УПРАВЛЕНИЕ СОСТОЯНИЕМ ГОРНОГО МАССИВА МЕТОДОМ ПРОГНОЗА ПАРАМЕТРОВ ЗОНЫ ВОДОПРОВОДЯЩИХ ТРЕЩИН

CONTROL OF THE CONDITION OF THE ROCK MASS BY PREDICTING THE PARAMETERS OF THE WATER-CONDUCTING FRACTURE ZONE

Odintsov Egor Evgenevich

PhD student, Empress Catherine II Saint Petersburg Mining University, Russia, Saint-Petersburg

Аннотация. Горнодобывающие предприятия, ведущие отработку полезного ископаемого в сложных горно-геологических условиях регулярно сталкиваются с проблемой обеспечения геомеханической безопасности ввиду отсутствия возможности прогнозирования распространения зоны трещинообразования над очистным пространством. На данный момент существуют прямые способы определения геометрических параметров зон водопроводящих трещин над выемочным пространством. Данные методы являются капиталоемкими инструментами, позволяющими оценить местоположение верхней границы зоны трещиноватости единомоментно, без возможности ее прогнозирования наперед.  В работе предложен подход к управлению состоянием горного массива путем прогнозирования высоты зоны водопроводящих трещин, позволяющий оценить влияние горных работ на изменение геометрических параметров зон фильтрации воды, с учетом планов развития горных работ предприятия. Подход позволяет минимизировать риск техногенных аварий и обеспечить бесперебойность ведения горных работ.

Abstract. Mining enterprises operating under complex geological and geotechnical conditions routinely face the challenge of maintaining geomechanical safety due to the limited ability to predict the propagation of the water-conducting fracture zone (WCFZ) above the mined-out void. At present, only direct measurement techniques are available for determining the geometric parameters of the WCFZ. These methods are capital-intensive and provide merely a one-time identification of the upper boundary of the fractured zone, without offering any capability for forward forecasting. In this study, we propose a predictive approach for controlling the rock-mass condition by estimating the future height and extent of the WCFZ. The method enables quantitative assessment of how mining activities influence the evolution of the geometric characteristics of water-filtration pathways, taking into account the planned sequence of mine development. This predictive framework reduces the risk of technogenic geomechanical failures and ensures the safe and uninterrupted continuation of underground mining operations.

Ключевые слова: Подработка водного объекта, высота зоны техногенной трещиноватости, геомеханическая безопасность ведения горных работ.

Keywords: th undermining of a water body, height of the technogenic fracture zone, geomechanical safety of mining operations.e word; the word; the word.

Введение

На безопасность ведения горных работ на месторождениях, осложненных обильным водопритоком и наличием водных объектов в литолого-структурном разрезе месторождения, влияет большой ряд факторов. В их числе особенности геотехнологии, геодинамические и сейсмические параметры, особенности реологии, геологическое строение месторождения, организация труда и человеческий фактор [1]. Среди прочих факторов следует выделить инфильтрацию неконтролируемого водопритока через зоны трещиноватости, расположенные над очистными пространствами, генезис которых связан с особенностями техногенного воздействия от ведения горных работ. Наличие данного неконтролируемого притока воды как следствие приводит к консервации участков рудника, что влечет за собой значительный экономический ущерб [2]. Очевидно, что для управления состоянием горного массива необходимо постоянно анализировать глубину подработки водоносного горизонта. Данная глубина обусловлена высотой развития зоны водопроводящих трещин. В связи с этим, в статье предложен подход к оценке геометрических параметров зоны водопроводящих трещин по данным геомеханического мониторинга с учетом планов развития горных работ, который практически применим на месторождениях медно-никелевых руд.

Метод прогнозирования высоты зоны техногенной трещиноватости

Для наблюдения за сдвижением пород массива на руднике заложены наблюдательные станции из профильных линий реперов. Часть из них расположена на поверхности, другая часть в подрабатываемом массиве горных пород на различных горизонтах.

Установлено [3,4], что максимально возможное развитие зоны водопроводящих трещин происходит в зонах полной подработки. Для определения высоты ЗВТ необходимо определить коэффициент подработанности в месте линии разреза по простиранию для уровня (слоя) кровли очистных выработок, расположенных на глубине H₁ (1)-(2):

                                                                                                            (1)

                                                                                                           (2)

где Ψ₃ – угол полных сдвижений на разрезе по простиранию контура отработки; ,  – соответственно размер выработанного пространства на разрезе вкрест и по простиранию контура отработки.

При этом установлено [3,4], что в зоне полной подработки (при  > 1； > 1) распределение максимальных вертикальных сдвижений и деформаций имеют соотношения (3)-(5) для оседаний, наклонов и кривизны:

                                                                                                                 (3)

                                                                                                                 (4)

                                                                                                                (5)

где  и  - максимальные оседания соответственно на расстоянии по вертикали от контура отработки  и ; , и  – максимальные наклоны на том же расстоянии; , и  – максимальная кривизна на тех же расстояниях.

