Оценка возможности повышения извлечения из недр железистых кварцитов при камерах, заполненных текущими хвостами обогащения Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

--------------------------------------- © В.Н. Аллилуев, С.Г. Лейзерович,

2004

УДК 622.831

В.Н. Аллилуев, С.Г. Лейзерович

ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ПОВЫШЕНИЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ИЗ НЕДР ЖЕЛЕЗИСТЫХ КВАРЦИТОВ ПРИ КАМЕРАХ, ЗАПОЛНЕННЫХ ТЕКУЩИМИ ХВОСТАМИ ОБОГАЩЕНИЯ

Семинар № 11

елезистые кварциты разрабатываемого Коробковского месторождения расположены под мощной обводненной толщей рыхлых пород и отрабатываются подземным способом без осушения [1]. Для предотвращения прорывов подземных вод в выработки оставляется предохранительный потолочный целик (потолочина) из неокисленных кварцитов мощностью не менее 70 м.

Добыча руды производится этажнокамерной системой разработки с открытым очистным пространством и этажной взрывной отбойкой глубокими скважинами. Размеры блоков (камеры): высота 50-60 м (50-75 м), длина 80 м (55 м), ширина 50 м (30 м), ширина МКЦ 20 м, МПЦ - 25 м. Целики в настоящее время являются временно-неактивными запасами.

Имеется ряд исследований, заключений и предложений институтов НИИКМА, ВИОГЕМ, НИГРИ, рекомендовавших увеличить параметры камер. Однако до сих пор в целом это не реализовано, хотя отдельные камеры отрабатывались с увеличением длины и диаметра. Задача заключается в том, чтобы оценить техническую возможность увеличения извлечения запасов после применения гидравлической закладки. Экономическая целесообразность извлечения целиков должна оцениваться из уровня рентабельности производства и долгосрочной конъюнктуры спроса и здесь не рассматривается. Повышение извлечения руды из недр на эксплуатируемых месторождениях и в частности из целиков весьма актуально, т.к. приближается период выбытия мощностей по отрасли, а также введение платы за складирование отходов на поверхности. Это приведет к резкому удорожанию концентрата из кварцитов, добываемых в карьерах, и потребует роста

объемов добычи на действующих подземных мощностях.

Эксперименты подтвердили реальность подземного складирования отходов обогащения. После заполнения камер хвосты обезвоживаются и представляют собой пылеватоглинистый по гранулометрическому составу несвязный рыхлый массив [2].

Учитывая, что выемка целиков сопряжена с нарушением геомеханического равновесия и снижением устойчивости подрабатываемого массива, возникает необходимость оценки на-пряженно-деформирован-ного состояния конструктивных элементов системы. Для достижения поставленной цели методом конечных элементов (МКЭ) на 1-ом этапе решались следующие задачи моделирования напряженно-деформиро-ванного состояния (НДС):

• в едином методическом плане оценено НДС существующих камер;

• выявлены закономерности формирования НДС при заполнении камер и выемке целиков;

• оценена возможность повышения извлечения железистых кварцитов в этих условиях.

Расчетная область разбивалась на треугольные элементы. Процессы перемещений и сдвижений, в крепких породах, начинаются с упругих деформаций. Поэтому для оценки НДС массива принята упругая модель, которая эффективно реализуется МКЭ. Значительность размеров очистных камер дает возможность принять схему плоской деформации, полагая, что на массив действует только собственный вес слагающих его пород.

Расчетная схема соответствует вертикальному геологическому разрезу участка место-

рождения и принята в виде прямоугольной области со следующими границами: верхней -контакт потолочины с налегающей толщей; нижней и боковых - массив кварцитов. Граничные условия: равномерно распределенная нагрузка по верхней грани расчетной области; закрепление боковых граней, исключающее перемещения в горизонтальном направлении; закрепление нижней грани, исключающее перемещение в вертикальном направлении. В ходе расчета по программе определяются компоненты перемещений, напряжений, деформаций, максимальные растягивающие напряжения, по которым возможно визуализировать зоны неупругих деформаций. Расчетные напряжения приводятся в относительных единицах - в долях уН, в виде коэффициентов концентраций соответствующих компонентов напряжений.

Моделировались варианты технологии работ при выемки целиков в условиях шахты им. Губкина.

Физико-механические характеристики

свойств железистых кварцитов Коробковского месторождения [1] приведены ниже.

