CC BY
10
ИЗВЕСТИЯ УРАЛЬСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА
2005 СЕРИЯ: ГОРНОЕ ДЕЛО Вып. 21
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ
ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИ И
УДК 622.83
А. В. Зубков
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОКР ПРИ ОСВОЕНИИ НЕДР
Освоение недр в части добычи твердых полезных ископаемых отличается многообразием геологического строения месторождений, геомеханической и геодинамической обстановки и в связи с этим многообразием технологических схем добычи полезных ископаемых. Несмотря на это. следует обратить внимание на ряд общих проблем, решение которых позволит поднять на более высокий уровень безопасность и эффективность освоения недр.
К таким проблемам в порядке последовательности использования полученных результатов относятся:
1. Изучение физико-механических характеристик и напряженного состояния массивов горных пород.
2. Разработка методов расчета устойчивости горных конструкций и активных методов управления этой устойчивостью.
3. Разработка высокоэффективных технологий добычи полезного ископаемого.
4. Разработка геотехники.
Физико-механические характеристики массива пород
Анализ поведения пород при прогнозе удароопасности на Естюнинско.м и Таштагольском месторождениях показал, что прочност ь пород в естественных условиях на 10-15 % выше максимальных и на 40-50 % больше средних значений, обычно используемых и полученных при испытании образцов. Это объясняется дополнигельнь м нарушением образцов, особенно при отборе из высоконапряженного массива*. Выявленное обстоятельство позволяет обоснованно на 2 горизонта понизить прогнозируемую глубину начала проявления горных ударов.
В совокупности в перспективе необходимо решить следующие задачи:
1. Разработать методики определения прочностных характеристик пород в нату рных условиях, в том числе и с учетом временного фактора.
2. Разработать методики определения деформационных характеристик массива и установить закономерности их изменения в зависимости от масштаба исследуемого массива.
Напряженное состояние массива горных пород
За последние 40 лет была проделана огромная работа по измерению напряженного состояния массива горных пород на десятках подземных рудников и шахт СНГ. В частности, на Урале измерения сделаны на 25 рудниках и шахтах. Зти результагы послужили основой для расчетов напряжений в горных конструкциях и определениях их параметров*.
• Зубков А. В. Гсомеханика и гсотсхнология. Екатеринбург: УрО РАН. 2001. 335 с.
Однако в последние 2-3 года нами было установлено, что измеренные напряжения не являете! постоянными, а изменяются во времени с частотой 10-11 лет в результате пульсации текго-жчсских напряжений, амплитуда которой достигает 20-50 % от измеренных значений, т. с. 20-40 МПа (см. сноску на стр. 26). Следовательно, расчет параметров горных конструкций без >^ета пульсирующей составляющей может привести к .значительным ошибкам. Избежать аварийных ситуаций в этих условиях можно лишь введением значительных коэффициентов запаса точности, что отрицательно сказывается на эффективности горных работ.
Анализ изменения измеренных напряжений с глубиной позволил выдвинуть гипотезу о том, горизонтальные тектонические напряжения растут с глубиной по нелинейному закону, кото-гый является функцией от вертикальных гравитационных напряжений и длительной прочности массива, характеризующейся сцеплением С и углом трения ф. Последние, в свою очередь, зави-;гг от прочности пород в образце. Эта гипотеза проверена на 4-х рудниках, где измерения сделаны не менее чем на трех горизонтах.
Поэтому появляется возможность прогнозирозагь горизонтальные гравитационно-тектонические напряжения на месторождениях, не охваченных измерениями. В первую очередь, это относится к месторождениям, отрабатываемым открытой геотехнологией, новым месторождени-»ч и вновь вскрываемым горизонтам действующих рудников и шахт.
Следовательно, в перспективе исследование напряженного состояния массива горных пород должно включать:
1. Непосредственное измерение напряжений на новых рудниках и на вновь вскрываемых горизонтах действующих.
2. Исследование амплитуды и периода пульсации тектонических напряжений.
