CC BY
32
УДК 622.272:622.33
В.О. Шеховцова (аспирантка, ассистентка кафедры ГОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет»)
Т.В. Лобанова (доктор технических наук, заведующая лабораторией ОАО «ВостНИГРИ») В.Н. Фрянов (доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой ГОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет»)
В.С. Шеховцов (доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой ГОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет»)
Обоснование безопасных параметров предохранительной подушки при отработке сближенных слепых рудных залежей
Изложены методы оценки устойчивости пород в обнажениях и методика расчета минимально необходимой толщины предохранительной подушки при отработке слепых рудных залежей.
Ключевые слова: СЛЕПЫЕ ЗАЛЕЖИ, ОБНАЖЕНИЯ, ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ, ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНАЯ ПОДУШКА
В настоящее время основная часть разведанных запасов нижележащих горизонтов месторождений Горной Шории представлена слепыми рудными залежами. Это практически все участки Казского месторождения, участки «Новый Шерегеш», «Подрусловый», «Новая Промплощадка» Шерегешевского месторождения, участки «Юго-Восточный», «Северо-Западный», «Западный», «Глубокий» Таштагольского месторождения, «Четвертое» и «Пятое» рудные тела Абаканского месторождения. Поэтому как с точки зрения безопасности, так и с точки зрения экономики создание технологии безопасной отработки слепых залежей на железорудных месторождениях Сибири стало весьма актуальной проблемой.
Безопасность отработки слепых рудных залежей требует или ликвидации пустот, возникающих при выемке полезного ископаемого, или определения критериев устойчивости налегающей толщи с целью принятия соответствующих мер безопасности. Для ликвидации пустот необходимы значительные капитальные затраты, порой превосходящие затраты на добычу полезного ископаемого, поэтому задачами исследований являются прогноз устойчивости налегающей толщи, изыскание надежных мер безопасности на случай внезапного обрушения налегающей толщи, разработка рациональной и безопасной технологии отработки слепых рудных залежей.
Анализ известных методов расчета устойчивости обнажений [1] показал, что наиболее приемлемым для отрабатываемых крутопадающих залежей на рудниках Горной Шории и Хакасии является метод «эквивалентных пролетов». Институтом «ВостНИГРИ» совместно с учеными Московского горного института, Сибирского филиала проектного института «Гипроруда», производственниками объединения «Сибруда» и рудников разработана «Временная инструкция...» [2], позволившая обеспечить безопасную отработку слепых рудных залежей. Однако с увеличением глубины горных работ на железорудных месторождениях Сибири в отработку стали вовлекаться сближенные слепые залежи, т.е. разделенные прослоями пустых пород. Оценка устойчивости пород в обнажениях по ранее разработанной методике для изолированных рудных залежей [2] перестала отражать реальные условия отработки.
Сближенными на железорудных месторождениях Горной Шории и Хакасии считаются рудные залежи, для которых области опасного влияния, построенные по углам сдвижения, накладываются друг на друга.
При отработке сближенных рудных залежей в массиве горных пород образуются зоны ослабления (обрушения, трещин, опасных и плавных сдвижений), возникающие в результате ведения очистных процессов.
В скальных породах с коэффициентом крепости по шкале М.М. Протодьяконова/ > 8 устойчивость массива в обнажениях зависит в основном от глубины залегания отрабатываемого рудного тела, размеров обнажения и напряженного состояния пород. Расчет устойчивости обнажений производится по методу «эквивалентных пролетов», по критическим деформациям и по критическому напряжению [2].
Критерием устойчивости по методу «эквивалентных пролетов» является условие:
I < Н , (1)
экв экв
где I - эквивалентный по устойчивости пролет выработки неограниченной длины, определяется
экв
в соответствии с условиями залегания и условиями опирания обнажений по контуру, м [3];
Н - приведенная к условиям монолитного массива глубина залегания, м.
экв
В условиях отработки сближенных рудных залежей для оценки устойчивости налегающей толщи глубина залегания слепой рудной залежи, приведенная к условиям монолитного массива, рассчитывается с учетом ее ослабления К при подработке и развитии зон деформирования
по формуле [3]:
Н = (1 - К ) х (1 - К ) х Н , (2)
экв 4 п' 4 осл' зал
где Н л - глубина залегания рудных залежей, м.
Коэффициент потери устойчивости Кп определяется из выражения:
К = 0,84 + 0,01 х N - 0,0002 х N2 (3)
п
где N - средневзвешенное значение выхода керна, %.
Коэффициент ослабления массива К^л определяется размерами областей деформирования и находится как средневзвешенное по площади подработки налегающей толщи.
Коэффициенты ослабления в зонах деформирования, установленные из обобщения параметров деформирования горных пород на железорудных месторождениях Горной Шории и Хакасии, составляют:
- в зоне обрушения К = 0,8;
- в зоне трещин К ^ = 0,45;
- в зоне опасных сдвижений К3 = 0,15.
