Влияние водопритоков на прочностные характеристики пород Ловозерского редкометалльного месторождения

Введение

Ловозерское редкометалльное месторождение представлено свитой пластообразных пологопадающих рудных залежей малой и средней мощности, выходящих на поверхность на северо-западных склонах Ловозерского массива [1]. В настоящее время две рудные залежи (I-4 (уртиты) и II-4 (малиньиты)) мощностью 1,0–1,2 м каждая, залегающие согласно на расстоянии около 100 м по вертикали друг от друга отрабатываются рудником «Карнасурт». Применяется камерно-столбовая система разработки со сплошной выемкой руды и поддержанием подработанной толщи пород ленточными целиками. Отработка обеих залежей ведется панелями по их простиранию. Панели нарезаются через 20–40 м по вертикали штреками (штольнями на верхних горизонтах), у которых оставляются опорные ленточные околоштрековые целики. Панели разделяются на блоки длиной 60–120 м, между которыми оставляются опорные ленточные междублоковые целики [1]. Месторождение по условиям ведения горных работ отнесено к удароопасным и характеризуется повышенной сейсмичностью и проявлениями горнотектонических ударов [2, 3].

Опорные околоштрековые и междублоковые целики на современном этапе отработки рудных залежей имеют ширину от 3 до 10 м. Их суммарная площадь для каждой отрабатываемой залежи может достигать 25 % от выработанного пространства. Глубина горных работ по нижней рудной залежи II-4 составляет от 30 м до поверхности на верхних горизонтах до 700 м на самом глубоком горизонте +280 м.

Рудник «Карнасурт» имеет большие размеры горного отвода: длина по нижней залежи II-4 составляет около 8 км при максимальной ширине 2,6 км. Более того, прорабатывается вопрос о прирезке горного отвода еще на 1,5 км к западу [2]. Таким образом, длина шахтного поля по нижней залежи на конечном этапе разработки достигнет 10 км при ширине до 2,6 км, что по площади составит 26 км². По верхней залежи площадь получается чуть меньше, но имеет такой же порядок величин. Это позволяет уверенно отнести рудник «Карнасурт» к категории самых больших из рудников западной части российского сектора Арктики.

В настоящее время залежь II-4 в пределах горного отвода отработана только наполовину, от выходов на поверхность до гор. +280 м. Размеры отработанной площади оставляют 6,5 км по простиранию при максимальной ширине по падению 1,3 км. По залежи I-4, отработанной только на участке «Карнасурт», протяженность выработанного пространства составляет по простиранию залежи 3,1 км при максимальной ширине по падению 0,8 км и глубине от 50 до 350 м до поверхности.

Водопритоки в выработки рудника «Карнасурт» обусловлены главным образом поверхностными атмосферными осадками. Образующаяся на дневной поверхности вода вследствие дождей, весеннего таяния снега и стоков с близлежащих гор проникает через многочисленные трещины и структурные неоднородности в покрывающем массиве пород и попадает в горные выработки.

Вода из горных выработок всех отрабатываемых участков собирается на откаточных горизонтах штреков и по водоотводным канавкам штреков выводится на их поверхность – почву штреков. Таким образом, по почве всех штреков рудника текут водные потоки к более низким горизонтам. Частично они собираются на откаточных горизонтах и водонасосными станциями откачиваются из выработок на поверхность. Из оставшихся объемов происходит как дальнейшая фильтрация воды вглубь подстилающего массива пород, так и обильное повсеместное водонасыщение пород почвы выработок и стенок опорных целиков.

Вопросы формирования водопритоков при отработке угольных пластов подземным (шахтным) способом исследованы в работах [4, 5], в том числе с изменением поверхностных природных источников [6, 7] и механизмом формирования инфильтрации поверхностных вод в выработки [8]. Для рудных месторождений в скальных массивах рассмотрено влияние обводненности пород на энергонасыщенное состояние [9] и проявление сейсмичности [10]. Особенности обводненности скальных пород исследованы в работах [11, 12], а влияние фактора обводненности на устойчивое состояние и безопасность окружающей природной среды – в [13–15].

