CC BY
35
© Ю.В. Михайлов, В.И. Емельянов, С.В. Горный, А.Е. Васильев, 2003
УЛК 622.272
Ю.В. Михайлов, В.И. Емельянов, С.В. Горный,
А.Е. Васильев
ПОЛЗЕМНАЯ РАЗРАБОТКА МАЛОМОЩНЫХ МЕСТОРОЖЛЕНИЙ ГОРИЗОНТАЛЬНЫМИ СКВАЖИНАМИ
Расширение технологии очистной выемки полезного ископаемого системами с закладкой выработанного пространства связанное с понижением горных работ, необходимостью выполнения горных работ под водными бассейнами, необходимостью сохранения устойчивости поверхности, стремлением разместить попутно добываемую горную массу (часто содержащую полезные компоненты) под землей, обеспечением наиболее полного извлечения полезного ископаемого из недр, предотвращением пожаров, обеспечением экологически безопасной технологии добычи и другое, сопряжено также и с определенными трудностями: необходимостью наличия закладочных комплексов и трудностью формирования закладочных смесей, трудоемкостью очистных работ (связанное главным образом, с наличием большого объема выработок с тупиковыми забоями), цикличностью основных технологических процессов, трудностью проветривания очистных забоев.
Перечисленные проблемы решаются с одной стороны подбором оптимизированных комплексов самоходного оборудования, с другой стороны - конструктивным изменением системы разработки. Технологическая схема слоевой системы разработки с двух стадийной отбойкой полезного ископаемого горизонтальными скважинами позволяет избежать основные недостатки слоевой выемки: большой объем проходки выработок тупиковыми забоями, невысокий коэффициент использования бурового и погрузочно-доставочного самоходного оборудования, связан-
ный с трудностью совмещения технологических операций.
Двухстадийная отбойка горизонтальными скважинами основана на известном способе отбойки руды с недозарядом скважин. Этот способ применим и при восходящем или комбинированном порядках выемки горизонтальных слоев. Промышленные испытания, выполненные в условиях Норильского ГМК, подробно изложены в работе [1].
Анализ результатов испытаний показал, что полученный контур выработки соответствует проектному, стенки выработки ровные, в забое просматриваются следы скважин по всей ширине. Скважины, оставшиеся в целике, имеют необходимую сохранность и пригодны для дальнейшего использования.
Максимальный выброс рудной массы достигал 15 м от забоя, средний гранулометрический состав был следующим: 10-20 см -80%, 30-40 см - 15%, более 40 см
- 5%. Негабариты отсутствовали.
В целом результаты испытаний двух стадийной отбойки полезного ископаемого показали следующее:
- технология добычи полезного ископаемого слоевой системой разработки с двухстадийной отбойкой позволяет совмещать основные технологические операции по бурению и отгрузке взорванной горной массы, что способствует повышению производительности труда в 1,7-2,5 раза;
- части скважин, оставленные в целике, находятся в хорошем состоянии и пригодны для дальнейшего использования их при добыче полезного ископаемого;
- качество оконтуривания очистных выработок удовлетворительное;
- качество дробления руды хорошее, негабариты отсутствуют, КИШ равен единице, объем отбитой горной массы за взрыв больше достигнутого на предприятии обычным способом, расход ВВ и ЭД снижается;
- коэффициент использования горного оборудования увеличился на 25-30%;
- повысилась безопасность труда за счет улучшения условий вентиляции очистного пространства.
Технология добычи полезного ископаемого с двухстадийной отбойкой адаптирована к условиям разработки многолетнемерзлых россыпных месторождений (как один из вариантов) в случае применения камерной системы разработки с двухсторонними камерами.
В этом случае, наряду с исключением потерь ценных песков в целиках, а также резкого сокращения расхода дефицитного леса для крепления очистного пространства, возрастает интенсивность очистных работ, позволяющая увеличить объем добычи ценных песков за один сезон. Для обеспечения предприятия дробленой породой в случае необходимости формирования льдопородной закладки можно использовать мобильные передвижные дробильные установки с дизельным или электрическим приводом [2].
Наиболее существенными проблемами, необходимыми для внедрения новой технологии являются снижение трудоемкости ведения горных работ и обеспечение безопасности обрушения кровли очистных выработок -искусственной кровли при нисходящем порядке отработки; или естественного горного массива -при восходящем порядке.
В основу настоящего решения вопроса положена задача определения величины устойчивого обнажения, не допускающего обрушения кровли при добыче полезного ископаемого из недр, а также снижение трудоемкости очистных работ за счет реализации принципа независимости при
выполнении основных технологических процессов.
Поставленная задача достигается тем, что в способе подземной разработки месторождений полезных ископаемых горизонтальными слоями с твердеющей закладкой выработанного пространства, заключающемся в проведении очистных выработок методом недозаряжания скважин или шпуров с оставлением недо-заряжаемых отрезков скважин в целиках между очистными выработками и отработке целиков после достижения необходимой прочности закладки в заходках, предварительно определяют величину устойчивого обнажения кровли очистного пространства
В, а затем бурят очистные скважины или шпуры глубиной Ь, не превышающей величину В, определяемую по формуле:
В = 6,8 -
где р - нагрузка на пролет выработки, кН/м2; Т - показатель устойчивости налегающего массива (показатель устойчивости проф. Куликова В.В.), м; у -объемный вес налегающего массива, кН/м3.
