Исследование влияния структурной нарушенности на устойчивость целиков для горно-геологических условий апатит-нефелиновых месторождений

Апатит-нефелиновые месторождения Хибинского массива являются основной базой для добычи апатит-нефелиновых руд в Российской Федерации и характеризуются высокой интенсивностью работ, повышающейся глубиной разработки и усложнением горно-геологических условий. Массив горных пород на месторождении является прочным, хрупким и структурно нарушенным, что предопределяет различные формы потери устойчивости конструктивных элементов разработки, в частности целиков. При этом в регламентирующих документах при оценке устойчивости горных выработок параметры структурной нарушенности, оказывающие непосредственное влияние на механическое поведение массива, учитываются косвенно, т.е. непрямым методом. Проведены исследования влияния структурных особенностей массива на напряженное состояние целиков методами численного и физического моделирования на эквивалентных материалах. Полученные результаты демонстрируют значительное влияние блочной структуры массива на результаты прогноза его напряженно-деформированного состояния по сравнению с моделями поведения массива, реализующего принципы механики сплошных сред, в которых наличие структурных нарушений и их количественные характеристики учитываются непрямым методом, т.е. через искусственное снижение деформационных свойств массива, основанное на результатах геотехнического картирования стенок выработок и определении рейтинга RMR Бенявского. Механизм потери устойчивости блочного массива отличается за счет наличия плоскостей ослабления. Достигнута качественная сходимость результатов численного и физического моделирования. Количественное расхождение результатов между двумя методами моделирования не превышает 25%. Исследования показывают необходимость учета структурной нарушенности в явном виде и разработки дополнений к методике оценки устойчивости целиков, расположенных в структурно нарушенных блочных массивах.

Багаутдинов И. И., Стрешнев А. А. Исследование влияния структурной нарушенности на устойчивость целиков для горно-геологических условий апатит-нефелиновых месторождений // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2024. – № 12-1. – С. 129–144. DOI: 10.25018/0236_1493_2024_121_0_129.

Багаутдинов Илья Илдарович — канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник, Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II, e-mail: bagautdinov_ii@pers.spmi.ru, Scopus Author ID: 57204217965,
Стрешнев Анатолий Александрович — начальник Службы прогноза и предупреждения горных ударов, Кировский филиал АО «Апатит», ПАО «ФосАгро», e-mail: info@apatit.com.

Багаутдинов И.И., e-mail: bagautdinov_ii@pers.spmi.ru.

1. Protosenya A. G., Vilner M. Assessment of excavation intersections’ stability in jointed rock masses using the discontinuum approach // Rudarsko-geološko-naftni zbornik. 2022, vol. 38, pp. 137—147. DOI: 10.17794/rgn.2022.2.12.

2. Krauland N., Soder P. E. Determining pillar strength from pillar failure observations // Engineering and Mining Journal. 1987, vol. 8, pp. 34—40.

3. Протосеня А. Г., Беляков Н. А., Буслова М. А. Моделирование напряженно-деформированного состояния блочного горного массива рудных месторождений при отработке системами разработки с обрушением // Записки Горного института. — 2023. — Т. 262. — С. 619—627.

4. Potvin Y., Hudyma M. R., Miller H. D. S. Design guidelines for open stope support // CIM Bulletin. 1989, vol. 82, no. 926, pp. 53—62.

5. Lunder P. J., Pakalnis R. C. Determination of the strength of hard-rock mine pillars // CIM Bulletin. 1997, vol. 90, pp. 51—55.

6. Марысюк В. П., Шиленко С. Ю., Андреев А. А., Шабаров А. Н. Методика расчета межскважинных целиков для формирования защищенных зон в условиях удароопасных месторождений Талнаха // Горный журнал. — 2023. — № 1. — С. 106—112. DOI: 10.17580/gzh.2023.01.18.

7. Gao F., Kang H., Lou J., Li J., Wang X. Evolution of local mine stiffness with mining process: Insight from physical and numerical modeling // Rock Mechanics and Rock Engineering. 2019, vol. 52, pp. 3947—3958.

8. Cai M., Kaiser P. K. Rockburst support: Reference book. Sudbury: Laurentian University, 2018. Vol. 1. Rockburst Phenomenon and Support Characteristics. 284 p.

9. Hampel A., Arguello J. G., Gunther R. M., Lux K.-H., Pudewills A. Joint project III on the comparison of constitutive models for the thermomechanical behavior of rock salt I. Overview and results from model calculations of healing of rock salt / Proceedings Conference on Mechanical Behavior of Salt, Saltmech VIII, South Dakota School of Mines and Technology, USA. 2015.

10. Казанин О.А., Ильинец А.А. Обеспечение устойчивости выемочных выработок при подго-товке выемочных участков пологих угольных пластов тремя выработками // Записки Горного института. — 2022. — Т. 253. — С. 41—48. DOI: 10.31897/PMI.2022.1

11. Qiu Jiadong, Xibing Li, Diyuan Li, Yuzhe Zhao, Chuwei Hu, Lisha Liang Physical model test on the deformation behaviour of an under-ground tunnel under blasting disturbance // Rock Mechanics and Rock Engineering. 2021, vol. 54, pp. 91—108.

12. Корчак П. А., Карасев М. А. Геомеханическое обоснование формирования зон хрупкого разрушения пород в окрестности сопряжений горных выработок рудников АО «Апатит» // Устойчивое развитие горных территорий. — 2023. — Т. 15. — № 1. — С. 67—80. DOI: 10. 21177/1998-4502-2023-15-1-67-80.

