CC BY
38
-------------------------------------------- © Н.И. Синкевич, 2004
УДК 622.831.232
Н.И. Синкевич
ОПТИМИЗАЦИЯ ПО ГЕОМЕХАНИЧЕСКИМ УСЛОВИЯМ, СХЕМ И СПОСОБОВ ОЧИСТНОЙ ВЫЕМКИ
Семинар № 13
Гехнологические процессы, связанные с добычей магнетитовой руды и выемкой пород на Таштагольском месторождении, неизбежно приводят к изменению напряженно-деформированного состояния массива горных пород (глубина 900 м).
С увеличением глубины разработки участка «Глубокий» (Н = 1200 - 1700 м) число и интенсивность динамических проявлений будет возрастать из-за повышенного давления вокруг выработанного очистного пространства вследствие более благоприятного образования под ним зоны оседания вместо зоны обрушения налегающих пород. Возрастающее давление верхних слоев сиенитового массива неизбежно повышает трудности разработки магнетитовых руд, снижает эффективность добычи и увеличивает опасность работы.
Как показывает промышленный опыт эксплуатации многих зарубежных рудников, где рудное ископаемое добывается на больших глубинах 1000-2500 м, и некоторых наших железорудных шахт, достигших глубины свыше 600 м, возрастающее горное давление вынуждает искать решения ряда важнейших технических проблем:
• влияние глубины на характер обрушения и углы сдвижения пород над очистным, выработанным пространством при подземной разработке железорудных месторождений;
• динамические явления и горные удары;
• применение рациональных систем разработок;
• влияние систем разработки верхних горизонтов железорудных месторождений на дальнейшую очистную выемку;
• влияние глубины разработки на эффективность добычи и безопасность горнорабочих [1-4, 5, 6, 7-9].
Оптимизация геомеханических условий и основные требования к технологии отработки рудных месторождений на больших глубинах в удароопасных условиях сводятся к выбору вариантов систем с минимальным открытым выработанным пространством и изрезанностью массива горными выработками, сплошной без-целиковой отработкой, со значительной интенсивностью нарезки и подготовки блоков к очистной выемке, максимальной концентрацией работ. Проблема выбора схем и способов очистной выемки при отработке участка «Глубокий» помимо ожидаемых динамических явлений и горных ударов осложняется тем, что рудные тела - слепые, находятся на глубине более 1200 м от земной поверхности и требуют применения твердеющей закладки [10, 11].
Для отработки запасов участка «Глубокий» Таштагольского железорудного месторождения ИГД СО РАН [11] предложил технологию, которая заключается в выемке рудного тела супер-камерой с естественным обрушением вмещающих пород под выработанным пространством. Рудное тело по падению разделяется на этажи высотой 210-280 м, этаж разделяется на подэтажи высотой 70 м. Отработка руды предусматривается наклонными слоями. Количество отбиваемой руды на одну траншею составит 5-7 млн т. В пределах первого подэтажа формируют днище блока из рудоприемных траншей между опорными целиками. Опорные целики оставляют для погашения динамических нагрузок обрушающихся пород.
Вариант отработки слепых рудных тел участка «Глубокий» супер-камерой (в условиях высоких горизонтальных аномальнотектонических напряжений, мобильной трещиноватости и неустойчивости обнажений при удароопасных породах) со столь большими обнажениями открытого очистного выработанного пространства (высота камеры 280 м) и возможностью выдавливания вмещающих пород с последующей отсечкой магнетитовой руды, представляется необоснованным, так как не оценен с точки зрения оптимизации геомеха-нических условий.
Как показал проведенный комплекс расчетов и исследований ВостНИГРИ [12] при отработке верхних горизонтов участка «Глубокий» начиная с гор. -490 м, создаваемые обнажения массива будут неустойчивыми. С учетом слепых рудных тел на глубине более 1200 м требуется применение закладки отработанного очистного пространства. Предлагаются следующие варианты:
• оставлять рудно-породную подушку с дальнейшим самообрушением налегающих пород (Н>1200 м от дневной поверхности);
• заполнить выработанное пространство сухой кристаллической закладкой, с доставкой ее с поверхности (хвосты обогащения) и порода из проходческих забоев;
• применять твердеющую закладку в технологии с горизонтальными слоями с нисходящим порядком отработки (доставка твердеющей закладки на большие глубины по опыту Норильского ГОКа).
