Геомеханические особенности отработки мощных рудных залежей под обрушенным массивом системой с самообрушением Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

.© Г.К. Джангулова, Л.Н. Жеребко, Л.М. Пивоварова, 2011

УДК 622.272

Г.К. Джангулова, Л.Н. Жеребко, Л.М. Пивоварова

ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ОТРАБОТКИ МОЩНЫХ РУДНЫХ ЗАЛЕЖЕЙ ПОД ОБРУШЕННЫМ МАССИВОМ СИСТЕМОЙ С САМООБРУШЕНИЕМ

Предложена методическая схема расчета и оценка процесса формирования зоны обрушения при отработке рудных залежей системой с самообрушением Ключевые слова: зона обрушения, самообрушение, рудные залежи, геомеханика, сво-дообразование.

Ш Ш ри отработке мощных рудных залежей в сложных горногеологических условиях, обусловленных высокой структурной нарушенностью и низкой прочностью рудного и породного массивов, наиболее распространенной является система с обрушением. Одной из основных особенностей данной систе-мы является формирование зоны обрушенных пород над вырабо-тан-ным пространством. В процессе очистной выемки образуется слой обрушенной рудной массы, в последующем, очистное пространство заполняется обрушенными породами налегающего массива.

Формирование свода обрушений, и зоны обрушенных пород над выработанным пространством рассматривается как процесс протекающий непрерывно с учетом временного фактора, так как связан с развитием фронта очистных работ и геотехнических особенностей налегающих пород при отработке мощных рудных залежей с образованием больших объемов выработанных пространств. В этом случае процесс развития и формирования свода обрушений происходит относительно равномерно по

всему фронту ведения очистных работ и поэтому при определении параметров сводообразования возможно рассматривать отдельный элемент выделяя его из обширной зоны обрушения, то есть использовать расчетную схему с правильными прямоугольными формами очистной камеры и свода обрушенных пород, что вполне допустимо принципами геомеханики.

Для условий, когда налегающие породы представлены относительно изотропным в геомеханическом отношении массивом, где степень разрыхляемости может быть выражена единым коэффициентом кр, вопрос сводообразования не представляет особых трудностей. Однако в практике отработки месторождений имеют место случаи, когда налегающий массив представлен слоями пород разной мощности с различными геотехническими характеристиками, что несколько усложняет задачу.

Разработанная общая методическая схема к расчету высоты свода обрушения при отработке рудных залежей под слоистым массивом, когда налегающие слои пород имеют различные мощность hсл и геотехнические характеристики, в

к

і-1

////////////.///////.

* ш

и"

К.

А. =

где

(2)

кр -1

hл (ксл -1)+.... + (кр-1 -1)]

кр -1

При большом количестве слоев в налегающей толще уравнение (16) решается при выполнении условия:

hk >Х hл.п (кр-1),

(3)

п=1

Рис. 1. Схема для определения высоты свода обрушения при отработке очистных камер под слоистым массивом пород

частности кр [1]. Расчетная схема для

проведения аналитических исследований представлена на рис. 1.

В результате обработки результатов исследований определены высота свода обрушений hсв и суммарная высота обрушенных пород hо6 . Высота свода обрушений hсв находится из соотношения:

Ьсв = Кл + л; + ^ +........+ к;, (1) К-[кл(кр -1) + Кл(к;-1) +

где п - количество слоев вовлекаемых в обрушение.

Суммарная высота обрушенных пород:

^об Ь-св + (4)

Иными словами, при заданном количестве слоев вовлекаемых в зону обрушения определяется уровень расположения граничного слоя или сплошного массива, из которого формируется остаточная часть свода обрушения.

Разработанная методическая схема является исходным положением для расчета и оценки процесса формирования зоны обрушения при отработке очистных камер под обрушенным массивом. Данная ситуация возникает при поэтапной отработке мощных рудных залежей в две очереди. На первом этапе, в результате проведения очистных работ в налегающем массиве формируется зона обрушенных, разрыхленных пород с определенной степенью уплотнения. На втором этапе горные работы проводятся под слоистым массивом, где нижний слой представлен обрушенными породами, а последующие слои нетронутым массивом с соответствующими геотехническими характеристиками.

