Influence of tectonic stresses on pillar stability in mining of steep veins at Dukat

Введение

Дукатское золотосеребряное месторождение разрабатывается подземным способом с применением камерной системы разработки с подэтажной отбойкой руды глубокими скважинами и системы с магазинированием руды для тонкожильных тел. Рудные зоны и жилы имеют сложное тектоническое строение, крутое и переменное падение, мощность от долей метра до 5–6 метров. На отдельных участках зафиксированы зоны дробления, милонитизации и контакты с осадочными породами, что приводит к локальному снижению устойчивости вмещающего массива и кровли камер.

В условиях крутопадающих жил междукамерные целики являются основными несущими элементами системы разработки, обеспечивающими устойчивость очистных пространств и предотвращающими обрушение вмещающих пород. Традиционные расчёты устойчивости целиков часто ограничиваются гравитационной составляющей горного давления, однако для Дуката характерно наличие региональных тектонических напряжений, связанных с разломами северо-восточного и северо-западного простирания. Игнорирование тектонической составляющей может приводить к завышению коэффициента запаса устойчивости и, как следствие, к принятию неоптимальных проектных решений.

Цель работы — оценить влияние тектонических напряжений на устойчивость междукамерных целиков при отработке крутопадающих жил Дуката и обосновать рекомендации по корректировке их размеров в зонах с различной тектонической активностью.

Материалы и методы

В работе использована модель плоского напряжённого состояния для междукамерного целика, рассматриваемого как призматическое тело высотой h, шириной w и длиной l, нагруженное вертикальным напряжением от веса пород и горизонтальными тектоническими напряжениями. Исходные параметры приняты на основе проектных данных по руднику Дукат: глубина отработки 500–800 м, мощность жил 1–6 м, высота целика 40–60 м. [1-3]

Вертикальное напряжение определено по формуле [1-3, 4-6]:

σv = γ · H                                                                       1.

где γ — удельный вес пород, МН/м³; H — глубина, м.

Горизонтальные тектонические напряжения представлены как сумма регионального фона σ_h и дополнительной тектонической составляющей Δσ_t, зависящей от ориентации жилы относительно главных осей напряжений:

σ_n = (σ₁ + σ₃) / 2 + (σ₁ − σ₃) / 2 · cos 2α                                                 2.

τ = (σ₁ − σ₃) / 2 · sin 2α                                                               3.

где σ₁, σ₃ — главные напряжения; α — угол между нормалью к простиранию жилы и направлением σ₁.

Эквивалентное напряжение в целике вычислено по критерию Мизеса:

σeq = √(σn² + 3τ²)                                4.

Коэффициент запаса устойчивости определён как отношение предельной прочности целика к эквивалентному напряжению:

Ks = σ_lim / σ_eq                                                              5.

Предельная прочность целика σ_lim принята с учётом масштабного эффекта и трещиноватости массива. Для сценарных расчётов рассмотрены три уровня тектонической нагрузки: низкий (Δσt = 0 МПа), средний (Δσt = 10 МПа) и высокий (Δσt = 20 МПа) [5-7,9-10].

Результаты расчётного моделирования

Таблица 1

Исходные параметры расчёта

Параметр	Значение
Глубина отработки H, м	600
Удельный вес пород γ, МН/м3	0,027
Высота целика h, м	50
Проектная ширина целика w, м	8–12
Прочность руды на сжатие σc, МПа	80
Прочность вмещающих пород, МПа	60

На рисунке 1 представлена зависимость коэффициента запаса устойчивости Ks от величины дополнительного тектонического напряжения Δσt для целика шириной 10 м.

Рисунок 1 — Зависимость коэффициента запаса устойчивости Ks от величины дополнительного тектонического напряжения Δσt для целика шириной 10 м.

При Δσt = 0 МПа коэффициент запаса составляет 1,85, что соответствует устойчивому состоянию. При Δσt = 10 МПа Ks снижается до 1,35, а при Δσt = 20 МПа — до 0,98, что указывает на критическое состояние целика [11-12,13-15]. Снижение коэффициента запаса на 35–45 процентов при переходе от низкого к высокому уровню тектонической нагрузки свидетельствует о необходимости увеличения ширины целика или применения искусственного крепления в зонах с высокой тектонической активностью.

Увеличение ширины целика с 8 до 14 м приводит к росту Ks с 0,85 до 1,45, что подтверждает эффективность данного мероприятия для обеспечения устойчивости.

В таблице 2 приведены результаты сценарных расчётов для различных комбинаций параметров.

Обсуждение результатов

Полученные результаты согласуются с данными о наличии зон дробления и милонитизации на Дукатском месторождении, где зафиксированы случаи обрушения кровли камер с разубоживанием 30–75 процентов.

Таблица 2

Результаты сценарных расчётов

Δσt, МПа	w, м	Ks	Оценка состояния
0	10	1,85	Устойчивое
10	10	1,35	Устойчивое
15	10	1,10	Предкритическое
20	10	0,98	Критическое
20	12	1,25	Устойчивое
20	14	1,45	Устойчивое

В таких условиях традиционный подход, основанный только на гравитационной составляющей, может приводить к недооценке рисков. Учёт тектонической составляющей позволяет дифференцировать параметры целиков по рудным зонам: для зон с низкой тектонической активностью достаточна ширина 8–10 м, для зон со средней активностью — 10–12 м, для зон с высокой активностью — 12–14 м или применение искусственного крепления [11-13,15].

Кроме того, для крутопадающих жил важно учитывать ориентацию простирания относительно главных осей напряжений. При угле α, близком к 45 градусам, касательные напряжения достигают максимума, что требует дополнительного увеличения ширины целика или уменьшения высоты очистной камеры.

Выводы

1. Тектонические напряжения оказывают существенное влияние на устойчивость междукамерных целиков при отработке крутопадающих жил Дуката. При увеличении дополнительной тектонической составляющей с 0 до 20 МПа коэффициент запаса устойчивости снижается на 35–45 процентов.
2. Для обеспечения устойчивости целиков в зонах с высокой тектонической активностью рекомендуется увеличивать их ширину с 8–10 до 12–14 м или применять искусственное крепление.
3. При проектировании систем разработки необходимо учитывать ориентацию простирания жил относительно главных осей напряжений, так как при угле около 45 градусов касательные напряжения достигают максимума.
4. Результаты работы могут быть использованы для оптимизации параметров систем разработки и повышения промышленной безопасности подземных работ на руднике Дукат.