A STABILITY ASSESSMENT OF ROOF ROCKS IN THE WORKINGS OF THE “AIKHAL” MINE

ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ ПОРОД КРОВЛИ ВЫРАБОТОК МЕСТОРОЖДЕНИЯ «АЙХАЛ»

Научная статья

Алексеев А.М.^1, *, Петрова Л.В.², Альков С.П.³, Сивцева А.И.⁴

^{1, 2, 3, 4} Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова, Якутск, Россия

* Корреспондирующий автор (am.alekseev[at]s-vfu.ru)

Аннотация

Статья посвящена вопросам оценки устойчивости пород кровли очистных выработок при подземной разработке россыпного месторождения. Приведена геологическая характеристика алмазоносного месторождения «Айхал», описаны состав и свойства породного массива. В ходе работы были изучены вопросы по предварительной оценке устойчивости пород кровли по методике Д. Лобшира (MRMR – Mining Rock Mass Rating). Произведены расчеты для определения устойчивости кровли очистных выработок месторождения алмазов «Айхал» по рейтинговой классификации Д. Лобшира, которая нашла широкое применение на сегодняшний день в вопросах устойчивости породного массива. Итоги расчетов сведены в итоговую таблицу результатов расчета рейтинга MRMR для условий вмещающих пород, вмещающие породы приконтактной зоны и рудного тела. По результатам расчетов рейтинга породного массива по геомеханической классификации Д. Лобшира для условий алмазоносной трубки «Айхал» сделаны выводы по определению класса устойчивости пород кровли и выбору системы разработки.

Ключевые слова: рудное месторождение, устойчивость пород, кровля, класс устойчивости, система разработки, рейтинговая классификация.

A STABILITY ASSESSMENT OF ROOF ROCKS IN THE WORKINGS OF THE “AIKHAL” MINE

Research article

Alekseev A.M.^1, *, Petrova L.V.², Alkov S.P.³, Sivtseva A.I.⁴

^{1, 2, 3, 4} M. K. Ammosov North-Eastern Federal University, Yakutsk, Russia

* Corresponding author (am.alekseev[at]s-vfu.ru)

Abstract

The article examines the issues of assessing the stability of the roof rocks during the underground development of a placer accumulation. The study provides geological characteristics of the Aikhal diamond mine and describes the composition and properties of the rock mass. In the course of the study, the authors examine the preliminary assessment of the stability of roof rocks using the method of D. H. Laubscher (MRMR — Mining Rock Mass Rating). The study determines the stability of the roof of stopes of the Aikhal diamond mine according to the rating classification of D. H. Laubscher, which is widely used today in the issues of rock mass stability. The research summarizes the results of the calculations in the final table of the MRMR rating for the conditions of host rocks of the contact zone and the ore body. The study makes conclusions on determining the stability of roof rocks and choosing the system of development based on the results of calculations of the rock mass rating according to the geomechanical classification of D. H. Laubscher for the conditions of the Aikhal kimberlite tube.

Keywords: ore deposits, the stability of rocks, roof, the stability of the system development, rating classification.

Месторождение трубка «Айхал» открыто в январе 1960 г., оно расположено в приполярной зоне северо-восточной части Средне-Сибирского плоскогорья, в бассейне верхнего течения реки Марха, в 400км к северу от г. Мирный, на территории Мирнинского района Якутии.

В 2000 году институтом «Гипроникель» был разработан первый технический проект на строительство подземного рудника «Айхал», предусматривающий отработку подкарьерных запасов до отм.–100м системами подэтажного обрушения. Всего по учету принято балансовых запасов по месторождению в отметках +150м/-100м, - 7,4 млн.т. руды.

В 2003 году (21.05.2003г. и 27.07.2003г.) при ведении горных работ на отметке +192м, из дна карьера произошел прорыв илов в горные выработки. По результатам расследования причин прорыва и на основании протокола по Компании (№ 02-27-03-/87 от 08.07.2003г), было принято решение о переходе на отработку подкарьерных запасов слоевой системой с твердеющей закладкой и механической (комбайновой) отбойкой руды, под защитой предохранительного барьерного целика.

