CC BY
25
УДК 622.1:528
© М.А. Иофис, A.B. Гришин, E.H. Есина, 2015
М.А. Иофис, A.B. Гришин, Е.Н. Есина
ПУТИ СНИЖЕНИЯ ПОТЕРЬ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ ПРИ КАМЕРНЫХ СИСТЕМАХ РАЗРАБОТКИ
Проанализирован метод оценки состояния целиков при камерной системе разработки, предложенный академиком Шевяковым. Показана ограниченность его применения при расчете целиков на больших глубинах ведения горных работ. Предложена усовершенствованная методика расчета междукамерных целиков в условиях ведения горных работ на больших глубинах, направленная на снижения потерь полезного ископаемого. Ключевые слова: потери, деформации, целик, метод, расчет, глубина, выработанное пространство.
Основным недостатком камерной системы разработки являются большие потери полезного ископаемого в междукамерных целиках, которые с увеличением глубины ведения горных работ существенно возрастают, поскольку их размеры по принятым методам расчета находятся в прямой зависимости от глубины залегания.
В настоящее время оценка состояния целиков при камерной системе разработки производится по методу академика Л. Л. Шевякова (в различных модификациях) [1], согласно которому междукамерные опорные целики оставляются по всему шахтному полю одинаковыми. Размеры этих целиков рассчитываются на восприятие давления от веса столба горных пород от почвы пласта до земной поверхности по формуле:
* = -, (1)
R hqi
-1
пНц Нц
где х — ширина ленточного целика, м.; А — ширина камеры, м.; К — предел прочности породы опорного целика на сжатие, тс/м2; п — коэффициент запаса прочности при расчете опорного целика; Н — глубина верхней части опорного целика от земной поверхности, м.; ц — средний объемный вес покрывающих пласт (залежь) пород, т/м3; Ь — высота опорного целика, м.; ц1 — объемный вес породы целика, т/м3.
Этот метод разработан преимущественно для условий, при которых целики и камеры образуют неограниченную периодическую последовательность, то есть если все пролеты камер одинаковы, целики равновелики и если число камер и целиков неограниченное множество. При этих условиях давление на целики равно весу породного столба, основанием которого служит площадь, ограниченная по сторонам линиями, делящими пролеты камер пополам. Расчетные формулы Л.Д. Шевякова построены исходя из предпосылки о равномерном распределении напряжений по поперечному сечению целика. Однако, как отмечал автор этой теории [1], данный метод разработан для малых глубин ведения горных работ и небольших площадей отработки полезного ископаемого. При достижении 300—400 м, потери приближаются к 70 %, что находится на пределе допустимого и вызывает серьезные нарекания ГКЗ Роснедра. При дальнейшем увеличении глубины ведения горных работ, ширина целиков достигает запредельные значения — 400-500 м, а также принимает отрицательное значение (рис. 1), что указывает на ограниченную пригодность для современных условий, когда горные работы уходят на большие глубины.
При увеличении глубины разработки расчетная величина целика, получаемая по формулам Л.Д.Шевякова, оказывается сильно завышенной, что объясняется принятым допущением о равномерном распределении напряжений по сечению целика, которое справедливо только для целиков, имеющих высоту, большую или равную ширине.
О 100 200 300 400 И, Л1
Рис. 1. Зависимость ширины целиков х от глубины ведения горных работ Н по методу Л.Д.Шевякова
Для определения поправочного коэффициента, учитывающего снижение величины разрушающего напряжения в зависимости от отношения размеров целика, обычно применяют формулу Церна [2]:
«г (2)
где а - ширина целика, м; Ь - высота целика, м.
В США при расчете междукамерных целиков широко применяется формула Бантинга, выведенная для условий антрацитовых месторождений Пенсильвании, но получившая распространение в других странах [3]. Эта формула базируется на тех же допущениях, что и метод Л.Д. Шевякова. Поэтому при расчетах в нее также вводится поправочный коэффициент, имеющий вид
К = 0,7 + 0,3Ь , (3)
к
где Ь - ширина целика, м; к - высота целика, м.
