередности выемки заходок в слое на производительность комбайнового комплекса
- Сравнение интенсивности конкурирующих вариантов сучетом влияющих факторов
Введение к работе
Актуальность. С момента образования в нашей стране в середине 50-х годов прошлого века алмазодобывающей промышленности и по настоящее время основную часть алмазоносных кимберлитов извлекают открытым способом. В дальнейшем восполнение выбывающей минерально-сырьевой базы алмазодобывающей промышленности будет обеспечиваться за счет расширения удельного веса подземного способа добычи.
Качество добываемого сырья существенно зависит от принятого способа разрушения руд. Теоретически и экспериментально доказано, что механический способ выемки кимберлитов комбайнами способствует росту стоимости продукции на 10-14% за счет повышения выхода крупных фракций алмазов. Поэтому при разработке кимберлитовых месторождений с высокой ценностью руды применяется геотехнология с комбайновой выемкой руды и закладкой выработанного пространства.
В ближайшей перспективе подземным способом будут разрабатывать участки месторождений кимберлитов, характеризующихся большей сложностью горно-геологических условий - расположенные на значительной глубине, вблизи водоносных горизонтов и выработанных пространств карьеров.
Поэтому изыскание решений, позволяющих обеспечить высокопроизводительную работу комбайновых комплексов и эффективность подземных горных работ при освоении месторождений кимберлитов в широком диапазоне условий разработки, является актуальной научной и практической задачей.
Целью работы является обоснование рациональных параметров геотехнологии с комбайновой выемкой и закладкой выработанного пространства, обеспечивающих высокую эффективность подземной разработки коренных месторождений кимберлитов в усложняющихся условиях разработки.
Идея работы заключается в повышении эффективности использования комбайнов при разработке месторождений кимберлитов за счет выбора параметров геотехнологии с учетом взаимосвязей технологических и геомеханических процессов разработки.
Методы исследований включают обобщение и систематизацию первичной геоинформации, анализ мирового опыта разработки коренных месторождений алмазоносных кимберлитов, математическое моделирование геомеханических процессов с применением компьютерных технологий, натурные исследования в шахтных условиях, опытно-промышленные испытания и внедрение предлагаемых технологий на рудниках АК «АЛРОСА».
Объект исследований - коренные месторождения алмазоносных кимберлитов Якутии.
Защищаемые положения:
Структура геотехнологии разработки коренных месторождений кимберлитов с комбайновой выемкой и закладкой выработанного пространства определяется следующими параметрами: направление развития горных работ по вертикали, порядок выемки запасов в слое, число рабочих уровней в пределах фронта очистных работ, количество стадий формирования очистных выработок.
Параметры фронта очистных работ определяются с учетом вариации производительности комбайна, изменчивости формы рудного тела, порядка выемки запасов, количества добычных комплексов в одновременной эксплуатации и размеров очистных выработок.
Порядок выемки запасов практически не влияет на максимальную величину и распределение повышенных сжимающих напряжений в зоне влияния горных работ, которые определяются соотношением деформационных свойств рудного, породного и закладочного массивов, но оказывает существенное влияние на величину растягивающих напряжений, деформаций и вертикальных смещений.
При ведении работ вблизи выработанных пространств карьеров и водоносных горизонтов, в зависимости от линейных размеров месторождения в плане, следует применять выемку клинообразным фронтом в восходящем порядке с приданием кровле выработок наиболее устойчивой сводообразной формы, либо послойную выемку в восходящем порядке с разнесением добычных участков по вертикали.
Достоверность научных положений и выводов подтверждается представительностью используемой в расчетах информации; удовлетворительной сходимостью результатов расчетов и данных экспериментальных исследований в натурных условиях; апробацией результатов на производстве и в широком кругу специалистов.
Научная новизна заключается в:
- систематизщации геотехнологии разработки кимберлитовых
рудных тел с комбайновой выемкой и закладкой выработанного
пространства, позволяющей выбирать наиболее производительные
варианты ведения горных работ в зависимости от природных и
технологических факторов.
разработке методики определения параметров фронта очистных работ, обеспечивающих максимальную производительность комбайнового добычного комплекса и интенсивность подземных горных работ.
выявлении закономерностей изменения напряженно-деформированного состояния массива горных пород в зоне ведения очистных работ в зависимости от порядка и последовательности отработки запасов, позволяющих обосновать параметры геотехнологии, обеспечивающие безопасное ведение горных работ.
