Jointed rock mass реферат

Обновлено: 02.07.2024

Ключевые слова: рудное месторождение, устойчивость пород, кровля, класс устойчивости, система разработки, рейтинговая классификация.

A STABILITY ASSESSMENT OF ROOF ROCKS IN THE WORKINGS OF THE “AIKHAL” MINE

Alekseev A.M. 1, *, Petrova L.V. 2 , Alkov S.P. 3 , Sivtseva A.I. 4

1, 2, 3, 4 M. K. Ammosov North-Eastern Federal University, Yakutsk, Russia

Abstract

The article examines the issues of assessing the stability of the roof rocks during the underground development of a placer accumulation. The study provides geological characteristics of the Aikhal diamond mine and describes the composition and properties of the rock mass. In the course of the study, the authors examine the preliminary assessment of the stability of roof rocks using the method of D. H. Laubscher (MRMR — Mining Rock Mass Rating). The study determines the stability of the roof of stopes of the Aikhal diamond mine according to the rating classification of D. H. Laubscher, which is widely used today in the issues of rock mass stability. The research summarizes the results of the calculations in the final table of the MRMR rating for the conditions of host rocks of the contact zone and the ore body. The study makes conclusions on determining the stability of roof rocks and choosing the system of development based on the results of calculations of the rock mass rating according to the geomechanical classification of D. H. Laubscher for the conditions of the Aikhal kimberlite tube.

Keywords: ore deposits, the stability of rocks, roof, the stability of the system development, rating classification.

В 2003 году (21.05.2003г. и 27.07.2003г.) при ведении горных работ на отметке +192м, из дна карьера произошел прорыв илов в горные выработки. По результатам расследования причин прорыва и на основании протокола по Компании (№ 02-27-03-/87 от 08.07.2003г), было принято решение о переходе на отработку подкарьерных запасов слоевой системой с твердеющей закладкой и механической (комбайновой) отбойкой руды, под защитой предохранительного барьерного целика.

В связи с особо сложными гидрогеологическими условиями месторождения необходимо многократно возвращаться к вопросам устойчивости пород, определению степени обрушаемости, обоснованию порядка ведения горных работ и т.д.

В настоящее время в мировой практике наиболее многофункциональной и практичной является рейтинговая классификация Лобшира (MRMR), которая представляется в виде блок-схемы [2], [3], [6].

В районе месторождения выделяются 3 типа подземных вод: над-, меж- и подмерзлотные. Надмерзлотные воды не оказывают практического влияния на обводненность месторождения.

Межмерзлотные воды залегают в приподошвенной части многолетнемерзлых пород на глубине 260-340 м (+240/+160 м абс.), характеризуются низкой водообильностью (до 4,8 м 3 /сут) и отсутствием нефтегазопроявлений. Подмерзлотные воды встречены в интервале абс.отм. от -10 м до -480 м. Межмерзлотные и подмерзлотные воды представлены рассолами с минерализацией от 74,3 г/л до 348,7 г/л. Рассолы агрессивны по отношению к бетону и металлу.

Притоки к гор. +100м, -100м поступают за счет рассолов верхнекембрийского водоносного комплекса в количестве 150-200м3/сутки или 6-8,3 м 3 /ч.

Район месторождения Айхал принадлежит к Тунгусскому криоартезианскому бассейну. На территории района развиты многолетнемерзлые породы, входящие в криолитозону общей мощностью до 720 м. Наиболее низкие температуры этой толщи отмечаются в приповерхностной части (-4.2°С), нулевая изотерма проходит на глубине около 700 м (–200 м).

Слеживаемость и смерзаемость кимберлитовых руд, в силу их естественного переохлаждения и слабой льдистости, минимальные, поэтому дополнительных затрат на их рыхление не требуется.

Подкарьерные запасы представляют собой переохлажденный массив вследствие влияния отрицательных зимних температур, поэтому для установления истинного температурного режима подземного комплекса необходимо специализированное исследование этой части массива в процессе отработки месторождения.

