CC BY
38
УДК 622.012:658.2.016
Д.В.СИДОРОВ, канд. техн. наук, заведующий лабораторией, sidorov-post@yandex. ru Т.В.ПОНОМАРЕНКО, канд. экон. наук, доцент, stvjnail@mail. ru Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», Санкт-Петербург
D.V.SIDOROV, PhD in eng. sc., laboratory head, sidorov-post@yandex.ru T.V.PONOMARENKO, PhD in econ. sc, associate professor, stv_mail@mail. ru National Mineral Resources University (Mining University), Saint Petersburg
ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЦЕЛИКОВ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ РАЗРАБОТКИ УДАРООПАСНЫХ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
При проектировании к отработке подземным способом Коашвинского апатит-нефелинового месторождения определены безопасные параметры временных междукамерных целиков для камерно-целиковой системы разработки с выпуском руды на траншеи. Приведены результаты расчета экономической эффективности сравниваемых параметров. Обосновано, что экономическая эффективность применения камерно-целиковой системы разработки до глубины 800 м связана с увеличением естественной податливости междукамерных целиков.
Ключевые слова: целики, напряженное состояние, устойчивость, параметры, экономическая эффективность.
FEASIBILITY STUDY OF OPTIMAL PARAMETERS OF PILLARS IN DESIGNING ROCKBURST-HAZARDOUS ORE DEPOSITS
DEVELOPMENT
The safe parameters of temporary interchamber pillars have been determined for the chamber-and-pillar method with ore discharge on trenches in designing of underground mining of the Koashva apatite-nepheline deposit. The results of calculation of economical efficiency of comparable parameters are presented. It was substantiated that the economical efficiency of application of the chamber-and-pillar method up to the depth of 800 m is related to the increase of natural yielding of interchamber pillars.
Key words: pillars, stress state, stability, parameters, economical efficiency.
Коашвинское апатии-тонефелиновое месторождение входит в состав месторождений хибинской группы и расположено на склонах горы Коашва и долине реки Вуон-немйок. Месторождение имеет многоярусное строение, обусловленное чередованием в разрезе сложных по форме тел апатит-нефелиновых руд и разделяющих их массивных уртитов. Верхние горизонты рудной зоны характеризуются относительно большим количеством рудных тел и сателлитов. Форма рудных тел линзообразная и пластообраз-ная. Мощность рудных тел колеблется от не-
скольких метров до 180 м, составляя в среднем 25-40 м. В соответствии с положениями РД 06-329-99, месторождение до глубины 400 м отнесено к склонным к горным ударам, а ниже - к опасным по горным ударам.
В настоящее время горные работы в карьере Коашвинского месторождения апатит-нефелиновых руд ведутся в долинной части месторождения в диапазоне отметок 64-280 м. Для доработки основной части запасов руды (до гор. -500 м), остающихся под дном и в бортах карьера, необходимо перейти на подземную технологию добычи. Для
Мощность рудного тела, м
Рис. 1. Закономерности изменения прибыли в зависимости от мощности рудного тела для систем подэтажного обрушения с торцевым выпуском (1) и этажного обрушения с траншейным выпуском (2)
этого следует обосновать эффективные параметры систем разработки месторождения.
Отбор систем разработки по постоянным и переменным факторам показал, что для отработки запасов Коашвинского месторождения подземным способом целесообразно применение следующих систем разработок: подэтажного обрушения с торцевым выпуском, этажного обрушения с траншейным выпуском и камерно-целиковой (отбойка из подэтажных штреков) с оставлением временных целиков.
Технико-экономическое обоснование (франко-люк) для систем подэтажного обрушения с торцевым выпуском и этажного обрушения с траншейным выпуском выполнялось в соответствии с рекомендациями, приведенными в работах [3, 4]. Результаты технико-экономического сравнения данных систем при различной мощности рудного тела приведены на рис.1.
Для технико-экономического обоснования камерно-целиковой системы разработки выполнено два этапа исследований: геомеханическое обоснование безопасных параметров междублоковых целиков и расчет показателей экономической эффективности системы разработки.
При геомеханическом обосновании было проведено компьютерное объемное моделирование расчетных схем с переменными параметрами: ширина междублоковых целиков Lц = 5^50 м, мощность рудного тела тр = 30^60 м, а также зон влияния давления подработанных пород L1. Типовая схема для расчета ширины междублоковых целиков приведена на рис.2.