- совершенствовании методики расчета эксплуатационной производительности комбайна за счет учета влияния площади сечения, формируемой за один ход комбайна.
Практическая значимость работы состоит в разработке нового подхода к обоснованию параметров геотехнологии разработки коренных месторождений кимберлитов с комбайновой выемкой и закладкой выработанного пространства, позволяющего за счет определения порядка и последовательности выемки запасов, параметров очистных выработок, применения разработанных технологических схем с двустадийным формированием очистных выработок повысить эффективность и безопасность горных работ в широком диапазоне горно-геологических и горнотехнических условий разработки и внедрении разработанных технических решений на подземных рудниках АК «АЛРОСА».
Реализация результатов исследований. Результаты исследований использованы при разработке программ-методик и локальных проектов на проведение опытно-промышленных испытаний слоевой системы разработки с увеличенными параметрами очистных выработок на подземных рудниках «Интернациональный» и «Мир» и при корректировке проектных решений отработки запасов блока № 1 рудника «Мир», а также при разработке технологической инструкции по применению слоевой системы разработки на подземных рудниках «АК «АЛРОСА».
Апробация работы. Основные научные положения и результаты исследований докладывались на конференциях: «Неделя горняка» (Москва, 2005, 2009), «Новые идеи в науках о Земле» (Москва, 2007), Международная научная школа молодых ученых и специалистов «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых» (Москва, 2005, 2008, 2010), «Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды» (Новосибирск, 2010), «Проблемы и пути эффективной отработки алмазоносных месторождений» (Мирный, 2011).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка из 91 наименования, приложения и содержит 154 страницы, 41 таблицу, 43 рисунка.
Влияние основных факторов на интенсивность разработки кимберлитовых месторождений слоевыми системами разработки с закладкой выработанного пространства и комбайновой отбойкой
Вмещающие породы характеризуются моноклинальным залеганием с падением пластов на ЮВ под углом 13-17, осложненным малоамплитудными (первые сантиметры - первые десятки сантиметров) сбросами и локальными антиклинальными складками с размахом крыльев 2-5 м.
Контакты с рудным телом отчетливые, резкие, нелинейные, часто трассируются прожилками галита мощностью 1-5 см. Нередко в зонах экзоконтакта вмещающие породы брекчированы с последующей цементацией обломков галитом, ангидритом. Мощность зон дробления достигает нескольких метров.
Основным гидрогеологическим объектом района является метегеро- ичерский водоносный комплекс, залегающий под толщей многолетнемерзлых пород, которые являются его верхним водоупором. Абсолютные отметки кровли водоносного комплекса в» районе месторождения, находятся в интервале +50-60 м. Подошва метегеро- мчерского водоносного комплекса в районе месторождения залегает в отм. -130/150 м. Водосодержащие породы представлены трещиноватыми и кавернозными доломитами и известняками с прослоями менее проницаемых гипс-ангидритов и глинистых доломитов. Метегерская свита представлена переслаивающимися доломитами и известняками. В ичерской свите преобладают известняки. Отложения этой свиты имеют более высокие фильтрационные свойства по сравнению с коллекторами метегерской свиты за счет того, что в них наряду с кавернозной составляющей пористости значительную рольиграет трещиноватость.
Метегеро-ичерский водоносный комплекс имеет региональное распространение. Область питания его находится на юге, где распространены сквозные талики. Естественная разгрузка подземного потока происходит в тектонических зонах дробления по рекам М. Ботуобии, Мурбаю, Вилюю. Направление естественного потока - северное и северо-западное. В настоящее время, под действием работы водоотлива на карьере «Мир» и обратной закачки рассолов направление потока изменилось и приобрело сложный планово-пространственный характер. Мощность водоносного комплекса изменяется в пределах 150-200 м, он состоит из 9 коллекторов (основной по водопроводимости - 8-й коллектор). В районе трубки «Интернациональная» средний интервал залегания 8-го коллектора находится в отм. -43 -84 м. Хорошо проницаемые коллектора, приуроченные к карбонатным трещиновато-пористым породам, разделены относительно менее проницаемыми прослоями, однако в целом МИВК рассматривается как единая гидравлическая система, имеющая региональное распространение.
