Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал), 2013, № 12 (спецвып.)
Геофизический мониторинг подземной разработки месторождений
Покупка
Тематика:
Горная промышленность. Металлургия
Издательство:
Горная книга
Год издания: 2013
Кол-во страниц: 34
Дополнительно
Вид издания:
Журнал
Артикул: 701309.0001.99
Доступ онлайн
В корзину
Охарактеризован комплекс геофизического обеспечения технологических процессов разработки рудных месторождений. Систематизированы факторы подземной разработки преимущественно скальных месторождений. Сформулирован механизм наведенной сейсмики и ее влияние
на показатели добычи минерального сырья. Рекомендованы методы геофизического мониторинга геотехнологических процессов.
Тематика:
ББК:
УДК:
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
ГЕОФИЗИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ В.И. Голик В.Б. Заалишвили О.Г. Бурдзиева
УДК Г60 504.55.054:662 (470.6) Г60 Книга соответствует «Гигиеническим требованиям к изданиям книжным для взрослых» СанПиН 1.2.1253-03, утвержденным Главным государственным санитарным врачом России 30 марта 2003 г. (ОСТ 29.124—94). Санитарно-эпидемиологическое заключение Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека № 77.99.60.953.Д.014367.12.12 Голик В.И., Заалишвили В.Б., Бурдзиева О.Г. Геофизический мониторинг подземной разработки месторо ждений: Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). Отдельные статьи (специальный выпуск). — 2013. — № 12. — 35 с. — М.: издательство «Горная книга» ISSN 0236-1493 Охарактеризован комплекс геофизического обеспечения технологических процессов разработки рудных месторождений. Систематизированы факторы подземной разработки преимущественно скальных месторождений. Сформулирован механизм наведенной сейсмики и ее влияние на показатели добычи минерального сырья. Рекомендованы методы геофизического мониторинга геотехнологических процессов. УДК 504.55.054:662 (470.6) © В.И. Голик, В.Б. Заалишвили, О.Г. Бурдзиева, 2013 © Издательство «Горная книга», 2013 ISSN 0236-1493 © Дизайн книги. Издательство «Горная книга», 2013
ÓÄÊ 504.55.054:662 (470.6) © Â.È. Ãîëèê, Â.Á. Çààëèøâèëè, О.Г. Бурдзиева, 2013 КОМПЛЕКСНЫЙ УЧЕТ ФАКТОРОВ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКИ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ Статья посвящена проблеме повышения эффективности подземной разработки рудных месторождений полезных ископаемых путем учета взаимного влияния геомеханических, горнотехнических, технологических и экономических факторов. Показано, что эффективность управления породным массивом зависит от полноты учета создаваемых в массиве напряжений и деформаций. Обосновано, что процессом разрушения скальных массивов можно управлять регулированием уровня напряжений путем заполнения технологических пустот разнопрочными смесями с дифференцированием зон нагрузки – разгрузки. Приведен пример моделирования процесса методом конечных элементов. Установлено, что динамические воздействия в процессе добычи руд существенно влияют на состояние массива, а оптимизация технологических решений обеспечивается учетом взаимодействия напряжений и деформаций в массиве, несущих свойств закладочных смесей, в том числе разнопрочных, и наведенной сейсмики горных процессов. Ключевые слова: породный массив, напряжения, деформации, пустоты, прочность, динамическое воздействие, несущие свойства, закладочная смесь, сейсмика, конечные элементы. При подземной разработке месторождений полезных ископаемых вопросы их эксплуатации решаются не всегда комплексно. Это приводит к недостаточной оценке взаимного влияния геомеханических, горнотехнических, технологических и экономических факторов. Погрешность прогнозов усиливается при недостаточном учете взаимодействия