В данное время на месторождении алмазов «Айхал» технология горных работ ориентирована на слоевые системы разработки с закладкой и комбайновым способом отбойки кимберлита [1].

В связи с особо сложными гидрогеологическими условиями месторождения необходимо многократно возвращаться к вопросам устойчивости пород, определению степени обрушаемости, обоснованию порядка ведения горных работ и т.д.

В данной работе приводятся расчеты по определению рейтинга массива горных пород с использованием классификации Д. Лобшира для условий месторождения «Айхал».

В настоящее время в мировой практике наиболее многофункциональной и практичной является рейтинговая классификация Лобшира (MRMR), которая представляется в виде блок-схемы [2], [3], [6].

Рассмотрим пример использования данной классификации на руднике «Айхал», в результате которого получим проектные решения технологии горных работ.

В районе месторождения выделяются 3 типа подземных вод: над-, меж- и подмерзлотные. Надмерзлотные воды не оказывают практического влияния на обводненность месторождения.

Межмерзлотные воды залегают в приподошвенной части многолетнемерзлых пород на глубине 260-340 м (+240/+160 м абс.), характеризуются низкой водообильностью (до 4,8 м³/сут) и отсутствием нефтегазопроявлений. Подмерзлотные воды встречены в интервале абс.отм. от -10 м до -480 м. Межмерзлотные и подмерзлотные воды представлены рассолами с минерализацией от 74,3 г/л до 348,7 г/л. Рассолы агрессивны по отношению к бетону и металлу.

Источником водопритоков в подземные горные выработки являются межмерзлотные воды. При отработке верхних горизонтов водопритоки возникают также от снеготаяния и ливневых дождей. По данным рудника «Айхал» за 1999 г. максимальный приток составил 9100м3/сутки (за 8 часов).

Притоки к гор. +100м, -100м поступают за счет рассолов верхнекембрийского водоносного комплекса в количестве 150-200м3/сутки или 6-8,3 м³/ч.

Район месторождения Айхал принадлежит к Тунгусскому криоартезианскому бассейну. На территории района развиты многолетнемерзлые породы, входящие в криолитозону общей мощностью до 720 м. Наиболее низкие температуры этой толщи отмечаются в приповерхностной части (-4.2°С), нулевая изотерма проходит на глубине около 700 м (–200 м).

Слеживаемость и смерзаемость кимберлитовых руд, в силу их естественного переохлаждения и слабой льдистости, минимальные, поэтому дополнительных затрат на их рыхление не требуется.

Подкарьерные запасы представляют собой переохлажденный массив вследствие влияния отрицательных зимних температур, поэтому для установления истинного температурного режима подземного комплекса необходимо специализированное исследование этой части массива в процессе отработки месторождения.

Рудное тело трубки Айхал отвечает диатреме с каналами трещинного типа. В структурном отношении трубка приурочена к рудовмещающей тектонической зоне северо-восточного простирания, оперяющей субмеридиональный глубинный разлом вдоль современной долины реки Сохсолоох. Проведенными работами установлено, что породы нижнего палеозоя вдоль рудовмещающей зоны северо-восточного простирания, в пределах которой расположена трубка Айхал, характеризуются повышенной степенью трещиноватости по сравнению с фоновой. Зоны повышенной трещиноватости вмещающих пород появляются обычно за 4-5 м до контакта с рудным телом и сопровождаются многочисленными зеркалами скольжения (скв. 8 в, 29 и др.) [7].

Тектонические зоны брекчирования карбонатных пород, нередко инъецированные кимберлитовыми дайками, вскрываются многочисленными скважинами в околорудном пространстве на различных расстояниях от рудного тела, в т.ч. и непосредственно вдоль его экзоконтактов. На флангах по простиранию мощность зоны брекчирования уменьшается до выклинивания. Эта зона сложена тектонической карбонатной брекчией, представленной мелко- и среднеобломочным материалом карбонатных пород (доломиты, глинистые доломиты, реже доломитовые конгломераты), сцементированных глинисто-карбонатным и разнозернистым карбонатным цементом. Другая субвертикальная тектоническая зона дробления вмещающих пород приурочена к юго-западному флангу северо-восточного рудного тела. Тектоническая зона сопровождается крутопадающей дайкой кимберлита мощностью 1.5-2 м. Выше по разрезу между отм. +150 и +195 м расстояние зоны брекчирования от северного контакта рудного тела предположительно составит 7-13 м. Тектоническая зона сложена карбонатной брекчией и представлена обломками известковистых и глинистых доломитов, интенсивно трещиноватых и, нередко, с зеркалами скольжения. Блок вмещающих пород, расположенный между зоной брекчирования и рудным телом, также сложен интенсивно трещиноватыми породами с нарушенным первичным их залеганием.