Вместе с тем, учитывая, что для рассматриваемых в данной работе условий водные потоки омывают непосредственно нижние части опорных околоштрековых целиков удароопасного месторождения, необходимо уделить особое внимание влиянию обводненности пород. Поэтому целью работы является оценка влияния водопритоков на прочностные характеристики пород Ловозерского редкометалльного месторождения, разрабатываемого рудником «Карнасурт».

Результаты

По данным гидрогеологической службы рудника «Карнасурт» объем воды, собираемой рудником, составляет порядка 8 млн м³ в год. При этом динамика объемов за последние 4 года наблюдений остается практически однообразной: с января по май объемы уменьшаются, в июне значительно увеличиваются, далее с чуть меньшими значениями в июле–сентябре, а с октября по декабрь объемы водопритоков вновь уменьшаются (рис. 1).

Рис. 1. Данные фактических объемов воды, собранной и откачанной рудником «Карнасурт»:
а – 2017 г.; б – 2018 г.; в – 2019 г.; г – 2020 г.

Из гистограмм рисунка видно, что ежемесячный водоприток в выработки рудника составляет от 40 до 110 тыс. м³. Наименьшее количество воды – от 40 до 50 тыс. м³ – наблюдается в мае каждого года. Это обусловлено тем, что с октября по апрель осадки выпадают в виде снега и вследствие отрицательных температур аккумулируются на поверхности без инфильтрации воды с поверхности в выработки рудника. Наибольшее количество воды, от 70 до 110 тыс. м³, наблюдается в июне–сентябре (летне-осенний период) каждого года. Очевидно, что увеличение количества воды, поступающей в летне-осенний период в рудник, обусловлено как интенсивным таянием снега (в мае–июне) на горных склонах поверхности шахтного поля рудника, так и осадками в виде дождя в этот период (рис. 2). Данные по объемам дождевых и снеговых осадков на территорию горного отвода рудника «Карнасурт» в течение календарного года получены на основе анализа и обработки информации из источников¹.

Рис. 2. Распределение объемов осадков на поверхность горного отвода рудника «Карнасурт» в течение календарного года

Для сопоставительного анализа рассмотрена динамика суммарных объемов осадков на поверхность горного отвода и фактических объемов собранной в горных выработках воды за 2017–2020 гг. (рис. 3). Анализ данных рис. 3 подтверждает вышесказанное о преобладающем влиянии двух периодов: снегонакопления (примерно по 2400–3000 тыс. м³/мес с октября по апрель) и снеготаяния (май–июнь), а также дождей (примерно по 1200–1800 тыс. м³/мес с мая по сентябрь).

Рис. 3. Динамика суммарных объемов осадков на поверхность горного отвода и фактических объемов собранной в горных выработках воды за 2017–2020 гг.

Расчетами определено, что за период с октября по апрель снегонакопление на территории горного отвода рудника превысит 21 700 тыс. м³. В то же время объемы фактических водопритоков в выработки рудника уменьшатся с 800 до почти 400 тыс. м³ в силу снижения и практически отсутствия фильтрации воды с поверхности. Обильное снеготаяние и дожди в мае–июне приводят к резкому, более чем в 2 раза (с 400 до 850 тыс. м³/мес), увеличению водопритоков в выработки, достигающему 70–80 % от поверхностных осадков. Такие объемы водопритоков фиксируются ежемесячно с мая вплоть до октября, когда дождевые осадки сменяются снеговыми и устанавливается отрицательная температура на почве с последующим снижением до апреля следующего года включительно.

Таким образом, водопритоки в горные выработки рудника формируются за счет дождевых осадков, снеготаяния в периоды с положительными значениями температуры воздуха и почвы, а также от природных поверхностных водоемов и подземных водоносных горизонтов, подпитываемых осадками. Характер их накопления носит более плавный, чем для осадков, характер в силу вышеперечисленных причин. Визуально граничное изменение объемов водопритоков четко коррелирует с выделенными климатическими периодами (см. рис. 3).

