Изучение прочностных свойств горных пород на руднике Акжал с целью укрепления ослабленных участков

В статье приводятся результаты изучения прочностных свойств горных пород в подземных выработках для оценки состояния горного массива в окрестностях горных выработок с целью укрепления ослабленных участков рудника Акжал Республики Казахстан. Для предотвращения деформаций отдельных участков на отечественной и зарубежной практике применяется искусственное укрепление. С помощью укрепления можно предупреждать обрушения пород кровли и боковых пород.

Ключевые слова: разработка месторождений, карьер, подземные выработки, нарушенность, обрушения горного массива, укрепление.

The article presents the results of studying the strength properties of rocks in underground workings to assess the state of the rock mass in the vicinity of mine workings in order to strengthen the weakened areas of the Akzhal mine of the Republic of Kazakhstan. To prevent deformations of individual sections in domestic and foreign practice, artificial reinforcement is used. With the help of reinforcement, it is possible to prevent the collapse of roof rocks and side rocks.

Keywords: development of deposits, quarry, underground workings, and disturbance, collapse of the rock massif, strengthening.

Горнодобывающие предприятия Казахстана уделяет особое внимание на промышленную безопасность освоения недр. Одним из реальных примеров являются геомеханические исследования, проводимые молодыми учеными Университета имени Сатпаева в рамках Проекта «Разработка инновационных методов прогнозирования и оценки состояния массива горных пород для предупреждения чрезвычайных ситуаций техногенного характера» [1].

Содержание работы. Проблемы обеспечения устойчивости горных выработок в трещиноватых породах являются наиболее трудно решаемыми задачами при строительстве и эксплуатации горного предприятия. Особенно остро они стоят полиметаллических месторождениях Казахстана: Текелийском, Акжалском, Верхнекайрактинском, Карагайлинском, Текелийском, где руды и вмещающие породы осложнены трещиноватыми нарушениями, что в значительной степени затрудняет их разработку.

Результаты обследования горных выработок на Акжалском руднике (на карьере и подземных горизонтах) показали, что наибольшее количество вывалов приурочено трещиноватым породам, причем объемы вывалов увеличиваются по мере стояния выработок. Наблюдения за выработками, пройденными по трещиноватым породам, выявили, что они устойчивы в течение месяца. Через два-три месяца образуются заколы размерами до 10–15 см. Заколообразование и вывалы развиваются в течение полугода, обрушение кровли происходит в виде куполов. Это резко увеличивает объем и трудоемкость проходческих работ, а также затрат на крепление и ремонт выработок.

С целью получения качественной и количественной характеристик среды были проведены визуальные наблюдения и замеры основных характеристик структурной нарушенности массива пород и руд на участках в выработках различного технологического назначения, а также обработаны данные геолого-маркшейдерской службы рудника [2].

Анализ горно-геологических условий месторождения и состояния выработок, пройденных по нарушенным породам, показал, что большое влияние на устойчивость выработок оказывают системы трещин крутого падения. По характеру трещины изменяются от ровных, волнистых до неровных, занозистых. Ширина раскрытия трещин не превышает 3 мм и в среднем составляет 1,5–1,8 мм. м. На основе выполненных исследований проб трещиноватых пород, было установлено, что породы имеют разную степень трещиноватости. По степени изменения они были классифицированы на 3 группы: весьма, сильно и частично нарушенные (табл. 1).

Таблица 1

Большинство трещин составляют крутопадающие с углами наклона δ=70° (20,0 %), δ=80° (17,0 %) и δ=75º (15,0 %). Часто встречаются трещины δ<5=45° (13,0 %). Более редки трещины с δ=5–20° (1–2 %). Мощность трещин т от 0,1 до 1,5 см с плотностью проявления от 5 до 13 штук на погонный метр. В тектонических зонах мощность трещин достигает т — 3,0–5,0 см, а на отдельных участках массив полностью раздроблен и представляет собой сыпучую среду [3].

Основными прочностными свойствами скальных и полускальных горных массивов, необходимыми для решения вопросов устойчивости горных выработок, являются плотность , сопротивление пород на сжатие  _сж и разрыв  _р , сцепление К и угол внутреннего трения р . Эти свойства являются различными в куске (образце) и в массиве для одного и того же типа пород. Например, сцепление пород, полученное по лабораторным испытаниям в образце, может быть в десятки раз больше, чем для той же породы в массиве.

Прочностные свойства горных пород изучались на разных этапах разведки и разработки месторождения разными организациями (Средазнипроцветмет, 1980г.; КазНТУ, 2002–2008гг.; ТОО «Геосервис», 2010г.; КарГТУ, 2012г. и с 2017 г. по настоящее время Satbayev University). и отмечается хорошая сходимость параметров свойств пород. Наиболее прочными являются рудовмещающие известняки, кремнисто-глинистые известняки, интенсивно сканированные известняки, диориты. Наименее прочными являются известняки безрудные, известняки со свинцовоцинковым оруденением и туфопесчаники.

Определение прочности горных пород на одноосное сжатие нами производился в соответствии с международным стандартом. Результаты лабораторных испытаний материалов позволили получить основные расчетные показатели физико-механических свойств пород рудника Акжал, значения которых представлены в таблице 2.

