CC BY
28
-------------------------------------- © В.Н. Аллилуев, 2004
УДК 622. 274.3 В.Н. Аллилуев
ПЕРСПЕКТИВЫ ОСВОЕНИЯГЛУБОКОЗАЛЕГАЮЩИХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ БОГАТЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ РУД КМА
Семинар № 15
ТУ настоящее время на КМА, как и в це-
-Я-9 лом по России, основным источником железорудного сырья для отечественной металлургической промышленности и экспорта является концентрат, получаемый после обогащения железистых кварцитов, которые имеют содержание железа 16-32 %, характеризуются высокой крепостью и сложным минеральным составом. При росте цен на электроэнергию, газ, железнодорожных тарифов до уровня мировых железорудная промышленность России объективно становится неконкурентоспособной [1].
В стратегии развития отрасли определены приоритетные направления - обоснование технической возможности и промышленноэкономической значимости вовлечения в отработку месторождений богатых железных руд КМА с учетом требований потребительского рынка и создание высокоэффективных технологий добычи руд.
Основные запасы богатых железных руд КМА сосредоточены на крупных глубокозале-гающих месторождениях: Гостищевском,
Больше-Троицком, Шемраевском, Яковлев-ском и других. Запасы на каждом из этих месторождений превышают 1 млрд. т руды. Месторождения БЖР залегают в сложных горногеологических условиях (большая глубина, обводненность, малопрочные и неустойчивые руды и др.). Рудные тела протяженные, вертикальная и горизонтальная мощность достигают сотен метров. Надрудная толща составляет 400-470 м. БЖР характеризуются высоким качеством: железо общее 60-68 %, сера 0,03-0,07 %, фосфор 0,02-0,08 %, кремнезем 2-9 %.
Традиционный подземный способ разработки этих месторождений требует значительных капитальных вложений и сроков строительства рудников из-за больших объемов горно-капитальных и подготовительных работ, что экономически невыгодно инвесторам.
На Яковлевском месторождении строительство рудника затянулось, добыча руды по технологии традиционных подземных работ еще не освоена.
На Шемраевском месторождении проведены опытно-методические работы по технологии СГД в четырех технологических скважинах. Нетрадиционные технологические процессы и приемы этого перспективного способа, созданные в ходе опытных работ на Шемраевском месторождении, отвечают современным требованиям к экологической и технологической безопасности освоения глубокозалегающих месторождений БЖР, но пока этот метод не может заменить традиционные и обеспечить требуемые объемы и технико-экономические показатели добычи.
На Гостищевском месторождении ведутся подготовительные работы к апробации технологии СГД.
Таким образом, существующие системы разработки не обеспечивают эффективного освоения крупных глубокозалегающих месторождений БЖР КМА, поэтому требуется разработка новых технологических решений.
Одним из вариантов таких технологических решений может быть комбинированная технология - СГД из подземных горных выработок с формированием камер правильной геометрической формы. При обосновании систем разработки и выборе безопасных ее параметров решающим аргументом ее пригодности является прогноз геомеханической обстановки.
Основным методом прогноза геомеханической обосновки и исследования параметров конструктивных элементов систем разработки, а также оценки их устойчивости в настоящее время является расчет напряженно-деформированного состояния (НДС) массива горных пород вокруг горных выработок. По величине компонентов напряжений, деформаций и перемещений можно су-дить о НДС массива вокруг горных выработок. Устойчивость
горных пород определяется характером распределения и величиной компонентов тензора напряжений и тензора деформаций.
Наиболее опасными для горных пород являются растягивающие напряжения. Они вызывают разрушение и отслоение горных пород. Под действием касательных напряжений, когда они по величине превосходят силы сцепления и трения, также могут протекать процессы разрушения и отслоения.
