CC BY
10
© Я.И. Липин, 2013
УДК 622.831 Я.И. Липин
ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ РАЗРАБОТКЕ МОЩНЫХ СЛЕПЫХ РУДНЫХ ЗАЛЕЖЕЙ С ОБРУШЕНИЕМ НАЛЕГАЮЩИХ ПОРОД
Комплексные геомеханические исследования, включающие измерение первоначального напряженного состояния, определение физико-механических свойств пород и структуры породных массивов сейсмическим методом, выявление закономерностей изменения вторичного поля напряжений при разработке слепых мощных железорудных месторождений, дают возможность обоснованно решать вопросы естественного управляемого самообрушения налегающих пород, который с успехом применяется на многих уральских железорудных месторождениях в настоящее время и заложен в проекты выемки залежей в ближайшем будущем. С использованием данного метода успешно отработана залежь камерой с размерами в плане 110х100 м.
Ключевые слова: самообрушение налегающих пород, структура массива, сейсмические методы, свойства пород.
При разработке мощных слепых наклонно- и крутопадающих железорудных месторождений неизбежно возникает вопрос ликвидации образующихся при выемке пустот, так как это в первую очередь влияет на безопасность горных работ (воздушные удары при внезапном обрушении) и на эффективность технологии разработки (непроизводительные затраты на проходку выработок, обуривание и взрывание налегающих пород, увеличение потерь и разубо-живания рудной массы).
Практика ведения горных работ показала, что в первую очередь необходимо отказаться от непроизводительных затрат на принудительное обрушение налегающих пород, а затем сделать этот процесс управляемым. Момент управляемого обрушения пород можно определить на основе геомеханических исследований [1].
Сущность геотехнологии добычи руды с применением управляемого самообрушения налегающих пород заключается в том, что в соответствии с горнотехническими и геомеханическими условиями определяют, при какой площади подработки может начаться самообрушение налегающих пород. Рудное тело вынимают на определенной площади, поддерживая налегающие породы целиками, после взрыва которых происходит самообрушение, локализуя или ликвидируя пустоты [2, 3].
Длительный путь подхода к рассматриваемой геотехнологии заключался в том, что для геомеханического обоснования параметров выработанного пространства, при которых произойдет самообрушение налегающих пород, на каждом конкретном месторождении было определено разработанным в ИГД УрО РАН методом [4] напряженное состояние и
закономерности его роста с глубиной [5].
Кроме того, на каждом месторождении были определены физико-механические (прочностные и упругие) свойства горных пород и руд [6], а затем были найдены пути перехода от образца к массиву в зависимости от его структурных особенностей, главным образом трещиноватости [7].
Таким образом, решение вопроса о времени самообрушения сводилось к сравнению действующих напряжений вокруг выработанного пространства в различные стадии выемки с прочностными характеристиками вмещающего его массива по известным критериям прочности. Следует к этому добавить, что если на начальном этапе исследование этих геомеханических вопросов для получения величин коэффициентов концентрации первоначальных напряжений вокруг выемок использовались плоские задачи, то в настоящее время для их оценки найдены объемные решения [8].
По мере развития геомеханических исследований и представлений о напряженном состоянии верхней части земной коры в пределах глубин, на которых ведутся горные работы, совершенствуется и способ естественного самообрушения налегающих пород при подземной разработке месторождений. Так, по мере получения новых данных о пульсирующем характере изменения тектонических напряжений в верхней части земной коры Урала в привязке к 11-летнему циклу солнечной активности [9], они учитываются в расчетах при оценке действующих в массиве напряжений. Кроме того, появляется возможность использовать эти данные с учетом времени эксплуатации горных конст-
рукций (камер, выработанных пространств, целиков, стволов и горных выработок). Так, например, в северном сегменте земной коры Урала (шахты Краснотурьинска, Северо-уральска, Н.-Тагила, Кушвы) максимум напряжений приходится на 2006—2009 гг. и 2018—2021 гг. и т.д., а в промежутке между ними их уровень может быть снижен на 20— 35%. Подтверждением периода и амплитуды вариаций тектонических напряжений является периодичность интенсивности землетрясений, горнотектонических и горных ударов.
Важным и сложным вопросом при решении рассматриваемой геомеханической задачи является изучение структурных особенностей налегающих пород, их тектонической нару-шенности и трещиноватости. Для решения этого вопроса в ИГД УрО РАН в последнее время широко используются геофизические исследования, основным из которых является сейсмопросвечивание в варианте компьютерной томографии [10]. Выявленные этими исследованиями данные о прочностных свойствах массивов, тектонических нарушениях рекомендуются для использования в проектных решениях не только при применении естественного управляемого самообрушения налегающих пород, но и при предупреждения геодинамических явлений при выемке рудных тел.