Однако введением этих поправок проблема определения оптимальных размеров междукамерных целиков не решается, поскольку при глубинах Н, равных 400 и более метров, знаменатель дроби в формуле (1) становится равным нулю или приобретает отрицательное значения, то есть размер целика должен быть равным бесконечности или приобретать отрицательное значение.
Практика горного дела и исследования на моделях в лабораторных условиях показали, что давление на целик оказывает не весь столб пород от кровли пласта до земной поверхности, а только часть его, расположенная в пределах свода естественного равновесия, местоположение и размеры которого зависят от общей площади выработанного пространства, характеризуемого его размерами в двух взаимно перпендикулярных направлениях.
Для приближенного определения значения размеров выработанного пространства Окр, при которых свод естественного равновесия выходит на земную поверхность, то есть когда происходит разрушение замка этого свода, можно воспользо-
ваться формулой профессора М.М. Протодьяконова, приведенной к виду:
Ор = 2Н , (4)
где / - прочность пород по шкале М.М. Протодьяконова, Н -глубина ведения горных работ, м; Окр - размер выработанного пространства в заданном направлении, при котором свод естественного равновесия выходит на земную поверхность, м.
Приняв в качестве первого приближения зависимость приведенной (условной) высоты столба пород, оказывающего давление на междукамерный целик по аналогии с общепринятой диаграммой сдвижения [2], можно записать:
Нр = Н4П, (5)
где N = ; при значениях N более единицы принимается N = 1;
Окр
О - размер выработанного пространства в рассматриваемом направлении (рис. 2).
В этом случае формула (1) принимает вид:
пА !СЛ х = ^-;-, (6)
К Ьцх
Н„я Нц
-1
Рис. 2. Схема к расчету размеров целиков: х - размер целика, м; О -размер выработанного пространства, м; 1 - граница свода естественного равновесия
При этом устраняются противоречия, имеющиеся в формуле (1), но сохранено основное ее содержание. В том числе показано, что она является частным случаем формулы (1) при N равным единицы, то есть, когда свод естественного равновесия достигает земной поверхности.
Результаты расчетов по формуле (6), приведенные на рис. 3, соответствуют опыту отработки запасов полезных ископаемых камерными системами и современному состоянию изученности проблемы.
Разработанная методика расчета междукамерных целиков базируется на теоретических предпосылках академика Л.Д. Шевякова и потому является развитием его теории. Важным достоинством предложенной методики является то, что она позволяет снизить потери полезных ископаемых на больших глубинах, где на вскрытие и подготовку запасов затрачивается значительно больше средств, чем на малых и средних глубинах.
Много запасов полезных ископаемых теряется при различных авариях. Так, десятки миллионов тонн вскрытых и подготовленных к выемке калийно-магниевых солей безвозвратно
12
10
4
8
6
2
0
II, м
100
300
500
700
900
V.
Рис. 3. Графики зависимости ширины целиков х от глубины ведения горных работ Н при размерах выработанного пространства О, рассчитанные по усовершенствованной методике
потеряно при аварийном затоплении первого и третьего Бе-резниковских рудников ОАО «Уралкалий» [3]. Одной из причин этих аварий является то, что междукамерные опорные целики оставляются по всему шахтному полю одинаковыми, рассчитанными на восприятие давления от веса столба горных пород от почвы целика до земной поверхности. В результате одни целики содержат высокий запас прочности, ведущий к большим потерям, другие - аварийно разрушаются за счет существенного занижения веса столба пород, попадающих в зону влияния опорного давления.