Результаты

Степень подработки определим для направления вкрест и по простиранию по формулам (1)–(2):

                                                                                               (6)

                                                                                             (7)

Видно, что на разрезе по простиранию зона полной подработки не достигла поверхности. При этом, в данную зону попадают реперы с 32 по 77 на разрезе вкрест простирания и с 55 по 77 на разрезе по простиранию залежи, которые относятся к наблюдательной станции на гор. -500 м. Графики, характеризующие данные натурных наблюдений за сдвижением представлены ниже (Рис.1-3).

Рисунок 1. График оседаний на станции горизонт – 500 м

Рисунок 2. График наклонов на станции горизонт – 500 м

Рисунок 3. График кривизн на станции горизонт – 500 м

Выполним прогноз параметров сдвижения для уровня поверхности по приведенным данным подземной наблюдательной станции и закономерностям (3)-(5). Для расчетов примем максимальные значения параметров сдвижения для 2021 года.

Определим из (3) значение оседаний на поверхности в зоне полной подработки  по данным максимальных оседаний подземной станции :

                                                                                           (8)

При расстоянии от кровли выемочного контура до поверхности  в районе станции горизонта – 500 м и расстоянии от кровли очистного слоя до наблюдательной станции принятой  определим из (4) значение наклонов на поверхности в зоне полной подработки  по данным максимальных наклонов подземной станции :

.                                                                                 (9)

Определим из (5) значение кривизны на поверхности в зоне полной подработки  по данным максимальных кривизн подземной станции :

 = , 1/м .                                                                          (10)

Расчеты показывают, что формально сдвижение и деформации поверхности отсутствуют, поскольку <   и <  . Здесь = 0.5∙10^-3 - граничное значение наклона,  = 0.05∙10^-3 – граничное значение кривизны, т.е. деформации в 2.5 – 5.0 раз меньше граничных значений.

Рассмотрим данный подход для расчета высоты зоны водопроводящих трещин для горно-геологических условий месторождения медно-никелевых руд.  В формуле (5) примем , где  - высота зоны водопроводящих трещин, , где  - граничная кривизна, которая с учетом содержания пород глинистого состава в подрабатываемо толще составит , кривизна слоя в массиве  принято исходя из максимального значения на графике  (Рис. 3), , принято расстояние от кровли контура очистных работ до местоположения наблюдательной станции. В результате высота зоны водопроводящих трещин, образованная в результате отработки первого слоя составит:

 .                                                                              (11)

Таким образом, значение высоты развития зоны водопроводящих трещин для данных горно-геологических условий можно прогнозировать с учетом данных натурного наблюдения за сдвижениями массива. Предложенный подход по оценке высоты распространения зоны водопроводящей трещиноватости позволяет определить безопасные условия ведения горных работ под водоносным горизонтом по данным геомеханического мониторинга подземной наблюдательной станции.

Обсуждение

Приведенный подход позволяет проводить оценку высоты развития зоны водопроводящих трещин, используя закономерности распределения оседаний, наклонов и кривизны (3) – (5).

Практика показывает [5], что проблема прогнозирования развития зоны водопроводящих трещин особенно актуальна для глубоких рудных и угольных месторождений, разрабатываемых под водными объектами или в условиях сложной гидрогеологии. Наличие водоносных горизонтов с малой мощностью перекрывающих пород существенно повышает риски формирования гидравлической связи между выработанным пространством и поверхностными или подземными водами. Поэтому точное определение безопасной глубины разработки остаётся ключевой задачей для обеспечения геомеханической безопасности.

Данное исследование является практически применимым инструментом для оперативной оценки ситуации для месторождений полиметаллического типа и позволяет расширить опыт его применения на рудных месторождения со сложными горно-геологическими характеристиками.

Выводы

1. Установлено, что отсутствие системы оперативной оценки развития зоны трещиноватости над кровлей очистных выработок препятствует безопасному управлению кровлей массива. Предложенный способ позволяет оперативно оценить состояние кровли массива и при необходимости принять меры горной охраны рудника.

2. Ввиду того, что зона водопроводящих трещин имеет максимальное развитие в условиях полной подработки, выполнено построение данной зоны на разрезах по простиранию и вкрест простирания. Полученная зависимость высоты развития зоны водопроводящих трещин от параметров сдвижения: оседаний, наклонов и кривизн, а также от размеров зоны подработки хорошо коррелирует с существующими методами.

3. Последующее применение указанного в статье способа оценки зоны водопроводящих трещин позволит обеспечить безопасность и прогнозируемость состояния кровли массива на рудных месторождениях со сложными горно-геологическими условиями.