CC BY
13
--© В.В. Аникин, С.Я. Жихарев, 2013
УДК 622.831
В.В. Аникин, С.Я. Жихарев
ОЦЕНКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ВЫЕМКИ ТРЕХ СБЛИЖЕННЫХ СИЛЬВИНИТОВЫХ ПЛАСТОВ
Представлена методика определения параметров камерной системы разработки, обуславливающая возможность снижения затрат при выемке трех сближенных сильвинитовых пластов на шахтных полях ОАО «Уралкалий».
Ключевые слова: рудники, параметры системы разработки, сильвинит, рабочие пласты, закладочные работы.
В последнее десятилетие в мире наблюдается тенденция к увеличению использования калийных удобрений. Вместе с тем, многие рудники Верхнекамского месторождения выработали значительную часть запасов своих шахтных полей, поэтому актуальной становится задача увеличения рудной базы действующих предприятий.
Одним из возможных решений данной проблемы является вовлечение в отработку запасов нерабочих сильвинитовых пластов, имеющих кондиции, близкие к промышленным, что позволяет расширить рудную базу рудников и одновременно избежать увеличения размеров шахтных полей, которое ухудшает условия вентиляции, усложняет схемы транспортирования полезного ископаемого, увеличивает затраты на поддержание капитальных выработок и т.д.
Исследованиями, проведенными в ГИ УрО РАН, установлено, что только в пределах шахтных полей рудников БКПРУ-2 и БКПРУ-4 ОАО «Уралкалий» общие запасы сильвини-товой руды на пласте KpIII (при кондиционной мощности не менее 2,0 м, содержании KCl не менее 15 % и Н.О. — не более 6 %), который в на-
стоящее время, практически, не отрабатывается, оцениваются десятками млн.т.
Данная задача актуальна также и для рудников СКПРУ-2 СКПРУ-3 ОАО «Уралкалий».
На калийных рудниках Верхнекамского месторождения из-за наличия мощного водоносного горизонта, залегающего на водоупоре выше свиты калийно-магниевых пластов, используется камерная система разработки с поддержанием вышележащей толщи пород относительно «жесткими» ленточными целиками с расчетной степенью нагружения (С), представляющей отношение действующей на целик нагрузки к его несущей способности, не более 0,4, при этом потери полезного ископаемого по системе разработки могут доходить до 60 %.
Основными конструктивными элементами камерной системы разработки являются камера и междукамерный целик.
Согласно требованиям действующих нормативных документов [1], к основным параметрам системы разработки, подлежащим определению, относятся: ширина очистных камер (а0); ширина междукамерных целиков (Ьо); вынимаемая мощность при отра-
Рис. 1. Схема выемки трех пластов АБ, КрИ и КрШ при величине расчетной мощности междупластовых потолочин АБ-Кр11 и КрП-КрШ более 1,5 м
ботке пластов (то); расчетная высота целиков (т); мощность междупластовых потолочин (тг); степень заполнения камер закладкой (Ао) и сроки выполнения закладочных работ.
Продуктивная толща представлена пластам КрШ, Кр11, Кр1 и АБ сильви-нитового состава и пластом В сильви-нитового или карналлитового состава.
Основными рабочими пластами на руднике являются пласты АБ и Кр11 сильвинитового состава. Пласт Кр1 из-за его небольшой мощности на современном этапе освоения месторождения не отрабатывается.
Расчеты, проведенные по методике, изложенной в действующих нормативных документах [1], показывают, что, практически, в пределах всего шахтного поля рудника БКПРУ-4 рабочие пласты, а также пласт КрШ, являются сближенными. Необходимо 16
отметить, что согласно требованиям «Указаний...» [1] при совместной выемке трех сближенных сильви-нитовых пластов (АБ, Кр11 и КрШ) возможны два основных варианта:
1) отработка с обязательной закладкой одного пласта (например, КрШ, рис. 1);
2) отработка с обязательной закладкой двух пластов (например, Кр11 и КрШ, рис. 2).
