CC BY
29
- © П.К. Гаркушин, 2012
УДК 622.363.622.83:620.17.553.63 П.К. Гаркушин
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ГОРНО-ХИМИЧЕСКОГО СЫРЬЯ МЕТОДОМ ПОДЗЕМНОГО ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ
Изложен накопленный практический опыт разработки, методика расчета параметров, условия применения, приведен расчет ожидаемого оседания поверхности Ключевые слова: калинито-лангбайнитовая руда, слабопрочные магнетиты, буро-скважинная добыча.
Из практики разработки соляных месторождений известны методы растворения из подземных горных выработок и из скважин, пробуренных с поверхности. Впервые методом выщелачивания из подземных горных выработок была осуществлена добыча каменной соли на Стебников-ском калийном руднике № 1 (Ст.КР-1), на руднике Калуш при отработке запасов Калуш-Голынского калийного месторождения [1] во второй половине XIX века. Образованные в результате растворения пластов каменной соли пустоты — камеры выщелачивания — назывались луговнями. Их диаметр достигал 100 м, высота составила 10—30 м. На СтКР-1 было образовано около 6 камер подземного выщелачивания, на руднике Калуш — более 10. Гораздо позже метод был использован для разработки сильвинитового пласта на руднике Кейн-Крик (США) путем растворения руды из горных выработок. Такая технология рассоло-добычи относится к числу трудоемких и малопроизводительных. С начала XX века все более широкое применение получает буроскважинная технология добычи солей, которая успешно применяется при разработке НовоКарфагенского, Долинского, Солот-винского, Яр-Бишкадакского, Артемов-ского и других месторождений каменной соли, а также для разработки сла-
бопрочных магнетитов на Яковлевском руднике КМА и Криворожского бассейна. Известен пока что единичный случай поверхностного выщелачивания на карьере сульфата натрия в Испании. Раствор калинито-лангбайнитовых руд с Домбровского карьера с содержанием солей 250 г/л, использовался для заполнения выработанного пространства рудника Ново-Голынь.
Теоретические основы процесса подземного выщелачивания разработаны во ВНИИГалургии [1, 2, 3, 5] проводятся исследования по вовлечению эксплуатацию сильвинитов Гре-мяченского, Эльтонского, Непского, Шедокского, Верхнекамского, Старо-бинского и других месторождений, а также для добычи методом подземного выщелачивания других полезных ископаемых.Отработка запасов соляного месторождения производится сплошной или камерной системой. Камеры могут иметь цилиндрическую или протяженную форму. При отработке месторождения цилиндрическими камерами вскрытие производится одиночными скважинами, пробуренными в центре будущей камеры. Технология рассолодобычи включает подачу растворителя (воды) по внутреннему трубопроводу; добытый рассол откачивают или выдавливают на поверхность по внешнему трубопроводу, затем подают на переработку.
При сплошной системе разработки контуры смежных камер соединяются, образуя сплошное выработанное пространство. При камерной системе разработки оставляют междукамерные целики. При отработке шахтного поля протяженными камерами оставляют ленточные целики. Процесс отработки включает гидроразрыв рудного тела по длине между скважинами для последующего выщелачивания запасов в протяженной камере. При этом растворитель (воду) подают по одной скважине, а рассол выдается по другой скважине, находящейся на расстоянии до 100 м. Гидроразрыв пласта между скважинами производится под давлением не менее 30 кг/см2 [3].
К числу основных преимуществ способа подземного выщелачивания (бесшахтного) относятся сравнительно низкие затраты на строительство рас-солопромысла, короткий срок освоения месторождения, низкая себестоимость выпускаемой продукции, высокая производительность труда и высокий уровень безопасности работ. Способ позволяет осуществить разработку месторождений полезных ископаемых на больших глубинах, снижает влияние горных работ на окружающую среду.
Однако при отработке запасов месторождения камерами больших размеров возможны значительные оседания налегающих пород и земной поверхности. Провалы земной поверхности на камеры выщелачивания наблюдались на рудниках Калуш и Бохня. Поэтому одной из важных задач при разработке соляных месторождений методом подземного выщелачивания является обоснование надежных параметров разработки месторождения.
Расчет запаса прочности междукамерных целиков должен производиться по минимальному размеру между цилиндрическими камерами и протяженными камерами с учетом подпи-
рающего давления рассолов или сопротивления закладочного материала расширяющимся целикам из формулы
К.