3. Прогноз горизонтальных гравитационно-тектонических напряжений (<тгпо данным исследований прочностных характеристик горных пород, включающий алгоритм: прочность в образце - прогноз длительной прочности через С и о - расчет по глубине условий прекращения смоловых явлений в массиве при известном вертикальном напряжении а/*уН, неизвестном (искомом) ог и выполнение условий:
°г ^ sin 2а £ С + tgcKo, cos: а+аг sin: а), (1)
где а « 40° - оптимальный угол скола.
Активное управление горным давлением
Системы разработки для добычи полезных ископаемых характеризуются набором конструктивных элементов, которые должны выполнить предназначенные им технологические функции при одновременном обеспечении:
- безопасности горных работ;
- минимальных или максимальных размеров, но однозначно направленных на снижение себестоимости их оформления, потерь и засорения полезного ископаемого.
С увеличением глубины ведения горных работ, росте напряженного состояния горного массива наблюдается резкое увеличение горного давлешя в конструктивных элементах систем разработки. Это одинаково относится к открытым и подземным работам.
В этих условиях можно добиться неординарных результатов:
- увеличить углы погашения бортов карьеров до 60-65°;
- обеспечить долю камерных запасов до 70-80 % в системах с обрушением и поддержанием налегающих пород;
- снизить энергетику горных ударов и т. п., лишь применив активные методы управления горным давлением.
Активные методы управления горным давлением должны включать целенаправленное перемещение максимумов горного давления из технологически ответственных горных конструкций и участков массива в менее важные и более устойчивые участки массива в результате образо-
вания плоскостей и зон разгрузки со строго рассчитанными параметрами. В результате этих ме-роприятий массив и конструктивные элементы «уходят» из-под нагрузки благодаря податливости, которая должна достигать сотен мм:
- в зоне сопряжения борта и основания уступа податливость должна быть не менее 100-200 мм;
- в целиках - 200-500 мм;
- сопряжение рудного и породного массива при подземной разработке - 100-150 мм и т. д.
Это позволяет в десятки раз снизить уровень напряжений в ответственных элементах горных конструкций, а также изменить знак напряжений, т. с. перейти от сжатия к растяжению, и наоборот.
Следовательно, необходима разработка технологических схем ведения горных работ, в которых образование плоскостей и зон разгрузки являлось составной, технологически простой и малозатратной операцией.
Учет статических и динамических напряжении
При добыче полезных ископаемых на больших глубинах для достижения безопасности и высокой эффективности горных работ используются все резервы, прежде всего, для доведения горного давления до приемлемого уровня. При этом приходится оперировать минимальными запасами прочности, не превышающими 30-40 %.
В то же время все конструктивные хзементы находятся в зоне действия динамических напряжений. обусловленных взрывными работами. Поэтому сколовые явления в конструктивных элементах систем открытой и подземной разработки происходят от совместного действия статических а ( и и динамических и напряжений в соответствии с зависимостью (1) при замене
ог ->(ск+ои*сг). аг->(ак+а1Я/С„).
где А'. - коэффициент приведения динамических напряжений к статическим, так как динамическая прочность выше статической.
С ростом статических напряжений уменьшается уровень допустимых динамических напряжений. т. с. должен уменьшаться вес одновременно взрываемого ВВ и возникает необходимость корректировки схем взрывания. То, что было допустимо на верхних, недопустимо на более глубоких горизонтах.
Для решения этой сложнейшей задачи необходимо:
1. Разработать теорию сложения статических и динамических напряжений.
2. Разработать методику определения динамической прочности массива не в зоне дробления, а в зоне сдвиговых явлений и привести ее в соответствие со статической прочностью.
Геотехнология, общие принципы
В отличие от всех остальных областей техники и технологий геотехнология отличается тем, что для расчета устойчивости горных конструкций получить информацию о их напряженном состоянии и прочности с погрешностью менее 30 % практически невозможно. В ряде случаев эти погрешности могут достигать 100 % и более. Это относится к участкам зон дробления, тектонических нарушений и включений пород, не выявленных при разведочных работах.
В этих условиях полное исключение аварийных ситуаций возможно лишь в результате введения огромных коэффициентов запаса прочности, что практически исключает рентабельную добычу полезных ископаемых на средних и больших глубинах.
Поэтому геотехнологии будущего должны допускать аварийные ситу ации, но обеспечивать безопасность и высокую экономическую эффективность.