Между северо-восточным и юго-западным рудными телами предполагается наличие зоны дезинтегрированных карбонатных пород, которые могут влиять на их устойчивость при подземной отработке. При подземных горных работах на контактах рудного тела с вмещающими породами (кольцевой штрек, спиральные съезды, орты и др.) следует предусмотреть усиление их крепления [7].

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 колеблется от 10–20 МПа до 40–50 МПа со средним объемным весом 2,4 т/м³. По вещественному составу и алмазоносности обе разновидности кимберлитов лишь незначительно отличаются друг от друга и относятся к одному технологическому типу. Кимберлиты характеризуются, в основном, средней степенью трещиноватости. На контакте с вмещающими породами отмечаются участки с пониженной устойчивостью, обусловленной повышенной трещиноватостью кимберлитов, мощностью 3−5м.

В структурном отношении трубка приурочена к тектонической зоне, оперяющей субмеридиональный глубинный разлом. Основными структурными элементами, определяющими положение рудного тела, являются зоны интенсивной трещиноватости и брекчирования вмещающих пород. Зоны повышенной трещиноватости появляются обычно за 4-5 м до контакта с рудным телом и сопровождаются многочисленными зеркалами скольжения с перетертым рыхлым материалом.

Коэффициент разрыхления изменяется от 1,5-1,6 до 1,8, влажность - от 7 до 4,1%. Кимберлиты относятся к породам довольно мягким и средней крепости, категория которых по буримости не превышает 4-6, реже – 7.

Для характеристики горно-геологических условий месторождения весь массив пород условно разделим на 3 части (рис.1).

Рис. 1 – Схема геологического разреза в районе месторождения «Айхал»: 1 – вмещающие породы; 2 – вмещающие породы приконтактной зоны (до 4-5 м до контакта с рудой); 3 – рудное тело

Рейтинг MRMR состоит из суммы частных рейтингов (IRMR), которые учитывают прочностные свойства массива, общие характеристики трещиноватости, которую необходимо домножать на поправочные коэффициенты. Эти коэффициенты отображают степени выветрелости пород, ориентации трещин в массиве, параметры напряженного состояния, гидрогеологические условия и др.

Рейтинг MRMR можно выразить формулой:

     (1)    (2)

где R_RBS — прочность породного блока; J_S — рейтинг по количеству трещин; J_C — рейтинг условий трещиноватости; k — коэффициенты, учитывающие выветривание, ориентацию трещин, напряжения в массиве, взрывание, наличие подземных водопритоков [5], [8], [13]. 

Для условий вмещающих пород

Средний предел прочности руды колеблется 32 МПа (данные табл.1.), модуль трещиноватости –1,5 тр/м, среднее расстояние между трещинами – 0,5 – 1 (данные табл.2).

 

Таблица 1 – Горнотехнические условия отработки

Порода	Крепость по Протодьяконову	Плотность, т\м3	Предел прочности на сжатие δсж, МПа	Коэффициент Пуассона
Вмещающие породы	3.0-4.0	2.64	32	0,2-0,3
Кимберлит	1.2-4.5	2,44	30	0,2-0,3

 

Таблица 2 – Характеристика трещиноватости

Категория трещиноватости	Степень трещиноватости (блочности) массивов	Среднее расстояние между естественными трещинами всех систем, м	Модуль трещиноватости, м-1
I	Чрезвычайно трещиноватые (мелкоблочные)	До 0.1	Более 10
II	Сильнотрещиноватые (среднеблочные)	0.1 - 0.5	2 - 10
III	Среднетрещиноватые (крупноблочные)	0.5 - 1.0	1 - 2
IV	Малотрещиноватые (весьма крупноблочные)	1.0 - 1.5	1 - 0.65
V	Практически монолитные (исключительно крупноблочные)	Свыше 1.5	Менее 0.65

  Следовательно, получаем составляющую рейтинга :       (3) где k – коэффициент корректировки IRS. Он вычисляется по номограмме, представленной на рис. 2.