Для решения вопроса развития и формирования свода обрушения в процессе отработки очистной камеры второй очереди нижележащего горизонта hk 2, необходимо установить коэффициент разрыхления кр пород первого слоя іїсл, который находится в прямой функциональной зависимости от степени уплотнения купл обрушенных пород . С

+

Высота свода обрушения Ъо6,м Рис. 2. Зависимость коэффициента уплотнения от высоты свода обрушения

ствол

Вентиляционный

cm$&i

Отрвболщные залвсы шш Подксрьерные запасы

Запасы рудного тела Ns22 | - % Запасы, отработанные карьерой

■ — ■ т Границы зон обрушения

Рис. 3. Совмещенный вертикальный разрез и схема вскрытия шахты «Молодежная»

этой целью первоначально определяем высоту слоя для заданных значений параметров

очистных камер первой очереди ¡1к1 , в результате отработки которых и сформировался слой обрушенных пород. Используя выражение [2],

hcí = коб ■ hk

(5)

а также используя результат проведенных численных расчетов для очистных камер различной высоты

К, полученную графическую зависимость среднего значения коэффи-

циента уплотнения купл от высоты

обрушенных пород, представленную на рис. 2, которую аппроксимируем эмпирической зависимостью вида:

кппл = 0,329е~°’0035Ко6 +1,238 . (6)

Находим высоту и степень уплотнения первого слоя:

ЬСл = Кк .1(0,0618 Кк0,7186 + 2,409). (7)

Коэффициент уплотнения купл характеризуется степенью разрыхленности объема уплотненной обрушенной горной массы V'упл по отношению к объему

в нетронутом массиве Vм и определяется соотношением:

купл = Vp или Уупл = kynnVM . (8)

Коэффициент разрыхления горных пород кр определяется отношением объема породы в разрыхленном (насыпном) виде Vразр к ее объему в массиве Vм :

kp = V- или Vpap = kPVM .

(9)

При рассмотрении величин кр и купл принимаем значение объема уплотненной обрушенной горной массы Vупл равным объему массива первого

слоя К' :

V

kpVu _ kp

кР =

Р Vynn kynnVu купл

(10)

где кр - коэффициент разрыхления массива горных пород при формировании свода (слоя Ксл ) в процессе отра-

ботки камер первой очереди. Для расчета высоты свода обрушения при отработке камер второй очереди, используются выражения (1) и (2), где hk принимает значение hk 2, т.е. высоты камер при проведении очистных работ второй очереди.

Выполненные численные расчеты дают прогнозные данные сдвижения земной поверхности и формирования мульды сдвижения при отработке рудной залежи системой с самообрушением первой и второй очереди, то есть в динамике развития горных работ.

Для примера рассмотрим ситуацию складывающуюся на шахте «Молодежная» Донского ГОКа, где ведется отработка мощного рудного тела № 22 в две очереди, первоначально с горизонта -135 м, а в последующем с горизонта -215 м (рис. 3).

При ведении горных работ второй очереди очистные камеры будут располагаться под обрушенным, предварительно уплотненным, массивом. В результате процесс формирования зоны обрушений над очистным пространством рассчитывается по методической схеме отработки рудной залежи под слоистым массивом с различными геотехническими характеристиками каждого слоя. В рассматриваемом нами случае первый, нижний, слой представлен уплотненными обрушенными породами с коэффициентом уплотнения kуплср = 1,278. Для данного массива, как было показано выше, коэффициент разрыхления kp находится из соотношения:

kp =

k

1,6

k^n . ср 1,278

= 1,252

Здесь кр - коэффициент разрыхления нетронутого массива.

Для второго слоя коэффициент разрыхления к"р будет равен значению кр ,

т.е. к"р= кр = 1,6.

При этом высота первого слоя Ксл будет равна разнице между высотой обрушенных и уплотненных под действием собственного веса пород ЬО6 и величиной доуплотнения за счет действия вторичных сил равной высоте проседания Нпр

К, = ho6 - Нпр = 310 - 28 = 282 м.

Высота второго слоя равна мощности нетронутых горных пород Н над зоной обрушения ЬСл = Н = 205 м.

При отработке второй очереди месторождения, а именно нижней части рудного тела № 22, расчетная высота очистной камеры принимается равной Кк.2 = 60 м, как предельная с учетом мощности отрабатываемой залежи.

Методическая схема расчета развития и формирования зоны обрушения для данного варианта отработки принимается аналогичной с изложенной при отработке камер первой очереди, с учетом изменившихся геотехнических условий [2].