Ширина зоны влияния подработанных пород
600
400
200
. ^r г.^г -г г л-т г г.-т -г г r.-i -гг-rfг r.-r -Tri-;-г г г.-;-гг.-т гг.-; -ггл-г f -гг.-; -г г
200
400
600
800
Простирание рудного тела, м Рис.2. Расчетная схема для определения ширины междублоковых целиков ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.198
0
L =
H..
t§(9i,г) + sin(«з)'
(1)
где Нц - глубина расположения целика, м; ф1г - угол давления подработанных пород, принимался равным 70°; аз - угол падения рудного тела, принимался равным 40°.
В пределах вышеуказанной зоны по линейному закону формировались следующие граничные условия: вдоль контура рудного тела и в камерах задавались значения снимаемых напряжений: равные весу столба горных пород до земной поверхности уН, на границе зоны, равные нулю.
Из анализа геологических разрезов следует, что в среднем гор. +0 расположен на глубине около 0 м, а гор. -500 м - на глубине около 800 м. В качестве исходных данных принят график изменения природных напряжений аисх по глубине с прогнозом их значений до отм. -500 м по аналогии с Расвумчоррским рудником [8]. Тектоническая составляющая А,т вкрест простирания рудного тела определялась как отношение природного напряжения аисх к вертикальному напряжению от веса столба пород уН. Параметры природного поля напряжений при различной проектной глубине приведены в таблице.
Технология компьютерного моделирования для расчета безразмерных средних дополнительных нормальных напряжений а 2доп,
действующих в рудопородных (несущих) элементах, базировалась на реализации численного метода расчета напряженно-деформированного состояния и удароопасности конструктивных элементов систем разработок. Одновременно в широком диапазоне учитывались горно-геологические и горно-технические факторы: произвольные по размеру и по конфигурации выработанное пространство и
конструктивные элементы (краевая часть рудной залежи, целики различного назначения и другие опорные элементы), произвольное местоположение конструктивных элементов относительно границ выработанного пространства, различные физико-механические свойства вмещающих пород и руд, а также переменная мощность рудной залежи.
В качестве искомых выбирались рудо-породные элементы, расположенные в наиболее нагруженной торцевой части целика. Для практических целей искомое напряжение принималось равным среднему значению на площади целика S = ЬцхЬц.
Значения искомых полных нормальных напряжений, действующих в рудопородных (несущих) элементах, с учетом падения залежи и природного поля напряжений определялись по формуле
= (cos2 а з + X ^in2a з) х
а.
х (а I + 1)уН.
(2)
Оценка устойчивости междукамерных целиков (МКЦ) выполнялась на основании
неравенства az, ,
, < а
z, кр*
Критические на-
пряжения определялись по формуле [1]
1
Лас
(3)
где кз - коэффициент запаса, принимается в соответствии с рекомендациями [7]: кз = 1,5 при 0 < Н < 400 м; к =1,56 при Н > 400 м; ц -коэффициент, учитывающий изменение прочности руды в целике в зависимости от формы целика; асж - предел прочности руды на одноосное сжатие, в соответствии с рекомендациями [7] принимается равным 118,0 МПа.
В соответствии с рекомендациями [7]: ц = 1,0 при ^ц/тз) <0,33; ц = 0,6(2ц/т!)+0,8
Параметры природного поля напряжений, МПа, при различной проектной глубине Н
Составляющие природного поля напряжений Н, м
100 200 300 400 500 600 700 800
Напряжения уН, МПа 3,0 6,0 9,0 12,0 15,0 18,0 21,0 24,0
Напряжения аисх, МПа 41,3 42,5 43,8 45,0 46,3 47,5 48,9 50,0
Тектоническая составляющая Хт, МПа 13,8 7,1 4,9 3,8 3,1 2,6 2,3 2,1
з
S
<^40 -
<й30 -
5 20-
10-
1.2
—I-1-1-1-1-1-г
20 40 60 80
Проектная глубина работ, м
Рис.3. Безопасные параметры (ширина) целиков при различной глубине горных работ и мощности рудного тела 1 - мощность 50 м; 2 - 40 м; 3 - 30 м
¿280 ft
|240 £
200
-1-1-1—
30 35 40 45
Мощность рудного тела, м
50
Рис.4. Закономерности изменения прибыли для камерно-целиковой системы разработки в зависимости от мощности рудного тела и глубины горных работ 1 - глубина 200 м; 2 - 400 м; 3 - 600 м; 4 - 800 м
0
при 0,33< (Li/m3 ) < 1,0; = 1,4(Ljm3) при (L4/m3) > 1,0 (где Lц - ширина МКЦ, м; m3 -средняя нормальная мощность залежи в месте расположения МКЦ, м). При (L4/m3) < < 0,2k3 = 0,3 ширина МКЦ принимается для условий (Ln/ m3) = 0,3 [2].
