Исследование процессов обрушения подработанной толщи пород при отработке удароопасных месторождений Хибинского массива с целью снижения техногенного воздействия на природно-технические системы Арктического региона

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-17-00248

НазваниеИсследование процессов обрушения подработанной толщи пород при отработке удароопасных месторождений Хибинского массива с целью снижения техногенного воздействия на природно-технические системы Арктического региона

Руководитель Семенова Инна Эриковна, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр «Кольский научный центр Российской академии наук» , Мурманская обл

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле; 07-301 - Геомеханика

Ключевые слова Арктическая зона РФ, удароопасные месторождения, сближенные месторождения, геомеханика, геодинамика, численное моделирование, напряженно-деформированное состояние, процессы обрушения подработанных пород, системы подземной разработки, геоинформационные системы

Код ГРНТИ52.13.25

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Одним из наиболее значимых вызовов с точки зрения научно-технологического развития Российской Федерации является возрастание антропогенных нагрузок на окружающую среду до масштабов, угрожающих воспроизводству природных ресурсов. При этом треть разведанных запасов полезных ископаемых планеты сосредоточена в недрах уязвимой Арктической зоны. Необходимость эффективного освоения и использования пространства Арктического региона при минимизации техногенных угроз ставит перед горными предприятиями сложную задачу отработки месторождений полезных ископаемых в условиях экологических и горнотехнических ограничений. В последние годы все более явной становится проблема истощения наиболее богатых и легкодоступных для освоения участков месторождений и увеличения глубины горных работ, что ведет к росту себестоимости добычи полезных ископаемых и отрицательно влияет их безопасность. Дополнительными ограничениями в условиях отработки месторождений Кольского полуострова являются: местонахождение ряда месторождений в непосредственной близости друг от друга, и как следствие, значительный объем запасов в охранных целиках; залегание отдельных месторождений вблизи природоохранных зон (постановление правительства РФ о создании национального парка «Хибины» от 8 февраля 2018 г., № 130) и объектов промышленной и городской инфраструктуры; действие высоких тектонических напряжений, обуславливающее удароопасность отрабатываемых месторождений. Глубина ведения горных работ на апатит-нефелиновых месторождениях Хибинского массива, являющегося основным объектом исследований данной работы, достигает сегодня 1000м. Причем увеличение интенсивности горных работ при уменьшении мощности рудных тел приводит к необходимости вскрытия новых горизонтов и росту скорости углубления очистной выемки. В связи с этим меняются процессы деформирования и обрушения налегающего массива. Их развитие во времени и в пространстве зависит от ряда горнотехнических, горно-геологических и геомеханических факторов. Горнотехнические факторы поддаются управлению, другая же группа факторов имеет вероятностную природу и управление ими практически невозможно. Прочностные и деформационные свойства пород, параметры трещиноватости могут существенно изменяться как по площади, так и по глубине массива; в условиях гористого рельефа меняется также и мощность толщи покрывающих пород; параметры тектонических напряжений на больших глубинах мало изучены. Одним из возможных путей дальнейшего освоения запасов является переход в основном на подземный способ отработки полезных ископаемых с максимально возможным сохранением дневной поверхности, что требует комплексного изучения геомеханических и геотехнологических процессов в толще подработанного массива и учета специфики геологических и геомеханических факторов при обосновании оптимальных параметров подземной геотехнологии. Исходя из вышесказанного, исследование процессов деформирования, сдвижения и обрушения подработанной толщи пород на удароопасных месторождениях Хибинского массива с учетом геодинамических и геомеханических рисков является актуальной задачей, решение которой позволит вести отработку запасов апатит-нефелиновых руд при минимизации опасности негативных техногенных явлений и сохранении экономической эффективности разработки месторождений. Научной новизной предлагаемого проекта являются: - учет горнотехнических и экологических ограничений при отработке удароопасных месторождений Хибинского массива; - исследование взаимного и совместного влияния отработки сближенных удароопасных месторождений на геомеханическое состояние и геодинамический режим природно-технических систем Хибинского массива; - развитие методики прогнозирования параметров обрушения налегающих пород по данным математического моделирования напряженно-деформированного состояния (НДС) и параметров сейсмичности для конкретных условий подработки, учитывающей абсолютные величины и ориентировку площадок растягивающих напряжений и критических касательных напряжений, а также параметры структурной нарушенности массива; - обоснование принципиальной возможности и границ ведения горных работ в охранных зонах удароопасных месторождений с дифференциацией участков по условиям их отработки на основе прогностических 3D моделей НДС массива горных пород с учетом основных геологических и горнотехнических факторов; - разработка инновационных схем подготовки и нарезки очистных блоков удароопасных месторождений при применении погрузочно-доставочного оборудования на дистанционном управлении; - разработка схем утилизации породы от ведения горнопроходческих работ в выработанном пространстве очистных камер при эксплуатации погрузочно-доставочного оборудования на дистанционном управлении и формирование предохранительной породной подушки; - разработка комплексного методологического подхода к проектированию параметров малолюдной подземной технологии на основе моделирования геомеханического состояния массива при ведении горных работ в охранных зонах удароопасных месторождений.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Семенова И.Э., Аветисян И.М., Журавлева О.Г., Белогородцев О.В. Актуальные вопросы процессов обрушения подработанных пород на Хибинских апатитовых рудниках ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ, Новосибирск, № 6. С. 133-140. (год публикации - 2022)
10.15372/FTPRPI20220614

