Оценка влияния карстовой полости на устойчивость рудного массива при разработке месторождений Западной Якутии

Разработка рудных месторождений сопровождается рядом проблем, одной из которых является наличие подземных полостей выщелачивания во вмещающем и рудном массивах. Подземные полости больших размеров и сложной формы могут оказывать негативное влияние на безопасную отработку месторождения и стать причиной обрушения горных пород. Проведен обзор существующих методик, используемых для оценки устойчивости горного массива вблизи полостей, методик оценки устойчивости горного массива при разработке рудного месторождения системой разработки подэтажного обрушения при наличии подземных пустот техногенного происхождения. Численное моделирование на основе метода конечных элементов использовалось для прогноза напряженно-деформированного состояния вблизи полости, расположенной на глубоких горизонтах, при ее надработке. Для описания рудного и вмещающего массива вблизи горизонтов отработки и полости была использована упруго-идеально-пластическая модель Кулона–Мора. Структурная нарушенность учитывалась путем снижения прочностных свойств горных пород по эмпирической методике Хука–Брауна. Геотехническая специализированная программа использовалась для обработки данных испытаний образцов горных пород и построения паспорта прочности нарушенного массива. Критерии Кулона–Мора и Хука–Брауна применяются для оценки устойчивости рудного целика между горизонтом отработки и полостью на различных этапах отработки рудного тела. Определена минимальная мощность рудного целика, при которой он будет устойчив. Полученные численные результаты сопоставляются с аналитическими расчетами по вышеупомянутым методикам. В результате сделаны выводы о возможности применения некоторых методик для определения устойчивости рудного целика между подземной полостью и горизонтами отработки.

Протосеня А. Г., Веселова А. В. Оценка влияния карстовой полости на устойчивость рудного массива при разработке месторождений Западной Якутии // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2025. – № 1-1. – С. 33–46. DOI: 10.25018/0236_1493_2025_11_0_33.

Протосеня Анатолий Григорьевич¹ — д-р техн. наук, профессор, e-mail: Protosenya_AG@pers.spmi.ru, ORCID ID: 0000-0001-7829-6743,
Веселова Анастасия Владимировна¹ — аспирант, e-mail: veselova.nastia2015@yandex.ru, ORCID ID: 0009-0004-6450-183X,
¹ Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II.

Веселова А.В., e-mail: veselova.nastia2015@yandex.ru.

1. Huang Zhi, Liu Xiangnan, Yang Qin, Meng Yuanyuan, Zhu Lihong, Zou Xinyu Quantifying the spatiotemporal characteristics of multi-dimensional karst ecosystem stability with Landsat time series in southwest China // International Journal of Applied Earth Observations and Geoinformation. 2021, vol. 104, article 102575. DOI: 10.1016/j.jag.2021.102575.

2. He Xuhu, Wang Shimin, Lai Mou, Peng Xiaoyu, Chen Bing Mechanical characterization of subway tunnel construction in urban shallow distributed karst stratums // Transportation Geotechnics. 2023, vol. 43, article 101139. DOI: 10.1016/j.trgeo.2023.101139.

3. Guo Shulan, Yan Changhong, Yu Liangchen, Liu Yang, Yan Chao Characteristics of shallow buried karst and its safety distance to tunnel inwuxi city, China // Quaternary Science Advances. 2024, vol. 13, article 100139. DOI: 10.1016/j.qsa.2023.100139.

4. Guo J., Wu W., Liu X., Huang X., Zhu Z. Theoretical analysis on safety thickness of the waterresistant rock mass of karst tunnel face taking into account seepage effect // Geotechnical and Geological Engineering. 2022, vol. 40, pp. 697—709. DOI: 10.1007/s10706-021-01916-7.

5. Lyu C., Yu L., Wang M., Xia P, Sun Y. Upper bound analysis of collapse failure of deep tunnel under karst cave considering seismic force // Soil Dynamics and Earthquake Engineering. 2020, vol. 132, article 106003. DOI: 10.1016/j.soildyn.2019.106003.

6. Yang Z., Zhang R., Xu J., Yang X. Energy analysis of rock plug thickness in karst tunnels based on non-associated flow rule and nonlinear failure criterion // Journal of Central South University. 2017, vol. 24, pp. 2940—2950. DOI: 10.1007/s11771-017-3708-1.

7. Yu L., Lyu C., Wang M., Xu T. Three-dimensional upper bound limit analysis of a deep soiltunnel subjected to pore pressure based on the nonlinear Mohr—Coulomb criterion // Computers and Geotechnics. 2019, vol. 112, pp. 293—301. DOI: 10.1016/j.compgeo.2019.04.025.

8. Li Zhaoyang, Wang Yingchao, Olgun C. Guney, Yang Shengqi, Jiao Qinglei, Wang Mitian Risk assessment of water inrush caused by karst cave in tunnels based on reliability and GA–BP neural network // Geomatics, Natural Hazards and Risk. 2020, vol. 11, no. 1, pp. 1212—1232. DOI: 10.1080/ 19475705.2020.1785956.

9. Ou Guang-Zhao, Jiao Yu-Yong, Zhang Guo-Hua, Zou Jun-Peng, Tan Fei, Zhang Wei-She Collapse risk assessment of deep-buried tunnel during construction and its application // Tunnelling and Underground Space Technology incorporating Trenchless Technology Research. 2021, vol. 115, article 104019. DOI: 10.1016/j.tust.2021.104019.