Предел прочности на одноосное сжатие, К;, МПа 193

Предел прочности при растяжении, Яр, МПа

13

Модуль упругости, Е 10"4, МПа 12.1

Коэффициент Пуассона, V 0,22

Удельный вес, у , кН/м3 34

Железистые кварциты имеют высокие прочностные показатели, обладают хорошей устойчивостью. Образцы железистых кварцитов при испытаниях ведут себя как упругие хрупкие тела, сохраняя упругие свойства вплоть до разрушения [1].

Перераспределение напряжений в массиве горных пород, вызванное изменением природного поля напряжений вследствие отработки очистных камер, формирует новое равновесное состояние с образованием зон растяжения.

За исходное принято напряженное состояние в массиве железистых кварцитов после отработки запасов четырех камер в панели с оставленными между ними тремя МКЦ шириной по 20 м каждый. Напряженное состояние исследовалось в области непосредственного примыкания к

очистным камерам. В зависимости от порядка выемки целиков рассматривались следующие варианты: выемка крайних целиков (т.е. выемка целиков через один); выемка центрального целика; выемка трех подряд целиков. При этом рассмотрен вариант выемки внутри целика камеры шириной 10 м, длиной 55 м, ас каждой стороны закладки оставляется защитный слой толщиной 5 м.

Важным вопросом при рассмотрении НДС массива является обеспечение устойчивости потолочины. Для выявления влияния выемки целика на напряженное состояние потолочины сравнивались коэффициенты концентрации вертикальных (К2), горизонтальных (Кх) и касательных напряжений (К^,). Коэффициент концентрации вертикальных напряжений (К,) в потолочине над центральным МКЦ при выемке крайнего целика возрастает с 2,42 до 2,87, в кровле существующей камеры К2 не изменяется, а над отработанным целиком происходит разгрузка и К2 снижается в 4,7 раза, приближаясь к нулевому значению. Вертикальные напряжения, действующие в потолочине, сжимающие (знак минус), К2 также сжимающие. Горизонтальные напряжения над целиком сжимающие, Кх изменяются незначительно, над камерой они растягивающие (знак плюс) и при выемке целика они увеличиваются в 1,7 раза. Касательные напряжения, Кж претерпевают изменения непосредственно над вынимаемым целиком. Деформированное состояние потолочины характеризуется выявлением и размерами зон неупругих деформаций по максимальным растягивающим напряжениям. В кровле камер образуются зоны неупругих деформаций, максимальное распространение которых по вертикали в потолочине не превышает 15 м. При выемки крайнего целика общая площадь зоны неупругих деформаций

Изменение коэффициентов концентрации 3-х компонентов напряжений в лолочине со сводчатой кровлей

над камерами и целиками возрастает - в 1,4 раза по сравнению с исходным положением. В потолочине при отработке целика возникает дополнительная зона неупругих деформаций, а при нетронутом целике зон - нет.

Коэффициент концентрации вертикальных напряжений в потолочине над соседним не вынутым крайним целиком изменяется незначительно - в 1,1 раза, коэффициент концентрации горизонтальных напряжения одинаков. Порядок выемки целиков не оказывает существенного влияния на НДС потолочины.

Таким образом, можно заключить, что при отработке целика потолочина не потеряет устойчивости.

По результатам расчетов выявлено, что заполнение отработанных камер гидрозакладкой не оказывает упрочняющего воздействия на потолочину и междукамерные целики в виду низкомодульности обезвоженных хвостов (Е = 30 МПа) и незначительности величины напряжений от их собственного веса, передаваемых на целик по сравнению с величиной напряжений, действующих в целике, а также в виду высокой прочности материала целика.

В практике разработки железистых кварцитов Коробковского месторождения на шахте им. Губкина применяются две формы кровли очистных камер: плоская и сводчатая. Изменение напряженного состояния потолочины со сводчатой формой кровли камер (высота свода 10 м) показано на рис. 1. При сравнении распределения вертикальных и горизонтальных напряжений в потолочине с плоской и сводчатой кровлей камер можно отметить, что при сводчатой кровле коэффициент концентрации вертикальных напряжений в потолочине меньше в 1,3 раза, коэффициент концентрации горизонтальных напряжений над целиком снижается в 5 раз, а над камерой не образуется зона растяжения. Зоны неупругих деформаций над камерами при сводчатой форме меньше в 3,7 раза, чем при плоской кровле камер, а при выемке целика над ним эта зона не формируется.

При полной выемке целиков (без оставления корки) увеличивается площадь обнажения, в связи с чем изменяется ориентация и величина пролета камер. Размер пролета зависит от схемы выемки целиков, их количества. Для проверки устойчивости потолочины при различных пролетах вновь образуемых камер бы-

ли смоделированы варианты с пролетом 30, 55 и 80 м при тех же целиках. В ранее выполненной нами работе проведенный расчет пролета камер на другой методической базе показал, что пролет в 80 м может оставаться в определенных условиях устойчивым.