Для определения влияния водонасыщенности на прочностные свойства пород рудника были проведены специальные эксперименты на образцах пород. На залежи I-4 были отобраны штуфы пород уртита как наиболее распространенной породной разновидности на штреке гор. +400 м (пикет ПК4), из которых в дальнейшем изготавливались образцы пород для испытаний. Для каждого вида испытаний было изготовлено 8–9 образцов кубической формы (всего 34) с длиной грани куба 4 см. Образцы для испытаний в водонасыщенном состоянии помещались на месяц в сосуд с водой, а затем испытывались на растяжение и сжатие. Испытания образцов проводились на сжатие и растяжение в сухом и водонасыщенном их состояниях в соответствии с ГОСТами^2,.

Результаты испытаний образцов на сжатие и растяжение в сухом состоянии приведены в табл. 1 и 2. Как видно из этих таблиц, установленные значение предела прочности на сжатие, составляющее s_с = 181 МПа, и значение предела прочности на растяжение s_р = 14,3 МПа коррелируют с аналогичными данными предыдущих исследований [1, 2].

Таблица 1

Результаты испытаний образцов пород на сжатие в сухом состоянии

Таблица 2

Результаты испытаний образцов пород на растяжение в сухом состоянии

Образцы на сжатие и растяжение в водонасыщенном состоянии имели такие же размеры, как и сухие, но за счет водонасыщения их вес незначительно (3–5 %) увеличился. Результаты их испытаний представлены в табл. 3 и 4.

Таблица 3

Результаты испытаний образцов пород на сжатие в водонасыщенном состоянии

Таблица 4

Результаты испытаний образцов пород на растяжение в водонасыщенном состоянии

 ¹ Атлас Мурманской области 1971г.;Доклад о состоянии и об охране окружающей среды Мурманской области в 2022 году. 2023. 151 с. https://ru.weatherspark.com/y/98660/Обычная-погода-в-Ревда-Россия-весь-год

² ГОСТ 21153.2–84 Породы горные. Методы определения предела прочности при одноосном сжатии (Дата актуализации описания: 01.07.2023); ГОСТ 21153.3–85 Породы горные. Методы определения предела прочности при одноосном растяжении (Дата актуализации описания: 01.07.2023)

Обсуждение результатов

Для детального анализа были построены диаграммы прочностных свойств всех испытанных образцов, ранжированные по полученным значениям (рис. 4). Сплошной линией отмечено среднее значение, пунктирной – уменьшение от среднего на 20 %.

Рис. 4. Распределение значений прочности образцов при испытании на сжатие (верхний ряд) и растяжение:
а, в – сухая порода; б, г – водонасыщенная порода

Из рис. 4 следует, что водонасыщение пород снизило их прочность на сжатие в целом на 20 %, а для двух образцов – до 40 %. В то же время нижний предел прочности на сжатие остался достаточно высоким – более 110 МПа.

Прочность водонасыщенных образцов на растяжение также в целом снизилась, но в меньшей степени, и нижний предел не снизился ниже 10 МПа. Для наглядного сопоставления данные статистической обработки приведены на рис. 5.

Рис. 5. Статистическое распределение прочностных характеристик испытанных образцов:
а – при сжатии; б – при растяжении

Таким образом, в результате испытаний установлено, что водонасыщение снижает прочность пород на сжатие и растяжение от 10 до 20 % и более. Это обстоятельство необходимо учитывать при расчете устойчивости как опорных целиков, так и обнажений пород в выработках рудника «Карнасурт», подвергающихся обильному водонасыщению.

Заключение

Обработаны и проанализированы данные фактических объемов воды, собранной в выработках рудника Карнасурт за последние 4 года. Определено, что годовой объем собранной воды достигает 8 млн м³ с распределением по месяцам в соответствии с сезонно-климатическими осадками. Выполнены анализ и расчеты осадконакопления в пределах горного отвода рудника и формирующихся водопритоков в горные выработки. Произведено их сравнение с фактическими данными по рудничной воде. Отобраны образцы наиболее представительных пород месторождения, из которых изготовлены 34 кубика размерами 4´4´4 см, половина из которых были на месяц помещены в воду. Проведены испытания образцов (по 8–9 для каждого состояния и испытания) на прочность на сжатие и растяжение в сухом и водонасыщенном состояниях. Установлено, что водонасыщение привело к снижению прочности пород до 10–20 %, особенно для значений на сжатие. Полученные результаты дают основание для необходимости учета обводненности пород при расчете устойчивости как опорных целиков, так и обнажений пород в выработках рудника «Карнасурт».