nznistuНауки о Земле и недропользованиеEarth sciences and subsoil use2686-99932686-7931Federal State Budget Educational Institution of Higher Education "Irkutsk National Research Technical University"10.21285/2541-9455-2019-42-2-240-253nznistu-64Research ArticleГИДРОГЕОЛОГИЯ И ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХHYDROGEOLOGY AND ENGINEERING GEOLOGY OF MINERAL DEPOSITSОсобенности изучения физико-механических свойств многолетнемерзлых массивов горных пород при оценке геомеханических условий рудных месторожденийSpecifics of permafrost rock mass’ physical-mechanical properties study in evaluation of ore deposit geotechnical conditionsАвдеевА. Н.AvdeevA. N.

кандидат технических наук, старший

620075, г. Екатеринбург, ул. Мамина-Сибиряка, 58, Россия,

Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher

58, Mamina-Sibiryaka st., Yekaterinburg, 620075, Russia

avdeev0706@mail.ruСосновскаяЕ. Л.SosnovskayaE. L.

кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник

620075, г. Екатеринбург, ул. Мамина-Сибиряка, 58, Россия

Cand. Sci. (Geol. & Mineral.), Senior Researcher

58, Mamina-Sibiryaka st., Yekaterinburg, 620075, Russia

avdeev0706@mail.ruБолотневА. Ю.BolotnevA. Yu.

кандидат технических наук, технический руководитель лаборатории геомеханики и физики горных пород кафедры разработки месторождений полезных ископаемых, Институт недропользования

664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, Россия

Cand. Sci. (Eng.), Technical Director at the Laboratory of Geomechanics and Rock Physics, Department of Mineral Deposit Mining

83, Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia

abolotnev@mail.ruБатжаргалД.BatjargalD.

горный инженер, аспирант, Институт недропользования

664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, Россия

Mining Engineer, Post-graduate student

83, Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia

Doogii.do@mail.ruИнститут горного дела УрО РАНРоссияMining Institute, Ural Branch of the Russian Academy of SciencesRussian FederationИркутский национальный исследовательский технический университетРоссияIrkutsk National Research Technical UniversityRussian Federation201908092020422240253Copyright © Авдеев А.Н., Сосновская Е.Л., Болотнев А.Ю., Батжаргал Д., 20202020Авдеев А.Н., Сосновская Е.Л., Болотнев А.Ю., Батжаргал Д.Avdeev A.N., Sosnovskaya E.L., Bolotnev A.Y., Batjargal D.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.nznj.ru/jour/article/view/64

Цель данного исследования заключалась в изучении геомеханических условий рудных месторождений с оценкой прочностных и деформационных свойств массивов горных пород ряда рудных месторождений, залегающих в криолитозоне. Исследования проводились в 2000-2018 гг. на базе лаборатории геомеханики и физики горных пород Иркутского национального исследовательского технического университета. Основные физико-механические свойства горных пород и руд определялись в соответствии с требованиями стандартов Российской Федерации. Выбор исследуемых характеристик базировался на наиболее распространенных методах оценки геомеханических условий месторождений и расчетов напряженного-деформированного состояния в конструктивных элементах систем разработки. Анализ прочностных и деформационных характеристик горных пород осуществлялся с учетом основных структурных и криологических особенностей массивов горных пород рудных месторождений и их обнажений в горных выработках. По результатам исследований установлено, что при разработке рудных месторождений криолитозоны выделяются три типа геомеханических условий: зона постоянной мерзлоты, переходная зона мерзлых пород в талые и зона постоянно талых пород. При оценке геомеханических условий рудных месторождений прочностные и деформационные свойства горных пород предлагается определять дифференцированно: в естественно-сухом состоянии пород для зоны постоянной мерзлоты; пород в водонасыщенном состоянии после 25 циклов замораживания и оттаивания для переходной зоны; в естественно-сухом и водонасыщенном состоянии в зависимости от конкретных гидрогеологических условий для зоны постоянно талых пород. Переход от прочностных свойств горных пород в образцах к их свойствам в массиве предлагается осуществлять на основе дифференцированного коэффициента структурного ослабления с учетом факторов мерзлоты, трещиноватости и геометрических размеров обнажений горных выработок. Оценку потенциальной удароопасности массивов горных пород и склонности горных пород к хрупкому разрушению предлагается производить также с учетом их криогенного состояния. Склонность пород к хрупкому разрушению рекомендуется оценивать на основе базовых методик: по критериям Г.Н. Кузнецова, запредельного деформирования или комбинированными способами. По результатам исследований разработан ряд методических и нормативных документов по управлению горным давлением и определению параметров подземных геотехнологий для условий разработки рудных месторождений, расположенных в криолитозоне.

