Полный текст

Характеристика Тишинского месторождения Тишинское свинцово-цинковое месторождение представлено богатыми, почти вертикально залегающими (75–85°) рудными телами, составляющими основную и северо-западную залежи. Основные запасы руды сосредоточены в основной залежи, а преобладающее распространение в ней имеют прожилково-вкрапленные руды. Мощность рудной зоны по месторождению достигает 200 м, размеры по простиранию – до 2 км. Толща вмещающих пород имеет согласное с рудным телом падение и состоит из карбонато-серицито-кварцевых, карбонато-серицитовых, хлорито-серицито-кварцевых и других сланцев. Углы падения плоскостей рассланцевания крутые (70–85°), азимут падения колеблется от 320–330 до 20–30°, т.е. сланцеватость пород висячего бока имеет падение в выработанное пространство и в значительной степени определяет развитие процессов сдвижения. На месторождении выделено восемь систем трещин, охватывающих весь диапазон углов и азимутов падения. Наиболее трещиноватыми породами являются алевролиты. Трещины в них образуют три хорошо выраженные системы: пологие с азимутом падения от 130 до 250°, крутопадающие (60–80°) с азимутами 150–185°, крутопадающие на северо-запад с азимутами 300–320° и углами падения 67–75°. Таким образом, вмещающие породы месторождения являются выраженными структурно неоднородными. Для оценки напряженного состояния нижних горизонтов в 2002–2003 гг. институтами ВНИИЦВЕТМЕТ и ПГТУ на Тишинском руднике был выполнен комплекс работ по определению параметров естественного поля напряжений на уровне 11-го, 14-го и 16-го горизонтов. Эксперименты показали, что на уровне 11–16-го горизонтов напряжения примерно равны по всем направлениям и составляют 12–14 МПа, т.е. исходное напряженное состояние горного массива Тишинского рудника на уровне 11–16-го горизонтов близко к гидростатическому. Общий характер развития процессов сдвижения южного фланга месторождения контролируется с помощью наблюдательной станции, заложенной в 1987 г., которая состоит из поверхностной линии реперов и 5 подземных профильных линий (рис. 1). Подземные профильные линии расположены в квершлагах к шахте Тишинская на 6-м, 7-м и 10-м горизонтах, в квершлаге к вентиляционному стволу на 11-м горизонте и в выработке наклонного съезда. Выбор и реализация модели деформирования контактов скальных пород и критерия разрушения В рамках данной работы использовался программный комплекс метода дискретных элементов 3DEC, имеющийся в ПНИПУ [1, 2]. Свойства контакта в упругой зоне задаются коэффициентами нормальной и касательной жесткости. Для описания поведения контакта между трещинами была реализована и внедрена в программный продукт модель, учитывающая полную диаграмму деформирования (рис. 2) [3–8]. В настоящее время разработано достаточно много различных критериев разрушения горных пород. Наиболее простым из них в плане параметрического обеспечения и вместе с тем достаточно точно описывающим прочность контакта горных пород является критерий Джагера [4, 5]: tres = sn × tan(jG) + cG [1 – exp(–b sn)], где sn – нормальное к плоскости контакта напряжение; jG, cG – угол внутреннего трения и сцепление породы; b = [tan (js + + i0) – tan (jG)] / cG; js – угол внутреннего трения поверхности раздела; i0 – угол дилатансии при sn = 0. Подпись: Рис. 1. Наблюдательная станция за сдвижением горных пород НА: южном фланге Тишинского месторождения При sn = 0 критерий Джагера имеет вид tres = sn × tan (jG), а при sn® ¥ переходит в tres = sn × tan (jG) + cG, т.е. предполагается, что при высоких нормальных напряжениях происходит полное смыкание стенок и прочность поверхности раздела соответствует прочности ненарушенной породы. Таким образом, для расчета сдвижений скального массива реализована упруговязкопластическая модель деформирования контактов по системам трещин на допредельной и запредельной стадиях с применением критерия разрушения Джагера в программном комплексе метода раздельно-блочных элементов 3DEC. Модель была реализована в программе путем создания пользовательской библиотеки (*.dll). Рис. 2. Полная диаграмма деформирования по контакту скальных пород Моделирование напряженно-деформированного состояния горного массива Для анализа напряженно-деформированного состояния массива были разработаны конечно-элементная и дискретно-элементная модели [1]. Основное назначение выполненных расчетов состоит в калибровке параметров реализованной модели деформирования горных пород и общем анализе напряженного состояния массива. Степень пригодности любых модельных представлений для практического применения определяется соответствием расчетных параметров замеренным в натуре величинам. Применительно к южному флангу Тишинского месторождения в качестве замеренных величин выступают значения оседаний и горизонтальных сдвижений реперов, замеренных на комплексной наблюдательной станции в районе ствола Вентиляционный (профильная линия «Шх. РЭШ»), на 6-м, 7-м и 10-м горизонтах Тишинского рудника. Для калибровки модели использовались результаты наблюдений 2008 и 2009 гг. В расчетах было получено преимущественное развитие горизонтальных сдвижений по сравнению с оседаниями, что является прямым следствием высоких горизонтальных напряжений, действующих в массиве Тишинского месторождения. При этом в расчетах использовались параметры естественного поля напряжений, определенные прямыми шахтными экспериментами, что повышает достоверность полученных выводов и рекомендаций. Установлено, что использованная модель деформирования скального массива с учетом допредельной и запредельной стадий деформирования по системам трещин, реализованная в методе конечных элементов (МКЭ), хорошо работает в той части мульды сдвижения, которая характеризуется горизонтальными и вертикальными сдвижениями от 0 до 200–300 мм. В части мульды, определяемой углом сдвижения и углом обрушения, т.