Строгого аналитического решения задач геомеханики для сложных горно-геологических условий и технологических схем нет, поэтому применяется численный метод конечных элементов (МКЭ), который позволяет обеспечить необходимую достоверность результатов. Решение поставленной задачи с использованием МКЭ является численным экспериментом и, в отличие от аналитического, не обладает общностью и справедливо только для данного конкретного массива и данной технологической схемы с конкретными конструктивными элементами. При изменении исходного параметра в геологическом или технологическом модуле необходимо производить решение вновь. Для получения высокой точности метод требует больших затрат труда и высокого класса ЭВМ. Высокая точность достигается большой густотой сетки и меньшими размерами элементов, что и приводит к возрастанию трудоемкости расчета.
Расчет напряженно-деформированного состояния массива горных пород в рамках настоящих исследований производился по компьютерной программе с использованием МКЭ. Геомеханическая модель исследуемого объекта (участка) строится дискретизацией (разделением) рассматриваемой области на элементы, соответствующие геологической структуре типичного месторождения БЖР и представлениям о геомеханике решаемой задачи. Геомеханическая модель состоит из геологического и технологического модулей, представляющих структуру объекта. После выполнения решения плоской задачи теории упругости МКЭ выводятся компоненты тензоров напряжений и деформаций для каждого элемента, и перемещения для каждой узловой точки в виде файла результатов расчета.
Распределение компонентов напряжений в массиве пород вокруг выработки является исходным материалом для анализа устойчивости обнажений пород.
Расчетные горизонтальные смещения боковых стенок камер
В качестве оценочных критериев устойчивости кровли камер использованы величина перемещений, предел прочности на растяжение, конфигурация и размеры (высота) зон обрушения. Для междукамерного целика (МКЦ) в качестве критерия принята прочность на одноосное сжатие, условие разрушения целика - превышение действующих нормальных напряжений над пределом прочности руды на одноосное сжатие.
Используя этот подход к оценке устойчивости для каждого из компонентов напряжений, смещений рудного массива при ведении горных работ строится их распределение вокруг камер в изолиниях. Напряжения изображаются в долях уН (где у - объемная масса горных пород; Н - глубина залегания рудной залежи), т.е. в виде коэффициентов концентрации компонентов напряжений, перемещения в мм.
Для расчетной схемы НДС при отработке участков месторождения БЖР на начальной стадии ведется с оставлением временных целиков между камерами, т.е. с естественным поддержанием потолочины. На последующих стадиях вначале производится закладка выработанного пространства первичных добычных камер, потом отработка вторичных камер, затем закладка вторичных камер и отработка следующих и т.д. Предполагается участок делить системой ортов на панели, а панели отрабатывать блоками. Для предлагаемой комбинированной технологии предварительно рассмотрена порядная схема формирования блоков.
Задача исследований состоит в определении НДС рудного, породного, закладочного массивов и выявлении влияния на устойчивость потолочины и целиков технологической последовательности выемки руды и закладки отработанных камер на различных стадиях.
Для сохранения искусственного массива (закладки), образованного в отработанных камерах, необходимо, чтобы он имел хотя бы с одной стороны соприкосновение либо с временным целиком, либо с нетронутым рудным массивом. В одновременной работе должна находиться не более четвертой части числа камер и целиков блока вкрест простирания. Следовательно, на первой стадии возможна одновременная отработка шестнадцатой части запасов участка. Разработанная технологическая схема позволяет вести отработку блоков по схеме камера-целик.
По схеме камера-целик промоделировано девять стадий отработки блока вкрест простирания. В исследованиях НДС рассматриваются худшие с точки зрения геомеханики расчетные схемы. За базовую для расчета принята камера диаметром 6 ми высотой от 100 до 135 м, в соответствии с переменной вертикальной мощностью рудного тела.
На всех стадиях отработки в кровле камер, т.е. в потолочине образуется четко выраженная зона концентрации растягивающих горизонтальных напряжений. Протяженность зоны на II, IV, VI стадиях отработки блока составляет 140-150 м, высота 35 м, а на VIII стадии ее размеры несколько уменьшается до 135 ми 30 м. Коэффициент концентрации горизонтальных напряжений в зоне растяжения возрастает по мере отработки и закладки камер от стадии к стадии. На II стадии он равен к = уИ , на IV
- Кх = 1,5уИ , на VI - кх = 2уИ , на VIII Кх = 2,2уИ , так как возрастает доля отработанных камер.
