Особенности развития очистных работ в предохранительных целиках под промышленными и водными объектами Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© A.A. Еременко, B.A. Еременко, B.H. Колтышев, В.И. Башков, E.H. Щептев, B.A. Штири, 2014

УДК 622.831

А.А. Еременко, В.А. Еременко, В.Н. Колтышев, В.И. Башков, E.H. Щептев, В.А. Штири

ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ ОЧИСТНЫХ РАБОТ В ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫХ ЦЕЛИКАХ ПОД ПРОМЫШЛЕННЫМИ И ВОДНЫМИ ОБЪЕКТАМИ*

Разработана технологическая схема ведения очистных работ в предохранительных целиках под промышленными и водными объектами. Установлено, что толчки в основном располагаются на границе контура очистного пространства. Предложенная новая прямолинейная форма границы очистного пространства позволяет снизить величины напряжений в массиве горных пород.

Ключевые слова: технологическая схема, целик, толчки, горные породы, запасы руды.

Отработка Таштагольского месторождения осуществляется по проекту, которым планировались ввод в эксплуатацию закладочного комплекса и начало отработки запасов руды в предохранительных целиках под железнодорожные пути, реку Кондома, объекты промышленной площадки системой с закладкой выработанного пространства твердеющими смесями.

Закладка выработанного пространства твердеющими смесями началась в 2012 г., когда блок № 3 в этаже (-140)*(-70) м был уже отработан, а в стадии выемки находились запасы руды блоков №№ 4-5 вне предохранительных целиков под стволы Северный и Ново-Капитальный. В результате проведенной ранее отработки рудных запасов вне предохранительных целиков в блоках № 3 в этаже (-140)*(-70) м, №№ 4, 5, 6 в этаже (-210Н-140) м, № 7 в этаже (-280)* (-210) м с оставлением запасов, попадающих в предохранительные целики, образовалась ступенчатая форма контура границы очистного пространства в виде системы уступов и выступов,

которые являются концентраторами напряжений. Образование ступенчатого контура очистного пространства оказывает влияние на изменение геодинамической обстановки в массиве горных пород северного фланга Восточного участка (рис. 1).

Для обеспечения устойчивости закладочного массива на момент отработки с закладкой первого со стороны контура очистного пространства блока предусматривалось образование искусственного барьерного целика. Между барьерным целиком и очистным пространством оставлялся разделительный рудный целик шириной по простиранию рудного тела, равной 54 м. Начало отработки северного фланга Восточного участка системой с закладкой выработанного пространства предусматривалось в этаже (-140)*(-70) м от границы разделительного целика, а в этаже (-210)* (-140) м в целях интенсификации работ, от северной границы рудного тела 1 по направлению к контуру границы обрушения. На момент завершения отработки блоков №№ 4-5 вне предохранительных целиков основ-

* Работа выполнена при финансовой поддержке программы № 27 РАН.

ная часть массива из закладочного материала в этаже (-70)^(-140) м должна была быть сформирована. До начала отработки блоков разделительного целика в этаже (-140)^(-70) м, после замены действующих стволов новыми, должны были быть отработаны остатки запасов руды блоков № 3 в этаже (-140Н-70) м и №№ 4-5 в этаже (-210)^(-140) м, попадающие в предохранительные целики под действующие стволы (рис. 1).

Предложенные технические решения позволяли: стабилизировать геодинамическую ситуацию в массиве пород северного фланга Восточного участка до начала интенсивной отработки запасов руды системами с закладкой выработанного пространства твердеющей смесью; обеспечить закладку массива в этажах (-210)^ (-70) м; сохранить предохранитель-

ный целик под железнодорожные пути; перейти к интенсивной отработке запасов руды системами с закладкой выработанного пространства твердеющими смесями и тем самым поддержать производительность предприятия более 2 млн т в год.

За период с 2010 по 2013 гг. отработки рудного тела в массиве пород северного фланга в границах, охватывающих контуры блоков №№ 1-5 в высотных отметках (-280)^(-70) м было зарегистрировано свыше 400 толчков с энергетическими классами до 5-6, отдельные из которых сопровождались обрушениями кровли и бортов выработок. После массового взрыва по обрушению первой очереди блоков № 4-5 в этаже (-210)^ (-140) м частота динамических явлений уменьшилась, но возросла энергия отдельных событий до 4-6 класса.

Рис. 1. Технологическая схема отработки северного фланга Восточного участка месторождения

Рис. 2. Проекция на план горизонта гипоцентров динамических проявлений горного давления с энергией 3-6 класса, имевших место в массиве пород

После производства массового взрыва по обрушению второй очереди блоков №№ 4-5 в этаже (-210)* (-140) м геодинамическая активность в массиве горных пород района осталась на прежнем уровне. Местоположение проекций гипоцентров динамических явлений с энергией от 3 до 6 класса показывает, что основная часть толчков расположена на границе контура очистного пространства (рис. 2).