напряжений и деформаций в массиве, несущих свойств закладочных смесей и сейсмики горных процессов [1]. Эколого-экономическая эффективность управления массивом зависит, в первую очередь, от полноты учета напряжений и деформаций в массиве [2]. Реакция рудовмещающего массива на технологическое воздействие зависит от величины действующих в нем напряжений, проявляется в форме внутреннего деформирования и разрушения элементарных минеральных частиц, осложненного анизотропностью геологической среды, и описывается моделью для трехмерной анизотропной упругой среды:
Σ σ = Ту⋅Σ ε⋅κ Σ ε = Т п⋅Σ σ⋅κ где σ - напряжения; ε - деформации; Ту и Тп эффективные тензоры, соответственно, упругости и податливости; κ - коэффициент дискретности. В условиях объемного сжатия при закрытии тектонических структур с увеличением прочности объемное напряженное состояние трансформируется от растяжения на контуре выработок до сжатия в глубине массива. В реальном скальном массиве сосуществуют несколько следующих друг за другом областей разрушения: - зона нарушенных пород; - зона запредельного деформирования; - зона допредельного деформирования. Сохранность массива достигается при уменьшении доли первых двух зон и увеличении доли третьей зоны, где прочность зависит от времени: σсж.м. (t) = kт [σсж.д .+ (σсж.м. - σсж.д. )] е - at где σсж.м. - предел мгновенной прочности при сжатии, МПа; σсж.д. - предел длительной прочности при сжатии, МПа; kт - коэффициент геологической нарушенности массива; a - параметр аппроксимации; t - время. Условие устойчивости массивов описывается уравнениями: Σ (σ3 +Κ σ2 σ1) ≤ Σ σо Κ ≤Σ σн Κ Σ σн Κ = f(σост., h с., Пmin, Пmax) Σ σо Κ K рн= f(σн, Н, В) где σ3,2,1 - главные напряжения в массиве; σн , σо - напряжения в зонах нарушенных и ослабленных пород, соответственно , МПа; h c - высота зоны влияния разлома, м; П max и П min - максимальное и минимальное значения технологического воздействия; σост. - остаточная прочность пород, МПа; H и В - высота и ширина зоны технологического воздействия, м; Κ- коэффициент влияния геологических структур; K рн- коэффициент разгрузки напряжений. Разгрузка массива от напряжений до уровня заданных деформаций происходит в зонах нарушенности и ослабленности пород:
σн = σост. + σr = ∫ fx (dx1, dx2,...dxn) σразгр = σо = σпр. - σr = ∫ fx (dx1, dx2,....dxn), σп = Κ (σ3 + σ2 + σ1) где σr - напряжения распора структурных блоков пород в зоне запредельных деформаций, МПа. Управление напряженно-деформированным состоянием массивов возможно при обеспечения неравенства: [ ] . . ост ост н м крит ⎡ ⎤ σ < σ < σ ⎣ ⎦ где ⎡ ⎤ σ ⎣ ⎦ îñò êðèò. - критические напряжения в породах. Управление состоянием массива осуществляется на основе прогноза поведения пород при нагрузке. Высота зоны распространения критических напряжений зависит от параметров влияния горной выработки: [ ] [ ] H f h f к ит ост техн техн = > = σ σ р где h техн - высота зоны техногенного влияния, м; h f V f S f m техн = ∫ ∫ ∫ min max min max min max где V – объем пород в зоне возможных деформаций, м3; Sp - площадь зоны разрушения, м2; m - мощность зоны, м. Поведение скального массива определяется следующими условиями: - физико-механическими данными пород; - технологией и временем воздействия; - степенью разгрузки от высоких напряжений. Управление состоянием массива осуществляется на основе прогноза поведения пород при нагрузке. Высота зоны распространения критических напряжений зависит от параметров влияния горной выработки: [ ] [ ] H f h f к ит ост техн техн = > = σ σ р где h техн - высота зоны техногенного влияния, м; h f V f S f m техн = ∫ ∫ ∫ min max min max min max где V – объем пород в зоне возможных деформаций, м3; Sp - площадь зоны разрушения, м2; m - мощность зоны, м.