Химический состав подземных вод представлен рассолами хлоридно- натриевого состава с минерализацией от 35 до 320 г/л. Рассолы МИВК имеют отрицательную температуру (-2С) и содержат растворенные природные газы. Состав газов преимущественно углеродно-азотный. Среди углеводородных газов преобладает метан, содержание которого составляет 70-75 % от всего количества растворимых газов. Содержание тяжелых углеводородов не превышает 3-5 %. Концентрация азота в растворимых газах составляет 20-25 %.
Эффективная мощность единственного ниже расположенного водонасыщенного коллектора олекминской свиты в пределах отметок минус 625-650 метров не превышает 3 метров. Рассолы в этом коллекторе относятся к хлоридно-кальциевому типу, их минерализация до 400г/л, рН равняется 3,7—5,6. Отмечается очень высокое содержание брома, щелочно-земельных элементов и стронция. Плотность рассолов около 1,27г/см . Растворенный сероводород отсутствует. Вода обладает общекислотной и магнезиальной агрессивностью по отношению к бетону и металлам. Водопроводимость пород очень низкая и не превышает 0,0003м2/сутки.
Специфической особенностью месторождения, как и большинства коренных месторождений алмазов Якутии, является насыщенность рудного тела, вмещающих пород и подземных вод нефтью, битумом и газом, связанная с глубинной миграцией их из нижней части разреза по разрывным нарушениям и зонам дробления.
Физико-механические свойства кимберлитов и вмещающих пород отличаются высокой относительной изменчивостью, что характерно для пород низкой и средней прочности. Наиболее прочными являются «чистые» разности пород: доломиты и известняки. Прочностные свойства вмещающих пород увеличиваются с глубиной. Так их прочность на одноосное сжатие составляет на глубине 0-500 м - 20 МПа; 500-800 м - 32 МПа; 800-1000 м - 48 МПа,
Прочность кимберлитов в меньшей степени зависит от глубины, что объясняется их генетическими особенностями и больше зависит от степени трещиноватости и близости тектонических нарушений; состава и прочности вмещающих пород, наличия- подмерзлотных вод и- прослоев галита, содержания оливина в кимберлите и степени его серпенитизации:
Большое влияние на прочность и устойчивость кимберлита в условиях ограниченной площади трубки оказывает вода и- техногенное воздействие горных работ (очистные работы, бурение геологоразведочных и закладочных скважин).
Трубка «Мир» на верхних горизонтах имеет овальную форму в плане, вытянутую в северо-западном направлении, переходящую на глубине более 300 м в цилиндрический канал. В интервале глубин 600-1200 м форма тела усложняется. Горизонтальные сечения на этих глубинах приобретают удлиненно-овальные очертания. Так на глубине 500 м от поверхности размеры трубки в плане составляют 310x140 м, на глубине 815 м - 370x120 м, а на глубине 1015 м-уже 400x60 м.
Рудное тело сложено кимберлитовыми породами, образовавшимися в результате двухфазового внедрения кимберлитовой магмы. Около 90 % объема составляют разновидности брекчий, образовавшихся во вторую фазу, которые характеризуются меньшей степенью раздробленности, чем кимберлиты первой фазы внедрения. Прочность кимберлитов на одноосное сжатие составляет в среднем 15-25 МПа, на отдельных участках до 50 МПа и более. Трещиноватость руды средняя (от 2 до 10 трещин на 1 п.м.). Практически все трещины залечены галитом.
Состав и характеристики вмещающих пород трубки «Мир», а также гидрогеологические условия в целом идентичны таковым на трубке «Интернациональная».
Верхняя часть трубки «Мир» отработана карьером глубиной 505 м до отм.-190 м. В отличие от трубки «Интернациональная», где метегеро- ичерский водоносный горизонт расположен в интервале, предназначенном для отработки подземным способом, здесь он полностью пересечен карьером. Водозащита карьера и рудника обеспечивается системой дренажных скважин и специальных выработок. Откачиваемые рассолы утилизируют в зоны тектонических разломов [36].
Кимберлитовая трубка «Айхал» представляет собой крутопадающее сплюснуто-трубчатое тело, которое имеет в поперечном сечении дайкообразную форму с неправильными очертаниями образующего контура и соотношением в плане короткой и длинной осей 1:6,4. Простирание кимберлитового тела - северо-восточное 63. Протяженность тела на поверхности по длинной оси составляет 510 м, ширина - от 50 до 120 м, в среднем - 82,5 м.