Вертикальные напряжения в междукамер-ных целиках (МКЦ) на II, IV, VI стадиях изменяются от 1 до 1,5 и , на стадии VIII - от 0,5 до 1,0 уИ , целик разгружен. Высокие МКЦ находятся в одноосном сжатии, после возведения закладочного массива в камерах третьей очереди происходит разгрузка целиков.
Наибольшие горизонтальные перемещения в рудном массиве приходятся на боковые стенки верхней части камер 1,2 и 6,7,8 (рисунок). По величине горизонтальные перемещения камер 6,7,8 для рассматриваемых стадий II, IV, VI, VIII возрастают и равны соответственно 20, 30, 40 и 45 мм. Известняк на всю мощность находится в сжимаемой зоне, а потолочина в рас-
тянутой зоне за счет разной направленности действующих перемещений.
Вертикальные перемещения потолочины по мере отработки и закладки возрастают. Для рассматриваемых стадий II, IV, VI, VIII максимальные вертикальные перемещения равны соответственно 25, 30, 35 и 40 мм.
Расчеты НДС показывают, что по мере отработки блока горизонтальные напряжения в рудном массиве вблизи камер являются сжимающими и увеличиваются по величине. В верхней части центрального целика они уменьшаются до нуля, т.е. может произойти переход от сжатия к растяжению. В железистых кварцитах коэффициент концентрации горизонтальных напряжений возрастает, и только в висячем боку на VIII стадии снижается.
Значения коэффициента концентрации напряжений в характерных точках приведены в таблице.
Вертикальные напряжения на всех стадиях сжимающие. В рудном массиве на стадии II они несколько меньше по величине, чем на VIII стадии. По мере отработки блока происходит нагружение искусственного закладочного массива. В лежачем и висячем боках изменение вертикальных напряжений аналогичное горизонтальным.
Касательные напряжения в центральном междукамерном целике уменьшаются до нуля, т.е. наблюдается разгрузка. В висячем и лежачем боках рудного тела они нарастают.
Напряженно-деформированное состояние можно характеризовать как сложное, вызванное структурно геологическими особенностями месторождений данного типа. Максимальные вертикальные перемещения известняка в центре отрабатываемого блока составляют 23 мм.
На начальной стадии отработки центральной части участка месторождения БЖР с естественным поддержанием кровли оставляемыми временными междукамерными целиками, зона горизонтальных растягивающих напряжений в потолочине занимает по протяженности 150 м высотой до 90 м. Потолочина над отработанными камерами разгружена от вертикальных напряжений, к = 0,5И . Концентрация вертикальных напряжений приурочена к верхним углам блока, но они не превышают 2уИ. Горизонтальные перемещения имеют несколько
Коэффициенты концентрации горизонтальных, вертикальных и касательных напряжений на различных стадиях отработки
сений на различных стадиях отработки блока, в долях уН касательных VIII 0,66 0,58 © о” -2,00 3,75
5 0,58 0,66 0,10 -1,77 3,51
> -0,52 0,53 -0,15 -1,61 3,06
= 3 О 0,45 0,157 -1,47 2,67
1 £ VIII | -1,83 -1,64 -0,46 -6,72 -6,15
5 -1,70 -1,73 -1,38 -6,27 -6,94
> 1-І Ю чО гН 5,92 6,0
< 1 і і § Ё £ I I ' ' ' '
в -1,78 -1,54 -1,08 -5,62 -5,41
горизонтальных | | Н1Д -0,49 -0,57 О о" тН -чГ Г*'* со
5 -0,42 -0,54 -0,28 -3,6 -4,10
> -0,38 00 О -0,25 -3,23 -3,73
= -0,38 . -0,43 -0,23 -2,93 Г- со
І с £ точка в массиве слева от камеры 1 в массиве справа от камеры 8 в центральном целике в кварцитах -лежачего бока в кварцитах -висячего бока
большую величину в правой части отработанного блока вдоль сланцев. Вертикальные перемещения кровли известняков составляют 30 мм. Зона максимальных вертикальных перемещений располагается в левой половине блока, где перемещения достигают 70 мм.