13. Vasarhelyi Balazs, Kovács Dorottya Empirical methods of calculating the mechanical parameters of the rock mass // Periodica Polytechnica Civil Engineering. 2017, vol. 61, pp. 38—50. DOI: 10.3311/PPci.10095.

14. Зуев Б. Ю. Методология моделирования нелинейных геомеханических процессов в блочных и слоистых горных массивах на моделях из эквивалентных материалов // Записки Горного института. — 2021. — Т. 250. — С. 542—552. DOI: 10.31897/PMI.2021.4.7.

15. Семенова И. Э., Аветисян И. М. Развитие концепции геомеханического обоснования горных работ в удароопасных условиях // Горный журнал. — 2022. — № 1. — С. 28—33. DOI: 10. 17580/gzh.2022.01.05.

16. Kang H., Lou J., Gao F., Yang J., Li J. A physical and numerical investigation of sudden massive roof collapse during longwall coal retreat mining // International Journal of Coal Geology. 2018, vol. 188, pp. 25—36.

17. Liu J., Feng X.-T., Ding X.-L., Zhang J., Yue D.-M. Stability assessment of the Three-Gorge dam foundation, China, using physical and numerical modeling. Part I: Physical model tests // International Journal of Rock Mechanics and Minings Sciences. 2003, vol. 40, no. 5, pp. 609—631.

18. Морозов К. В., Демёхин Д. Н., Котлов C. Н., Абашин В. И. Шахтные экспериментальные исследования фильтрационных свойств горных пород на глубоких горизонтах месторождений калийных солей для создания водозащитных перемычек // Горный журнал. — 2023. — № 5. — С. 25—31. DOI: 10.17580/gzh.2023.05.04.

19. Sidorenko A. A., Sidorenko S. A., Ivanov V. V. Numerical modelling of multiple-seam coal mining at the Taldinskaya-Zapadnaya-2 mine // ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. 2021, vol. 16, no. 5, pp. 568—574.

20. Phuc L. Q., Zubov V. P., Dac P. M. Improvement of the loading capacity of narrow coal pillars and control roadway deformation in the longwall mining system. A case study at khe cham coal mine (Vietnam) // Inzynieria Mineralna. 2020, vol. 1, no. 1, pp. 115—122. DOI: 10.29227/IM-2020-02-15.

21. Litvinenko V. S., Dvoynikov M. V., Trushko V. L. Elaboration of a conceptual solution for the development of the Arctic shelf from seasonally flooded coastal areas // International Journal of Mining Science and Technology. 2021, vol. 32. DOI: 10.1016/j.ijmst.2021.09.010.

22. Antunes do Carmo J. Physical modelling vs. numerical modelling: Complementarity and Learning. 2020. DOI: 10.20944/preprints202007.0753.v1.

23. Al-Janabi Ahmed, Ghazali Abdul, Ghazaw Yousry, Afan Haitham, Al-Ansari Nadhir, Yaseen Zaher. Experimental and numerical analysis for earth-fill dam seepage // Sustainability. 2020, vol. 12, no. 6, article 2490. DOI: 10.3390/su12062490.

24. Islam Md Mojahidul Applications of rock mechanics in mining engineering: Case studies and challenges in Bangladesh. 2024.

25. Zeitinova Sh., Askar Imashev, Bakhtybayev N., Matayev A., Mussin A., Yeskenova Gulnura Numerical modeling the rock mass stress-strain state near vertical excavations in combined mining // Civil Engineering Journal. 2024, vol. 10, pp. 2919—2934. DOI: 10.28991/CEJ-2024-010-09-010.

26. Salkynov Arnat, Rymkulova Arailym, Suimbayeva Aigerim, Zeitinova Sholpan Research into deformation processes in the rock mass surrounding the stoping face when mining sloping ore deposits // Mining of Mineral Deposits. 2023, vol. 17, pp. 82—90. DOI: 10.33271/mining17.02.082.

27. Zhang Cun, Zhao Yixin, Han Penghua, Bai Qingsheng Coal pillar failure analysis and instability evaluation methods: A short review and prospect // Engineering Failure Analysis. 2022, vol. 138, article 106344. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2022.106344.

28. Xia Ze, Yao Qiangling, Xu Qiang, Ma Junqiang, Liu Zichang Numerical-modeling-based assessment of the impact of two-end-type cable support on failure characteristics of yield pillars // Engineering Failure Analysis. 2021, vol. 128, article 105619. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2021.105619.

29. Zhang Qiang, Wang Jiaqi, Guo Yuming, Chen Yang, Sun Qiang Study on deformation and stress evolution law of surrounding rock under repeated mining in close coal seam // Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects. 2020. DOI: 10.1080/15567036.2020.1831654.

30. Hawkes I., Fellers G. E. Theory of the determination of the greatest principal stress in a biaxial stress field using photoelastic hollow cylinder inclusions // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, Geomechanics Abstracts. 1969, vol. 6, pp. 143—158. DOI: 10.1016/01489062(69)90032-1.

31. Das Arka, Mandal Prabhat, Paul Partha, Sinha Rabindra, Tewari Subhashish Assessment of the strength of inclined coal pillars through numerical modelling based on the ubiquitous joint model // Rock Mechanics and Rock Engineering. 2019, vol. 52, pp. 3691—3717. DOI: 10.1007/s00603-01901826-4.

32. Chen Jianhang, Saydam Serkan, Hagan Paul Numerical simulation of the pull-out behaviour of fully grouted cable bolts // Construction and Building Materials. 2018, vol. 191, pp. 1148—1158. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2018.10.083.