Рудное тело трубки Айхал отвечает диатреме с каналами трещинного типа. В структурном отношении трубка приурочена к рудовмещающей тектонической зоне северо-восточного простирания, оперяющей субмеридиональный глубинный разлом вдоль современной долины реки Сохсолоох. Проведенными работами установлено, что породы нижнего палеозоя вдоль рудовмещающей зоны северо-восточного простирания, в пределах которой расположена трубка Айхал, характеризуются повышенной степенью трещиноватости по сравнению с фоновой. Зоны повышенной трещиноватости вмещающих пород появляются обычно за 4-5 м до контакта с рудным телом и сопровождаются многочисленными зеркалами скольжения (скв. 8 в, 29 и др.) [7].

Тектонические зоны брекчирования карбонатных пород, нередко инъецированные кимберлитовыми дайками, вскрываются многочисленными скважинами в околорудном пространстве на различных расстояниях от рудного тела, в т.ч. и непосредственно вдоль его экзоконтактов. На флангах по простиранию мощность зоны брекчирования уменьшается до выклинивания. Эта зона сложена тектонической карбонатной брекчией, представленной мелко- и среднеобломочным материалом карбонатных пород (доломиты, глинистые доломиты, реже доломитовые конгломераты), сцементированных глинисто-карбонатным и разнозернистым карбонатным цементом. Другая субвертикальная тектоническая зона дробления вмещающих пород приурочена к юго-западному флангу северо-восточного рудного тела. Тектоническая зона сопровождается крутопадающей дайкой кимберлита мощностью 1.5-2 м. Выше по разрезу между отм. +150 и +195 м расстояние зоны брекчирования от северного контакта рудного тела предположительно составит 7-13 м. Тектоническая зона сложена карбонатной брекчией и представлена обломками известковистых и глинистых доломитов, интенсивно трещиноватых и, нередко, с зеркалами скольжения. Блок вмещающих пород, расположенный между зоной брекчирования и рудным телом, также сложен интенсивно трещиноватыми породами с нарушенным первичным их залеганием.

Между северо-восточным и юго-западным рудными телами предполагается наличие зоны дезинтегрированных карбонатных пород, которые могут влиять на их устойчивость при подземной отработке. При подземных горных работах на контактах рудного тела с вмещающими породами (кольцевой штрек, спиральные съезды, орты и др.) следует предусмотреть усиление их крепления [7].

Кимберлиты, слагающие северо-восточное рудное тело, представлены порфировыми кимберлитами (ПК) и кимберлитовыми брекчиями (КБ). Кимберлитовые брекчии составляют основной объем северо-восточного рудного тела (до 99%), порфировые кимберлиты встречаются в нем лишь в виде мелких единичных обособлений.

Прочность кимберлитов на сжатие колеблется от 10–20 МПа до 40–50 МПа со средним объемным весом 2,4 т/м 3 . По вещественному составу и алмазоносности обе разновидности кимберлитов лишь незначительно отличаются друг от друга и относятся к одному технологическому типу. Кимберлиты характеризуются, в основном, средней степенью трещиноватости. На контакте с вмещающими породами отмечаются участки с пониженной устойчивостью, обусловленной повышенной трещиноватостью кимберлитов, мощностью 3−5м.

В структурном отношении трубка приурочена к тектонической зоне, оперяющей субмеридиональный глубинный разлом. Основными структурными элементами, определяющими положение рудного тела, являются зоны интенсивной трещиноватости и брекчирования вмещающих пород. Зоны повышенной трещиноватости появляются обычно за 4-5 м до контакта с рудным телом и сопровождаются многочисленными зеркалами скольжения с перетертым рыхлым материалом.

Коэффициент разрыхления изменяется от 1,5-1,6 до 1,8, влажность – от 7 до 4,1%. Кимберлиты относятся к породам довольно мягким и средней крепости, категория которых по буримости не превышает 4-6, реже – 7.