Опыт работ на северном фланге Восточного участка Таштагольского месторождения показывает, что для обеспечения стабильной геодинамической обстановки в массиве горных пород северного фланга Восточного участка на момент развертывания работ системой с закладкой выработанного пространства в этажах (-210)* (-140) м и (-280)*(-210) м, необхо-

димым условием является наличие прямолинейной границы очистного пространства. Для оформления прямолинейной границы очистного пространства в этажах (-140)*(-70) и (-210)*(-140) м необходимым условием является обрушение запасов руды блоков № 3 в этаже (-140)*(-70) м, блоков №№ 4-6 в этаже (-210)*(-140) м, попадающих в границы предохранительных целиков под действующие стволы.

К частично извлекаемым запасам из предохранительных целиков предлагается отнести остатки запасов руды блока № 3 в этаже (-140)* (-70) м, блоков №№ 4-5 в этаже (-210)* (-140) м, блока № 7 и блоков №№ 5, 6 в этаже (-280)*(-210) м (рис. 1). Предложена следующая последовательность отработки запасов руды: блок № 3 (остаток) в этаже (-140)*(-70) м;

блоки №№ 6 (остаток), 5 (остаток), 4 (остаток) в этаже (-210)^(-140) м; блока № 7 (остаток), блок № 6, блок № 5 в этаже (-280Ы-210) м. Возможна одновременная отработка блоков в этаже (-280)^(-210) м с блоками вышележащих этажей с обязательным опережением очистных работ в вышележащем этаже не менее чем на два блока по направлению простирания рудной зоны.

Для соблюдения границы разделительного рудного целика со стороны очистного пространства на момент начала работ по технологии с закладкой выработанного пространства и исключения возможных негативных последствий при частичной отработке запасов руды предусматривается обрушение блоков № 6, 5, остатка блока № 7 в этаже (-280Ы-210) м, которые необходимо произвести до начала отработки запасов руды в этаже (-280)^ (-210) м системой с закладкой выработанного пространства. В результате этого к началу работ по технологии с закладкой в этаже (-280)^(-210) м должна оформиться прямолинейная граница очистного пространства, примыкающая к плоскости границы разделительного целика.

Расчет величин напряжений в массиве горных пород северного фланга Восточного участка Таштагольского месторождения, определение зон неупругих деформаций и оценка геомеханического состояния массива пород северного фланга выполнены поэтапно, в соответствии с предлагаемой последовательностью отработки фланга системами с массовым обрушением руды (остаток блока № 3 в этаже (-140)^(-70) м, остатков блоков № 6, 5, 4 в этаже (-210)^(-140) м, остатка блока № 7, и блоков № 6, 5 в этаже (-280)^(-210) м с выходом плоскости очистного пространства на границу

разделительного целика) при развертывании работ системой с закладкой выработанного пространства в вышеуказанных этажах.

Параметры напряжений в массиве пород на различных этапах отработки северного фланга Восточного участка были получены на основе теоретической оценки напряженно-деформированного состояния массива пород, применительно к условиям отработки рудных блоков. Расчет параметров напряжений в массиве горных пород северного фланга выполнялся с помощью математического моделирования методом граничных интегральных уравнений. Результаты расчетов представлены в виде графиков изолиний компонентов тензора напряжений ах (в горизонтальном направлении), ау (в вертикальном направлении) и напряжениями ст8, сравниваемыми со сцеплением массива и позволяющими для анализа воспользоваться критерием Кулона-Мора)*.

С учетом коэффициента структурного ослабления к сцепление массива См = Ск. Зоны массива, в которых рассчитанные напряжения ст8 превосходят сцепление массива (а > С ),

Б М' 1

являются зонами возможного неупругого деформирования (возможного разрушения). В условиях вариантной информации о породах налегающего массива зоны неупругого деформирования представляются для возможных максимальных и минимальных значений сцепления массива. Т.к. сцепление массива изменяется в пределах 3^20 (в образцах 5^65), с учетом коэффициента структурного ослабления минимальное значение С = 0,5;

М

максимальное См = 4 (с учетом значений в образцах - См = 10). В рисунках зоны неупругого деформирования приводятся для ст8 > 0,5 МПа - светло-серая окраска (зоны неупругих де-

* Расчеты выполнены Гаховой Л.Н. 14

Рис. 3. Горизонтальные (а) и вертикальные (б) напряжения (МПа) рудного целика

формаций слабых пород), и для ст8 > 10 МПа - темно-серая окраска (зоны неупругих деформаций крепких пород).

Установлено, что доработка блока № 3 приводит к росту значений стх и сту в этих зонах на 10-15%, однако они не превосходят предел прочности на сжатие (рис. 3, 4). Доработка блоков № 5 и № 6 в отм. (-140)*(-210) м не вызывает значительных изменений напряженного состояния в разделительном целике. Исключение - недоработанная часть блока № 7 и прибортовая часть блока № 6, где формируются зоны неупругих деформаций (рис. 3, 4).