Результаты геомеханического обоснования безопасных размеров (ширины) междублоковых целиков при различной мощности рудного тела приведены на рис.3, а результаты экономической оценки [5, 6] эффективности применения камерно-це-ликовой системы разработки (отбойка из подэтажных штреков) с оставлением временных целиков - на рис.4.
Из анализа результатов технико-экономического обоснования следует:
• учет естественной податливости междублоковых целиков позволяет значительно снизить потери руды при выемке целиков за счет обоснованного уменьшения их проектных размеров;
• коэффициент извлечения ценностей (минерального сырья) из недр существенно выше (потери ниже) при камерно-целиковой системе разработке, чем при системе с торцевым и, особенно, с траншейным выпуском; при этом разница в коэффициенте извлечения тем больше, чем меньше мощность рудного тела;
• в структуре запасов удельный вес рудных тел мощностью до 40 м составляет около 40 %, а мощностью более 40 м - свы-
14
ше 60 %, тогда прибыль на 1 т погашенных запасов при камерно-целиковой системе может быть на 20-30 % выше, чем при других системах;
• коэффициент изменения качества руды при добыче также заметно выше при ка-мерно-целиковой системе в связи с меньшим разубоживанием;
• при глубине 700 м и мощности 50 м показатели всех систем примерно одинаковые.
ЛИТЕРАТУРА
1. Беляев Н.М. Сопротивление материалов. М.: Гос. тех.-теориздат, 1954. 856 с.
2. Ильницкая Е.И. Свойства горных пород и методы их определения / Е.И.Ильницкая, Р.П.Тедер, Е.С.Ватолин. М.: Недра, 1969. 392 с.
3. Именитов В.Р. Технология, механизация и организация производственных процессов при подземной разработке рудных месторождений. М.: Недра, 1973. 459 с.
4. Инструкция по учету состояния и движения запасов, определению, планированию и нормированию количественных и качественных потерь апатит-нефелиновых руд на рудниках производственного объединения «Апатит» им.С.М.Кирова / ОАО «Апатит». Апатиты, 1992. 80 с.
5. Лобанов Н.Я. Экономика, организация и планирование производства на предприятиях горнорудной промышленности / Н.Я.Лобанов, В.Г.Торцев. М.: Недра, 1986. 328 с.
6. Лобанов Н.Я. Экономика природопользования при разведке, добыче и обогащении полезных ископаемых. Экономическая оценка минеральных ресурсов: Учеб. пособие / Санкт-Петербург. горный ин-т. СПб, 2009. 99 с.
7. Петухов И.М. Расчетные методы в механике горных ударов и выбросов: Справочное пособие / И.М.Петухов, А.М.Линьков, В.С.Сидоров. М.: Недра, 1992. 256 с.
ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.198
8. Указания по безопасному ведению горных работ на месторождениях, склонных и опасных по горным ударам / ОАО «Апатит». Апатиты - Кировск, 2002. 100 с.
REFERENCES
1. Belyaev N.M. Strength of materials. Moscow: Gostechizdat, 1954. 856 p.
2. Ilnitskaya E.I., Teder R.I., Vatolin E.S. Rock properties and methods for their determination. Moscow: Nedra, 1969. 392 p.
3. Imenitov V.R. Technology, mechanization and production processes in underground mining of ore deposits. Moscow: Nedra, 1973. 495 p.
4. Instruction on account of state of reserves, definition, planning and rating of quantitative losses of apatite-nepheline ores at ore mines of OJSC «Apatit» / OJSC «Apatit». Apatity. 1992. 80 p.
5. Lobanov N.Y., Torshev V.G. Economics, organization and planning of production at ore plants. Moscow: Nedra, 1986. 328 p.
6. Lobanov N.Y. Economy of nature utilization in prospecting, mining and enrichment of mineral resources. Economic assessment of mineral resources: Textbook. Saint Petersburg, 2009. 99 p.
7. Petukhov I.M., Linkov A.M., Sidorov V.S. Calculation methods in the mechanics of rock bursts and outbursts: Reference textbook. Moscow: Nedra, 1992. 256 p.
8. Directions on safe mining operations at the deposits prone to rockbursts / OJSC «Apatit». Apatity - Kirovsk, 2002. 100 p.
