1. Введение
Зун-Холбинское золоторудное месторождение расположено на территории Бурятии, в юго-восточной части Восточных Саян. Разработка балансовых запасов ведется на глубинах более 1000 м от поверхности горного рельефа.
Рудное тело Глубокое приурочено к юго-восточной части месторождения и представляет собой маломощную крутопадающую минерализованную зону, которая состоит из фрагментов в различной степени золотоносных геологических образований – кварцитов, лиственитов, кварц-сульфидных и сульфидных руд, соединенных березитизированными породами. Эти фрагменты, как правило, не имеют четких границ с вмещающими породами и условно целостные рудные тела выделяются только на основании данных опробования в линейных разрывных структурах, контролирующих рудоносную зону в целом. Контакты между породами представлены системами разломов, в основном 70-72° углом падения на ЮВ. Разлом представлен перетертым материалом (глинка трения) и углеродистыми сланцами. Рудное тело имеет юго-восточное (100-122°) простирание с падением 80-88° на юго-запад приурочено к зоне Перспективной Зун-Холбинского разлома, расположено в центре Гарганской глыбы [1]. Массив горных пород рудного тела Глубокое можно классифицировать категориями среднеустойчивый и неустойчивый (70%).
Балансовые запасы рудного тела вскрываются двумя съездами, от которых проходятся квершлага, разделяющие через 15 м по вертикали этаж на яруса. Подготовка осуществляется рудными штреками под камерную систему разработки с сухой закладкой выемочного пространства и торцовым выпуском руды. Горные работы ведутся с применением самоходного оборудования.
Рудное тело Глубокое разрабатывается на больших глубинах, где проявляется горное давление в виде вывалов с бортов и кровли выработок и сопровождается при добыче повышенном разубоживанием руды. Созрела необходимость более глубже изучить геомеханическое состояние массива горных пород с целью обоснования эффективных параметров геотехнологии при разработке балансовых запасов рудного тела Глубокое.
2. Методы и принципы исследования
Физико-механические свойства горных пород рудного тела Глубокое определялись на основе испытаний керна геологоразведочных скважин по семи пробам, в соответствии с принятыми стандартами России. Показатели, полученные в ходе испытаний физико-механических свойств образцов пород, использовались для дальнейших геомеханических расчетов определения состояния массива в районе горных выработок.
При определении устойчивости обнажений пород использовался пространственно-статистический анализ тектонических структур по фотографиям керна разведочных скважин [2], [3].
Исследование первоначальных природных напряжений производили с использованием метода щелевой разгрузки по методике института горного дела УрО РАН [4], [5], получив в результате значения гравитационных и тектонических природных напряжений в массиве горных пород рудного тела Глубокое.
Комбинированная методика инженерных расчетов и моделирования состоит из инженерного расчета техногенных напряжений с использованием зависимостей В.Ф. Трумбачева, Г.А. Каткова, Д.И. Беккера, Н.П. Влоха, А.В. Зубкова, Л.И. Сосновского, c отдельным определением коэффициентов концентрации напряжений [6], [7] на основе конечно-элементного моделирования с использованием программы FEM, разработанной ИГД УрО РАН [8], [9]. В результате получены зависимости изменения напряжений подрабатываемого массива и целиков, горных выработок [10], которые использовались для обоснования параметров геотехнологии разработки балансовых запасов.
Для дальнейшего сравнения с полученными результатами проведенных исследований геомеханического состояния массива горных пород был применен метод натурного визуального обследования состояния горных выработок рудного тела Глубокое с видеофиксацией.
3. Обсуждение результатов исследований
Минерализованная зона
Рудное тело Глубокое, в районе ведения горных работ: +1000 м представлено минерализованной зоной в виде тонких кварц-сульфидных прожилков (0.05-0.1 м), осложненную разно ориентированными трещинами (см. рисунок 1). Рудное тело залегает в измененных гранодиоритах, расположенных в пачке известняков. Гранодиориты можно охарактеризовать как среднеустойчивые породы, на контакте с известняками наблюдается интенсивная трещиноватость (10-15 трещин на 1 п.м.).Висячий борт представлен интенсивно рассланцованными измененными гранодиоритами (количество трещин 7-10 на 1 п.м.). Рудное тело можно охарактеризовать как неустойчивое, склонное к самообрушению на контакте с измененными гранодиоритами (висячий борт).