Разработанная в ИГД УрО РАН геотехнология с управляемым самообрушением налегающих пород применена при разработке железорудных месторождений Урала (Высокогорское, Ёебяжинское, Естюнинское, Гор-облагодатское, Валуевское, Бакаль-ское и др.). Наиболее широко эта геотехнология нашла применение при
разработке Песчанской группы месторождений, где она использована в проектах выемки пяти залежей и планируется к применению в дальнейшем, по крайней мере, еще трех.
Примером успешного применения данной технологии является заканчивающаяся разработкой Верхняя залежь, введенная в эксплуатацию в 1992 г.
Верхняя залежь Песчанского месторождения, залегающая на глубине 500 м, имеет линзообразную форму с длиной по простиранию до 380 м, вкрест простирания до 170 м. Вертикальная мощность рудного тела изменяется от 35 до 85 м. Залежь расположена в блоке между двумя геологическими нарушениями крутого падения, ограничивающими рудное тело с запада и с востока. Крепость руды по шкале проф. Протодъяконова составляет 9—10, коэффициент структурного ослабления равен 0.5—0.7. Выход керна по рудной зоне из скважин свыше 70%. Вмещающие породы представлены мраморизованными известняками массивной текстуры, а также гранатовыми и пироксен-гранатовыми скарнами, порфиритами и их туфами. К северо-западу скарны сменяются роговообманковыми пор-фиритами, разбитыми сетью трещин. На востоке от рудного тела скарны сменяются диоритами, разбитыми серией даек мощностью от 0.05 до 5 м.
Напряженное состояние участка до начала отработки залежи было определено комплексным методом, включающим щелевую разгрузку [4] и электрометрию (подземное электрическое зондирование) [11]. В результате измерений в выработках на глубине 520 м были получены с достаточной для практики надежностью 0,95 следующие напряжения:
вкрест простирания рудного тела стх = 19 ± 1.5 МПа, по простиранию сту = 14.5 ± 0.8 МПа, а вертикальные ст2 = 15 ± 0.6 МПа.
Используя полученное напряженное состояние массива горных пород в качестве граничных условий, а также прочностные и упругие характеристики пород и руд месторождения, были определены устойчивые параметры выработок и целиков, заложенные в проект отработки залежи. Расчет устойчивости камер показал, что на их контуре при пределе прочности пород на сжатие 40—50 МПа и коэффициенте структурного ослабления 0.4—0.5 напряжения не превысят 16 МПа, т.е. стенки камер будут в устойчивом состоянии. Напряжения в кровле камер шатровой формы с углом при вершине шатра, равном 120° (по проекту) достигают 51 МПа.
Была также проведена оценка устойчивости конструктивных элементов, в ходе которой было предложено угол при вершине шатра в кровле уменьшить до 90°. Напряжения в кровле при этом будут несколько выше, чем при угле, равном 120°, но они не превысят предел прочности пород и имеют запас прочности 1,5. Следовательно, шатровая кровля камер устойчива и при угле шатра 90°, что предпочтительнее, чем в проектном варианте. Вариант расчета с плоской кровлей камер показал, что при их высоте до70 м в кровле камер возможно обрушение.
Геомеханический анализ различных схем порядка выемки залежи показал, что выработанное пространство остается устойчивым при оставлении целика в центральной части рудного тела шириной 20 м как с длин-
ной осью по простиранию, так и вкрест простирания, а также и без целика. После дополнительных геофизических исследований, включающих сейсмопросвечивание и сейс-мопрофилирование в выработках массива налегающих пород и показавших, что блок руды и пород между двумя нарушениями не имеет крупных дефектов (Ур = 6350 м/с, V; = 4820 м/с), была продолжена отработка залежи одной камерой шириной и порядка 100 м с оставлением на днище рудной подушки высотой не менее 20 м. И только при длине камеры 110 м, когда от контура выемки до плоскости падающего от залежи нарушения (а = 75°) оставалось 30 м, при взрыве очередной секции был взорван массив пород для вскрытия этого нарушения. С этого момента началось постепенное обрушение налегающих пород с выходом его на поверхность, причем углы обрушения составили 110° и 70°, пройдя по плоскостям тектонических нарушений.
В настоящее время разработка Верхней залежи заканчивается системой отбойки руды на зажатую среду при дальнейшем расширении выработанного пространства. Кроме того, начата выемка с применением рассматриваемой геотехнологии слепой Южной залежи, а также проводится проработка вариантов разработки слепой Западной залежи медистых магнетитов.
