Научная статья на тему 'Геомеханические особенности освоения прикарьерных запасов с обрушением подрабатываемых бортов'

Геомеханические особенности освоения прикарьерных запасов с обрушением подрабатываемых бортов Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

CC BY
83
22
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по энергетике и рациональному природопользованию , автор научной работы — Калмыков В. Н., Астахова Н. А.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Геомеханические особенности освоения прикарьерных запасов с обрушением подрабатываемых бортов»

Рис СЕЭДШХРЧдрабатываем0™ борта карьера

В плДОМЛНдаКСЙМЖ)ЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001"

МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.

© В.Н. Калмыков, Н.А. Астахова,

2001 -

УДК 622.83

В.Н. Калмыков, Н.А. Астахова

ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ОСВОЕНИЯ ПРИКАРЬЕРНЫХ ЗАПАСОВ С ОБРУШЕНИЕМ ПОДРАБАТЫВАЕМЫХ БОРТОВ

Как показывает анализ практики, комбинированная разработка месторождений полезных ископаемых характеризуется сложностью геомеханической обстановки, обусловленной отличительными особенностями напряжен-но-дефор-мированного состояния (НДС) массива горных пород, в результате ведения открытых и подземных работ в зоне взаимного влияния.

Комбинированная разработка месторождений может иметь различные варианты пространственно-временного соотношения открытых и подземных работ [1]:

1. Первоначально отрабатывают верхнюю часть месторождения карьером, после прекращения работ, в котором дальнейшая выемка запасов производится только подземным способом;

2. Переход на открытый способ разработки месторождения с ранее применявшегося подземного способа, причем очистные работы в подземном руднике при этом прекращаются;

3. Совместная разработка месторождения от-

Таблица

крытым и подземным способами.

Наибольшее распространение получила первая схема ввиду того, что при отработке запасов ценных руд наклонных и крутопадающих месторождений открытым способом до предельной, по экономической оценке, глубины, значительная их часть остается в основании бортов и дне карьера. При ее использовании наибольшие сложности возникают, как правило, вследствие большой глубины современных карьеров и их предельного по устойчивости состояния на момент завершения работ, что приводит к усугублению геомеханической обстановки в прикарьерной зоне, вызывая деформации и обрушение бортов (табл. [2]). Глубина карьеров в настоящее время находится в пределах 250 - 500 м и более, а запасы остающиеся в бортах и дне карьера составляют около 25-40 % от балансовых.

Отработка данных запасов открытым способом нецелесообразна из-за значительного коэффициента вскрыши, вследствие необходимого разноса бортов.

Отработка подземным способом ценных руд преимущественно ведется системами с закладкой или открытыми камерами в переходной зоне. Варианты систем с обрушением руд и пород применяются значительно реже.

В связи с тем, что на многих горнодобывающих предприятиях не были своевременно построены подземные рудники, была проведена ре-

ДЕФОРМАЦИИ БОРТОВ НА ГЛУБОКИХ КАРЬЕРАХ РУД ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

Карьер Высота борта, м Угол наклона борта, градус. Деформации Дополнительный объем вскрыши

Проектная Факти- ческая Про- ектный Фактиче- ский Число Объем, тыс. м3

«Златоуст- Беловский» 300 260 39-48 20-38 23 90 23300

«Гайский №1 350 270 28-33 25-30 21 330 1480

«Сибайский» 489-504 500 37-39 45-60 30 500 2995

«Учалинский» 326 252 31-39 28-37 39 600 1300

«Мукуланский» 1050 400 43-45 24-27 9 1700 -

«Агаракский» 458 366 24-34 16-31 5 1200 -

«Зыряновский» 410 250 25-34 22-30 4 1800 -

конструкция карьеров.

Поддержание объема добычи рудного сырья осуществлялась за счет вовлечения в открытую разработку запасов, предусмотренных проектом для подземной разработки. С целью снижения объемов вскрыши был увеличен угол откоса бортов в основании до 60-70°, сокращена ширина транспортных и предохранительных берм, а на отдельных более устойчивых участках массива отказ от них. В качестве примера можно привести Сибайский карьер.

При данных условиях отработка прибортовых запасов системами с закладкой нецелесообразна, поскольку требует дополнительных затрат на закладку, что неизбежно приводит к повышению себестоимости добываемой рудной массы. А так же требует временной консервации запасов в целиках. Отработка открытыми камерами не осуществима вследствие снижения деформационных и прочностных характеристик пород и высокой опасности внезапного обрушения бортов в местах их подработки. Наиболее предпочтительны в данном случае варианты систем с обрушением руд и вмещающих пород. Но при отработке запасов системами с обрушением в процесс сдвижения массива вовлекаются большие площади, на которых часто располагаются охраняемые объекты (отвалы вскрышных пород, хвостов обогащения, здания и сооружения промышленной площадки).

Исследование особенностей и закономерностей отработки прибортовых запасов системами с обрушением под пригрузкой борта и без нее, проводилось методом математического моделирования в постановке плоской задачи (рис. 1) при использовании программного комплекса FEM (УГГА) с учетом действующего тектонического поля напряжений в условиях Сибайского карьера. При создании модели учитывалась возможность варьирования высоты пригрузки, а также отработка вариантом подэтажной выемки.