В зар>т>сжной практике встречаются случаи, когда при углах погашения борта до 55° происходят частичные оползни борта, аварии ликвидируют, а не разносят борт под утлом 35-40°.
В подземной практике можно допустить обрушение целиков, кровли камер, призабойных массивов и т. п. в одном блоке, но эффективно отработаз еще 9 блоков, чем во всех 10 блоках работать с низкой эффективностью. На руднике «Центральный» ОАО «Апатит» отсыпают в один прием отвал высотой более 150 м, который периодически лавинообразно сползает, но момент этого оползня четко прогнозируется по величине и скорости осадки верхней площадки.
Следовательно, при тщательном геомеханическом контроле за назревающей аварийной ситуацией в конструктивных элементах систем разработки можно работать безопасно и эффективно.
Необходима корректировка геотехнологнй. в которые должны быть адаптированы аварийные ситуации при тщательном геомеханическом контроле состояния ответственных конструктивных элементов. Гсотсхнология должна предусматривать быструю и малозатратную операцию по ликвидации аварий.
Комбинированная разработка месторождений
Комбинированная разработка месторождения должна предполаг ать одновременные, а не гэоследователыгые открытые и подземные работы. В этом случае возможны два варианта.
I. Одновременное понижение открытых и подземных работ с движением фронта очистных работ с одного фланга на другой с постеленным понижением (рис. 1) (см. сноску на стр. 26).
Применение этого варианта позволит:
1) уменьшить площадь земельною отвода благодаря размещению большей части вынутой породы во внутренних отвалах:
2) увеличить углы погашения бортэв карьера в лежачем и висячем боках месторождения и, следовательно, уменьшить объем вскрыши, ликвидировать отставание во вскрышных работах на действующих карьерах благодаря:
по А-А . 1
Рис. 1. Схема комбинированной разработки месторождения: 1 - рабочий борт; 2 - зона подземных горных работ; 3 - плоскость ослабления рудного массива:
4 - внутренний отвал
- увеличению по вертикали эасстояния между транспортными бермами до 50-60 м (одна транспортная берма на 2 - 4 рабочих уступа);
- применению капитальных мероприятий по оформлению и укреплению бортов, так как их уже не надо будет разносить в дальнейшем;
- использованию для транспорта берм только по одному из бортов;
- ведению очистных работ в торце карьера, где уровень напряжений в 2 раза ниже, чем в его центральной части, уменьшению размера обнаженного борта по простиранию, что будет способствовать уменьшению его напряженного состояния и деформации, а следовательно, лучшей устойчивости;
- уменьшению срока службы боргов, особенно внизу (до 1-2 лет), где они находятся в условиях максимального напряженного состояния;
3) увеличить ширину рабочих площадок на уступах рабочего борта, что благоприятно скажется на улучшении дробления горной массы при многорядном взрывании скважин в зажатой среде, улучшении организации ведения горных работ;
4) резко у меньшить затраты на транспорт взорванной породы.
Применение этого варианта требует нового подхода в отношении
- управления горным давлением;
- прогнозирования поведения внутреннего отвала;
- открытой и подземной геотехнологий;
- транспортных схем и т. п.
II. Наряду с ведением горных работ в карьере начать восходящу ю отработку месторождения подземным способом с экономически обоснованной отметки. Достоинства такой технологии:
1. В этом случае высокорентабельная добыча руды в карьере компенсирует низкорентабельное развитие подземных работ. В дальнейшем рентабельность должна выровняться.
2. При данном варианте развития горных работ исчезает перерыв между завершением работ в карьере и их началом в подземных условиях.
3. Объем дорогостоящей твердеющей закладки прт подземной разработке не превысит 20 % от объема выработанного пространства. Остальной объем заполняется гидро и сухой закладкой: пески; дробленая порода из карьера, перепускаемая по скважинам большого диаметра; хвосты обогащения и т. п.
В этом варианте комбинированной разработки необходимо провести исследования по определению предельного угла падения рудного тела, его мощности и интервала между открытыми и подземными работами для исключения подработки карьера.