В предпочтительных вариантах реализации способа:
• единичные слои закладки выполняют под углом к почве выработки а = 30-45°;
• на почву верхнего слоя перед возведением закладочного массива отсыпают рудную дробленую мелочь;
• проведение нижних захо-док выполняют смещением их оси на половину ширины верхней очистной выработки.
Сущность новой технологии заключается в следующем.
Исследованиями установлено, что нагрузка на обнажение одиночной горной выработки по кровле составляет [3, 4]:
р = < э/ / 8- Т , откуда 1 =
2,83-рт ’
где 1 - пролет выработки по кровле, м.
При пересечении двух выработок применяют эквивалентный пролет сопряжения выработок 1экв, который можно разделить на
три вида [5]: пересечение, ответвление, примыкание. При
этом /экв = 2 S/P, где S/P - гидравлический радиус. Несложные построения показывают, что
применительно к нашему случаю эквивалентный пролет составит 1экв = 2-6-а-в / (6-а + 4-в), где а - ширина первичной выработки, м; в - ширина выработки примыкания, м. В случае, если а = в = 1, то 1экв = 1,2 1.
Поскольку величина устойчивого обнажения кровли очистного пространства (то есть величина устойчивого пролета сопряжений выработок) в нашем случае равна В = 2-1экв, следовательно, окончательно получим
В = 6,8 ^Уу •
Таким образом, определив величину устойчивого обнажения по кровле сопряжения двух выработок В, принимают максимальную глубину бурения очистных скважин L, которая не должна превышать В, то есть, должно быть соблюдено следующее ограничение: L < В.
При разработке месторождений в условиях криолитозоны (зоны вечной мерзлоты), как установлено, в качестве твердеющей закладки наиболее целесообразно применять воду или воду с твердыми отходами горного производства. В этом случае необходимо формировать закладочный массив в рациональном режиме, то есть слоями, толщину которых определяют в зависимости от теплофизических свойств воды и применяемых хладагентов (воздух, пустые породы отвалов, «хвосты» обогатительных фабрик и другое) и их первоначальных температур. При этом для обеспечения плотного контакта закладки и кровли выработки единичные слои закладки выполняют под углом к почве выработки а = 30-45°, что обеспечивает наиболее полное заполнение выработки и равномерное распределение единичного слоя воды по всей поверхности закладочного массива. При углах менее 30о закладочный массив формируется неравномерно, в основном в верхней части массива, при углах более 45о - в нижней части.
При разработке месторождения нисходящими слоями принципиальное значение имеет необходимость обеспечения устойчивости кровли нижнего слоя, которая обеспечивается монолитностью закладочного массива верхнего слоя в нижней его части и снижением воздействия взрыва при ведении очистных взрывных работ в нижнем слое.
Это условие обеспечивается, во-первых, за счет отсыпки рудной дробленой мелочи на почву верхнего слоя перед возведением закладочного массива, что предотвращает разрушительное воздействие взрывных работ при отработке нижнего слоя и, во-вторых, за счет проведения нижних заходок со смещением оси заходки на половину ширины очистной выработки верхнего слоя, что создает куполообразный свод при проведении выработок нижнего слоя.
Пример реализации новой технологии поясняется схемой, представленной на чертеже, где на рис. 1 показан горизонтальный разрез массива - сечение по А-А, на рис. 2 - сечения соответственно по Б-Б, В-В, Г-Г.
Предельная глубина скважин Ь, определяется по формуле:
Ь < В = 6,8 РТ, где р - нагрузка на пролет выработки, кН/м2; Т - показатель устойчивости налегающего массива (показатель устойчивости проф. Куликова В.В.), м; у -объемный вес налегающего массива, кН/м3; В - устойчивый пролет выработанного пространства, м; Ь - предельная глубина бурения скважин, м.
Новая технология включает образование вентиляционной выработки 1 и доставочной выработки 2 традиционными способами тупиковыми забоями. Аналогично проходят разрезную очистную выработку 3. Затем из очистной выработки (заходки) 3, перпендикулярно ей бурят горизонтальные и наклонные по кровле и почве скважины 4 в несколько рядов. При этом глубина Ь скважин 4 должна быть меньше величины устойчивого обнаже-
4-А
Рис. 1
А
ІІ- \£
/74//У7.
ния кровли В, которая определяется по формуле:
В = 6'8 •
где р - нагрузка на пролет выработки, кН/м2; Т - показатель устойчивости налегающего массива (показатель устойчивости проф. Куликова В.В.), м; у - объемный вес налегающего массива, кН/м3; В - устойчивый пролет выработанного пространства, м.
Это условие позволяет обеспечить устойчивость кровли так как максимальная величина об-
нажения очистного пространства по кровле может быть на более глубины скважин.
После этого скважины заряжают частично на глубину 5, то есть на ширину (как правило, это половина длины Ь) заходки 6, которая образуется в результате отбойки этой части скважин.