2. Семенова И.Э., Жукова С.А., Журавлева О.Г. Развитие сейсмического процесса при формировании обрушений подработанной толщи пород в тектонически напряженном массиве ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ, Новосибирск, № 6. С. 104-111 (год публикации - 2022)
10.15372/FTPRPI20220611

3. Семенова И.Э., Розанов И. Ю., Кулькова М.С. Комплексное исследование параметров обрушения подработанной толщи пород Ждановского месторождения Горный журнал, №12. С. 49-54 (год публикации - 2023)
10.17580/gzh.2023.12.08

4. Журавлева О.Г., Жукова С.А. Выявление периодов неустойчивости при формировании обрушений подработанной толщи пород в тектонически напряженном Хибинском массиве Горная промышленность, (5S):100–106 (год публикации - 2023)
10.30686/1609-9192-2023-5S-100-106

5. Семенова И.Э., Журавлева О.Г., Жукова С.А. Оценка состояния подработанной толщи пород на основе временных прогнозных параметров сейсмичности Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. , № 3. С. 444-458. (год публикации - 2024)

6. Журавлева О.Г., Жукова С.А. Исследование пространственно-временных закономерностей развития сейсмичности в подработанной толще массива на Расвумчоррском руднике Горная Промышленность, №3. С.105–111 (год публикации - 2024)
10.30686/1609-9192-2024-3-105-111

7. Семенова И.Э., Аветисян И.М. Прогноз обрушения подработанных пород при значительной мощности налегающей толщи ИЗВЕСТИЯ ТУЛЬСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА. НАУКИ О ЗЕМЛЕ (год публикации - 2024)

8. Семенова И.Э., Дмитриев С.В., Кузнецов Н.Н. Исследование напряженно-деформированного состояния в окрестности горной выработки, пересеченной трещиной, в условиях тектонического сжатия Горный журнал, № 11. С. 31-35 (год публикации - 2024)
10.17580/gzh.2024.11.05