Опыт отработки участка «Восточный» Таштагольского железорудного месторождения в удароопасных условиях на глубине 620-760 м (гор. -70 -г- -210 м) системой этажного принудительного обрушения со сплошной отбойкой пучками скважин в полузажатой и зажатой среде с применением эллипсовидных отрезных щелей, плоской подсечки и с исключением смотрового горизонта, показал их высокую эффективность и приемлемые технико-
экономические показатели. Эта система разработки имеет минимум открытого выработанного пространства, отбойка идет сплошным фронтом без оставления целиков, сравнительно быстрая обновляемость очистного забоя [8, 9].
С учетом изложенного выше, для отработки запасов участка «Глубокий» от гор. -490 до гор. -1000 м (Н = 1200-1700 м) рекомендуется система этажного принудительного обрушения со сплошной этажной (подэтажной) отбойкой в зажатой среде, с плоской подсечкой и эллипсовидными отрезными щелями (рис. 1) [12].
По практическим результатам многолетнего опыта отработки участка «Восточный» и экспериментально-теоретического анализа участка «Глубокий» система разработки этажно-
принудительного обрушения со сплошной этажной отбойкой в зажатой среде будет рациональна и перспективна для выемки запасов этого участка
Рис. 1. Система этажного принудительного обрушения со сплошной выемкой в зажатой среде, - вариант с отбойкой комплектами параллельно - сближенных скважин 1
Таштагольского железорудного месторождения с нижележащих горизонтов -490 -1000 м, так как
нет конкретного обоснования для оптимизации геомеханических условий и прогноза динамической обстановки.
Актуальность исследований автором, направленных на разработку схем и способов ведения работ и управления состоянием сиенитового массива при добыче магнетитовых руд подземным способом в сложных геодинамических условиях, в частности, в перспективном развитии системы разработки подэтажными штреками (ортами) на Таштагольском руднике, в увязке с практикой отработки многих зарубежных рудников (Геко, Крейтон в Канаде).
Многолетний опыт зарубежной практики показали, что в условиях большой глубины разработки крутопадающих рудных тел эта система целесообразно развивается в направлениях совершенствования отбойки руды, увеличения высоты подэтажа, повышения камерного запаса, конструкции днищ камер и стремления повысить пропускную способность горизонта выпуска, что привело к применению концентрационных подъемных горизонтов и самотечного транспорта руды в условиях повышенного горного давления [1-4, 7, 8].
Принята система разработки подэтажными ортами с шириной камер и целиков по 27 ми высотой подэтажа 35 м (эти параметры для условий Таштагольского рудника) [13]. Целики отрабатывают взрыванием подэтажей глубокими скважинами на открытые камеры. Подготовка камеры к очистной выемке начинается с проведения в смежном междукамерном целике людского ходка до подэтажа на высоту 35 м. На границах с целиками проводят буровые орты, а на основном горизонте по длинной оси камеры - скреперный орт сечением 2,4х2,7 м (рис. 2), сбиваемый с капитальным рудоспуском для перепуска руды в рудоперепускную систему. Дучки располагают через 4,5 м в шахматном порядке, длина ниши 2,3 м, сечение 2,1х2,3 м, сечение выпускной части дучки 1,5x1,5 м, угол наклона 450 Подсечка - траншейная веерными комплектами скважин, буримых в кровле двух подсечных ортов. Отрезную щель шириной 3,3 м образуют у контакта рудной залежи взрыванием глубоких скважин, пробуренных вверх и вниз из заходки шириной 4,3 м. Отбойку руды из подэтажных ортов ведут веерами глубоких скважин диаметром 50 мм. Скважины взрывают одновременно по всей высоте.
На нижних горизонтах -1050, -1120 и ниже -1190 м, где нарушенность пород и рудных тел интенсивно возрастает, очистная выемка магне-титовой руды будет производиться исключительно при помощи системы квадратных окладов и закладкой выработанного пространства песком. В целях равномерного распределения нагрузки на рудный массив и временные целики применяем планомерную очистную выемку [13, 14].
Рудные залежи разбиваются по простиранию на выемочные блоки и временные целики. Отработка блоков шириной (27 м) на пять окладов производится снизу вверх, начиная с кровли откаточного горизонта и до соединения с очистными работами на вышележащем горизонте. Таким образом, зоны напряженного состояния пород верхнего этажа постепенно соединяются с такими же зонами нижнего этажа (рис. 3). Породы висячего бока поддерживаются по всему простиранию рудными целиками и закладкой. В целях со-
Рис. 2. Схема нарезных и очистных работ рудника Таш-тагол: а - план и разрезы горизонта скрепирования: 1 -
скреперный орт; 2 - выпускная дучка; 3 - подсечные орты; 4 - отрезной восстающий; 5 - подсечной штрек. б - вертикальный разрез одной из камер; в - схема расположения скважин на подсечке; г - схема расположения комплекта скважин при отбойке руды в камере
хранения установленной последовательности и достаточной интенсивности очистной выемки передовой забой располагают по центру рудной залежи, а очистные работы развивают по направлению к флангам залежи и вверх, сохраняя V-образный порядок очистной выемки.