Как только выработка 6 будет пройдена на всю длину (от откаточной до вентиляционной выработки) или частично, концы скважин тампонируют пробками 7, на почву выработки 3 отсыпают рудную мелочь 8, а выработку 3 заполняют закладкой 9. После
1 - вентиляционная выработка; 2 -откаточная выработка; 3 - разрезная выработка (заходка); 4 - очистные скважины, длиной Ь < В; 5 - заряжаемые части скважин для отбойки в первую стадию; 6 - выработка (заходка), образуемая отбойкой скважин в первую стадию; 7 - изоляционные пробки; 8 - отсыпанный слой дробленой руды; 9 - твердеющая (льдопородная) закладка очистного пространства; 10 - отбойка оставшихся частей скважин для полного оформления выработанного пространства; 11 - очистное (выработанное) пространство, образованное отбойкой скважин на всю глубину Ь
< В
набора закладочным массивом необходимой прочности выполняют отбойку оставшихся частей скважин 10, образуя очистное пространство 11 шириной Ь. Вследствие того, что Ь меньше величины устойчивого обнажения В, обеспечивается безопасность проведения горных работ, так как предотвращается обрушение кровли. Кроме того, ввиду того, что при отработке верхнего слоя на почву выработок отсыпали рудную мелочь 8, тем самым предотвращалось разрушение кровли очистного пространства от воздействия взрывных работ.
Для обеспечения высокой производительности добычных работ бурение скважин из разрезной выработки 3 выполняют на обе стороны (чтобы не загромождать схему, это обстоятельство на ней не отображено).
При последующей отработке слоя выше обозначенные операции повторяются.
Новая технология обеспечивает высокую эффективность подземной разработки месторождений с закладкой выработанного пространства за счет создания независимости выполнения основных технологических процессов - бурение очистных скважин, взрывные работы, доставку и транспортировку отбитого полезного ископаемого, - а также безопасность проведения горных работ за счет обеспечения стабильной устойчивости кровли закладочного массива при его обнажениях.
1. Степин A.A, Трофимов И.М, Михайлов Ю.В, Левин B.C., Цахилов В.Т. Повышение эффективности добычи руды при слоевой выемке на Норильском комбинате. Горный журнал, № 5, 1984 г., с. 31-34.
2. Дудко A.A, Кпушанцев Б.В. Отечественные и зарубежные передвижные дробильно-сортировочные установки. - М.: 1я8я.
3. Куликов В.В, Николаева A.В. Единая математическая модель аэрогидрогеомеханических процессов. Часть 1,2,3. - М.: МГОУ, 1997, 158 с.
КОРОТКО ОБ ABTOPAX ---------------------------------
------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
4. Слесарев В.Д. Определение оптимальных размеров целиков различного назначения. - М.: Углетехиздат, 1948, 195 с.
5. Кузнецов А.Г., Михайлов Ю.В, Трофимов И.М. К вопросу расчета параметров крепи сопряжений горных выработок. // Сб. нучных трудов МГИ, - М.: МГИ, 1982, с 71-77.
Михайлов Ю.В, Емельянов В.И, Горный С.В., Васильев А.Е. - Московский государственный открытый университет.
© С.А. Толмачев, Г.А. Катков,
С.С. Чугайнов, 2003
УЛК 622.267.
С.А. Толмачев, Г.А. Катков, С.С. Чугайнов ОТРАБОТКА CBИТЫ КРУТЫХ ПЛACTOB B BO-ХОЛЯШЕМ ПОРЯЛКЕ
В практике разработки свит сближенных угольных пластов наиболее оптимальным является нисходящий порядок отработки. Однако, в некоторых случаях рекомендуется применять восходящий порядок, что обуславливается следующими причинами: - повышение концентрации горных работ; - первоочередная выемка защитных пластов с целью снижения вероятности возникновения горных ударов и внезапных выбросов угля и газа; - осушение и разупрочнение вышележащих пород для снижения водопритоков и динамических нагрузок на крепи при разработке подработанных пластов.
Наряду с отмеченными выше положительными факторами, подработка, как правило, отрицательно влияет на состояние подготовительных выработок, расположенных в области влияния разрабатываемого пласта. С этой точки зрения подработка рассматривается как нежелательная мера. При этом следует указать, что наибольшую опасность представляет не увеличение напряженного состояния вмещающих пород, а смещение массива при подработке.
Решение проблемы поддержания подрабатываемых выработок связано с правильным выбором оптимального места их расположения относительно границ очистной выемки и целиков, оставленных на нижележащем пласте.
Рис.1. Схемы подработки подготовительных выработок при разработке нижнего пласта: а - с закладкой выработанного пространства; б - с обрушением кровли
Выбор места расположения выработок должен базироваться на установленных закономерностях протекания геомеханиче-ских процессов в подработанной толще, на достаточно обоснованных и подтвержденных шахтными исследованиями, методах расчета ожидаемых проявлений горного давления [1-2 ].
Из многообразия возможных вариантов расположения выработок в подработанном массиве можно выделить две принципиальные схемы подработки. При первой схеме (рис. 1-а) нижележащий пласт от-
