Ensuring industrial safety during mining of highly stressed stoping blocks at the Dukat mine

Введение.

Дукатский рудник характеризуется сложными горно-геологическими условиями: наличием многочисленных рудных зон и жил, изменчивостью мощности рудных тел, высокими горизонтальными напряжениями в массиве. При отработке запасов на глубинах свыше 800 м возрастают риски нарушения устойчивости междукамерных целиков, обрушения бортов очистных камер и динамических проявлений горного давления.

Промышленная безопасность при таких условиях требует комплексного геомеханического обоснования параметров системы разработки и адресных мероприятий по управлению рисками [1-2,4].

Цель исследования — разработать методику оценки устойчивости высоконапряжённых очистных блоков и обосновать комплекс мероприятий по обеспечению промышленной безопасности на Дукатском руднике.

Материалы и методы

Характеристика объекта

Объектом исследования являются очистные блоки рудных зон I, VIII, XIII, XV и жилы 44 Дукатского рудника.

Глубина отработки составляет 810–980 м. Применяется этажно-камерная система разработки с магазинированием руды и отбойкой глубокими скважинами. Высота этажа 50–60 м, длина камер 40–60 м, ширина междукамерных целиков 3,0–5,0 м.

Физико-механические свойства руд: прочность на сжатие 80–150 МПа, модуль упругости 40–60 ГПа, плотность 2,65–2,80 т/м.

Методика оценки устойчивости

Оценку устойчивости междукамерных целиков выполняли по коэффициенту запаса прочности [3-5]:

(1)

где n — коэффициент запаса прочности; σсж — прочность руды на одноосное сжатие, МПа; σц — фактическое напряжение в целике, МПа. Напряжение в целике определяли с учётом концентрации напряжений:

(2)

где γ — объёмный вес пород, МН/м; H — глубина, м; λ — коэффициент бокового распора; Kк — коэффициент концентрации напряжений. Устойчивость бортов камер оценивали по критерию:

(3)

где Kу — показатель устойчивости бортов; L — длина камеры, м; m — мощность рудного тела, м; Kтр — коэффициент трещиноватости массива. При Kу ≤ 15 борта считаются устойчивыми, при 15 < Kу ≤ 20 — требуется усиление, при Kу > 20 — неустойчивы.

Программа геомеханического мониторинга

Программа включает: лазерное сканирование контуров очистных камер до и после выпуска руды, установку щелемеров в целиках для контроля деформаций, сейсмоакустический мониторинг трещинообразования, визуальный осмотр бортов камер с фиксацией заколов и признаков неустойчивости.

Данные мониторинга используются для верификации расчётных моделей и корректировки параметров отработки.

Результаты

Расчёт устойчивости целиков

Таблица 1

Расчёт коэффициента запаса прочности целиков для типовых блоков Дукатского рудника

Горизонт, м	Глубина H, м	σц, МПа	σсж, МПа	n	Оценка
810	810	65	120	1,85	Устойчив
860	860	72	120	1,67	Устойчив
930	930	85	120	1,41	Устойчив
980	980	95	120	1,26	Предельное

Расчёты показывают, что на горизонтах 810–930 м коэффициент запаса прочности целиков превышает нормативное значение 1,3. На горизонте 980 м запас приближается к предельному, что требует либо увеличения ширины целиков, либо применения искусственного упрочнения.

Для глубин свыше 1000 м необходимо рассматривать варианты с закладкой выработанного пространства или переход на другие системы разработки.

Оценка устойчивости бортов камер (табл.2)

Таблица 2

Показатель устойчивости бортов очистных камер

Рудная зона	L, м	m, м	Kтр	Kу	Оценка
I	50	3,0	1,2	13,9	Устойчивы
VIII	40	2,0	1,4	14,3	Устойчивы
XIII	60	4,0	1,1	13,6	Устойчивы
XV	60	3,5	1,3	13,2	Устойчивы
Жила 44	50	2,5	1,2	16,7	Требуют усиления

Наиболее проблемной является жила 44, где сочетание малой мощности рудного тела и повышенной трещиноватости приводит к росту показателя Kу до 16,7. Для этой зоны рекомендуется сократить длину камер до 40 м или увеличить ширину целиков до 4,5–5,0 м. В остальных зонах борта камер находятся в устойчивом состоянии при условии соблюдения параметров БВР и своевременной выемки руды.

Комплекс мероприятий по обеспечению безопасности

На основе результатов расчётов предложен комплекс мероприятий:

1. Оптимизация последовательности отработки: первоочередная выемка блоков с наименьшими запасами в целиках, отработка «от центра к краям」 для снижения концентрации напряжений.
2. Усиление междукамерных целиков: установка анкерной крепи в зонах повышенной трещиноватости, применение искусственного упрочнения на глубинах свыше 950 м.
3. Инструментальный мониторинг: еженедельное лазерное сканирование камер, непрерывный контроль деформаций целиков щелемерами, сейсмоакустический мониторинг.
4. Риск-ориентированный подход: классификация блоков по уровню геотехнического риска, дифференциация частоты мониторинга и объёма контрольных мероприятий [7-8].

Обсуждение

Полученные результаты подтверждают, что на текущих глубинах отработки (810–930 м) применяемая этажно-камерная система обеспечивает приемлемый уровень промышленной безопасности при условии соблюдения расчётных параметров целиков и камер.

Однако на горизонтах 980 м и ниже запасы прочности снижаются, что требует превентивных мер. Предложенная методика оценки устойчивости может быть интегрирована в систему производственного контроля рудника.

Важным элементом обеспечения безопасности является своевременное выявление признаков неустойчивости: рост деформаций целиков, появление заколов в бортах камер, увеличение сейсмоакустической активности.

Для этого необходимо внедрить цифровую платформу геомеханического мониторинга с автоматическим оповещением при превышении пороговых значений.

Ограничением исследования является использование усреднённых физико-механических характеристик пород. Для проектного обоснования параметров отработки на конкретных блоках необходимо выполнять детальные геомеханические исследования с отбором керна, определением RMR/Q и построением 3D-моделей напряжённо-деформированного состояния.

Выводы

1. На Дукатском руднике на глубинах 810–930 м коэффициент запаса прочности междукамерных целиков составляет 1,41–1,85, что обеспечивает устойчивую отработку очистных блоков.
2. На горизонте 980 м запас прочности снижается до 1,26, что требует либо увеличения ширины целиков, либо применения искусственного упрочнения.
3. Показатель устойчивости бортов камер для большинства рудных зон находится в пределах 13,2–14,3, что соответствует устойчивому состоянию. Для жилы 44 (Kу = 16,7) требуется усиление или сокращение длины камер.
4. Комплекс мероприятий по обеспечению промышленной безопасности включает оптимизацию последовательности отработки, усиление целиков, инструментальный мониторинг и риск-ориентированный подход к управлению геотехническими рисками.