Для слоистой налегающей толщи расчет сводообразования при отработке очистной камеры производится по аналитическим зависимостям (1) и (2), для этого предварительно проверяется условие (3). Решая соотношение:

К. =

К

(11)

где Ьк - высота очистной камеры; кр -

коэффициент разрыхления.

Получено, что первоначальный свод сформируется в пределах первого слоя К«, . В результате расчетная высота свода Ксв будет равна:

60

= 238 м,

кр -1 1,252 -1

а полная высота обрушенных пород

ЬОб = Кк.2 + КСв = 60 + 238 = 298 м.

Оставшаяся часть первого слоя нетронутого первоначальным обрушением будет равна:

= Ь' - Ь' = 282 - 238 = 44

м.

Далее, используя соотношение [2]:

D = 2,543 • КО

-10,247.

(12)

находим среднее значение уплотнения D, рассчитываем относительное сжатие и определяем величину зазора К'заз В результате имеем: D = 14,3 %;

= Кб • D = 298 • 0,143 = 43 м.

В проведении последующих расчетов величина зазоров принимается как условные камеры, на которые формируются дальнейшие обрушения.

Таким образом, вторичный этап обрушения рассчитывается по формулам (1) и (2)

К" =

Каз - К«, (кр - 1)

кР - 1

42,6 - 44 (1,252 -1)

0,6

= 53 м,

К' = К" + = 53 + 44 = 97

м.

Суммарная высота вторичного обрушения равна согласно (4):

h'6 = h'B + h'3a3 = 97 + 43 = 140 м.

Дальнейшие расчеты поэтапного обрушения выполняются по типовой схеме. Первоначально определяется доуп-лотнение за счет вторичного обрушения

и" ~ и"

h6, находится вторичный зазор h3a3 и производится расчет следующего этапа сводообразования до минимальной величины зазора.

В результате проведенных расчетов высота зоны обрушенных пород при отработке камер второй очереди составит:

ho6p.общ = 520 м.

Мощность слоя налегающей толщи пород будет равна Н' = 52 м.

И на завершающем этапе производится расчет доуплотнения обрушенной массы пород под действием проседания налегающего слоя нетронутого массива Н' по аналогичной схеме, описанной при отработке камер первой очереди. В данном случае величина нагрузки от проседания плиты будет равна:

1. Жеребко Л.Н., Джангулова Г.К., Пиво-варова Л.М. Формирование свода обрушений в налегающем массиве представленным слоями различной мощности // Научно-техническое обеспечение горного производства. Труды ИГД им. Д.А. Кунаева. -Алматы, - Т. 75. -2008. - С. 18-21.

ст = уН' = 2,6 • 52 = 135т/м2 =

= 13,5 кг/см2, D' = 10,3 %, где у = 2,6 кг/см .

Находим предельную высоту столба обрушенных пород, где происходит процесс доуплотнения, в результате имеем:

Кдоп . упл = 100 м.

По формуле (11) находим среднее уплотнение столба Ьдоп упл под действием собственных сил, которое равно D = 4,7 %.

В результате среднее доуплотнение столба Лопупл будет равно:

= D' - D = 10,3 - 4,7 = 5,6%.

ср

А величина дополнительного проседания налегающей плиты Н'пр равна:

Н' = D' = 100 • 0,056 = 5,6 м

пр доп.упл ср ^

В итоге суммарное проседание (прогиб) налегающего слоя пород в процессе ведения горных работ первой и второй очереди составит величину:

Нпр.о6щ = Нпр + НПр =

= 28,0 + 5,6 = 33,6 м.

-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

2. Прогноз вероятности техногенных катастроф с позиции геомеханических процессов в массиве горных пород при разработке рудных месторождений в сложных горногеологических условиях на больших глубинах // Отчет о НИР. Фонды ИГД им. Д.А. Кунаева. Алматы. - 2008. - 98 с. шгЛ

Коротко об авторах

Джангулова Г.К. - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, лаборатория горного давления,

Жеребко Л.Н. - кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник, лаборатория горного давления,

Пивоварова Л.М. - научный сотрудник, лаборатория горного давления,

Институт горного дела им. Д.А. Кунаева РГП «НЦ КПМС РК», igdkpms@mail.zu