10. Wu Bo, Qiu Weixing, Huang Wei, Meng Guowang, Huang Jingsong, Xu Shixiang A multisource information fusion approach in tunnel collapse risk analysis based on improved Dempster— Shafer evidence theory // Scientific Reports. 2022, vol. 12, article 3626. DOI: 10.1038/s41598-02207171-x.

11. Jiang Hai-Ming, Li Lang, Rong Xiao-Li, Wang Ming-Yang, Xia Yuan-Pu, Zhang Zhi-Cheng Model test to investigate waterproof-resistant slab minimum safety thickness for water inrush geohazards // Tunnelling and Underground Space Technology. 2017, vol. 62, pp. 35—42. DOI: 10.1016/j. tust.2016.11.004.

12. Wang Lijun, Huang Peng, Chen Luoyi, Wang Jian, Zheng Zhilong, Ma Jianxin Study of the mechanism of water inrush in karst tunnel based on transparent rock mass physical model test // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2021, vol. 861, no. 5, article 052091. DOI: 10.1088/1755-1315/861/5/052091.

13. Протосеня А. Г., Веселова А. В., Котиков Д. А. Оценка концентрации напряжений вблизи карстовых полостей при разработке рудных месторождений // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2024. — № 2. — С. 5—22. DOI: 10.25018/0236_1493_2024_2_0_5.

14. Филиппов А. Г., Лелюх М. И. Глубинный, покрытый и бронированный карст верховьев р. Алакит (Якутия) // Доклады Российской академии наук. Науки о Земле. — 1980. — Т. 253. — № 4. — С. 942—944.

15. Куранов А. Д., Басалаева П. В., Онуприенко В. С. Влияние даек в массиве горных пород на устойчивость горной выработки в условиях действия гравитационно-тектонического поля напряжений // Известия УГГУ. — 2023. — № 2 (70). — С. 72—80. DOI: 10/21440/2307-2091-2-72-80.

16. Hoek E., Brown E. T. The Hoek–Brown failure criterion and GSI — 2018 edition // Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2019, vol. 11, no. 3, pp. 445—463. DOI: 10.1016/j. jrmge.2018.08.001.

17. Литвиненко В. С., Богуславский Э. И., Андреев М. Н. Технология и организация горных работ при выемке подкарьерных запасов кимберлитовых трубок Якутии в сложных гидрогеологических условиях // Записки Горного института. — 2011. — Т. 194. — С. 79—83.

18. Каплунов Д. Р., Рыльникова М. В., Калмыков В. Н., Петров Ю. А., Суслов В. А. Комбинированная геотехнология при освоении алмазоносного месторождения трубки «Удачная» // Горная промышленность. — 2005. — № 4(62). — С. 21—25.

19. Соколов И. В., Смирнов А. А., Антипин Ю. Г., Никитин И. В. О формировании предохранительной подушки при отработке подкарьерных запасов трубки «Удачная» системами с обрушением // Известия ТулГУ. Науки о Земле. — 2023. — № 2. — С. 322—334.

20. Беляков Н. А., Морозов К. В., Емельянов И. А. Методика обработки данных полевых испытаний по оценке естественного напряженного состояния горного массива методом кольцевой разгрузки // Горный журнал. — 2023. — № 5. — С. 89—96. DOI: 10.17580/gzh.2023.05.13.

21. Мустафин М. Г., Валькова Е. О. Маркшейдерско-геомеханическое обоснование методики наблюдений за деформациями бортов карьеров // Уголь. — 2024. — № 7. — С. 55—61. DOI: 10.18796/0041-5790-2024-7-55-61.

22. Кузин А. А., Филиппов В. Г. Метод определения плановых координат и высоты рабочего репера на оползне с принудительными отклонениями вехи от отвесного положения // Геодезия и картография. — 2024. — № 9. — С. 2—11. DOI: 10.22389/0016-7126-2024-1011-9-2-11.

23. Shen B., Shi J., Barton N. An approximate nonlinear modified Mohr-Coulomb shear strength criterion with critical state for intact rocks // Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2018, vol. 10, pp. 645—652. DOI: 10.1016/j.jrmge.2018.04.002.

24. Трушко В. Л., Трушко О. В. Комплексное освоение железорудных месторождений на основе конкурентоспособных подземных геотехнологий // Записки Горного института. — 2021. — Т. 250. — С. 569—577. DOI: 10.31897/PMI.2021.4.10.

25. Li H., Guo T., Nan Y., Han B. A simplified three-dimensional extension of Hoek–Brown strength criterion // Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2021, vol. 13, no. 3, pp. 568—578. DOI: 10.1016/j.jrmge.2020.10.004.

26. Liu Y., Fang Y., Su Y., Zhang P., Su Y. A quantitative analysis procedure for solving safety factor of tunnel preliminary support considering the equivalence between Hoek–Brown and Mohr– Coulomb criteria // Soils and Foundations. 2023, vol. 63, no. 4, article 101356. DOI: 10.1016/j.sandf. 2023.101356.

27. Меринов М. А., Бутаков Л. И., Баймашев З. Г., Бобров О. П. Повторная открытая отработка остаточных запасов подземных рудников // Горный журнал. — 1995. — № 7. — С. 28—32.

28. Huang F., Zhao L., Ling T., Yang X. Rock mass collapse mechanism of concealed karst cave beneath deep tunnel // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2017, vol. 91, pp. 133—138. DOI: 10.1016/j.ijrmms.2016.11.017.