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В результате выполнения задач проекта реализован комплексный подход к прогнозу одного из самых сложно управляемых процессов - сдвижения и обрушения подработанной толщи пород в условиях действия в массиве высоких тектонических напряжений на основе натурных и модельных данных о напряженно-деформированном состоянии, данных о сейсмической активности и параметрах подработки массива горных пород. Внедрение результатов исследований позволяет снизить техногенное воздействие горных разработок на состояние протяженных участков земной коры Арктической зоны РФ, минимизирует риски реализации геодинамических явлений с возможными катастрофическими последствиями и в целом повышает безопасность горных работ при выемке запасов апатит-нефелиновых месторождений Хибин. Разработана комплексная методика прогноза обрушений в тектонически напряженных массивах скальных пород, основанная на анализе расчетных абсолютных величин и ориентировки площадок главных минимальных растягивающих напряжений и касательных напряжений, что позволяет оценивать области с реализацией разрушения в виде отрыва или сдвига и дополнением их критериями энергетического индекса и кумулятивного кажущегося объема по данным микросейсмического мониторинга. Результаты комплексной оценки визуализируются в ГГИС MINEFRAME в виде блочной модели, где характеристиками блока являются склонность к обрушению и тип обрушения. С учетом границ национального парка «Хибины» разработана геотехнологическая модель Хибинского массива с пополненными базами данных о геологическом строении массива, технологическими схемами отработки запасов, каркасными моделями рудных тел до глубин 1000 и более метров от дневной поверхности. На основе данной модели сгенерирован комплекс разномасштабных уточненных геомеханических трехмерных численных моделей напряженно-деформированного состояния массива горных пород в окрестности перспективных зон ведения горных работ на больших глубинах с учетом фактических параметров гравитационно-тектонического поля напряжений в CAE Sigma GT. Комплекс моделей охватывает все перспективные участки Хибинской Апатитовой дуги. Показано, что у границ национального парка «Хибины» геомеханические условия меняются минимально за исключением участка вблизи Юкспорского месторождения, где зона потенциального обрушения подработанных пород подходит непосредственно к границе национального парка. Выявлены закономерности развития зон сдвижения и потенциального разрушения в налегающем массиве горных пород при различных вариантах опирания подработанной толщи пород и сходной глубине подработки массива (400-600м) и параметрах рудных тел. С целью учета при моделировании НДС подработанного массива закрытых трещин внедрены контактные элементы с характеристиками нормальной и тангенциальной жесткости, впервые определенными для образцов вмещающих пород месторождений Хибинского массива. Для упрощенной оценки параметров зон обрушения в ПК Sigma GT разработана программа, позволяющая для начала выделить, а потом имитировать обрушение элементов модели, где выполняются критерии склонности к обрушению. Для оценки изменений состояния массива горных пород и выявления периодов неустойчивости подработанной толщи пород Хибинского массива предложено совместное применение критериев энергетического индекса и кумулятивного кажущегося объема. Совместное рассмотрение динамики этих критериев для определения периодов нагружения и разупрочнения массива горных пород позволяет использовать их как индикатор начала формирования нового обрушения подработанной толщи. Определена критическая глубина горных работ при применении системы разработки с обрушением руды и вмещающих пород на Хибинских апатитовых рудниках, которая при усредненной мощности рудного тела и угла его падения составила 1000 в случае консольного зависания пород, около 600м при двустороннем и трехстороннем опирании и 400м в условиях четырехстороннего опирания. Применение системы с обрушением на бóльших глубинах характеризуется недостаточным объемом предохранительной подушки, потерями полезного ископаемого в недрах, а также рисками воздушных ударов и динамического разрушения массива, особенно в зоне опорного давления. Выполнено технолого-геомеханическое обоснование параметров систем подземной разработки, а также схем утилизации породы от горнопроходческих работ при применении транспортного оборудования на дистанционном управлении. Показаны преимущества комбинированного (штреково - ортового) варианта системы разработки с обрушением руды и вмещающих пород с торцевым выпуском и доставкой руды самоходным оборудованием (ПОТ), которая позволяет сократить объёмы линейных подэтажных выработок до 5 % и конструктивное разубоживание при очистной выемке до 10 %. Показано, что на участках рудных залежей мощностью менее 15 м в породах средней устойчивости или устойчивых с глубиной залегания от поверхности до 500 м возможно применение системы разработки с камерно-целиковым порядком отработки (КЦС). Предложена схема утилизации породы от горнопроходческих работ в отработанное пространство камер и в выведенные из эксплуатации подземные горные выработки при применении транспортного оборудования на дистанционном управлении. Проведена оценка эффективности малолюдной геотехнологии отработки запасов месторождения на больших глубинах. Разработан комплексный методологический подход к обоснованию параметров подземной технологии на основе трехмерного численного моделирования напряженно-деформированного состояния (НДС) массива горных пород при ведении горных работ в охранных зонах удароопасных месторождений Хибинской апатитовой дуги.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Апатитовые руды включены в перечень основных видов стратегического минерального сырья, утверждённый распоряжением Правительства РФ от 30.08.2022 №2473-р. Из хибинского апатитового концентрата произведена каждая третья тонна удобрений, внесённая на российские поля. Удобрения родом с Кольского полуострова поставляются более чем в сто стран мира на всех обитаемых континентах. С каждым годом растет доля отработки хибинских апатит-нефелиновых руд подземным способом. Это связано с увеличением глубины горных работ и соответственно ростом объема вскрышных пород при применении открытого способа разработки запасов. Сейчас на всех Хибинских месторождениях в качестве подземной технологии применяется система с обрушением руды и вмещающих пород. Результаты проекта позволяют: обоснованно усовершенствовать данную технологию и продлить ее успешное применение; вовлечь в отработку часть запасов, находящихся в охранных целиках; получить информацию о местонахождении участков, где применение привычной системы с обрушением ведет к высоким геомеханическим и геодинамическим рискам; выявить участки где целесообразно применение камерно-целиковой системы. То есть создан научный задел, который является основой для решения одной из важных задач в обеспечении продовольственной безопасности Российской Федерации в ближайшей перспективе.