Процесс разрушения скальных массивов и его следствия для показателей разработки месторождения описывается условием [3]: ( ) ( ) σ ⋅ = → = ⋅ + ∫ ∫ з n з п к x x x h h fx d d d П R f x d d l l l l min max min max , ..... , 1 2 , где σ - напряжения в зоне влияния выработок, МПа; К з – коэффициент корректировки напряжений; lmax, lmin – максимальный и минимальный пролеты обнажения пород, м; х1...хn – технологические, физико-механические и иные характеристики; П - потери руд, доли ед.; R – разубоживание руд породами, доли ед.; hз – высота закладочного массива, м; hп - высота влияния горных выработок, м. Особенность модели состоит в учете напряжений. При заполнении пустот твердеющими смесями уровень напряжений снижается, и безопасность технологий оценивается коэффициентом K1: К1= f(Vо-V з· К т) где V о - объем образованных в массиве выработок, м3; V з - объем заполненных закладкой выработок, м3; К т- доля твердеющих смесей. Состояние массивов и зависящие от него показатели потерь и разубоживания определяются объемом очистных выработок, объемом выданных на поверхность руд и физико–механическими свойствами пород. Массив управляем при условии: Н > η × h c где Н - глубина расположения рудного тела, м; h c - высота зоны влияния выработок, м; η - коэффициент запаса. Из всех технологических возможностей управления состоянием массива радикально обеспечивает успех заполнение технологических пустот твердеющими смесями, которое стабилизирует состояние массива, уменьшает потери и разубоживание, повышает уровень безопасности работ для людей и окружающей среды: 1 2 3 1 2 3 4 нK K K K σ ≤ σ ≤ σ = σ где 1 σ – напряжения в зоне нетронутых пород, МПа; 2 σ - напряжения в зоне влияния очистных работ, МПа; 3 σ - напряжения в
закладочном массиве, МПа; н σ - нормативное сопротивление сжатию закладки, МПа; Ê1 - коэффициент неоднородности за кладочного массива; Ê2 - коэффициент увеличения прочности за кладки со временем; Ê3 - коэффициент увеличения прочности за кладки в массиве; Ê4 - коэффициент условий работы. Изменение уровня напряжений вследствие заполнения пустот разнопрочными смесями: σ σ σ σ σ σ σ м п с m н ост m y n n n n n n = + + + + = ∑ 1 3 2 3 3 3 4 3 5 1 . . . . где σ σ σ σ п с m н . . . . , , , 3 3 3 3 - величины подпора, соответственно, прочного, среднепрочного и мало прочного состава твердеющей смесей; - число упрочняющих элементов; n n 1 5 ,..., - массовое число материала в количестве смеси; y m σ - прочность смесей. Экономическая эффективность управления напряжениями в массиве описывается уравнениями[4]: 1 2 3 σ σ σ ≤ ≤ = H K K K K σ . 1 2 3 4 П Ту Ц З У У У Т Т Т Т Т Б Т RS Б RP Б = − − − − α В а = Вс·Эв, где 1 σ – напряжения в зоне нетронутых пород, МПа; 2 σ - напряжения в зоне влияния очистных работ, МПа; 3 σ - напряжения в закладочном массиве, МПа; н σ - нормативное сопротивление сжатию, МПа Ê1 - коэффициент неоднородности закладочного массива; Ê2 - коэффициент увеличения прочности закладки со временем; Ê3 - коэффициент увеличения прочности закладки в массиве; Ê4 - коэффициент условий работы; ò ó Ï - прибыль от добычи и переработки руды, руб/т; Á Ò Ö ценность добытой руды, руб/т; Ò Ç – полные затраты на добычу и переработку руды, руб/т; RS Ò Ó – ущерб от 1 т разубоживающей массы по контуру блока, руб/т; RP Ò Ó – ущерб от переработки 1 т разубоживающей