Отставание соседних очистных блоков выдерживается равным 5-7 м по высоте. Применяема последовательность и порядок очистной выемки в сочетании с тщательной закладкой очистного пространства позволила достичь таких условий, при которых почти совершенно исключены горные удары.
Единственно опасными в отношении горных ударов являются участки на границе верхнего (980 м) и нижнего (-1050 м) этажей при подходе передового забоя нижнего (-1050 м) этажа к этой границе и при подходе к этой же границе забоев временных целиков, что имеет место в самой последней стадии отработки этажа. На участках большой мощности сначала отрабатывается часть рудной залежи, прилегающая к висячему боку, и во вторую очередь часть рудной залежи, прилегающая к лежачему боку. Оставленная временно неизвлеченной часть рудного массива у лежачего
бока воспринимает на себя давление пород висячего бока, предохраняя основные откаточные выработки от горного давления.
Геомеханические условия разработки участка «Глубокий» Таштагольского железорудного месторождения создающиеся на больших глубинах 1200-1700 м, имеют определенную связь со способами разработки верхних горизонтов, реальной геометрией очистных пространств и ее измерения в зависимости от той или иной технологической схемы развития очистной выемки.
На основе практических результатов многолетнего опыта отработки участков «Восточный» и «Северо-Западный» и анализа экспериментально-инструментальных наблюдений за изменением напряженного состояния массива в сложных природных условиях, автором работы был разработан способ отработки месторождений полезных ископаемых. При технологической разработке этого способа использовался материал настоящей работы по измерению напряжений в зоне влияния очистных работ, проводимых на гор. -210 м, -280 м и -350 м.
Отработка рудного месторождения согласно предлагаемому способу осуществляется следующим образом (рис. 4). Запасы месторождения отрабатываются этажами 1 высотой 40-80 м и более, каждый этаж разрабатывают последовательно блоками 2 шириной 16-27 м и длиной, равной мощности рудного тела.
Каждый блок 2 на каждом этаже 1 подготавливают проходкой доставочно-буровых выработок, обуривание блока осуществляется пучками глубоких скважин 3. Таким образом осуществляется подготовка нескольких блоков. Когда расстояние подготавливаемых блоков от начала выемки достигает величины порядка 3-4 блоков, начинают отбойку руды в 1-ом блоке. Отбойку руды в блоке 2 осуществляют взрыванием зарядов пучков скважин 3 группами с направлением
Рис. 3. Продольный разрез по рудной залежи аномального поля напряжений Таштагольского месторождения: 1 -
очистной забой; 2 - временный целик; 3 - передовой забой; 4 - разрезной восстающий; 5 - места возможных горных ударов
движения отбиваемого слоя руды в сторону центра полости 4. Образованием компенсационных полостей 4 производят разгрузку массива блока 2 от высоких напряжений, что само по себе повышает его устойчивость. Дальнейшую отбойку на этаже последующих блоков производят аналогично. Отработка этажа таким способом позволяет управлять горным давлением за счет перераспределения напряжений в массиве горных пород.
Нарезные работы на нижележащем горизонте проводятся вне зоны опорного давления с отставанием по отношению к очистным работам на вышележащем горизонте, а очистные работы в очередном блоке отрабатываемого горизонта с отставанием от его подготовительно-нарезных работ, отличающихся тем, что нарезные и подготовительные работы на нижележащем горизонте проводятся с отставанием
Рис. 5. График изменения азимута максимальных горизонтальных напряжений по параболическому закону в зависимости от расстояния до фронта очистных работ
от очистных работ на вышележащем горизонте на величину, определяемую из выражения: где Н - глубина разработки, м; а - угол залегания рудных тел, град; Ь - расстояние до фронта очистных работ, м.
При этом очистные работы в очередном блоке отрабатываемого горизонта проводятся с отставанием от его подготовительных и нарезных работ на 3-4 блока.