Получены зависимости изменения высоты зоны неупругих деформаций и коэффициента концентрации вертикальных напряжений в целике от проле та камеры. С ростом пролета до 80 м увеличивается высота зон неупругих деформаций, достигая 30 ми повышаются коэффициенты концентрации вертикальных напряжений в соседнем целике до К2 = 5,1уН. Однако, несмотря на высокие напряжения, действующие в целиках при различных пролетах камер они имеют достаточный запас прочности. Потолочина также сохраняет запас прочности, т.к. 40 м (70-30) оказываются незатронутыми. Необходимо иметь в виду, что целики имеют значительный запас прочности и удаление части из них приводит к незначительному его уменьшению. При увеличении пролета с 30 до 55 м коэффициент запаса прочности целика уменьшается с 8,4 до 7,3.

В качестве показателя извлечения в приближенных сравнительных расчетах примем коэффициент извлечения, определяемый отношением площади отработанной камеры к площади блока (при этом не учитываем эксплуатационные

потери, считая их равными как в случае отработки камер, так и при выемке целиков). В таком случае коэффициент извлечения железистых кварцитов из одного блока с размерами 50x80 м и камеры 55x30 м составит 0,41 (1650/4000) (рис. 2а).

Возможны несколько предполагаемых схем выемки целиков (рис. 2б-д). При выемке МПЦ устойчивый пролет камеры остается прежним и составляет 30м (рис. 26). Размеры блока при этом будут составлять 50x160 м, а отработанных двух камер 2x55x30 м и целика 25x30 м. Коэффициент извлечения с блока составит 0,51 и увеличивается на 24 %. С точки зрения устойчивости потолочины этот вариант наиболее надежен, т.к. пролет обнажения не меняется.

Таким образом, повышение извлечения железистых кварцитов при выемке целиков по сравнению с существующим извлечением возможно в зависимости от размещения камер в панели от 17% до 51%. На основе представлений об НДС и показателей роста извлечения может решаться уже технологическая задача -выбор варианта системы разработки для извлечения целиков. Предварительные выводы:

1. Закладочный массив из обезвоженных хвостов обогащения не оказывает упрочняющего воздействия на рудные целики из-за низкого модуля упругости и незначительности напряжений, передаваемых на целик от собственного их веса.

1. Подземная разработка железистых кварцитов / Г.М. Бабаянц, Л.К. Вертлейб, Н.Я. Журин, Д.М. Казикаев и др. - М.: Недра. - 168 с.

2. Лейзерович С.Г., Усков А.Х., Ельников В.Н Исследование консолидации и осушения подземных

2. При отработке существующих МКЦ и при сохранении МПЦ (либо наоборот) потолочина сохраняет устойчивость.

3. В камерах с плоской кровлей, образующиеся зоны неупругих деформаций по своим размерам превышают зоны неупругих деформаций при сводчатой кровле 3-4 раза.

4. Целики имеют значительный запас прочности. При пролете камер 30, 55, 80м коэффициенты запаса прочности МКЦ уменьшаются с 8,4 до 5,3.

5. Увеличение пролета с 30 до 55 м влечет за собой увеличение зон неупругих деформаций в 1,3 раза, с 30 до 80 м - в 2 раза.

6. Повышение извлечения может быть достигнуто в зависимости от схем выемки целиков на 17-51 %.

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

искусственных массивов из отходов обогащения на завершающей стадии промышленного эксперимента. -ГИАБ, №1. - 2004. - С. 183-185.

— Коротко об авторах ----------------------------------------

Аллилуев В.Н - кандидат технических наук; вед. научный сотрудник, Лейзерович С.Г. - зав. лабораторией технологии подземных горных работ; ОАО «НИИКМА»

----------------------------------------© А. В. Борисов, Ю.Н. Долоткин,

А.И. Вовк, Ю.М. Погудин, 2004

УДК 622.283.76

А.В. Борисов, Ю.Н. Долоткин, А.И. Вовк, Ю.М. Погудин

СТЕНДОВЫЕ ИСПЫТАНИЯ АНКЕРОВ РАЗЛИЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Семинар № 10

дним из перспективных видов креп-С-Х ления горных выработок является анкерная крепь. Начиная с 1960 г. по настоящее время на шахтах Печорского бассейна было закреплено более 400 км горных вырабо-

ток различного назначения и с широким диапазоном вмещающих их пород по крепости. Наибольшая протяженность пройденных с анкерной крепью выработок отмечена в 1972 г. и достигла 25 км, что составляло почти 14% от