На глубине 126 м (абс. отм. +374 м) от поверхности единое рудное тело разделяется на два самостоятельных рудных тела: юго-западное и-северо- восточное, изолированные друг от друга массивом вмещающих карбонатных пород. В свою очередь северо-восточное рудное тело на глубине около 620 м ( - 120 м абс.) также разделяется на два рудных столба: западный и восточный. Таким образом, трубка «Айхал» на глубоких горизонтах делится на три рудных тела.
Кимберлиты, слагающие северо-восточное рудное тело, представлены порфировыми кимберлитами (ПК) и кимберлитовыми брекчиями (КБ). Кимберлитовые брекчии составляют основной объем северо-восточного рудного тела (до 99 %), порфировые кимберлиты встречаются в нем лишь в виде мелких единичных обособлений.
Прочность кимберлитов на сжатие и колеблется от 10-20 МПа до 4050 МПа со средним объемным весом 2,4 т/м . По вещественному составу и алмазоносности обе разновидности кимберлитов лишь незначительно отличаются друг от друга и относятся к одному технологическому типу.
Моделирование изменения напряженно-деформированного состояния породного, рудного и искусственного массивов при различном порядке и последовательности выемки запасов
Начиная с 2003 г. от восходящего порядка выемки на руднике полностью отказались из-за проблем с поддержанием естественной кровли очистных выработок. Потеря устойчивости рудного массива происходила в виде интенсивного вывалообразования, из-за чего выработки приходилось полностью закреплять рамными крепями с полной затяжкой кровли. Из-за высокой трудоемкости крепления производительность комбайнового комплекса в выработках с естественной кровлей снижалась с 220 тыс. тонн до 80 тыс. тонн руды в год, то есть более чем в 3 раза.
На данный момент отработку ведут следующим образом. Рудное тело по вертикали разбивается на выемочные секции. Каждая выемочная секция состоит из 6 слоев высотой 4-4.75 м. Вертикальная мощность секции составляет 27 м. Разрезной слой каждой новой секции вынимают тупиковыми заходками с креплением неполными окладами и затяжкой. Остальные слои отрабатывают тупиковыми заходками нисходящим порядком под искусственной кровлей [37].
Отработка слоев в нисходящем порядке под защитой искусственной кровли обеспечивает безопасные условия для работы людей и оборудования в очистных заходках. Вместе с тем, в нижних 2-3 слоях каждой секции отмечается интенсивная техногенная трещиноватость - субгоризонтальной ориентации в центре очистных заходок и крутонаклонная в торцевых частях. Раскрытие трещин достигает 1-1,5 см и более.
Как отмечено выше, переход на систему разработки с нисходящим порядком выемки слоев произошел из-за проблем с поддержанием устойчивости рудной кровли очистных выработок без крепления. Между тем до начала отработки кимберлиты обладали достаточной устойчивостью, что подтверждается длительным стоянием незаложенных и незакрепленных очистных выработок первого слоя с пролетами 6-10 м. Устойчивость очистных выработок резко снизилась после отработки 3-4 слоев первых двух секций и после образования дополнительных разрезок. Следовательно, снижение устойчивости вызвано техногенным ослаблением кимберлитов в сочетании с изменением напряженно-деформированного состояния горного массива в результате ведения горных работ.
При сравнительно небольшой площади в плане горные работы на трубке «Интернациональная» в настоящее время ведутся-в 3—4 выемочных секциях одновременно с общим- понижением- около 40 м/год, что обуславливает высокую интенсивность развития геомеханических процессов.
По мере отработки рудный массив, отделяющий одну секцию от другой, заменяется искусственным массивом со значительно меньшим модулем деформации, при этом происходит перераспределение напряжений, в результате чего постоянно уменьшающийся рудный целик подвергается высоким горизонтальным сжимающим напряжениям, что приводит к разрушению кимберлитов.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что интенсивное техногенное преобразование горного массива, обусловлено: послойной выемкой запасов одновременно в нескольких добычных секциях; наличием значительных объемов незаложенных пространств; контактом массива кимберлитов с рудничной атмосферой и технологической водой. В дальнейшем ухудшение горно-геологических и горнотехнических условий разработки, снижение производительности комбайновых комплексов, неустойчивость горных выработок могут привести к снижению интенсивности и безопасности подземных горных работ. Анализ проектных материалов по технологии очистных работ с комбайновой отбойкой руды, разработанных для подземных рудников «Айхал», «Мир» показал, что в качестве основной системы для этих месторождений рассматривается система горизонтальных слоев с закладкой с нисходящим порядком выемки, а основные решения по технологии очистных работ, такие как сечения очистных выработок, порядок и последовательность выемки запасов, схемы организации фронтов очистных работ приняты по аналогии с рудником «Интернациональный».