Устойчивость подработанной толщи по критическим деформациям обеспечивается при соблюдении условия:
Ч < Чг , (4)
где ч - относительная предельная (граничная) деформация, соответствующая устойчивому обнажению;
- относительная деформация подрабатываемой толщи, определяемая по формуле:
‘г Л /’
экв
Ч„ =---------------Т - (5)
( Н
1 +
I
V экв У
где/- коэффициент крепости пород по М.М. Протодьяконову.
Состояние подработанного массива определяется следующими граничными условиями:
Ч < 0,001 - устойчивое обнажение;
Ч = (0,001 - 0,040) - предельно устойчивое обнажение;
Ч > 0,040 - полное обрушение налегающей толщи.
При выполнении условий (1) и (5) производится проверка устойчивости обнажений по критическим напряжениям.
Критерием устойчивости является условие:
К < К , (6)
п г
где К - коэффициент граничной несущей способности,
г
К = 0,66 ± 0,08. (7)
г
При К < 0,58 - устойчивое состояние пород в обнажениях;
п
Кп = (0,58 - 0,74) - предельно устойчивое состояние обнажения;
К > 0,74 - неустойчивое состояние обнажения (произойдет обрушение).
п
Для определения прочности и устойчивости пород в обнажениях рассчитываются коэффициент запаса прочности и коэффициент запаса устойчивости [3].
Коэффициент запаса прочности есть отношение предела прочности образцов породы на одноосное сжатие к величине действующего в массиве напряжения.
Коэффициент запаса устойчивости есть отношение предела упругости породы, равного для пород месторождений Горной Шории 0,66 от предела прочности образцов на одноосное сжатие, к величине действующего в массиве напряжения. Коэффициенту запаса прочности, равному 2, соответствует коэффициент запаса устойчивости 1,25.
В настоящее время на Шерегешевском железорудном месторождении запроектированы к отработке блоки № 170, 180, 190 в пределах сближенной слепой залежи в этаже (+185) - (+255) м, над которыми ранее отработаны блоки № 1 и 2 с предохранительной подушкой толщиной 20 м.
Авторами выполнена оценка устойчивости обнажения по методике ВостНИГРИ [3] и расчет толщины предохранительной подушки по методике, описанной в работе [1]. Исходные данные для расчетов представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Исходные данные для расчетов
Показатель Значение
Глубина залегания рудных залежей Нзал, м 184-214
Горизонтальная проекция рудных залежей п, м 280-288
Длина рудных залежей по падению Ыз, м 250-260
Средний угол падения рудных залежей а, град 62-70
Длина по простиранию Ь, м 650
Коэффициент крепости пород / 16
Выход керна при разведочном бурении М, % 83
Крупных тектонических нарушений в районе расположения блоков № 170, 180, 190 нет. Результаты расчетов устойчивости налегающей толщи представлены в таблице 2.
Таблица 2 - Результаты расчета устойчивости налегающей толщи при отработке блоков №170,180,190 в этаже (+185) - (+255) м участка «Новый Шерегеш» Шерегешевского месторождения
Разрез Показатели устойчивости Запас прочности Запас устойчивости Состояние устойчивости обнажения
1 < Н , экв экв состояние Ч < Ч 1 1г К < К п г
45 288>151,5 Неустойчивое 1,0 > 0,04 Неустойчивое 0,29< 0,58 Устойчивое 3,5 2,25 Неустойчивое
56 288>130,2 Неустойчивое 1,0 > 0,04 Неустойчивое 0,29< 0,58 Устойчивое 3,5 2,25 Неустойчивое
Выполненными расчетами установлено, что при отработке блоков №170, 180, 190 налегающая толща соответствует неустойчивому состоянию с возможным выходом обрушения на по-
верхность. Для безопасной отработки блоков в этом случае над выработками выпуска необходимо создание предохранительной подушки.
В связи с тем, что над проектными блоками имеется выработанное пространство, предохранительную породную подушку предлагается создавать путем подрыва боковых пород. Минимально необходимая толщина подушки составит [1]:
К
И =------— х Н , (8)
п 1 + К вп п
где К - коэффициент пропорциональности толщины предохранительной подушки высоте паде-
п
ния обрушающихся пород;
Нвп - высота выработанного пространства, м (принимается от уровня подсечки до кровли выработанного пространства для первого этажа и от уровня предохранительной подушки до кровли выработанного пространства для последующих этажей).
Коэффициент К определяется по формуле:
п
К = К х К0 х К» х Кл х Кс , (9)
п 1 2 3 4 5
где К1, К 2, К з - коэффициенты, учитывающие соответственно аэродинамическое сопротивление предохранительной подушки, обрушающихся пород, рудовыпускных выработок;
К 4 - коэффициент, учитывающий степень изолированности выработанного пространства;
К5 - коэффициент, учитывающий прочие факторы и резерв.