Так как во втором варианте по сравнению с первым существенно увеличивается себестоимость добычи за счет обязательной закладки двух пластов, то важно определить, при каком соотношении параметров очистной выемки и геологических факторов возможен вариант отработки трех пластов с обязательной закладкой только одного пласта, как менее затратный.
При отработке сближенных силь-винитовых пластов необходимо оценивать величину расчетной мощности междупластовой потолочины (тг), которая определяет количество пластов, подлежащих закладке, накладывает определенные требования к расчету параметров и находится по формуле [1]:
тг = тп — Ат — 8оп, (1)
где тп — среднее значение мощности междупластья на рассматриваемом участке отработки пластов, м; Ат — расчетное приращение высоты целиков при принятых или планируемых параметрах системы разработки, м; Зоп — среднее значение мощности
:•:•:•:,•:,:,:-,:,к:::
странства при отработке двух пластов М0 [1], т.е. по сравнению с первым вариантом растут потери в более высоких, а, следовательно, более «широких» междукамерных целиках (рис. 2).
Расчетное приращение высоты целиков (Ат) находится из выражения [1]:
Am = max<
Pok(a - a«
\ m
(2)
bk-
Рис. 2. Схема выемки трех пластов АБ, КрИ и КрШ при величине расчетной мощности междупластовой потолочины АБ-КрН более 1,5 м и КрН-КрШ менее 1,5 м
нарушенных пород в верхней части потолочины вследствие пучения почвы камер на верхнем пласте, 0 < Son < 0,4 м.
В случае, когда для двух пластов mr > 1,5 м, параметры отработки этих пластов определяются раздельно, при этом проведение закладочных работ строго не регламентируется [1]. Необходимо отметить, что для рабочих пластов АБ и KpII, как правило, величина mr > 1,5 м.
Если для двух пластов, например KpII и KpIII, величина mr < 1,5 м, то при отработке необходимо производить закладку пластов KpII и KpIII со средней степенью заполнения Ao > 0,75, при этом параметры системы отработки определяются как при выемке одного пласта с вынимаемой мощностью m0, равной расчетной высоте выработанного про-
где /Зок — коэффициент, учитывающий влияние устойчивости кровли камер на величину приращения расчетной высоты целиков; а — расчетная ширина камеры, м; аот — устойчивый пролет кровли камер, м; ток — мощность коржей, оставляемых в кровле пласта, м.
Значение коэффициент )Зок определяется по формуле [1]:
вок = 0,7-[1,0- Рот<аот], (3)
где вот — параметр аппроксимации,
вот = 0,262.
Из формул 1—3 следует, что на величину расчетной мощности междупластовой потолочины оказывают влияние как природные, практически, неизменяемые геологические факторы (тп, аот), так и технологические параметры (5оп, ток, а), которые можно изменять в зависимости от технологии и используемого добычного оборудования. Необходимо отметить, что расчетное приращение высоты целиков Ат, которое учитывает как природные факторы, так и технологические параметры, может по своей величине значительно превосходить
среднее значение мощности нарушенных пород 8оп и, таким образом, оказать существенное влияние на величину расчетной мощности междупластовой потолочины (тг).
Рассмотрим случай, когда геологическое значение мощности между-пластья тП больше суммы граничного значения расчетной мощности междупластовой потолочины (тг = 1,5 м) и средней величины мощности нарушенных пород в верхней части потолочины 8оп, при этом мощность коржей ток, оставляемых в кровле, как правило, меньше величины расчетного приращения высоты целиков:
тп > 1,5 м + 8оп, ток < вок (а - аот). (4)
В этих условиях, с учетом формул 2 и 3, значение Ат будет зависеть от величины разности между расчетной шириной камеры и величиной устойчивого пролета кровли камер. Используя формулы 1—3, можно дать оценку ширины устойчивого пролета кровли камер, при которой расчетная мощность междупластовой потолочины будет равна граничному значению:
тП - Ат - 8оп = 1,5 м. (5)
Подставляя выражение (3) в формулу (2) и выполняя необходимые преобразования, окончательно получаем:
0,1834 (аот)3/2 — 0,7(аот) -
- 0,1834а(аот)1/2 + 0,7а +8оп+1,5 -
- тп = 0. (6)
Заменяя (аот)1/2 = х, окончательно получаем кубическое уравнение: 0,1834(х)3-0,7(х)2 - 0,1834а(х) + +0,7а +8оп+1,5 - тп = 0. (7)
Решая уравнение (7) методом Кардано [2], получаем для фиксиро-
ванного значения ширины камеры оценочное значение устойчивого пролета кровли камер (а от), при котором значение расчетной мощности междупластовой потолочины принимает свое граничное значение (тг = 1,5 м), т.е. когда возможен первый (менее затратный) вариант трехпла-стовой выемки, при которой определение параметров отработки производится раздельно для каждого пласта и обязательна закладка только одного пласта [1].