Практика разработки, кимберлитовых месторождений, показывает, что их отработку в России и за рубежом ведут комбинированным способом, применяя последовательную схему ведения горных работ. На первом, этапе осуществляют выемку карьерных запасов. Затем, после постановки карьера в граничные контуры, начинают подземную разработку оставшихся подкарьерных и прибортовых запасов.
За рубежом в основном применяют технологии с принудительным обрушением руд и вмещающих пород либо с самообрушением, при этом потери полезного ископаемого в недрах, как правило, составляют около 20 %, а разубоживание - 20-30 %, однако низкая ценность руды делает оправданными такие показатели. Варианты применяемых систем разнообразны и практически не дублируются при разработке разных рудных тел.
В ближайшее десятилетие в нашей стране подземным способом будут отрабатывать трубки с высокой либо средней ценностью руды, поэтому наибольшее применение найдут слоевые системы разработки с закладкой, преимущественно с комбайновой отбойкой, поэтому опыт подземной разработки зарубежных кимберлитовых трубок с невысокой ценностью руды системами с обрушением неприменим для отечественных месторождений.
Характерной особенностью алмазоносных месторождений России является разнообразие условий залегания кимберлитовых трубок, их размеров и форм, наличие горно-геологических факторов, осложняющих условия разработки. К ним, прежде всего, относятся: высокая степень обводненности ряда месторождений, наличие нефте- и газопроявлений во вмещающих породах, зачастую низкая прочность руд и пород, высокая засоленность подземных вод и наличие в, них растворенного сероводорода, при этом даже в пределах одного месторождения условия разработки» не являются постоянными, в вертикальном разрезе изменяются гидрогеологические условия, прочность руды и вмещающих пород и другие- показатели.
Результаты проведенных ранее исследований, отраженные в работах академиков Н.В. Мельникова, К.Н. Трубецкого, чл.-корр. РАН Д.Р. Каплунова, а также В.Д. Барышникова, Л.И. Бурцева, И.И. Айнбиндера, Н.Ф. Замесова, В.А. Звекова, Н.К. Звонарева, М.А. Иофиса, В.Н. Калмыкова, В.И. Клишина, Н.П. Крамскова, Е.В. Кузьмина, Ю.И. Родионова, М.В. Рыльниковой, И.Н. Савича, A.A. Смирнова, А.Р. Узбековой и других ученых, дают возможность в целом определить основные положения по подземной разработке запасов отечественных кимберлитовых месторождений.
В то же время недостаточно изученными остаются вопросы, связанные с влиянием осложняющих разработку природных и техногенных факторов на выбор параметров геотехнологии с комбайновой выемкой и закладкой выработанного пространства. Это подтверждается тем фактом, что технологические решения по отработке различающихся по условиям месторождений, таких как «Мир» и «Айхал», принимают по аналогии с рудником «Интернациональный», в то время как даже в пределах этого месторождения условия разработки серьезно различаются, что требует соответствующих изменений технологии.
Влияние очередности выемки заходок в слое на производительность комбайнового комплекса
Аналитические методы исследования напряженно-деформированного состояния массива горных пород вокруг выработанных пространств дают возможность решения ограниченного количества практически важных задач. Получить решение в виде конечной формулы удается лишь для выработок круговой формы в предположении большой глубины их заложения.
Поэтому в последние десятилетия, особенно с развитием вычислительной техники, для оценки напряженно-деформированного состояния массивов горных пород применяют численные методы математического моделирования (конечно-разностный метод, метод граничных интегральных уравнений, метод конечных элементов) из которых наиболее широкое распространение получил метод конечных элементов [61-63].
Достоверность результатов моделирования зависит от того, насколько принятая модель физического объекта отражает его наиболее важные для данного исследования свойства [64], то есть при математическом моделировании необходимо учитывать только те факторы, которые оказывают определяющее влияние на напряженно-деформированное состояние отрабатываемого горного массива.
Число математических моделей для описания деформирования реальных горных пород может быть сколь угодно велико, но все они являются различными сочетаниями основных классических моделей - упругого, пластического и идеально вязкого тела [65,66].
Массив горных пород никогда не бывает однородным по своим свойствам, поэтому создание модели, полностью отражающей объект моделирования, является едва ли выполнимой задачей. Однако применение сравнительно простых математических моделей как правило также хорошо согласуется с результатами практики.
Наиболее простой и удобной- в применении является модель. упругой среды. Несмотря», на то, что она не всегда корректно отражает поведение реальных массивов, упругая, модель, обладает важным свойством - ее применение обеспечивает получение верхних максимально возможных значений напряжений и минимально возможных значений деформаций- для изучаемых объектов.
Рядом исследований показано, что для скальных и полускальных пород на сравнительно малых глубинах, когда массив- находится в зоне упругих деформаций ее применение вполне правомерно [91], однако, если массив находится в предельном, либо запредельном напряженном состоянии, решение- задачи в упругой постановке, очевидно, будет иметь значительную погрешность.
Применение более сложных математических моделей, с использованием пластических и вязких свойств дает более точные результаты, однако получение решения не всегда является возможным, вследствие того, что вычисление уравнений матрицы жесткости системы выполняют итерационным методом и при этом не всегда возможно добиться сходимости решения. Это происходит, когда точка, характеризующая НДС, находится с наружной стороны огибающей кругов Мора, что свидетельствует о разрушении массива в некоторых элементах. Однако такие точки, как правило, приурочены к концентраторам напряжений, имеющим место в модели, но отсутствующих в реальных условиях.
Кимберлиты и большая часть вмещающих кимберлитовые трубки пород (доломиты, долериты, ангидриты, известняки) проявляют пластические свойства только при высоких уровнях напряжений 100-300 МПа, а при. уровне напряжений, действующих на глубинах, достижимых в обозримом будущем, только каменная соль обнаруживает способность к пластической деформации [67,68].
При выборе модели пластической среды для каменной соли необходимо учитывать особенности ее деформирования при низких (много - меньших 100 МПа) давлениях. Поскольку заметного деформационного упрочнения, при таких давлениях не наблюдается, пластическая ветвь» на диаграмме «напряжения-деформации» горизонтальна, и в расчетах можно рассматривать модель идеально-пластической среды без упрочнения.
При рассматриваемых давлениях и статическом нагружении явление разуплотнения в результате пластической деформации проявляется слабо [68]. Поэтому изменениями плотности можно пренебречь и рассматривать модель пластической среды без разуплотнения, считая, что объемные деформации происходят лишь на стадии упругого деформирования. Таким образом, для каменной соли допустимо в качестве модели пластической среды принять модель упругого идеально пластического тела без упрочнения, деформирующегося в пластической области без разуплотнения [69-71].
Для обоснования возможности решения задач в упругой постановке были поставлены и рассчитаны методом конечных элементов две тестовые задачи с одинаковыми граничными условиями. Рассчитывалось напряженно- деформированное состояние вокруг одиночной горизонтальной выработки, имеющей в поперечном сечении форму круга. Такая форма сечения выработки была принята, с целью исключить искажающие влияние углов, которые являются концентраторами напряжений. Поведение среды в одном случае описывалось моделью упругой среды, а во втором — моделью идеально- пластической среды без упрочнения.
Поведение упругой среды характеризуется модулем упругости (Е) и коэффициентом Пуассона (у), а в случае пластической среды к этим характеристикам прибавляется также угол внутреннего трения (ф) и коэффициент сцепления (С). Данные для расчета приведены в табл. 3.1. Действующие нагрузки были выбраны таким образом, чтобы модель с пластическими свойствами переходила в предельное напряженное состояние и при этом в массиве возникали зоны пластических деформаций.
Сравнение интенсивности конкурирующих вариантов сучетом влияющих факторов
Устойчивость кровли в заходках определяется глубиной ведения работ и прочностью кимберлита. Расчеты показывают, что при отработке подэтажа высотой 30 м в восходящем порядке на уменьшающуюся в процессе выемки слоёв рудную потолочину, при глубине ведения работ до отм. —380 м и прочности кимберлита 25-30 МПа, в устойчивом состоянии будут находиться заходки трёх первых слоёв, в пределах отм. -380/-470 м и прочности кимберлита 30-35 МПа - первых двух слоёв, ниже отм. -470м - только первого слоя.
Условия формирования напряженного состояния рудного массива при нисходящем порядке выемки слоев аналогичны восходящему порядку, с той лишь разницей, что горизонтальные напряжения здесь концентрируются в почве слоя. Устойчивость кровли заходок и требования к ее обеспечению определяются состоянием несущего слоя закладки. Несмотря на различия в характере формирования напряжений при доработке зон стыковки подэтажей при нисходящей выемке (высокая концентрация горизонтальных напряжений), обеспечивается устойчивость рудного массива.
Таким образом, математическое моделирование геомеханических процессов послойной выемки показало следующее: применение систем с послойной выемкой запасов при одновременной работе нескольких подэтажей вызывает развитие высоких горизонтальных напряжений, которые могут привести к разрушению рудного массива в кровле выработок и вызвать потерю их устойчивости; стабилизация величины опорного давления происходит при достижении вертикального пролета подработки 100 метров; вертикальные напряжения в бортах заходок первой очереди отработки ниже отм. - 380 м и в бортах заходок второй очереди — ниже отм. — 200 м будут превышать среднюю прочность кимберлита на сжатие и состояние бортов заходок будет неустойчивым. Натурные наблюдения, проводившиеся ИГД СО РАН, УРАН ИПКОН РАН и институтом «Якутнипроалмаз» подтвердили результаты расчетов. Таким образом, при ведении очистных работ в нескольких уровнях в пределах этажа устойчивость очистных выработок независимо« от первоначальных физико-механических свойств кимберлитов может быть обеспечена только при нисходящем порядке выемки, вследствие увеличения концентрации горизонтальных напряжений в процессе отработки запасов подэтажа и замещения рудного массива искусственным. 1. Безопасность подземной отработки запасов под дном частично затопленных карьеров и под водоносными горизонтами достигается за счет сплошности налегающего массива и исключения условий для образованиям, нем сквозных водопроводящих трещин и определяется соотношением максимальных вертикальных смещений массива; гидростатического напора, критических деформаций и минимально- допустимой мощности предохранительного целика:. 2. На основании математического моделирования напряженно- деформированного состояния методом конечных элементов установлено, что уровень растягивающих напряжений, растягивающих деформаций и вертикальных смещений массива, определяющих устойчивость горных выработок и сплошность налегающего массива в зоне ведения работ зависит от порядка ведения горных работ, конструктивных параметров системы разработки и деформационных свойств закладочных массивов. 3. Моделирование напряженно-деформированного состояния5 методом последовательных циклов с учетом порядка выемки запасов показало, что наиболее благоприятные условия обеспечивает схема, с выемкой- запасов клинообразным фронтом при которой, по сравнению с послойной выемкой, уровень растягивающих напряжений в налегающем массиве меньше на 37 %, а уровень вертикальных смещений - меньше на 23 %. Промежуточные значения растягивающих напряжений и вертикальных смещений получены для варианта с камерно-целиковым порядком выемки и ведением работ в двух уровнях. 4. Безопасное ведение работ высокоинтенсивными геотехнологиями с применением комбайновой отбойки и закладкой выработанного пространства возможно только при выполнении определенных требований к порядку ведения работ и к физико-механическим свойствам закладочного массива. Наиболее благоприятный характер развития напряженно- деформированного состояния горного и закладочного массивов обеспечивает слоевая система разработки со сплошным порядком выемки руды от центра трубки к ее флангам, клинообразным фронтом очистных работ с восходящим порядком выемки. При этом безопасный уровень растягивающих горизонтальных напряжений, вертикальных смещений, горизонтальных и вертикальных деформаций кимберлитов в зоне ведения очистных работ и, прежде всего, во временном разделительном целике, достигается только при определенном соотношении деформационных свойств закладочного и горного массивов. 5. Показано, что определение допустимых пролетов обнажений очистных выработок при нисходящем порядке выемки следует производить на основе нормативной прочности закладочного массива в кровле выработки, а при восходящем порядке выемки — на основе многопараметрической рейтинговой классификации массива, которая учитывает выход керна, обводненность, размер элементарного блока, глубину заложения выработки, предел прочности пород на сжатие, характеристику трещиноватости массива, объемы и параметры выработки, направление проходки относительно систем трещин. 6. Восходящий порядок выемки возможен только при ведении очистных работ одним фронтом. При ведении очистных работ в нескольких уровнях в пределах этажа устойчивость очистных выработок независимо от первоначальных физико-механических свойств кимберлитов может быть обеспечена только при нисходящем порядке выемки, вследствие увеличения концентрации горизонтальных напряжений в процессе отработки запасов подэтажа и замещения рудного массива искусственным.