Принятие физико-механических характеристик производилось дифференцировано, поскольку в результате отрицательного воздействия БВР в прикарьерной зоне формируется зона остаточных нарушений, размер которой достигает в некоторых случаях 50-80 м и зона интенсивных нарушений около 20-30 м. Угол внутреннего трения снижается на 10-20 %, величина сцепления массива на 20-45 %, а значение модуля деформаций уменьшается на порядок [3].

Данный программный комплекс позволяет определить напряжения в любой точке совместно деформирующегося массива, выявить области концентрации напряжений в элементах горных конструкций при варьировании их параметров и определить устойчивость подрабатываемого массива.

Оценка НДС подработанного глубоким карьером массива показала, что выемка запасов в основании борта карьера будет производиться в условиях высокой концентрации касательных сдвигающих (рис. 2) и горизонтальных сжимающих напряжений (рис. 3) изменяющихся в пределах от -6,4 до 5,2 МПа и от -26,8 до 0,02 МПа соответственно. Вместе с тем, на поверхности в результате ведения открытых работ вблизи контура карьера формируется зона растягивающих напряжений. Такое распределение напряжений может быть объяснено влиянием карьерной выемки на породный массив, в результате которой вблизи контура бортов карьера формируется зона разгрузки, а действующие напряжения в результате перераспределения концентрируются в основании бортов и дне карьера. Вертикальные напряжения перераспределяются более равномерно, чем горизонтальные, создавая незначительные зоны концентрации в основании карьера (рис. 4).

Коэффициент запаса устойчивости приборто-вого массива с учетом измененных физикомеханических характеристик пород в непосредственной близости от контура карьера находится в пределах 0,9 - 1,2, обрушение бортов происходит по местным линиям скольжения вследствие тектонической и техногенной нарушенности при-

Рис. 2. Характер распределения касательных напряжений в массиве на момент завершения работ в карьере

Рис. 3. Характер распределения горизонтальных напряжений в массиве на момент завершения работ в карьере

Рис. 4. Характер распределения вертикальных напряжений в массиве на момент завершения работ в карьере

бортового массива при ведении БВР в период работы карьера.

При отработке второго подэтажа высотой 15 м обрушение подработанного борта становится неконтролируемым (рис. 5).

Таким образом, согласно полученным результатам математического моделирования, отработка прибортовых запасов без пригрузки бортов невозможна вследствие: высокой концентрации сдвигающих напряжений; предельного состояния прикарьерного массива на момент завершения открытых работ; большого разлета отбиваемой руды; наличия аэродинамических связей подземных выработок и сложности их проветривания в условиях глубоких карьеров; опасности внезапного неконтролируемого обрушения подработанного борта, образующего консоль.

При формировании пригрузки подрабатываемого борта концентрация сдвигающих касательных напряжений снижается за счет увеличения удерживающих сил в основании откоса, в результате чего увеличивается коэффициент запаса устойчивости борта до значений 1,3-1,4 (рис. 6).

Но для обеспечения временной устойчивости и контролируемого обрушения подрабатываемых бортов необходимо формировать пригрузку больших объемов, что трудно, а порой просто невозможно осуществить при отсутствии транспортных берм на нижних горизонтах или их малых размеров.

в)

Рис. 5. Характер изменения коэффициента запаса устойчивости: а) на момент завершения работ в карьере; б) при отработке запасов первого подэтажа; в) при отработке запасов второго подэтажа

а)

/

/Ч ) ) ) і > У - г."

б)

в)

/ 1 ' і 1 і 1

.#■ ; і / . ./ ( ( /

' ■ \у ■ у .У...,'. , й;. •' ^

Рис. 6. Характер изменения коэффициента запаса устойчивости при отработке запасов под пригрузкой скальными вскрышными породами: а) первого подэтажа; б) третьего подэтажа; в) всех запасов «рудного треугольни-

На основе всех проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. отработка прибортовых запасов подземным способом весьма затруднительна, вследствие сложной геомеханической обстановки в результате большой глубины современных карьеров;

2. так как прибортовые запасы чаще всего распространяются по всему периметру карьера и на высоту в пределах от 20-40 м до 120-150 м, то очень сложно контролировать обрушение подрабатываемого борта

3. анализ практики комбинированной геотехнологии показывает, что при отработке при-

контурных запасов в процесс сдвижения вовлекаются большие площади массива с расположенными на поверхности охраняемыми объектами (здания промышленной площадки, отвалы вскрышных пород и хвостов обогатительного производства).

4. для обеспечения безопасности и благоприятных условий отработки прибортовых запасов необходимо формировать пригрузку больших объемов, так для условий Сибайского карьера при высоте отрабатываемых запасов 75 м она составит 110-150 м, а угол обрушения будет меняться в пределах 75-85 градусов.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Мухтаров Т.М. Комбинированный способ разработки месторождений полезных ископаемых. - М.: Наука, 1988, с.-232.

2. Галустьян Э.Л., Вере-

тельник И.П. Предупреждение крупномасштабных разрушений бортов карьеров путем поэтапной оценки их устойчивости. - Горный журнал, № 2, 1999, с. 25 - 28.

3. Обоснование порядка и параметров открыто-подземной технологии в основании Сибайского карьера. -Отчет по НИР, 2001, МГТУ.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

/ 7

Калмыков Вячеслав Николаевич - профессор, доктор технических наук., Магнитогорский государственный технический университет.

Астахова Наталья Александровна - аспирант кафедры ПРМПИ, Магнитогорский государственный технический университет.

^_______:_________________________________________________________________/

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.