Рис. 2 – Номограмма корректировки прочности нетронутого массива с учетом крепости руды и густоты трещин

 

Практически все трещины минерализованы. Основной заполнитель трещин – карбонатные породы, крепость по шкале Мооса – 3. Следовательно, инверсия – 0,33.

 «Инверсия крепости Х FF/m» будет равна =0,33x1,5=0,495

По номограмме корректировки прочности [3], [5] получаем k=0,875

В итоге

По графику определения рейтинга R_RBS прочности породного блока (рис.3) и рейтинга трещиноватости массива J_S (рис.4) рейтинговый показатель R_RBS=10, рейтинг трещиноватости J_S=24.

Рис. 3 – Определение рейтинга R_RBS прочности породного блока

Рис. 4 – Рейтинг трещиноватости массива J_S

 

Трещины одной направленности, волнообразные (А=95%), с гладкими выступами (В=85%), имеются раздувы (D=60%), в разной степени кальцитизированная, крепость заполнителя 3 [7]. Поправочный коэффициент к показателю J_C:

Получаем

Далее рейтинг RMR умножается на коэффициенты, которые учитывают выветривание, поправку за ориентацию трещин, напряжения, вызванные горными работами, буровзрывные работы, поправки за обводненность и мерзлоту. В данном случае преимущественное влияние на горный массив оказывает ориентация трещин, так как водопритоки и буровзрывные работы снижают прочность массива, действуя на трещиноватость. По таблице, определяющей коэффициент ориентации трещин, выводим коэффициент понижения k₁=0,85.

На территории района развиты многолетнемерзлые породы, входящие в криолитозону общей мощностью до 720 м. Наиболее низкие температуры этой толщи отмечаются в приповерхностной части (-4.2°С), нулевая изотерма проходит на глубине около 700 м (–200 м). Коэффициент смерзаемости пород берется от 1 до 1,2 (k₂=1,1).

Получаем

Для условий вмещающих пород приконтактной зоны (4-5 м до контакта с рудным телом)

В среднем предел прочности руды колеблется 32 МПа, модуль трещиноватости –10 тр/м, расстояние между трещинами – до 0,1, таким образом, с учетом трещиноватости, выводим:

  Так же, как и для предыдущих условий k₁=0,85 и k₂=1,1. Получаем

Для условий рудной части

В среднем предел прочности руды колеблется 30 МПа, модуль трещиноватости –1,5 тр/м, расстояние между трещинами – 0,5 – 1, таким образом, с учетом трещиноватости, выводим:

Так же, как и для предыдущих условий k₁=0,85 и k₂=1,1. Выводим Результаты расчетов сводим в табл. 3.  

Таблица 3 – Итоговая таблица расчетов рейтинга MRMR

	Вмещающие породы	Вмещающие породы приконтактной зоны	Руда
Рейтинг MRMR	47,2	40,3	46,3
Класс пород по Д.Лобширу	3	4	3
Описание пород по устойчивости (обрушаемости)	Средняя (средняя)	Низкая (хорошая)	Средняя (средняя)

 

Из табл. 3 можно сделать вывод о том, что вмещающие породы и рудное тело относятся к 3 классу и имеют среднюю устойчивость, за исключением вмещающих пород в приконтактной зоне, которые относятся к 4 классу и имеют низкую устойчивость.

Из результатов расчета следует, что возможно применение системы разработки с обрушением [12], [14]. Но в условиях кимберлитовых месторождений в целях повышения качества извлечения и минимизации потерь пород необходимо применять систему разработки с твердеющей закладкой.