п =
(а -1)3
СТ-,
(1 + 2К 0 ^ X)
Кр
1И (Л + а)(0,4и н + 0,6) + у >
где п — запас прочности междукамерного целика, К — предел прочности материала целика на одноосное сжатие, МПа; а — ширина междукамерного целика за вычетом глубины увлажнения, м; И — высота междукамерного целика, м; к0 — коэффициент характеризующий уровень трещинообразования к0 = 0,4; ст 3г — условный предел текучести закладочного материала ст 3г =2К3, где К3 — предел прочности закладочного материала на одноосное сжатие МПа; X — степень заполнения камер закладочным материалом или рассолами; Кр — предел прочности материала целика на растяжение, МПа; у,у0 — плотность соответственно налегающих пород и пород целика, кН/м3; Н — глубина до кровли камеры, м; А — ширина (или диаметр камер, м; Ь — минимальный размер добычного участка.
В зависимости от срока службы (отработки) участка месторождения при запасе прочности междукамерных целиков п > 2,5 обеспечивается длительная устойчивость геомеханической системы; при п = 1,4—2,5 — жестко-пластичные целики деформируются спустя 5—10 лет; при п<1,4 междукамерные целики разрушаются за 5 лет. В случае заполнения камер закладкой ст 3г = 2К3 а при заполнении
рассолом ст3г = "Ур-Нр. Здесь К3 — предел прочности закладочного материала на одноосное сжатие МПа.
Устойчивость другого важного несущего элемента геомеханической системы — потолочин камер — оценивается запасом прочности п0.
п0 определяем из формулы [4]
Y • H 8Ru • h • kc (1 + )
,= 3A2у(1 + knp) U '
(2)
где Ки — предел прочности несущего слоя потолочного целика на изгиб, МПа; кс — коэффициент структурного ослабления пород; ур — плотность рассолов, кН/м3; И — высота столба рассола подпирающих кровлю камеры, м- у — плотность пород кровли, кН/м ; А — ширина или диаметр камеры, м; Кп — коэффициент пригруз-ки кровли(1,3—1,6).
Из формулы (2) можно определить запас прочности несущего слоя потолочины протяженных камер. Запас прочности потолочины, определенный из формулы (2) для цилиндрических камер будет несколько завышенным, поскольку отверстие буровой скважины в центре кровли будет нарушать сплошность несущего слоя потолочины. Поэтому фактический запас прочности несущего слоя потолочины будет примерно в 1,2—1,3 раза ниже расчетного.
С учетом коэффициента ослабления к0 формула для оценки устойчивости потолочины камеры подземного выщелачивания будет иметь вид
п (3)
По 3Л2у(1 + кп) • ко , (3)
ко =1,2—1,3.
Так на основе анализа систем разработки методом растворения установлено, что при отработке запасов полезного ископаемого цилиндрических камер потери полезного ископаемого в междукамерных целиках гораздо выше, чем при отработке протяженными камерами галерейного типа.
В соответствии с вышеизложенной методикой можно рассчитать параметры разработки крупнейшего в России Волгоградского месторождения бишо-фита, запасы которого превышают 180 млрд т. При средней мощности пласта бишофита И=20 м, залегающего на глубине 1300 м, месторождение можно отработать протяженными камерами шириной 10 м. через две. После отработки и закладки первичных камер производится их закладка материалом прочностью не менее 2 МПа. Затем отрабатывают и закладывают камеры второй и третьей очереди. В результате остаются междукамерные ограждающие целики шириной 5 м, потери руды будут составлять 33 %. При этом ожидаемое оседание поверхности составит
П =Д + Ку- И+ у И /х. (4)
где А — технологический зазор между кровлей камеры и закладкой, м; Ку-коэффициент усадки закладочного материала; х — жесткость закладного материала, МПа/см; И — мощность отрабатываемого пласта.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Андреичев А.Н. Разработка калийнык месторождений / А. Н. Андреичев. — М.: Недра, 1966. — 255 с.
2. Пермяков P.C., Романов B.C., Бельды М.П. Технология добыии солей. — М.: Недра, 1981. — 272 с.
3. Справочник по разработке солянык месторождений / Р.С. Пермяков, О.В. Ковалев, В.Л. Пинский, В.С. Романов. — М.: Недра, 1986. — 213 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -
4. Гаркушин П.К. Определение параметров камерной системы разработки. Методические указания к курсовому и дипломному проектированию / Новочеркасск, ЮРГТУ (НПИ). — 2004, 23 с.
5. Резников В.А. Перспективы разработки, комплексного использования и переработки залежей бишофита. — М.: НИИТЭХИМ. — 1976. ЕЕЕ
Гаркушин П.К. — Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт).