массы внутри блока, руб/т; Ва - количество альтернативных вяжущих, вес. ед.; Вс - количество стандартных вяжущих, вес. ед.; Э в – коэффициент эквивалентности вяжущего. Напряженно-деформированное состояние массива горных пород является результатом сложного взаимодействия различных полей, формирующихся под влиянием техногенных и природных факторов, в которых можно дифференцировать зоны нагрузки – разгрузки и зоны концентрации напряжений, например, методом конечных элементов (МКЭ) [5]. В матрицах преобразования перемещений и преобразования перемещений каждому элементу приписывается закономерность изменения перемещений внутри элемента в зависимости от перемещений его узлов, вычисляется вектор деформаций, задается зависимость между напряжением и деформацией, вычисляется матрица жесткости для элемента, определяются перемещения узлов элемента, в результате чего определяются напряжения в системе (рис. 1). Внешняя нагрузка: H m H x y γ σ γ σ = = , где H – высота столба пород, м; γ – объемный вес горных пород, т/м3; m – коэффициент бокового распора. Для гранитов с параметрами ρ = 2650 кг/м3, E= 4,64·1010 Па, ν = =0,20 при глубине H = 100 м нагрузка составила 2,6 МПа (рис. 2). Рис. 1. Расчетная модель геомеханической системы
Рис. 2. Расчетная сетка конечных элементов Рис. 3. Механизм разрушения целика Экспериментально определено, что сжимающие напряжения максимальны в углах выработок на контактах с боковыми породами. Сжимающие вертикальные напряжения уменьшаются к центру целика. При уменьшении ширины целика напряженное состояние изменяется. С дальнейшим уменьшением ширины целика напряжения увеличиваются [6]. Характер распределения напряжений в целике и механизм его разрушения (рис. 3) позволяет дифференцировать 2 типа разрушения. Первый тип: разрушение развивается в ненарушенной породе, а сдвиг - вдоль плоскостей сочленений геологических структур. Хрупкое скалывание в нетронутых породах сопровождается скалыванием и разрушением. Второй тип разрушения характеризуется скалыванием вдоль геологических структур. Одной из причин деформаций массива является возникнове
ние собственных колебаний в породных блоках, которые под воздействием наведенной сейсмики вибрируют и отслаиваются. Ослабление сил сцепления пород происходит даже при слабых сотрясениях в массиве. Горнотехнические сооружения находятся в поле напряжений и перемещений, вызванных сейсмическим действием естественных и техногенных динамических явлений, например, вызванных взрывами. Д’Аламбером инерционные силы рассматриваются в виде составной части объемных сил, тогда матрица масс для отдельного элемента: ∫ = ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( m V m m T m m dV H H M ρ Численное решение уравнения получено методом прямого интегрирования - θ-метод Вильсона [Бате, Вилсон, 1982] с условием линейного изменения ускорения от момента t до момента t+θΔt, где θ ≥ 1,0 (рис. 4). Внешнее динамическое воздействие в основании массива задавалось в виде импульсной функции в горизонтальном направлении [Заалишвили и др., 2008]. Установлено, что в результате сейсмических воздействий в углах горных выработок возникают знакопеременные напряжения, которые усиливают гидростатические напряжения, в том числе, имеющие максимумы. Хотя интенсивность динамических напряжений может быть меньше статических напряжений, их роль в механизме разрушения значительна, тем более, что в массиве одновременно действуют и положительные и отрицательные напряжения [7]. Моделированием состояния массива с помощью метода конечных элементов в условиях различного распределения нагру- зок установлено, что реакция целика на динамические воздействия проявляется в виде знакопеременных напряжений в углах выработок, а динамические воздействия существенно влияют на его напряженно-деформированное состояние. В условиях растущей потребности в минеральном сырье при сокращении финансирования на его производство вопросы увязки геомеханических, горнотехнических, технологических и экономических факторов приобретает особую значимость. Повышение точности прогнозов и оптимизация технологических реше
Доступ онлайн
В корзину