Следует отметить, что для достоверной оценки устойчивости горного массива к конкретному блоку или горизонту необходим индивидуальный подход с выбором методики исследования.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Отчет о НИР «Создание комплексной инновационной экологически безопасной технологии добычи и переработки алмазоносных руд в условиях Крайнего Севера», работа 1.3 «Разработка и внедрение рекомендаций по ведению очистных работ выработками с увеличенными параметрами с использованием комбайновой и буровзрывной отбойки при слоевой системе разработки на руднике «Айхал»», -2010, - С.8-11.
2. Beniawski Z.T. Classification of rock masses for engineering: the RMR system and future trends / Z.T. Beniawski // Comprehensive rock engineering. Principles, practice and projects. Vol.3 Rock testing and site characterization. Pergamon Press, Imperial College of Science, Technology and Medicine, London, UK. 1993, p.553-572
3. Beniawski Z.T. Engineering rock mass classification / Z.T. Beniawski. Wiley, New York, 1989, 251 p.
4. Jacubec J. The MRMR rock mass rating classification system in mining practice / J.Jacubec , D.H.Laubscher. Brisbane, 2000, p.413-421.
5. Laubscher D.H. The MRMR Rock Mass Classification for jointed rock masses /J.Jacubec , D.H.Laubscher // Foundations for Brisbane, 2000, p.475-481.
6. Laubscher D.H. A geomechanics classification system for the rating of rock mass in mine designe / H.Laubscher // J Sth Afr Inst Min Met, v.90(10), 1990, p. 257-273.
7. Проект «Вскрытие и отработка подкарьерных запасов до отм.-100» Том 2 - Технологические решения. Книга 1. Геологическая часть. Пояснительная записка 69-03-03-000-02.ПЗ., 2000, - С. 10-17.
8. Макаров А.Б. Практическая геомеханика. Пособие для горных инженеров / А.Б. Макаров. –М.: Издательство «Горная книга». – 2006, -С. 391.
9. Губинский Н.О. «Определение рейтинга массива горных пород по геомеханической классификации Д.Лобшира для условий алмазного месторождения» / Н.О. Губинский // Вестник МГТУ, том 12, №4, 2009 г. – С.694-701.
10. Кузьмин Е.В. Рейтинговые классификации массивов скальных пород: предпосылки создания, развитие и область применения / Е.В. Кузьмин, А.Р. Узбекова. ГИАБ, № 4, 2004, -С. 201-202.
11. Кузьмин Е.В. Самообрушение руды при подземной добыче / Е.В. Кузьмин, А.Р. Узбекова. Учебное пособие. М., Изд-во Московского государственного горного университета, 2006, -С. 283 с.
12. Казикаев Д.М. Практический курс геомеханики подземной и комбинированной разработки руд / Д.М. Казикаев,Г.В. Савич // Горная книга, Москва, 2013 г., -С. 224.
13. Петрова Л.В. Исследование устойчивости пород кровли очистных выработок россыпного месторождения Солур / Л.В. Петрова, А.А. Николаева, В.С. Марков // Вестник СВФУ Том 12, No 2, Изд-во: Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова, 2015, -С.51-55.
14. Alekseev, A. M. Question of the stability of the roof of stope ores in in the conditions of cryolithozone. / M. Alekseev, L. V. Petrova, A. I. Sivtseva, A. A. Nikolaev // International Multidisciplinary Scientific GeoConference Surveying Geology and Mining 2019. Conference proceedings, volume 19. 30 June-6 July Albena, Bulgaria. 2019, - С. 507-513.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Otchet o NIR «Sozdanie kompleksnoj innovacionnoj jekologicheski bezopasnoj tehnologii dobychi i pererabotki almazonosnyh rud v uslovijah Krajnego Severa», rabota 1.3 «Razrabotka i vnedrenie rekomendacij po vedeniju ochistnyh rabot vyrabotkami s uvelichennymi parametrami s ispol'zovaniem kombajnovoj i burovzryvnoj otbojki pri sloevoj sisteme razrabotki na rudnike «Ajhal»» [Report On Research And Development "Creation Of An Integrated Innovative Environmentally Safe Technology For Mining And Processing Of Diamond-Bearing Ores In The Far North", Work 1.3 "Development And Implementation Of Recommendations For Conducting Cleaning Operations With Increased Parameters Using Combine And Drill - And-Blast Chipping With A Layered Development System At The Aikhal Mine"], -2010, - pp 8-11. [in Russian]