The aim has been to study the geotechnical conditions of certain ore deposits occurring in a permafrost zone, with the focus on the stress-strain properties of the rocks mass. The study was conducted in 2000-2018 at the Laboratory of Geomechanics and Rock Physics, INRTU. The main physical-mechanical properties of the rocks and ores have been defined in accordance with the requirements of the Russian Federation standards. The characteristics were selected based on the most common methods of estimating the geotechnical conditions of ore deposits, and on the stress-strain calculation for the structural components of the filed development systems. The analysis of the rock stress-strain characteristics has been carried out with the account of the main structural and cryogenic features of the ore deposit rock mass, and of rock outcrop in the mine workings. The study has distinguished three types of geotechnical conditions: permanent-frozen rock zone, frozen-to-thaw rock transition zone, and permanent-thaw rock zone. When evaluating the ore deposit geotechnical conditions, a differentiated approach to determining the rock stress-strain properties is suggested: natural dry state for the permanent-frozen rock zone; water-saturated state after 25 freezing-thawing cycles for the transition zone; natural dry and water-saturated state (depending on the hydrogeological factors) for the permanent-thaw rock zone. It is suggested that the conversion of the sample rock strength properties into those of the rock mass is done using the differentiated coefficient of structural slackening with the account of the permafrost, rock jointing, and the mining’s’ geometrics. When evaluating the burst risk and the brittle fracture susceptibility, the rock cryogenic state should be taken into account. It is recommended that the brittle fracture susceptibility is defined by either of the following methods: by the Kuznetsov criterion (the ratio of the rock’s compressive strength to its tensile strength), by out-of-limit deformation (the ratio of the rock’s modulus of elasticity to its modulus of decrease), or a by combination of the two. Based on the research results, a series of methodological and normative documents have been developed for regulating the rock pressure and defining the geotechnical parameters for the conditions of cryolythozone ore deposits underground mining.