Для глубокозалегающих месторождений богатых железных руд безопасные условия ведения горных работ по геомеханическому фактору обеспечиваются при одновременной отработке не более восьми добычных камер в блоке, располагаемом вкрест простирания рудной залежи. В этих же условиях обеспечивается устойчивость временных междукамерных целиков, а также вышележащих известняков на всех рассматриваемых стадиях отработки.
Напряженно-деформированное состояние вмещающих пород, представленных железистыми кварцитами и сланцами, также изменяется в результате ведения очистных работ. Однако значительная концентрация компонентов напряжений в железистых кварцитах не приводит к их разрушению, а лишь нагружает их по мере отработки блока.
Главным фактором, влияющим на напряженное состояние при закладке выработанного пространства, является соотношение модулей упругости рудного и закладочного массивов. Расчетная прочность закладки позволяет сохранять устойчивость потолочины и временных междукамерных целиков.
Рекомендуемые порядок и схема отработки предусматривают:
• отработку первичных камерных запасов на первой стадии работ под защитой устойчивой потолочины с оставлением временных междукамерных целиков;
• формирование блока вкрест простирания не более, чем из восьми первичных очистных камер;
• закладку первичных камер на второй стадии;
• отработку вторичных камер на третьей стадии и т.д.;
• на конечной стадии отработки участка устойчивость потолочины и налегающей толщи известняка по условиям сдвижения обеспечивается полнотой закладки выработанного пространства.
Новые технологические решения по освоению крупных глубокозалегающих месторождений БЖР КМА обеспечат повышение качества и извлечения из недр руды, существенное снижение отходов горного производства, более
полное использование запасов месторождений разработку месторождений БЖР может стать
и экологическую безопасность в Белгородском основной рудной базой отечественной метал-
железорудном районе КМА. Бассейн КМА в лургии.
ближайшей перспективе за счет вовлечения в
-------------------------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Новиков А.А., Ястржембский И.Э., Благутин Ю.Л. Перспективы развития сырьевой базы металлургии России/ Горный журнал 2002, №7. - С. 3-9.
— Коротко об авторак ----------------------------------------------------------------------
Аллилуев В.Н - вед. научный сотрудник, кандидат технических наук, ОАО «НИИКМА».
----------------------------------- © М.В. Рыльникова, Е.А. Горбатова,
Н.Н. Старостина, 2004
УДК 550.4/553.43
М.В. Рыльникова, Е.А. Горбатова, Н.Н. Старостина
ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ОСВОЕНИИ МЕДНО-КОЛЧЕДАННЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Семинар № 15
~П настоящее время на большинстве -Я-9 медно-колчеданных месторождений наблюдается резкое сокращение балансовых запасов руды, что приводит к истощению минерально-сырьевой базы горнодобывающих предприятий. Вместе с тем, принятые в проектах физико-технические технологии не позволяют вовлечь в эффективную отработку все запасы медно-колчеданных руд. В подземном пространстве за проектным контуром в бортах и основании карьеров остаются выклинивающиеся в массиве и распределенные по периметру рудные участки; в шахтных полях не полностью отрабатываются бедные руды и маломощные рудные залежи, отдаленные локальные рудные тела, а также запасы, расположенные в неблагоприятных горно-геологических условиях.
Поэтому задача изыскания технологии, обеспечивающей возможность вовлечения забалансовых запасов месторождений в эффективное промышленное использование, весьма актуальна.
Исследование факторов, влияющих на техногенные процессы выщелачивания и осаждения меди, проводились на представительных пробах сульфидных медно-колчеданных руд Узельгинского и Октябрьского месторождений. Медно-колчеданные руды представляют собой плотные зернистые массы сульфидов, где главными рудообразующими минералами являются серный колчедан, халькопирит и сфалерит. Минераграфический анализ показал, что:
1. пирротинсодержащие руды представлены мелкозернистыми массами с тонким прорастанием сульфидов меди и железа (рис. 1а);