Численные значения коэффициентов выражения (2) определяются следующим образом:
К1 = 3 х 3(0,01 + 0,003 х /) х
(10)
где / - коэффициент крепости пород по М.М. Протодьяконову;
ё - диаметр среднего куска пород, слагающих предохранительную подушку, м [4]
ср
ё = 5,2Г /а + 68 , (11)
ср п
где ч - удельный расход ВВ на отбойку, кг/т;
К_ = 0,36 - 0,0004Н ; (12)
2 вп
К3 = 0,01 х
^ S ^ а
бл п х £
+1, (13)
где £бл - площадь блока, м2;
п - число выпускных отверстий в блоке; £ - площадь выпускного отверстия, м2;
а - коэффициент, учитывающий характер обрушения: а = 1 - в случае частичного самооб-рушения пород, а = 1,7 - при возможности полного самообрушения пород, т.е. с выходом провала на земную поверхность.
Коэффициент К 4, учитывающий изолированность выработанного пространства, принимается равным 1, т.к. выработанное пространство изолировано.
Коэффициент К^ , учитывающий прочие факторы и резерв, принимается равным 1,25.
Исходные данные для расчетов параметров предохранительной подушки при отработке блоков № 170, 180, 190 в этаже (+185) - (+255) м Шерегешевского месторождения представлены в
таблице 3, а результаты расчетов в таблице 4. Таблица 3 - Исходные данные для расчетов предохранительной подушки
Показатель Значение
Коэффициент крепости пород / 16
Удельный расход ВВ на отбойку ч, кг/т 0,5
Высота выработанного пространства соответственно Н , м 78, 82, 84
Площадь блока соответственно ^ , м2 бл 465, 2500, 2615
Число выпускных отверстий соответственно п, шт. 5, 26, 28
Площадь выпускного отверстия м2 3
Есть возможность полного самообрушения пород. Выработанное пространство изолировано. Предохранительная подушка образуется путем подрыва боковых пород.
Таблица 4 - Результаты расчетов параметров предохранительной подушки
Номер блока Высота выработанного пространства Н , вп м Диаметр среднего куска пород подушки ^ , мм Расчетные значения коэффициентов Безопасная толщина предохранитель-ной подушки к , м п
*1 * 2 * 3 * 4 * 5
170 78 234 0,71 0,82 4,43 1,0 1,25 60
180 82 234 0,71 0,818 4,6 1,0 1,25 63
190 84 234 0,71 0,9 4,45 1,0 1,25 66
Из приведенных расчетов следует, что для безопасной отработки блоков № 170, 180, 190 до начала выпуска руды необходимо создать предохранительную подушку толщиной соответственно 60, 63, 66 м. Учитывая, что с верхнего этажа будет перепущена подушка толщиной 20 м (по данным рудника), необходимо образовать подушку толщиной не менее 40, 43, 46 м соответственно с крупностью дробления породы не больше крупности руды при отбойке, т.е. 230 мм.
Выводы
1 При отработке сближенных слепых рудных залежей расчет устойчивости обнажений рекомендуется производить по методу «эквивалентных пролетов» с учетом коэффициентов ослабления в зонах деформирования горных пород и осуществлять проверку по критическим деформациям и критическому напряжению.
2 Расчет устойчивости обнажений при отработке блоков №170, 180, 190 в этаже (+185) -(+255) м участка «Новый Шерегеш» показал, что обнажения будут находиться в неустойчивом состоянии и толщину предохранительной подушки необходимо определять на случай полного само-обрушения налегающей толщи.
3 При отработке блоков № 170, 180, 190 сближенной слепой залежи Шерегешевского месторождения в этаже (+185) - (+255) м необходимо до начала выпуска руды создать предохранительную породную подушку высотой не менее 40, 43, 46 м соответственно.
Работа выполнена при поддержке Федеральной целевой программы «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг., ГК № 14.740.11.0507 от 1 октября 2010 г.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 Именитов, В.Р. Локализация пустот при подземной добыче руды / В.Р. Именитов, В.Ф. Абрамов, В.В Попов.- М.: Недра, 1983. -192с.
2 Временная инструкция по условиям безопасной отработки слепых рудных залежей на железорудных месторождениях Горной Шории и Хакасии.- Новокузнецк: ВостНИГРИ, 1977.- 41с.
3 Инструкция по условиям безопасной отработки слепых рудных залежей на железорудных месторождениях Горной Шории и Хакасии.- Новокузнецк: ВостНИГРИ, 2006.-58 с.
4 Шеховцов, В.С. Подземная разработка сложноструктурных рудных залежей под мощными рыхлыми отложениями / В.С. Шеховцов.- Новокузнецк: СибГИУ, 1999. -241с.
REASONING OF PROTECTION PILLOW SAFE PARAMETERS IN THE PROCESS OF CLOSELY BEDDED BLIND ORE DEPOSITS DEVELOPMENT
V.O. Shekhovtsova, T.V. Lobanova, V.N. Frianov, V.S. Shekhovtsov
Methods of rock outcrops stability evaluation and methods of minimal protection pillow thickness calculation during blind ore deposits development are described.
Key words: BLIND DEPOSITS, OUTCROPS, STABILITY EVALUATION, PROTECTION PILLOW
Шеховцова Виктория Олеговна E-mail: viktoriaSH87@mail.ru Лобанова Татьяна Валентиновна Тел. (3843) 53-58-52 Фрянов Виктор Николаевич E-mail: fryano v@sibsiu. ru Шеховцов Виктор Семенович Тел. (3843) 74-87-64