криолитозонафизико-механические свойства горных породгеомеханические условияпотенциальная удароопасностьустойчивость горных выработокpermafrost zonephysical-mechanical properties of rocksgeotechnical conditionsrock burst riskstability of mine workingsReferencesСосновский Л.И., Павлов А.М., Филонюк В.А., Сосновская Е.Л., Авдеев А.Н., Рубцов Л.Г. Управление геомеханическими процессами при разработке наклонных жил в условиях многолетней мерзлоты // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2006. № 11. С. 77–83.Sosnovskii L.I., Pavlov A.M., Filonyuk V.A., Sosnovskaya E.L., Avdeev A.N., Rubtsov L.G. Сontrol of geotechnical processes when mining inclined veins in permafrost conditions. Gornyi informatsionno- analiticheskii byulleten' [Mining Informational and Analytical Bulletin], 2006, no. 11, рр. 77–83. (In Russ.).Сафьянов А.С., Сосновская Е.Л. Геомеханические условия массива горных пород Коневинского золоторудного месторождения // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2014. № 11 (94). С. 98–103.Saf'yanov A.S., Sosnovskaya E.L. Geotechnical conditions of the Konevinskoe gold field. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta [Proceedings of Irkutsk State Technical University], 2014, no. 11 (94), рр. 98–103. (In Russ.).Сосновская Е.Л., Авдеев А.Н. Прогноз потенциальной удароопасности Кедровского золоторудного месторождения // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2015. № 11 (106). С. 50–56.Sosnovskaya E.L., Avdeev A.N. Forecast of potential rock-burst hazard of Kedrovskoye gold mine. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta [Proceedings of Irkutsk State Technical University], 2015, no. (106), рр. 50–56. (In Russ.).Павлов А.М., Семенов Ю.М. Управление горным давлением в криолитозоне при отработке наклонных маломощных жил на примере Ирокиндинского месторождения // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2007. № 11. С. 30–34.Pavlov A.M., Semenov Yu.M. Control of rock pressure in permafrost when mining inclined low-thickness veins: Irokindinskoye field case. Gornyi informatsionno-analiticheskii byulleten' [Mining Informational and Analytical Bulletin], 2007, no. 11, рр. 30–34. (In Russ.).Семенов Ю.М. Температурный режим горного массива в криолитозоне на руднике «Ирокинда» // Проблемы освоения минеральной базы Восточной Сибири: сб. науч. тр. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2009. С. 228–231.Semenov Yu.M. Temperaturnyi rezhim gornogo massiva v kriolitozone na rudnike «Irokinda» [Temperature conditions of permafrost rock mass at “Irokinda” mine]. Problemy osvoeniya mineral'noi bazy Vostochnoi Sibiri [Development of Eastern Siberia’s mineral resources]. Irkutsk: Irkutsk State Technical University Publ., 2009, рр. 228–231. (In Russ.).Павлов А.М., Семенов Ю.М., Сосновский Л.И. Определение параметров устойчивых целиков и обнажений камер при разработке наклонных жил в криогенных зонах в условиях Ирокиндинского золоторудного месторождения // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2008. № 5. С. 142–147.Pavlov A.M., Semenov Yu.M., Sosnovskii L.I. Evaluation of parameters of stable pillars and room roofs in underlay lode mining in cryogenic zones in terms of the Irokindinsky gold deposit. Gornyi informatsionno-analiticheskii byulleten' [Mining Informational and Analytical Bulletin], 2008, no. 5, рр. 142–147. (In Russ.).Вотяков И.Н. Физико-механические свойства мерзлых и оттаивающих грунтов. Новосибирск: Наука, 1975. 175 с.Votyakov I.N. Fiziko-mekhanicheskie svoistva merzlykh i ottaivayushchikh gruntov [Physical-mechanical properties of frozen and thawing soils]. Novosibirsk: Nauka Publ., 1975, 175 р. (In Russ.).Разумов Е.А., Еременко В.А., Заятдинов Д.Ф., Матвеев A.C., Гречишкин П.В., Позолотин A.C. Методика расчета параметров анкерной крепи подземных горных выработок в условиях вечной мерзлоты // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2013. № 9. C. 39–47.Razumov E.A., Eremenko V.A., Zayatdinov D.F., Matveev A.C., Grechishkin P.V., Pozolotin A.C. Calculation of rock bolting parameters for mine roadways in permafrost rocks. Gornyi informatsionno- analiticheskii byulleten' [Mining Informational and Analytical Bulletin], 2013, no. 9, рр. 39–47. (In Russ.).Cluff D.L., Kazakidis V.N. Opportunities and constraints of engineering frozen backfill for underground mining applications in permafrost // Proceedings of the 10th International symposium on cold regions development. Alaska, 2013. P. 175–190.Cluff D.L., Kazakidis V.N. Opportunities and constraints of engineering frozen backfill for underground mining applications in permafrost. Proceedings of the 10th International symposium on cold regions development. Alaska, 2013, рр. 175–190.Kight G., Harris M., Gorski B., Udd J.E. Frozen backfill research for Canadian mines. Canada: Canada Centre for Mineral and Energy Technology, 1994. 21 р.Kight G., Harris M., Gorski B., Udd J.E. Frozen backfill research for Canadian mines. Canada: Canada Centre for Mineral and Energy Technology, 1994, 21 р.Katsikadelis J.T. Boundary elements: theory and applications. Amsterdam: Elsevier, 2002. 336 р.Katsikadelis J.T. Boundary elements: theory and applications. Amsterdam: Elsevier, 2002, 336 р.Wardle L.J., Crotty J.M. Two-dimensional boundary integral equation analysis for nonhomogeneous mining applications // Recent advances in boundary element methods. London: Pentech, 1978. P. 233–252.Wardle L.J., Crotty J.M. Two-dimensional boundary integral equation analysis for non-homogeneous mining applications. Recent advances in boundary element methods. London: Pentech, 1978, рр. 233–252.Reddy J.N. An introduction to nonlinear finite element analysis. Oxford: Oxford University Press, 2004. 488 р.Reddy J.N. An introduction to nonlinear finite element analysis. Oxford: Oxford University Press, 2004, 488 р.Kattan P.I., Voyiadjis G.Z. Damage mechanics with finite elements: practical application with computer tools. Berlin: Springer, 2002. 113 р.Kattan P.I., Voyiadjis G.Z. Damage mechanics with finite elements: practical application with computer tools. Berlin: Springer, 2002, 113 р.Неганов В.П., Сосновский Л.И., Сосновская Е.Л., Давиденко А.А. Опыт проектирования подземных рудников в ОАО «Иргиредмет» // Горный журнал. 2011. № 4. С. 16–18.Neganov V.P., Sosnovskii L.I., Sosnovskaya E.L., Davidenko A.A. Experience of designing of underground mines at "IRGIREDMET" public corporation. Gornyi zhurnal [Mining Journal], 2011, no. 4, рр. 16–18. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.