Если на одном фланге идет очистная выемка, то на другом должны начинаться подготовительно-нарезные работы, чтобы месторождение находилось в равновесном состоянии как в центре, так
и на фланге, не создавая зоны концентрации предельных напряжений. Работы очистные и подготовительно-нарезные должны производиться в такой последова-тельности отработки по глубине вышележащих и нижележащих горизонтов.
Предложенный способ позволяет в процессе отработки месторождений системами с обрушением, горизонтальные максимальные напряжения распределять в направлении по параболическому закону в зависимости от расстояния до фронта очистных работ и в зоне полной разгрузки действуют вкрест простирания рудных залежей (рис. 5) [15].
Названные выше схемы и способы, наравлен-ные на разработку магнетитовых руд подземным способом в сложных геомеханических условиях, составили основу отработ-Н • tga ки в перспективном разви-
а = тии системы разработки
L подэтажными штреками
(ортами) на Таштагольском руднике, в увязке с практикой многих зарубежных рудников (Геко, Крейтон в Канаде). Анализ опыта отработки последних лет показал, что при целенаправленном их использовании в практике проектирования и ведения подземных горных работ риск возникновения динамического проявления горного давления существенно понижается.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Яковлев В.М. Современные движения земной коры в зоне южного контакта Хибинского массива по данным геометрического нивелирования // В кн.: Геофизические и геодинамические исследования на северо -востоке Балтийского щита. - Апатиты: изд-во КФ АН СССР, 1982.
2. Стариков Н.А. Основы разработки рудных месторождений на больших глубинах. Киев.: Изд-во «Академии Наук Украинской ССР», 1961. - с. 19.
3. Малахов Г.М., Черноус А.П. Вскрытие и разработка рудных месторождений на больших глубинах. - М.: Изд-во “Госторгтехиздат“, 1960. - с.131.
4. Стариков Н.А. Разработка рудных месторождений на больших глубинах. - Харьков.: Металлургиз-дат, 1956. - с.70.
5. Курленя М.В., Попов С.И., Болтенгаген ИА. Геомеханическое обоснование выемки подработанной рудной залежи // ФТП РТИ. - 1992. - № 1.
6. Серяков В.М. Об одном подходе к расчету напряженно - деформированного состояния массива горных пород в окрестности выработанного пространства // ФТПРПИ. - 1997. - № 2.
7. Каплунов Р.П. Вскрытие вертикальными и наклонными стволами с применением концентрационных подъемных горизонтов и самотечного транспорта руды // В кн. Подземная разработка рудных месторождений в зарубежных странах. - М.: Недра, 1964. - с.61-68.
Рис. 4. Аксонометрическая проекция отрабатываемого рудного тела на месторождении
8. Именитое В.Р. Системы разработки // В кн. Процессы подземных горных работ при разработке рудных месторождений. - М.: Недра, 1984. - с.292-308.
9. Гребенюка В.А., Пыжьянова Я.С. и др. Подготовка запасов шахтного поля // В кн. Справочник по горнорудному делу. - М.: Недра, 1983. - с.217-234.
10. Разработка технологических схем добычи руды с учетом новых решений по производственным процессам подземных горных работ. Отчет о НИР/ВостНИГРИ, рук. раб. Е.Г.Фурсов. - Новокузнецк, 1980. - с.73.
11. Интенсификация развития местной рудной базы черной металлургии Сибири / Материалы к обоснованию вовлечения в эксплуатацию богатых руд участка “Глубокий” Таштагольского месторождения. - Новокузнецк: Фонды ПО “Сибруды”. 1986.
12. Исследование и разработка исходных требований на отработку участка “Глубокий” Таштагольского месторождения. Отчет о НИР/ВостНИГРИ, рук. раб. Б.В.Шрепп. - Новокузнецк, 1986. - с. 114.
13. Каплунов Р.П. Система разработки подэтажными штреками (ортами) // В кн. Подземная разработка
рудных месторождений в зарубежных странах. - М.: Недра, 1964. - с.182-210.
14. Малахов Г.М. и др. Медно-никелевые рудники региона Садберл (Канада) // В кн. Вскрытие и разработка рудных месторождений на больших глубинах. - М.; ГОС-ГОРТЕХИЗДАТ. 1960. - с.218-252.
Патент на изобретение №2193659. Способ отработки месторождений полезных ископаемых / Н.И. Синкевич, Б.В. Шрепп, О.В. Залесская, Н.И. Скляр, В.К. Климко. -М. 2002
— Коротко об авторах -----------------------------
Синкевич Н.И. — кандидат технических наук, доцент СибГИУ