Для характеристики горно-геологических условий месторождения весь массив пород условно разделим на 3 части (рис.1).

Рейтинг MRMR состоит из суммы частных рейтингов (IRMR), которые учитывают прочностные свойства массива, общие характеристики трещиноватости, которую необходимо домножать на поправочные коэффициенты. Эти коэффициенты отображают степени выветрелости пород, ориентации трещин в массиве, параметры напряженного состояния, гидрогеологические условия и др.

Рейтинг MRMR можно выразить формулой:

(1)

(2)

где R_RBS — прочность породного блока; J_S — рейтинг по количеству трещин; J_C — рейтинг условий трещиноватости; k — коэффициенты, учитывающие выветривание, ориентацию трещин, напряжения в массиве, взрывание, наличие подземных водопритоков [5], [8], [13].

Для условий вмещающих пород

Средний предел прочности руды колеблется 32 МПа (данные табл.1.), модуль трещиноватости –1,5 тр/м, среднее расстояние между трещинами – 0,5 – 1 (данные табл.2).

Таблица 1 – Горнотехнические условия отработки

Порода	Крепость по Протодьяконову	Плотность, т\м 3	Предел прочности на сжатие δ_сж, МПа	Коэффициент Пуассона
Вмещающие породы	3.0-4.0	2.64	32	0,2-0,3
Кимберлит	1.2-4.5	2,44	30	0,2-0,3

Таблица 2 – Характеристика трещиноватости

Категория трещиноватости	Степень трещиноватости (блочности) массивов	Среднее расстояние между естественными трещинами всех систем, м	Модуль трещиноватости, м -1
I	Чрезвычайно трещиноватые (мелкоблочные)	До 0.1	Более 10
II	Сильнотрещиноватые (среднеблочные)	0.1 – 0.5	2 – 10
III	Среднетрещиноватые (крупноблочные)	0.5 – 1.0	1 – 2
IV	Малотрещиноватые (весьма крупноблочные)	1.0 – 1.5	1 – 0.65
V	Практически монолитные (исключительно крупноблочные)	Свыше 1.5	Менее 0.65

Следовательно, получаем составляющую рейтинга :

(3)

где k – коэффициент корректировки IRS. Он вычисляется по номограмме, представленной на рис. 2.

Рис. 2 – Номограмма корректировки прочности нетронутого массива с учетом крепости руды и густоты трещин

Практически все трещины минерализованы. Основной заполнитель трещин – карбонатные породы, крепость по шкале Мооса – 3. Следовательно, инверсия – 0,33.

По номограмме корректировки прочности [3], [5] получаем k=0,875

По графику определения рейтинга R_RBS прочности породного блока (рис.3) и рейтинга трещиноватости массива J_S (рис.4) рейтинговый показатель R_RBS=10, рейтинг трещиноватости J_S=24.

Рис. 3 – Определение рейтинга R_RBS прочности породного блока

Рис. 4 – Рейтинг трещиноватости массива J_S

Трещины одной направленности, волнообразные (А=95%), с гладкими выступами (В=85%), имеются раздувы (D=60%), в разной степени кальцитизированная, крепость заполнителя 3 [7]. Поправочный коэффициент к показателю J_C:

Далее рейтинг RMR умножается на коэффициенты, которые учитывают выветривание, поправку за ориентацию трещин, напряжения, вызванные горными работами, буровзрывные работы, поправки за обводненность и мерзлоту. В данном случае преимущественное влияние на горный массив оказывает ориентация трещин, так как водопритоки и буровзрывные работы снижают прочность массива, действуя на трещиноватость. По таблице, определяющей коэффициент ориентации трещин, выводим коэффициент понижения k₁=0,85.

На территории района развиты многолетнемерзлые породы, входящие в криолитозону общей мощностью до 720 м. Наиболее низкие температуры этой толщи отмечаются в приповерхностной части (-4.2°С), нулевая изотерма проходит на глубине около 700 м (–200 м). Коэффициент смерзаемости пород берется от 1 до 1,2 (k₂=1,1).