Исключить такие ситуации можно путем дифференцированного подхода к определению размеров опорных целиков с учетом их местоположения в шахтном поле. Указанная цель достигается тем, что вместо целиков одинакового размера, рассчитанных на восприятие давления веса столба пород, равного глубине горных работ, размеры междукамерных опорных целиков определяют из реального давления на них пород, находящихся внутри свода естественного равновесия в окончательном его положении [4]. При этом целик, расположенный на стыке сводов естественного равновесия определяют с учетом давления на пяты сводов тех пород, которые расположены над контурами сводов естественного равновесия.
В последнее время проблема отработки запасов полезных ископаемых под застроенными территориями и природными объектами сильно усложнилась по ряду причин, в том числе [5-7]:
— после упразднения из «Закона о недрах» требования о согласовании строительства на площадях залегания полезных ископаемых с органами Ростехнадзора, началась массовая и необоснованная застройка территорий, подлежащих подработке. Процедура получения согласования собственника на подработку его объекта многократно усложнилась. На решение этих вопросов теперь могут потребоваться многие месяцы и даже годы. На это время горные работы должны быть остановлены и составленные проекты пересмотрены. Все это ведет к нарушению ритма работы горнодобывающих предприятий, срывам сроков поставки продукции потребителям и большим убыткам. Выходом их складывающейся ситуации является создание легитимного межотраслевого документа, согласованного на достаточно высоком уровне, зарегистрированном в Минюс-
те РФ и обязательным для всех собственников объектов, расположенных на площадях залегания полезных ископаемых. Сугубо ведомственными документами, какими являются различные «Указания...», незарегистрированные в Минюсте РФ, эта задача не решается;
— на ряде многих действующих рудниках площадь отработки полезного ископаемого приближается к критическим значениям, при которых начинают происходить интенсивные геомеханические процессы, вызывающие образование на земной поверхности больших деформаций, вплоть до крупных трещин и провалов;
— на подрабатываемых территориях увеличилась плотность застройки, появились магистральные газо- и нефтепроводы, здания повышенной этажности и другие ответственные объекты, опыт подработки которых отсутствует, и на охране их предохранительными целиками настаивают собственники этих объектов.
Лля успешного решения возникшей проблемы необходимо объединить усилия всех заинтересованных организаций и составить межведомственный документ, содержащий четкие требования к застройке площадей залегания полезных ископаемых и к подработке объектов, расположенных на этих площадях. Специфические особенности отдельных месторождений целесообразно отразить в Приложениях. Согласование и утверждение этого документа на достаточно высоком уровне и регистрация его в Минюсте позволит упорядочить вопросы застройки площадей залегания полезных ископаемых, существенно снизить потери полезных ископаемых, повысить эффективность и безопасность горных работ и подрабатываемых объектов.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шевяков Л. Д. Основы теории проектирования угольных шахт, M., 1958.
2. Певзнер М.Е., Иофис М.А., Попов В.Н. Геомеханика: Учебник для вузов. - М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2005.
3. Иофис М.А., Гришин А.В., Есина Е.Н. Сдвижение горных пород и земной поверхности при разработке месторождений полезных ископаемых:
учеб. пособие / М.А. Иофис, A.B. Гришин, E.H. Есина. - М.: РУДН, 2011. -103 с.
4. Патент на изобретение РФ №2428565 «Способ отработки полезных ископаемых при минимальнык потерях и максимальной безопасности горных работ», выдан 10.09.2011г, приоритет изобретения 09.06.2010 г.
5. Зимич B.C., Иофис М.А., Гришин A.B. Классификация подработанных территорий по степени их пригодности для дальнейшего использования в хозяйственных целях. // НАУКОВ1 ПРАЩ УКРНДМ1 HAH УКРА1НИ. Ви-пуск 9 (частина 1) / Пщ заг. ред. A.B. Анцифирова. - Донецьк, УкрНДМ1 HAH Украши, 2011. - С. 236-244.