Среднестатистическое значение интенсивности трещиноватости равно 8±2.0 трещин на 1 погонный метр. В 70% объёма горного массива интенсивность трещиноватости составляет выше средней. Массив горных пород рудного тела Глубокое можно классифицировать категориями среднеустойчивый и неустойчивый (70%).
Для дальнейших геомеханических расчетов, средние физико-механические характеристики массива горных пород рудного тела Глубокое сведены в таблицу 1.
Средние физико-механические характеристики горных пород и руд, принятые для расчетов первоначальных и техногенных напряжений массива горных пород рудного тела Глубокое
| Физико-механические свойства | Единицы измерения | Значение | |
| Для руды | Для вмещающих пород | ||
| Коэффициент Пуассона | - | 0.29 | 0.3 |
| Начальный угол внутреннего трения | градус | 28 | 33 |
| Сцепление | МПа | 20.3 | 28 |
| Модуль упругости | ГПа | 72 | 49 |
| Остаточная прочность | МПа | 9.7 | |
| Коэффициент крепости по шкале проф. М.М. Протодьяконова | - | 11 | 7-11 |
| Плотность | т/м3Missing Mark : sup | 2,75 | |
| Объемный вес | мН/м3Missing Mark : sup | 0.0275 | |
| Категория устойчивости | - | неустойчивые | |
| Модуль деформации в образце | ГПа | 43.3 | |
| Модуль деформации в массиве | ГПа | 5-12 | |
| Количество трещин на 1 м | штук | 14 | |
| Средний размер структурного блока | м | 0.07 | |
| Предел прочности на сжатие в образце, МПа | МПа | 70 | 70 |
| Предел прочности на растяжение в образце, МПа | МПа | 11 | 11 |
Значения характеристик приняты по усредненным данным лабораторных испытаний образцов керна, отобранного из района рудных интервалов разведочных скважин, пробуренных по рудному телу Глубокое.
Для исследования первоначальных напряжений было заложено две станции щелевой разгрузки на глубине +1000 м. Суммарное количество щелей по обеим станциям равно 24. Количество единичных определений напряжений, в соответствии с методикой, достигло 64. Это обеспечило погрешность определения напряжений массива горных пород в 12%. По результатам натурных измерений установлены следующие значения природных напряжений, действующих в массиве рудного тела на глубине +1000 м: напряжения, действующие в крест простирания рудного тела -53.4±6.6 МПа, по простиранию -29.3±2.1 МПа. Вертикальные напряжения составляют в среднем минус -27.5±3.0 МПа.
Распределение напряжений в массиве горных пород рудного тела Глубокое носит отчетливо выраженный гравитационно-тектонический характер. Тектонические компоненты горизонтальных напряжений равны -17.5 - 41.6 МПа, что составляет 60-78% от значения самих напряжений. Формулы, аппроксимирующие первоначальные напряжения в массиве горных пород рудного тела Глубокое +1000 м, имеют вид:
[LATEX_FORMULA]\sigma_B=-\gamma H[/LATEX_FORMULA]
[LATEX_FORMULA]\sigma_{n p}=-1.1 \cdot \gamma H=-\frac{\mu}{1-\mu} \cdot \gamma H-17,5[/LATEX_FORMULA]
[LATEX_FORMULA]\sigma_n=-1.9 \cdot \gamma H=-\frac{\mu}{1-\mu} \cdot \gamma H-41,6[/LATEX_FORMULA]
где: γ – объемный вес пород МН/м3;
µ – коэффициент Пуассона;
Н – глубина измерения, м;
σв – вертикальные напряжения, МПа
σпр – продольные напряжения МПа;
σп – поперечные напряжения МПа.