Выводы

Развитие очистных работ в районе предохранительных целиков на северном фланге месторождения позволяет отметить следующее:

• нецелесообразно при отработке рудных запасов вне предохранительных целиков образовывать ступенчатую форму контура границы очистного пространства в виде уступов и выступов, которые являются концентраторами напряжений в массиве горных пород;

• для обеспечения устойчивости закладочного массива следует образовать искусственный барьерный целик;

• для формирования прямолинейной границы очистного пространства в этажах (-140)*(-70) м и

. | г

О 50 100 150 200

Рис. 4. Зона неупругих деформаций рудного целика: I - для малопрочных пород, II - для прочных пород

(-210)^(-140) м необходимым условием является обрушение рудных запасов в блоках №№ 3, 4-6;

• расчеты показывают, что при отработке запасов руды северного фланга Восточного участка системой с массовым обрушением руды и закладкой выработанного пространства в определенной последовательности массив руды в блоках разделительного целика разгружается, за исключением угловой части массива руды в районе южного торца блока № 4 ниже отметки (-270) м, где напряжения возрастут до уровня предела прочности

массива пород на сжатие. Вертикальные напряжения в блоках целика не будут превосходить 30-50 МПа, что значительно ниже прочности массива пород на сжатие. Сдвиговые напряжения в массиве пород разделительного целика также будут иметь незначительные параметры;

• отработка запасов руды северного фланга Восточного участка по новой технологической схеме целесообразна, поскольку позволит улучшить геодинамическую ситуацию на фланге, снизить вероятность горных ударов в период его отработки.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Еременко A.A., Еременко В.А., Гай-дин А.П. Горно-геологические и геомеханические условия разработки железорудных месторождений в Алтае-Саянской складчатой области. - Новосибирск: Наука, 2009. -224 с.

2. Матвеев И.Ф., Шевелев Ю.А., Скляр НИ. Влияние технологии выемки рудных тел на возникновение горных ударов. - Кемерово: Академия горных наук, 1997. - 36 с. ЕШ2

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_

Еременко Андрей Андреевич - доктор технических наук, профессор, и.о. зам. директора по научной работе, e-mail: yeryom@misd.nsc.ru, Институт горного дела СО РАН,

Еременко Виталий Андреевич - доктор технических наук, ведущий научный сотрудник, e-mail: yeremenko@ngs.ru, Институт проблем комплексного освоения недр РАН, Колтышев Виталий Николаевич - младший научный сотрудник, e-mail: witalq@mail.ru, Институт горного дела СО РАН,

Башков Владимир Иванович - главный инженер, e-mail: boris.tatarnikov@evraz.com, ОАО «Евразруда»,

Щептев Евгений Николаевич - начальник ОКСа, Горно-Шорский филиал ОАО «Евразруда»,

Штирц Владимир Александрович - начальник участка ППГУ,

e-mail: Vladimir.Shtirts@evraz.com, Таштагольский филиал ОАО «Евразруда».

UDC 622.831

STOPING IN SAFETY PILLARS UNDER ABOVEGROUND INDUSTRIAL ASSETS AND WATER BODIES

Eremenko A.A., Doctor of Technical Sciences, Professor, acting Deputy Director on Scientific Work,

e-mail: yeryom@misd.nsc.ru, Mining Institute of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences,

Eremenko V.A., Doctor of Technical Sciences, Leading Researcher, e-mail: yeremenko@ngs.ru,

Institute of Comprehensive Exploitation of Mineral Resources Russian Academy of Sciences,

Koltyshev V.N., Junior Researcher, e-mail: witalq@mail.ru,

Mining Institute of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences,

Bashkov V.I., Chief Engineer, e-mail: boris.tatarnikov@evraz.com, EVRAZRUDA,

Cheptev E.N., Chief, Works and Building Department, Gornaya Shoria Division, EVRAZRUDA,

Shtirts V.A., Production Supervisor, Rockburst Forecasting and Prevention Station,

e-mail: Vladimir.Shtirts@evraz.com, Tashtagol Division, EVRAZRUDA.

The authors offer a process design for stoping in safety pillars under industrial assets and water bodies above ground. Distribution of shocks (zones of stress concentration and inelastic strains) at the interface of the rock mass and working excavation has been found. The researchers have optimized the sequence of mining with and without backfilling in the rock mass near a man-made safety pillar.

Key words: process design, pillar, shocks, rocks, ore reserves.

REFERENCES

1. Eremenko A.A., Eremenko V.A., Gajdin A.P. Gorno-geologicheskie i geomehanicheskie uslovija raz-rabotki zhelezorudnyh mestorozhdenij v Altae-Sajanskoj skladchatoj oblasti (Mining-and-geological and geo-mechanical conditions of iron ore mining in the Altai-Sayan folded area), Novosibirsk, Nauka, 2009, 224 p.

2. Matveev I.F., Shevelev Ju.A., Skljar N.I. Vlijanie tehnologii vyemki rudnyh tel na vozniknovenie gornyh udarov (Influence of ore mining method on rockburst hazard), Kemerovo, Akademija gornyh nauk, 1997, 36 p.