Таблица 2

Физико-механические свойства руд и пород рудника Акжал

Проведенные исследования ФМС показали, что с глубиной не наблюдается существенного изменения количественных характеристик.

На сегодняшний день в мировой практике наиболее многофункциональной и практической является рейтинговая классификация система Д.Лобшира (MRMR — Mining Rock Rating), в которой устойчивость массива оценивают в баллах. Рейтинговая классификация горных пород по Лобширу применяется для следующих целей: составление проекта крепления, составление диаграмм зон обрушения, определение степени обрушаемости и наконец способа укрепления ослабленных участков. Алгоритм определения рейтинга массива по данной классификации представлен на рис.1 в виде блок-схемы.

Как видно из этого, рейтинг MRMR складывается из частных рейтингов (RMR), учитывающих прочностные характеристики массива, количественные и качественные характеристики трещиноватости, которая, в свою очередь, домножается на поправочные коэффициенты, отражающие степень выветрелости пород, ориентацию трещин в массиве, параметры напряженного состояния, гидрогеологические условия и др [4].

Также получение рейтинга MRMR можно выразить формулой:

MRMR = RMR × к; (1)

RMR = R _RBS + J _S + J _С , (2)

где R _RBS — прочность породного блока;

J _S — рейтинг по количеству трещин;

J _C — рейтинг условий трещиноватости;

к — коэффициенты, ориентацию трещин, напряжения в массиве, взрывание, наличие подземных водопритоков.

Составляющая рейтинга RBS в однородном массиве, без жил, даек и разрывов, вычисляется следующим образом

RBS = IRS × 0,8, (3)

Для прогноза поведения массива в процессе развития горных работ произведена систематизация его по категориям устойчивости и склонности пород к вывалообразованию. Данные систематизации представлены в таблице 3.

Таблица 3

Систематизация массива пород по категориям устойчивости

По рейтингу MRMR массив горных породы месторождения Акжал оценивается средней устойчивости. Массивные известняки имеют коэффициент крепости по Протодьякону 7,6–10 крепкие, встречаются кремнистые известняки, которые немного трещиноватые и имеют свойство отслаивания. Так визуальные обследования показали, что на горизонте 425 м, при контакте пород с другими породами углисто-кремнистые и массивные известняки начали отслаиваться от кровли на сеточное крепление. Контакты горных пород доказывают наименьшее сцепление на данном участке из-за горного давления, трещиноватости и влажности (рис.2).

Рис. 2. Обследование гор.425 м

Визуальные обследования показали, что на данном участке прослеживается контакт двух пород кремнисто-углистых известняков и массивных известняков. Согласно шкале Лобшира коэффициент MRMR показал 25, что подтверждает степень устойчивости низкая. Для сильно трещиноватых пород с коэффициентом крепости 7–8 и неустойчивых по рейтингу MRMR рекомендуется использовать анкерные крепи с металлической сеткой рабица и набрызг бетона.

Однако отслоение пород кровли выработок свидетельствует о том, что эта крепь не решает проблемы обеспечения устойчивости выработок и не предотвращает процесс развития деформаций. В результате после 2–3 лет стояния выработок происходит разрушение крепи и требуется проведение капитального ремонта. Поэтому эффективное решение вопроса управления геомеханическими процессами в подземных выработках, пройденных по трещиноватым породам, имеет особое значение [5].

Различные прочностные характеристики трещиноватых пород предопределяют необходимость дифференцированного подхода к управлению свойствами пород с различной степенью трещиноватости.

Выводы

1. Выполнен анализ горно-геологических данных, который показал, что выработки сосредоточенны в массивных известняках серого цвета. Массивные известняки имеют коэффициент крепости по Протодьякону 7,6–10 крепкие, встречаются кремнистые известняки, которые немного трещиноватые и имеют свойство отслаивания.

2. Определена устойчивость горных выработок, согласно рейтинговой классификации Д.Лобшира на горизонтах 355, 425, 505 и 545 м Центрального участка. По рейтингу RMR массив горных пород оценивается, как породы средней устойчивости.

Литература:

1. Отчет о НИР «Геотехнические исследования устойчивости горных пород и выдача рекомендации по управлению горным давлением при проходке вертикальных, горизонтальных горных выработок и отработке рудных тел месторождения Акжал» — Алматы, НАО «КазНИТУ имени К. И. Сатпаева», 2017. -125 с.
2. M.Nurpeisova, N.Donenbaeva, A.Bek Devepolment of geodetic methoods of monitoring of open pit sides stability //Bioscience Biotechnology Research SPECIAL ISSUE VOLUME 12 NUMBER-(5) September 2019, Print ISSN: 0974–6455.-Page 67–78.
3. Bek A. A., Baijanov D. O. Sustainability of mountain structures // Scientific discussion. Praha, Czech Republic, Vol/1, No41,2020.-p.35–38.
4. Laubscher, D H, 1990. A Geomechanics Classification System for the Rating of Rock mass in Mine Design, J Sth Afr Inst Min Met: p. 257–273.
5. Патент на полезную модель. № 1573 РК. Состав для укрепления трещиноватых горных пород/ Нурпеисова М. Б., Бек А. А. Опубл. от 02.01.2016 г.