Зависимости полных напряжений σ на контуре полевых штреков от расстояния D от очистной камеры
В результате инженерных расчетов и моделирования установлены закономерности распределения техногенных напряжений в кровле, углах кровли и стенках штреков рудного тела Глубокое при разных расстояниях между очистной камерой и откаточным штреком (см. рисунок 2).Зависимости были построены для условий: выемочная мощность – 3.0 м, система разработки с открытым очистным пространством с последующей породной закладкой. Зона опорного давления очистной камеры оказывает существенное влияние на расстояние штрека от очистной камеры до D = 25 м. При D = 25 м напряжения в кровле и углах кровли становятся равными напряжениям в одиночных горных выработках. Самыми неустойчивыми участками полевых штреков, как и одиночных выработок являются углы кровли. В них действуют большие сжимающие напряжения, более 100 МПа, что значительно превышает допустимые во вмещающих породах, равные 56 Мпа.
Проведенное визуальное обследование горных выработок рудного тела Глубокое показало, что устойчивого состояния пород горных выработок не наблюдается. Породы рудовмещающей зоны в пройденных выработках не устойчивы в пределах самой зоны и на удалении до 10-15 м от ее границы. В остальных интервалах средней устойчивости, за исключением отдельных участков, сложенных слабыми породами и с высокой трещиноватостью. Все выработки требуют крепления. Рудное тело можно охарактеризовать как неустойчивое, склонное к самообрушению на контакте с измененными гранодиоритами (висячий борт). Выработки, пройденные в крест простирания, более устойчивые, чем штрека. Визуальное наблюдение за геомеханическим состоянием массива горных пород подтверждает его поведение в соответствии в проведенными исследованиями. В горных выработках присутствует статическое горное давление, проявляющееся в виде отслоения пород, как по естественной трещиноватости, так и происходит процесс закалывания массива. Признаков динамического проявления горного давления не обнаружено.
4. Заключение
Массив горных пород в целом можно характеризовать по степени устойчивости, как средней устойчивости (30%) и неустойчивый (70%). Соответственно все горные выработки требуют крепления, а в тектонически ослабленных зонах и обводненных породах необходимо предусматривать усиленное крепление, не допускающее его отставания при обнажении.
При определении физико-механических свойств горных пород установлено, что породы характеризуются высокими упругими и прочностными свойствами, но с учетом трещиноватости и природной водонасыщенности массива горных пород, опасности в отношении проявления динамического давления не представляют.
В результате проведенных исследований геомеханического состояния массива горных пород рудного тела Глубокое можно сделать вывод, что в массиве действуют главные гравитационно-тектонические напряжения поперечно-горизонтального направления, превышающие вертикальные в 1,9 раза.
Полные напряжения по контуру выработок по характеру проявления являются сжимающими. Выработки, пройденные в крест простирания рудного тела, в меньшей степени будут подвергаться воздействию техногенных напряжений, чем выработки, пройденные по простиранию рудного тела в следствии воздействия первоначальных природных напряжений.В массиве горных пород, на расстоянии до 25 м от очистной камеры, формируется зона повышенного давления, что приводит проявлению интенсивной трещиноватости пород вскрывающих выработок. Также необходимо учитывать, что в оставляемых целиках также будет происходить процесс интенсивного заколообразования.
Следуя выводам проведенных исследований, можно рекомендовать расположение вскрывающих съездов на расстояние, не ближе 30 м, в породах лежачего бока. Подходы к рудному телу осуществлять квершлагами. Отставание сухой закладки выемочного пространства во время добычи руды из яруса блока должно кратковременно не превышать 20 м. Все пустоты после выдачи руды должны быть заполнены пустой породой. Временно оставляемые целики должны быть не менее 10-15 м по простиранию. Выбор крепления выработок осуществлять исходя горно-геологических условий, проявления горного давления и времени стояния.