Слепая рудная залежь Южная в виде эллипсоида залегает на глубине 450 м и имеет размеры в плане 400 х (50^120) м. Проведенные здесь геомеханические и геофизические исследования с построением сейсмото-мографической схемы залежи по верхнему горизонту выявили на некоторых участках значительную на-рушенность налегающих диоритов (ур = 4900 м/с, V, = 2700 м/с, коэффициент структурного ослабления пород Ксо = 0,3^0,4 при Уртах = 7500 м/с). При развитии фронта очистных работ на этой залежи до 50 м началось обрушение налегающих пород с выходом его на поверхность в виде трубообразной воронки. Углы обрушения как и на Верхней залежи идут согласованно с элементами залегания тектонических нарушений и составляют 80^100°. Переход на запланированную геотехнологию с отбойкой руды на зажатую среду на этой залежи также прошел без осложнений.
Таким образом, геомеханические и геофизические исследования позволили обосновать устойчивые параметры выемки и рекомендовать отработку слепой залежи практически камерной системой разработки с размерами в плане 100х110 м, снизив при этом потери руды в недрах и засорение ее пустыми породами. Динамических явлений за весь срок отработки залежей не отмечено.
1. Внедрение естественного управляемого обрушения вмещающих пород на железных рудниках Урала и Казахстана /
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Влох Н.П., Зубков A.B., Ефремовцев Н.С. и др. // Горный журнал. — 1981. — № 4. — С. 55—58.
2. Погашение выработанного пространства при разработке слепык рудных тел / Влох Н.П., Зубков A.B., Ёипин Я.И., Скакун Г.П. // Горный журнал. — 1975. — № 9. — С. 47—49.
3. Применение метода управляемого самообрушения налегающих пород на шахте «Сидеритовая» / Влох Н.П., Зубков A.B., Жуков Б.П., Пермяков Г.А. // Горный журнал. — 1987. — № 12. — С. 43—45.
4. Влох И.П., Зубков A.B., Феклистов Ю.Г. Совершенствование метода щелевой разгрузки // Диагностика напряженного состояния породных массивов: Сб. научн. тр. / ИГД СО РАН СССР. — Новосибирск, 1983. — С. 30—35.
5. Зубков A.B., Липин Я.И., Гуляев А.И. Напряженное состояние верхней части земной коры Урала и тектоническое развитие региона. // ФТПРПИ. — 1996. — № 4. —С. 61—69.
6. Физико-механические свойства горных пород Урала / Боликов В.Е., Зубков A.B., Ушков С.М. и др. // Сб. научн. тр. / ИГД Минчермета СССР. — Свердловск, 1972. — Вып. 37. — С. 83—86.
7. Шуплецов Ю.П. Прочность и деформируемость скальных массивов. — Екате-ринбург:УрО РАН, 2003. — 195 с. ISBN 5 — 7691-1428-2.
8. Зубков A.B. Зависимость напряженного состояния кровли и стенок камеры от ее трехмерности // ФТПРПИ. — 1987. — № 5. — С. 11—16.
9. Зубков A.B., Липин Я.И., Смирнов A.A., Бирючев И.В. К оценке параметров вариации поля упругих напряжений в земной коре Урала // Труды международной конференции «Геодинамика и напряженное состояние недр земли» — Новосибирск: Изд-во: Институт горного дела СО РАН, 2004, — С. 267—270.
10. Ивансон С. Межскважинная томография на проходящих волнах. В кн. Сейсмическая томография. Под ред. Г. Ноллета. М.: Мир. 1991. С. 169—198.
11. Скрыпченко В.В. Методика определения напряженного состояния массива пород методом подземного электрического зондирования. — ФТПРПИ, 1987, № 6, С. 91—98. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -
Липин Я.И. — кандидат технических наук, direct@igd.uran.ru, Учреждение РАН Институт горного дела УрО РАН.
д
ГОРНАЯ КНИГА
Обогащение углей. Том 1. Процессы и машины
В.М. Авдохин 2012 год 424 с.
ISBN: 978-5-98672-308-2, 978-5-98672-309-9 UDK: 622.7:622.33 (075.3)
Даны основные сведения о составе и свойствах ископаемых углей. Изложены теоретические основы процессов дробления, грохочения, обо-гашения и обезвоживания углей. Описаны конструкции, принцип действия, технические параметры и предпочтительные области использования применяемого современного оборудования. Приведены технологические схемы компоновки и методы оцен-
ки эффективности разделительных процессов.