Для условий вмещающих пород приконтактной зоны (4-5 м до контакта с рудным телом)

В среднем предел прочности руды колеблется 32 МПа, модуль трещиноватости –10 тр/м, расстояние между трещинами – до 0,1, таким образом, с учетом трещиноватости, выводим:

Так же, как и для предыдущих условий k₁=0,85 и k₂=1,1.

Для условий рудной части

В среднем предел прочности руды колеблется 30 МПа, модуль трещиноватости –1,5 тр/м, расстояние между трещинами – 0,5 – 1, таким образом, с учетом трещиноватости, выводим:

Так же, как и для предыдущих условий k₁=0,85 и k₂=1,1.

Результаты расчетов сводим в табл. 3.

Таблица 3 – Итоговая таблица расчетов рейтинга MRMR

Вмещающие породы	Вмещающие породы приконтактной зоны	Руда
Рейтинг MRMR	47,2	40,3	46,3
Класс пород по Д.Лобширу	3	4	3
Описание пород по устойчивости (обрушаемости)	Средняя (средняя)	Низкая (хорошая)	Средняя (средняя)

Из табл. 3 можно сделать вывод о том, что вмещающие породы и рудное тело относятся к 3 классу и имеют среднюю устойчивость, за исключением вмещающих пород в приконтактной зоне, которые относятся к 4 классу и имеют низкую устойчивость.

Из результатов расчета следует, что возможно применение системы разработки с обрушением [12], [14]. Но в условиях кимберлитовых месторождений в целях повышения качества извлечения и минимизации потерь пород необходимо применять систему разработки с твердеющей закладкой.

Следует отметить, что для достоверной оценки устойчивости горного массива к конкретному блоку или горизонту необходим индивидуальный подход с выбором методики исследования.

Список литературы / References

Список литературы на английском языке / References in English

Рассмотрены результаты исследования фрагмента скального массива, ослабленного системой плоскопараллельных трещин. С использованием численного моделирования исследуются его деформационные характеристики при различных соотношениях характерного размера фрагмента к характерному размеру его структурного элемента (слоя). Обсуждаются условия представительности фрагмента. Результаты численных расчётов сопоставляются с результатами предложенного ранее аналитического метода расчёта и обсуждаются условия их сходимости.

Ключевые слова

Полный текст:

Литература

Zhang L. and Einstein H. H. Using RQD to Estimate the Deformation Modulus of Rock Masses // Int. J. Rock Mech. & Min. Sci. 2004. 41. Рp. 337 - 341.

Bieniawski Z. T. Determining Rock Mass Deformability: Experience from Case Histories // Int. J. Rock Mech. & Min. Sci. 1978. 15. Рp. 237 - 324.

Hoek E. and Dederichs M. S. Empirical Estimation of Rock Mass Modulus // Int. J. Rock Mech. & Min. Sci. 2006. 43. Рp. 203 - 215.

Barton N. Some new Q-value correlations to assist in site characterization and tunnel design // Int. J. Rock Mech. & Min. Sci. 2002. 39. Рp. 185 - 216.

Goodman R., Taylor R. and Brekke T. A model for the mechanics of jointed rock // J. Soil Mech. and Found., Engrg. Div, ASCE. 1968. Vol. 99. Рp. 637 - 660.

Duncan J. and Goodman R. Finite Element Analyses of Slopes in Jointed Rock // US Army Cprps of Engineers. 1968. Rep. S63 - 3.

Goodman R. E. Deformability of joints // Proceedings of the Symp. on determination in-situ modulus of deformation of rock, Denver, 1970. Рp. 174 - 196.

Yoshinaka R. and Yamabe T. Joint stiffness and the deformation behaviour of discontinuous rock // Int. J. Rock Mech. & Min. Sci. 1986. 23. No. 1. Рp. 19 - 28.