2. Beniawski Z.T. Classification of rock masses for engineering: the RMR system and future trends / Z.T. Beniawski // Comprehensive rock engineering. Principles, practice and projects. Vol.3 Rock testing and site characterization. Pergamon Press, Imperial College of Science, Technology and Medicine, London, UK. 1993, p.553-572
3. Beniawski Z.T. Engineering rock mass classification / Z.T. Beniawski. Wiley, New York, 1989, 251 p.
4. Jacubec J. The MRMR rock mass rating classification system in mining practice / J.Jacubec , D.H.Laubscher. Brisbane, 2000, p.413-421.
5. Laubscher D.H. The MRMR Rock Mass Classification for jointed rock masses /J.Jacubec , D.H.Laubscher // Foundations for Brisbane, 2000, p.475-481.
6. Laubscher D.H. A geomechanics classification system for the rating of rock mass in mine designe / H.Laubscher // J Sth Afr Inst Min Met, v.90(10), 1990, p. 257-273.
7. Proekt «Vskrytie i otrabotka podkar'ernyh zapasov do otm. -100» - Tehnologicheskie reshenija. Geologicheskaja chast'. Pojasnitel'naja zapiska 69-03-03-000-02.PZ. [Project "Opening and development of sub-barrier reserves up to OTM. -100" Volume 2-Technological solutions. Book 1. Geological part. Explanatory note 69-03-03-000-02. PZ.], 2000, pp. 10-17 [in Russian]
8. Makarov A. B. Prakticheskaja geomehanika. Posobie dlja gornyh inzhenerov. [Practical Geomechanics. Manual for Mining Engineers.] / A. B. Makarov - M.: Publishing house “Gornaja kniga”. - 2006, - p. 391. [in Russian]
9. Gubinsky N. O. «Opredelenie rejtinga massiva gornyh porod po geomehanicheskoj klassifikacii D.Lobshira dlja uslovij almaznogo mestorozhdenija» ["Determination of the Rating of the Rock Mass According to the Geomechanical Classification of D. Lobshir For the Conditions of the Diamond Deposit"] / N. O. Gubinsky // Vestnik MGTU [Bulletin of the Moscow State Technical University], vol. 12, no. 4, 2009, pp. 694-701. [in Russian]
10. Kuzmin E. V. Rejtingovye klassifikacii massivov skal'nyh porod: predposylki sozdanija, razvitie i oblast' primenenija. [Rating Classifications of Rock Massifs: Prerequisites for Creation, Development and Application.] / E. V. Kuzmin, A. R. Uzbekova // GIAB, No. 4, 2004, pp. 201-202. [in Russian]
11. Kuzmin E. V. Samoobrushenie rudy pri podzemnoj dobyche [Self-Destruction of Ore in Underground Mining] / E. V. Kuzmin, A. R. Uzbekova. A Textbook. M., Publishing House of The Moscow State Mining University, 2006, - P. 283 [in Russian]
12. Kazikaev D. M. Prakticheskij kurs geomehaniki podzemnoj i kombinirovannoj razrabotki rud. [Practical Course of Geomechanics of Underground and Combined Mining of Ore Deposits] / D. M. Kazikaev, G. V. Savić // Gornaya kniga, Moscow, 2013, p. 224. [in Russian]
13. Petrova L.V. Issledovanie ustojchivosti porod krovli ochistnyh vyrabotok rossypnogo mestorozhdenija Solur [Investigation of The Stability of Roof Rocks of Treatment Workings of The Solur Placer Deposit] / L. V. Petrova, A. A. Nikolaeva, V. S. Markov // NEFU Bulletin Volume 12, No 2, Publishing house: M. K. Ammosov North-Eastern Federal University, 2015, pp. 51-55. [in Russian]
14. Alekseev, A. M. Question of the stability of the roof of stope ores in in the conditions of cryolithozone. / M. Alekseev, L. V. Petrova, A. I. Sivtseva, A. A. Nikolaev // International Multidisciplinary Scientific GeoConference Surveying Geology and Mining 2019. Conference proceedings, volume 19. 30 June-6 July Albena, Bulgaria. 2019, - P. 507-513.