Открытая гсотехнологии с элементами подземной геотехнологни
Достижение безопасности при одновременной чрезвычайной эффективности открытых работ в ряде случаев возможно лишь при включении в открытую геотехнолог ию элементов подземной гсотехнологии. В первую очередь это относится к буровзрывным работам, которые необходимо применять:
- для обеспечения безопасности при оформлении крутых (до 60-65°) углов погашения бортов карьеров;
- проведения вскрышных работ с оформлением крутых (до 50-55°) рабочих бортов.
В первом случае откос уступа постоянного борта высотой 50-60 м должен быть отрезан от вынимаемого массива зоной разупрочненных пород ЗРП шириной до 3 м при отбойке скважин диаметром до 100 мм (рис. 2) (см. сноску на стр. 26). Одновременно по линии сопряжения откоса и подошвы уступа должна быть образована разгрузочная щель РЩ на глубину 20-30 м путем бурения строчки скважин диаметром до 300 мм. Бурение скважин для образования ЗРИ и РЩ производится из подземных выработок.
Оформление высокого уступа постоянного борта целесообразно осуществлять путем одновременной отбойки 3-4 уступов рабочего борга с движением фронта выемки вдоль постоянного
борга (рис. 3). В этом случае достигается высокая концентрация погрузочных работ в результате отбойки сотен тысяч м3 горной массы на ограниченном участке борта.
Во втором случае при проведении буровзрывных работ из подземных выработок можно образовать рабочий борт иод углом 50-55° высотой в сотни метров (рис. 4). Это особенно перспективно при отработке нагорных месторождений с перепуском отбитой горной массы самотеком вниз на горизонт погрузки. В этом случае исключается опережающая вскрыша сотен млн м3 пород, по сравнению с традиционным оформлением борта под углом 25-30°, когда требуется зачистка уступов, бурения с их поверхности, погрузка и транспорт породы на каждом уступе.
Обе технологические схемы специальных подземных буровзрывных работ требуют детального научно-технического обоснования.
Рис. 2. Схема оформления постоянного бэрта с использованием подземных буровзрывных работ
Рис. 3. Схема выемки массива з зоне между постоянным и рабочим бортами
Рис. 4. Схема отработки высокого рабочего борта (нагорной части месторождения): 1 - площадка; 2 • вентиляционно-хедовые; 3 - бу ровые выработки; 4 - подэтажи; 5 - веера ск»ажин; 6 -отбитая горная масса; 7 - драглайн; 8 - навал; 9 - механическая лопата; 10 - конту р рудного тела
Буровзрывные работы в карьерах
Буровзрывные работы являются важнейшим звеном в технологии добычи полезных ископаемых как в отношении доли в трудозатратах, так и в отношении влияния на смежные технологические процессы.
С этих позиций стремление к увеличению диаметра скважин дает «положительный» эффект в отношении снижения себестоимости отбойки горной массы, но совершенно недопустимо по причине целого ряда сопутствующих негативных факторов:
1. Большой диаметр скважины характерен редкой сеткой скважин и большими перебурами. В результате этого подошва уступа представляет собой поверхность с воронка и и разрушенных пород глубиной 5-10 м.
2. С ростом диаметра сквахин резко увеличивается сейсмическое воздействие на массив уступов и борта в целом, что нарушает их целостность на десятки метров и исключает достижение крутых углов откосов уступов, и бортов.
3. Большой диаметр скважин - это большой недозаряд, что увеличивает выход негабарита.
Перспективными направлениями в БВР следует считать:
1. Ограничение диаметра скважин до 214-240 мм.
2. Отказ от окогггурнвающего разбуривания по границам откосов уступов, а перенос этого вида работ в подошву подготавливаемого к отбойке уступа. При диаметре скважин 1Э0-130 мм, расстоянии между осями скважик 1,5-2.0 м и взрывании их через одну можно образовать трещину отрыва. В этом случае вертикальные взрывные скважины можно недобуривать до подошвы уступа на 1-2 м, т. е. глубину скважин можно уменьшить на 4-6 м.
3. Горизонтальные скважины с трещиной отрыва по подошве уступа будут дренировать воду из взрываемого уступа, что упростит процесс заряжания и взрывания основных вертикальных скважин, а также упростит технологию приготовления ВВ и его заряжания.