Власов А. Н. и Мерзляков В. П. Усреднение деформационных и прочностных свойств в механики скальных пород: Монография. - М.: Издательство АСВ, 2009. С. 208.

Vlasov A., Zertsalov M. and Vlasov D. Influence of normal and shear stiffness of fractures on deformation characteristics of rock mass // Geotechnics Fundamentals and Applications in Construction. 2019. Рp. 413 - 419 (London: CRC Press).

Бахвалов Н. С. и Панасенко Г. Гомогенизация: усреднение процессов в периодических средах. - М.: Наука,1984. С. 352.

Priest S. and Hudson J. Int. J. Rock Mech. & Min. Sci & Geomechanics Abstracts, 1976. 13 (5). Рp. 135 - 148.

Bandis S., Lumsden A. and Barton N. Fundamentals of Rock Joint Deformation // Int. J. Rock Mech. & Min. Sci & Geomechanics Abstracts. 1983. Vol. 20. No. 6. Рp. 249 - 268.

Речицкий В. И. Оценка характеристик жесткости скальных трещин по данным натурных исследований на гидротехнических объектах // Гидротехническое строительство. 1998. № 8.

Bandis S. C. Experimental studies of scale effects on shear strength and deformation of rock joints // Ph. D. thesis, Univ. of Leeds. 1980. Рp. 385.

Ухов С. Б., Ухов С. Скальные основания гидротехнических сооружений. - М.: Энергия, 1975. С. 34 - 41.

Truzman M., Corley D., Lipka D. Determination of Unit Tip Resistance for Drilled Shafts in Fractured Rocks using the Global Rock Mass Strength // Pan-Am CGS Geotechnical Conf. 2011.

Ссылки

Контакты:

Rune Glamheden, Golder Associates AB,
Harald Hökmark, Clay Technology AB.
Stockholm: Svensk Kärnbränslehantering AB (Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Co). — June, 2010. — 51 p.

Introduction
Importance of time-dependent rock deformation for the deep repository
Some general aspects on the concept of creep
Previous handling of creep in SKB performance assessments
Key questions
Scope of work
Creep in rock masses
Introduction
Time-dependent shear strength
Time-dependent displacements
Summary
Creep in intact rock
General
Influence of deviator stress
Influence of confining pressure
Effects of water content
Conclusions
Creep in discontinuities
Introduction
Fracture shear strength
Results from creep tests
Creep region around a repository tunnel
Introduction
Excavation damaged zone
Stress redistribution
Temperature changes
Pore pressure changes
Alteration of fracture properties
Conclusions
Recommendations

Содержание
Введение
Значение длительных деформаций пород для глубоких захоронений (ядерных отходов)
Некоторые основные понятия концепции ползучести
Учет ползучести в предыдущих работах SKB
Ключевые вопросы
Рамки изучения
Ползучесть в скальных массивах
Введение
Долговременная сдвиговая прочность
Долговременные деформации
Краткое изложение
Ползучесть цельных (ненарушенных) участков горных пород
Общие сведения
Влияние девиатора напряжений
Влияние горного давления
Воздействие обводненности
Выводы
Ползучесть вдоль трещин
Введение
Прочность трещин на сдвиг
Результаты испытаний на ползучесть
Выводы
Область вокруг выработок хранилища, подверженная ползучести
Введение
Зона, нарушенная выемкой
Перераспределение напряжений
Изменения температуры
Изменения порового давления
Изменение свойств трещин
Выводы
Заключение
Рекомендации

Исследование представляет собой обзор работ, посвященных изучению ползучести скальных пород, в особенности ползучести вдоль трещин, с целью дальнейшего моделирования методом дискретных элементов поведения глубоких захоронений ядерных отходов в течение длительных (до 1 млн. лет) интервалов времени.

Rune Glamheden, Golder Associates AB,
Harald Hökmark, Clay Technology AB.
Stockholm: Svensk Kärnbränslehantering AB (Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Co). — June, 2010. — 51 p.

Читайте также: