Исследование устойчивости породного массива очистных камер россыпных месторождений Индигирки с использованием рейтинговой классификации Д. Лобшира

Обеспечение устойчивости подземных горных выработок в течение заданного срока их эксплуатации является одной из важнейших задач, возникающих при добыче полезных ископаемых и строительстве подземных сооружений различного назначения [5, с. 69]. Месторождения Восточной Сибири, Забайкалья и Дальнего Востока России имеют ряд особенностей: наличие криолитозоны различной мощности и температурного режима, сложное геологическое строение и тектоническую нарушенность, многообразие условий по устойчивости руд и вмещающих пород. Все это существенно влияет на устойчивость подрабатываемых породных массивов, напряженное состояние целиков и обнажений выемочных камер, т. е. в принятии технологических решений по разработке месторождений.

На сегодняшний день в мировой практике наиболее многофункциональными и практичными являются рейтинговые классификации Д. Лобшира (MRMR — Mining Rock Mass Rating) и З.Бенявского (RMR — Rock Mass Rating), которые решают ряд таких вопросов, как составление проекта крепления, составление диаграмм зон обрушения, определение допустимых размеров обнажений трещиноватых руд и пород, оценка устойчивости целиков и других конструктивных элементов систем подземной разработки рудных месторождений и шахт [3, с. 94].

На практике данная методика расчета рейтинга устойчивости была применена на руднике «Мир». В ходе работы нами были произведены расчеты рейтинговой классификации Д.Лобшира на рудном месторождении «Айхал» и россыпном месторождении «Солур» и установлены допустимые пролеты обнажения камер для оптимального выбора системы разработки.

В применении методики расчета рейтинга устойчивости на россыпных месторождениях надо учитывать ряд особенностей в геологическом строении россыпей, а также в наличии параметров, учитывающих условия криолитозоны. Необходимо провести расчет по нескольким россыпным месторождениям для сравнения результатов расчетов рейтинга устойчивости для условий россыпных месторождений криолитозоны и дальнейшего анализа с целью выхода на конкретные показатели, влияющие на степень устойчивости пород.

Геология и строение россыпей месторождений Индигирки [4,с. 11; 6, с. 15; 7, с. 12].

Мощность аллювиальных отложений колеблется в пределах 25–40 м и составляет в среднем 30 м. Гранулометрический состав рыхлых отложений представлен в основном галькой осадочных пород, реже грубыми обломками и валунистостью.

Разрез рыхлых четвертичных отложений по одному из месторождений представляется следующим образом (рис. 1, рис.2):

1.         Почвенный слой                                                                           0,3 м;

2.         Ледниковые флювиогляциальные отложения со щебнем и слабоокатанной галькой песчаников и глинистых сланцев, сцементированных песчано-глинистым заполнителем            20–25 м;

3.         Аллювий, представленный слабоокатанной галькой и щебнем песчаников, сцементированных илом и песком серого цвета                                         10,5 м.

Толща рыхлых отложений характеризуется льдистостью, которая фиксируется на протяжении всей россыпи.

Продуктивный золотоносный пласт приурочен к контакту аллювия с коренными породами и включает отложения галечников, аллювиальный щебень и трещиноватую часть коренных пород. Последние представлены в основном глинистыми и песчано-глинистыми сланцами, менее — песчаниками: Максимальная концентрация золота приурочена к элювиальному щебню и трещиноватой части коренных пород. Мощность продуктивного пласта песков не более 2 м. Валунистость характерна для всей толщи мерзлых пород, но как правило, не превышает 20 %. В среднем по месторождению пласт песков состоит на 26 % из аллювиальных галечников и на 74 % из элювия и трещиноватых коренных пород. Гранулометрический состав золотоносных аллювиальных отложений представлен следующим образом;

-          содержание валунов и крупных булыжников (фракция более 100–150 мм) в песках незначительное и составляет в целом по месторождению 8,5 %;       

-          наиболее распространены гравийно-галечный материал и элювиальный щебень размером 5–150 мм — 64,2 %, в том числе по фракциям: 100–20 мм — 33,5 %, 20–5 мм — 30,7 %;

-          средний процент фракций менее 5 мм—25,3 %.

Коэффициент крепости золотоносных мерзлых рыхлых отложений— от 8 до 12, что соответствует VI—VIII категориям классификации по М. М. Протодьяконову. Содержание свободной двуокиси кремния в породах продуктивного пласта, по данным ЦНИИПП, колеблется от 30 до 60 %.

Рис. 1. Литологический разрез четвертичных отложений по одному из месторождений Индигирки

Рис.2. Литологический состав продуктивного пласта: 1 — растительный слой; 2 — ил, глина; 3 — песок; 4 — галечник; 5 — лед; 6 — песчано-глинистые сланцы; 7 — промышленная россыпь.

Расчет рейтинга устойчивости MRMR[2, с.694; 8, с.257; 9, с.475, 1, с.42]

Для условий перекрывающих пород. Средний предел прочности на сжатие перекрывающих пород в пределах 4 МПа, модуль трещиноватости 1–0,65 м^-1, среднее расстояние между трещинами — 1–1,5 м.

С учетом трещиноватости, получаем составляющую рейтинга :

где IRS — прочность нетронутого массива, МПа; k — коэффициент корректировки IRS. Данный коэффициент определяется по шкале, представленной в номограмме корректировки прочности нетронутого массива с учетом крепости руды и густоты трещин, исходя из значения «инверсия крепости Х FF/m».

Основной заполнитель трещин — лед. Наличие сцементированных наполненных трещин, крепость заполнителя по шкале Мооса — 1. Следовательно, инверсия — 1.

Получаем значение «инверсия крепости Х FF/m»=1х1=1

По номограмме корректировки прочности имеем k=0,85.

В итоге получаем прочность породного блока:

По графику определения рейтинга R_RBS прочности породного блока рейтинговый показатель R_RBS=1,5. По графику рейтинга трещиноватости массива J_S определяем рейтинг по количеству трещин J_S=29.

Трещины однонаправленные (А=95 %), ступенчатые шероховатые/нерегулярные (В=95 %), наличие сцементированных наполненных трещин, крепость наполнителя по шкале Мооса=1, (Е=75 %) (данные таблицы поправки за состояние трещин).

Вычисляем рейтинг условий трещиноватости:

Получаем рейтинг

Так как породы многолетнемерзлые, водоприток отсутствует.

На территории района развиты многолетнемерзлые породы, температура -6⁰ С. Коэффициент смерзаемости пород берется от 1 до 1,2 (k₁=1,1).

Коэффициент выветривания k₂=1.

Получаем рейтинг массива горных пород:

Для условий пород продуктивного пласта. По подобию перекрывающим породам рассчитываем показатели для продуктивного пласта (условия идентичны):

Прочность породного блока

Рейтинг прочности породного блока R_RBS=1,5.

Рейтинг по количеству трещин J_S=29.

Рейтинг условий трещиноватости:

.

Рейтинг .

Рейтинг массива горных пород с учетом коэффициентов

.

Для условий подстилающих пород. Средний предел прочности пород (глинистые сланцы) в пределах 45 МПа, модуль трещиноватости –10–2 тр/м, среднее расстояние между трещинами — 0,1–0,5 м, следовательно с учетом трещиноватости, получаем:

Крепость по шкале Мооса — 1. Следовательно, инверсия — 1. Получаем значение «инверсия крепости Х FF/m»=1x6=6

По номограмме корректировки прочности имеем коэффициент корректировки k=0,73.

В итоге прочность породного блока:

По графику определения рейтинга R_RBS прочности породного блока рейтинговый показатель R_RBS=12. По графику рейтинга трещиноватости массива J_S рейтинг по количеству трещин J_S=16.

Трещины разнонаправленные волнообразные (А=100 %), с гладкими выступами (В=80 %), стенки трещин деформированы (D=75 %), крепость наполнителя трещин 1, (E=75 %).

Получаем рейтинг условий трещиноватости:

Так же как и для предыдущих условий k₁=0,84 и k₂=1,1.

Получаем рейтинг

Рейтинг массива горных пород с учетом коэффициентов

Результаты расчетов рейтинга MRMR для условий продуктивного пласта и вмещающих пород месторождений Индигирки сводятся в таблицу (табл.1).

Таблица 1

Итоговая таблица расчетов рейтинга MRMR

Заключение

Результаты расчетов рейтинга породного массива по геомеханической классификации Д.Лобшира для условий месторождений Индигирки показали следующее:

-          Породы кровли относятся ко 2 и 3 классу устойчивости (трудной обрушаемости), что соответствует 2 и 3 классу устойчивости по классификации ВНИИ-1 [6, с. 72] (средне-устойчивые и устойчивые).

-          Возможно применение камерной и столбовой системы разработки. При камерной системе разработки допустимые пролеты камер от 20 до 30 м., при столбовой системе — допустимая площадь обнажения кровли в рабочей зоне от 6–8 тыс. м².

Полученные результаты подлежат корректировке на опытных блоках шахты.

Литература:

1.         Грабчак Л. Г., Багдасаров Ш. Б., Иляхин С. В. и др. Горноразведочные работы: учеб. — М.: Высшая школа, 2003. 661 с.

2.         Губинский Н. О. Определение рейтинга массива горных пород по геомеханической классификации Д. Лобшира для условий алмазного месторождения // Вестник МГТУ, том 12, № 4. 2009 г. с.694–701.

3.         Кузьмин Е. В., Узбеков А. Р. «Рейтинговые классификации массивов горных пород: предпосылки создания, развитие и область применения» // ГИАБ № 3, 20030. с.94–96.

4.         Марков В. С., Лабутин В. Н., Елшин В. К. Безвзрывная разработка многолетнемерзлых россыпных месторождений подземным способом. Новосибирск: Изд.-во СО РАН, 2014 г. 176 с.

5.         Хлопцов В. Г., Баклашов И. В. «О постановке задач при оценке устойчивости подземных горных выработок» // ГИАБ № 4, 2004. с. 69–75.

6.         Шерстов В. А. Подземная разработка многолетнемерзлых россыпных месторождений. Якутск: Якутский госуниверситет,ИГДС СО РАН, 2002. 124 с.

7.         Шерстов В. А., Скуба В. Н., Лубий К. И., Костромитинов К. Н. Подземная разработка россыпных месторождений Якутии. Якутск: Якутское книжное издательство Якутск, 1981. 185 с.

8.         Laubscher D. H. A geomechanics classification system for the rating of rock mass in mine design // Journal of the South African Institute of mining and metallurgy, vol. 90, no. 10. Oct. 1990. pp. 257–273.

9.         Laubscher D. H., Jacubec J. The MRMR Rock Mass Classification for jointed rock masses // Foundations for Design. Brisbane, 2000. p.475–481.