е. там, где сосредоточены наиболее опасные для подрабатываемых объектов деформации, она дает исключительно заниженные значения оседаний и горизонтальных сдвижений и, соответственно, горизонтальных и вертикальных деформаций (рис. 3) [9–15]. В связи с этим для прогноза сдвижений в этой части мульды сдвижения рекомендуется использовать метод дискретных элементов (МДЭ). В целом его применение с использованием реализованной геомеханической модели среды с дилатансией дает результаты в 2–5 раз более достоверные по сравнению с измеренными величинами сдвижений в мульде, чем метод конечных элементов с аналогичной геомеханической моделью (таблица). Целью последующих расчетов являлось определение прироста сдвижений и деформаций относительно существующего уровня при дальнейшей отработке запасов Тишинского рудника. В этой связи на основе разработанной модели производился расчет дополнительных сдвижений и деформаций при выемке руды до 20-го горизонта. Использовался как МКЭ, так и МДЭ. Результаты расчета показали практически равные величины прироста оседаний по обоим методам, однако МДЭ дал существенно большие величины прироста горизонтальных сдвижений, особенно выше 9-го горизонта Рис. 3. Сравнение расчетных и замеренных сдвижений на профильных линиях «Шх. РЭШ» (а); на 6-м горизонте Тишинского рудника (б) Среднеквадратические отклонения (СКО) рассчитанных величин сдвижений от замеренных Профильная линия СКО МДЭ, мм/% СКО МКЭ, мм/% горизонтальные сдвижения оседания горизонтальные сдвижения оседания Поверхность 135/25 92/20 610/114 379/84 6-й горизонт 59/22 89/46 157/58 250/129 7-й горизонт 72/45 42/84 152/94 66/134 10-й горизонт 23/20 19/362 76/66 24/466 Рис. 4. Прирост горизонтальных сдвижений (а) и оседаний (б) по оси ствола «Вентиляционный» при отработке руды до 20-го горизонта (рис. 4). Связано это с незатухающим деформированием борта карьера при расчете методом дискретных элементов Результаты расчетов показывают несущественный прирост сдвижений в районе ствола «Вентиляционный». Так, при отработке руды до 20-го горизонта прирост оседаний земной поверхности в районе ствола составит: при расчете методом дискретных элементов Dh = 240 мм, горизонтальных сдвижений – Dx = 670 м и при расчете методом конечных элементов Dh = 270 мм, Dx = 390 м. Как было доказано ранее, МДЭ дает более достоверные результаты, на которые стоит опираться при работе. Прирост горизонтальных деформаций на земной поверхности в районе ствола находится в пределах 0,2–0,7 мм/м. Если учесть, что в настоящее время горизонтальные деформации в районе ствола составляют 0,5–1,0 мм/м, то такой прирост приведет к возникновению опасных деформаций. Выводы 1. Учет допредельной стадии деформирования скальных пород по системам трещин оказывает существенное влияние на величины сдвижений массива. 2. Для расчета сдвижений земной поверхности и горного массива необходимо использовать нелинейные критерии разрушения горных пород. В практических расчетах целесообразно применять критерий разрушения Джагера, так как он учитывает традиционные характеристики прочности горных пород, получаемые при инженерно-геологических изысканиях. 3. В целом метод дискретных элементов с использованием реализованной геомеханической модели среды с дилатансией дает результаты в 2–5 раз более достоверные по сравнению с измеренными величинами сдвижений в мульде, чем метод конечных элементов с аналогичной геомеханической моделью при расчете трещиноватых скальных массивов. 4. На основе реализованного в программном комплексе 3DEC алгоритма учета деформирования по системам трещин в допредельной и запредельной стадиях был выполнен прогноз сдвижений и деформаций горного массива и земной поверхности при отработке Тишинского месторождения до 20-го горизонта. Установлено, что отработка залежи на Тишинском месторождении от 14-го до 20-го горизонтов приведет к появлению деформаций ствола «Вентиляционный», которые могут вызвать нарушение его нормальной эксплуатации.

Об авторах

Денис Владимирович Шустов

Автор, ответственный за переписку.
Email: denispstu@mail.ru
614600, г. Пермь, Комсомольский пр., 29

доцент кафедры маркшейдерского дела, геодезии и геоинформационных систем Пермского национального исследовательского политехнического университета

Алексей Олегович Ермашов

Email: geramd-06@mail.ru
614600, г. Пермь, Комсомольский пр., 29

аспирант кафедры маркшейдерского дела, геодезии и геоинформационных систем Пермского национального исследовательского политехнического университета

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 244

PDF (Russian) - 52

Ссылки

• Ссылки не определены.