6. Гришин A.B., Логвиненко М.К. К вопросу о взаимосвязи горизонтальных и вертикальных деформаций массива горных пород и земной поверхности при подземной разработке месторождений полезных ископаемых. // Маркшейдерский вестник. - № 2. - 2012. - С. 51-56.
7. Иофис М.А., Есина E.H., Мараков B.E., Чистяков А.Н. Геомеханические критерии безопасной отработки Гремячинского месторождения калийных солей // Маркшейдерский вестник, № 4. - 2011. - С. 44-52. ШИЗ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Иофис Михаил Абрамович - профессор, доктор технических наук, главный научный сотрудник,
Гришин Алексанадр Викторович - доцент, кандидат технических наук, и.о. заведующего отделом,
Есина Екатерина Николаевна - кандидат технических наук, старший научный сотрудник,
Институт проблем комплексного освоения недр Российской академии наук.
WAYS OF DECREASE IN LOSSES OF MINERALS AT CHAMBER SYSTEMS OF DEVELOPMENT
Iofis M.A.1, Professor, doctor of technical Sciences, chief scientific officer, Grishin A. V. 1, associate Professor, candidate of technical Sciences, acting head of the Department,
Esina E.N. 1, candidate of technical Sciences, senior researcher,
institute of comprehensive exploitation of mineral resources, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia.
The method of an assessment of a state of pillars is analysed at chamber system of the development, offered by the academician Shevyakov. It is shown limitation of its application at calculation of pillars at great depths of conducting mining operations. The advanced calculation procedure interchamber pillars in the conditions of conducting mining operations at the great depths, directed on decrease in losses of mineral is offered.
Key words: loss, strain, pillar, method, calculation, depth, goaf.
REFERENCES
1. Shevjakov L.D. Osnovy teorii proektirovanija ugolnyh shaht (Fundamentals of the theory of design of coal mines), Moscow, 1958.
2. Pevzner M.E., Iofis M.A., Popov V.N. Geomehanika: Uchebnik dlja vuzov. Moscow, Izdatel'stvo Moskovskogo gosudarstvennogo gornogo universiteta, 2005.
3. Iofis M.A., Grishin A.V., Esina E.N. Sdvizhenie gornyh porod i zemnoj poverhnosti pri razrabotke mestorozhdenij poleznyh iskopaemyh (The movement of rocks and the earth's surface during the development of mineral deposits): ucheb. Po-sobie, Moscow, RUDN, 2011, 103 p.
4. Patent na izobretenie RF №2428565 vydan 10.09.2011g, prioritet izo-bretenija 09.06.2010.
5. Zimich V.S., Iofis M.A., Grishin A.V. Klassifikacija podrabotannyh terri-torij po stepeni ih prigodnosti dlja dalnejshego ispol'zovanija v hozjajstvennyh celjah (Classification underworked areas according to the degree of their suitability for further use for commercial purposes), NAUKOVI PRACI UKRNDMI NAN UKRAINI. Vipusk 9 (chastina 1) / Pid zag. red. A.V. Ancifirova, Donec'k, UkrNDMI NAN Ukraini, 2011, pp. 236-244.
6. Grishin A.V., Logvinenko M.K. K voprosu o vzaimosvjazi gorizontalnyh i verti-kal'nyh deformacij massiva gornyh porod i zemnoj poverhnosti pri podzemnoj razrabotke mestorozhdenij poleznyh iskopaemyh (To the question about the relationship of the horizontal and vertical deformations of the rock mass and the earth's surface in underground development of mineral deposits), Markshejderskij vestnik, no. 2, 2012, pp.
7. Iofis M.A., Esina E.N., Marakov V.E., Chistjakov A.N. Geomehanicheskie kriterii bezopasnoj otrabotki Gremjachinskogo mestorozhdenija kalijnyh solej (Geome-chanical criteria for safe testing gremyachinskoe potash), Markshejderskij vestnik, no. 4, 2011, pp.44-52.
51-56.