При решении данного уравнения необходимо соблюдать два ограничения:
1) из трех корней для каждого уравнения практический смысл имеют лишь положительные корни;
2) максимальная величина устойчивого пролета кровли камер не должна превышать максимального устойчивого пролета кровли камер для пласта каменной соли, равного 8,0 м [1].
Сравнивая реальную величину устойчивого пролета кровли камер аот, которая, согласно п. 1.14. «Указаний...» [1], устанавливается на основе актов обследования очистных камер на тех участках шахтного поля, где горно-геологические условия аналогичны участкам, планируемым к отработке, а при отсутствии экспериментальных данных — с расчетными значениями из табл. 1.2 «Указаний.» [1] и ее оценочное значение а от, можно дать рекомендации по выбору типа комбайна.
Подставляя в данное уравнение значения (прогнозные или реальные) мощности междупластья (тп) и известную величину устойчивого пролета кровли камер (аот), получаем обычное линейное уравнение, решая которое, определяем максимальное
Величина максимальной допустимой ширины камер при различных мощностях междупластья КрП-КрШ и устойчивого пролета кровли камеры
Мощность Максимальная ширина камер*
междупластья 3,0 м 4,0 м 5,0 м 6,0 м
КрП-КрШ, м
1,80 3,3 4,3 5,3 6,4
1,90 3,5 4,6 5,7 6,8
2,00 3,8 4,9 6,0 7,2
2,10 4,0 5,2 6,4 7,6
2,20 4,3 5,5 6,7 8,0
2,30 4,6 5,8 7,1 8,4
Примечание. Жирным курсивом даны значения устойчивого пролета кровли камер.
оценочное значение ширины камеры (а) на пласте Кр111, при котором возможна выемка трех сближенных силь-винитовых пластов с обязательной закладкой только одного пласта.
В обобщенном виде результаты, полученные при решении уравнения (7) для практического применения в различных условиях, представлены в таблице, где показаны оценочные значения максимальной ширины од-ноходовых камер при различной мощности междупластья Кр11-Кр111 для разных значений устойчивого пролета кровли камер, при которой возможна выемка трех сближенных сильвинито-вых пластов с обязательной закладкой только одного пласта.
Таким образом, предложенная методика позволяет на стадии проектирования найти максимальное значение ширины камеры а при ведении очистных работ на пласте Кр111 и, соответственно, определить тип комбайна, при котором возможна совместная выемка трех сближенных пластов АБ, Кр11 и КрШ с обязательной закладкой только одного пласта для шахтных полей рудников ОАО «Уралкалий».
Вместе с тем, необходимо отметить, что данная методика не отменяет необходимость проверки выбранных параметров по величине допустимых прогибов [1] и условиям, исключающим возможность массового обрушения пород в очистных камерах [3].
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Указания по защите рудников от затопления и охране подрабатываемых объектов в условиях Верхнекамского месторождения калийных солей (технологический регламент). — СПб., ВНИИГ, 2008.
2. Корн Г. Справочник по математике / Г. Корн, Т. Корн. — М.: Наука, 1973. — 832 с.
3. Методические рекомендации к «Указаниям по защите рудников от затопления и охране подрабатываемых объектов в условиях Верхнекамского месторождения калийных солей». — СПб., ВНИИГ, 2008. ИШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Аникин В.В. — кандидат технических наук, научный сотрудник, [email protected] Жихарев С.Я. — доктор технических наук, ведущий научный сотрудник, [email protected], Горный институт УрО РАН.
