CC BY
94
© И.И. Айнбиндер, П.Г. Пацкевич, Ю.И. Родионов, С.А. Кисиличин, 2010
УДК 622. 272
И.И. Айнбиндер, П.Г. Пацкевич,
Ю.И. Родионов, С.А. Кисиличин
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПОДЗЕМНОЙ ГЕОТЕХНОЛОГИИ ОТРАБОТКИ ТРУБКИ «ИНТЕРНАЦИОНАЛЬНАЯ.»
СИСТЕМАМИ РАЗРАБОТКИ С ЗАКЛАДКОЙ ВЫРАБОТАННОГО ПРОСТРАНСТВА И КОМБАЙНОВОЙ ОТБОЙКОЙ РУДЫ
Приведен анализ состояния горных работ на руднике «Интернациональный» и показана необходимость либо существенной модернизации существующей системы разработки, либо переход на новую.
Предложены новые варианты системы разработки с твердеющей закладкой применительно к условиям рудника и показаны пути совершенствования существующей технологии ведения очистных работ.
Ключевые слова: жщ™™™™™™™™™™™™™™™^№№№№№№№№№№№№№№мгеотехнология, выработанное пространство, твердеющая закладка, очистные работы.
Семинар № 18
~Р удник «Интернациональный»
ведет добычу руды подземным способом с августа 1999 г. За это время были испытаны различные варианты системы горизонтальных слоев с твердеющей закладкой как с восходящим, так и нисходящим порядком выемки слоев.
Начиная с 2003 г. от восходящего порядка выемки на руднике полностью отказались из-за проблем с поддержанием естественной кровли очистных выработок. Потеря устойчивости рудного массива происходила в виде интенсивного вывалообразования, из-за чего выработки приходилось полностью закреплять рамными крепями с полной затяжкой кровли. Из-за высокой трудоемкости крепления производительность комбайнового комплекса в выработках с естественной кровлей снижалась с 220 тыс. т
до 67 тыс. т руды в год, то есть более чем в 3 раза.
На данный момент отработку ведут следующим образом. Рудное тело по вертикали разбивается на выемочные секции. Каждая выемочная секция состоит из 5-6 слоев высотой 4-4,75 м. Вертикальная мощность секции в среднем составляет 27 м. Разрезной слой каждой новой секции вынимают тупиковыми заходками с креплением неполными окладами и затяжкой. Остальные слои отрабатывают тупиковыми заход-ками нисходящим порядком под искусственной кровлей.
Для обеспечения требуемой производительности рудника 450-500 тыс. т в год в одновременной эксплуатации находится 4 комбайна.
Опыт ведения подземных горных работ показал принципиальную возмож-
ность увеличения параметров поперечного сечения очистных выработок, например, на сопряжениях устойчивые пролеты горизонтальных обнажений как естественной, так и искусственной кровли достигают 8-10 м. В блоке № 6 пролеты очистных выработок по паспорту принимались равными 6 м по ширине и до 5,15 м по высоте, по факту достигая 7-8 м на отдельных участках очистных выработок.
За счет увеличения параметров поперечного сечения очистных выработок планируется повышение интенсивности очистных работ, снижение цикличности добычных работ, улучшение техникоэкономических показателей, уменьшение объемов подготовительно-нарезных работ, улучшение геомеханических условий отработки.
Выполненный обзор опыта отработки соляных месторождений позволил сделать вывод, что применяемые на соляных рудниках технологические схемы, в условиях ограниченных в плане размеров трубки «Интернациональная» непригодны из-за высокого уровня потерь полезного ископаемого и из-за необходимости значительных объемов проведения полевых выработок.
Для обоснования рационального способа достижения поставленной задачи, а именно, увеличения геометрических параметров слоевой системы разработки с закладкой выполнена систематизация возможных вариантов слоевой системы разработки с закладкой и комбайновой отбойкой и произведена оценка их перспективности применительно к условиям трубки «Интернациональная».
В качестве признаков принимались следующие:
1. Параметр (пролет вертикального либо горизонтального обнажения) очи-
стной выработки, который подвергается изменению и сочетание геометрических параметров.
2. Характеристика схемы и стадийности формирования очистной выемки по количеству ходов комбайна.
3. Направление развития фронта очистных работ в приделах выемочной секции (восходящие и нисходящие).
4. По порядку выемки очистных за-ходок (сплошные с работой в одном или нескольких уровнях, камерно-целиковые с работой в одном или нескольких уровнях).
Всего возможно несколько десятков вариантов системы. Введение в качестве признаков направления развития фронта в плане и количества рабочих уровней увеличивает число вариантов еще в несколько раз, доводя их количество более чем до сотни.
Выбор оптимального варианта системы разработки производился следующим образом. Первоначально были отобраны все варианты технически возможные для конкретных условий. Оценка проводилась по следующим критериям:
• Необходимость создания водоупорного закладочного массива на конкретном участке геологического разреза. Кимберлитовые трубки Якутии характеризуются сложными гидрогеологическими условиями, поэтому вопрос защиты подземных выработок от проникновения минерализованных вод является одним из важнейших факторов обеспечения безопасности горных работ. Для предотвращения фильтрации воды через закладочный массив и по контакту закладочного массива и вмещающих пород, на отдельных интервалах, где вмещающие породы представлены карбонатами, целесооб-
разно создавать водоупорный массив (возможно с тампонированием при-контурного массива). На таких участках следует применять восходящий порядок выемки.
• Условия поддержания кровли очистных выработок. Являются определяющими для выбора горизонтального пролета обнажения очистных захо-док. Физико-механи-ческие свойства кимберлитов и геомеханические условия, формируемые вследствие особенностей ведения горных работ на руднике «Интернациональный», предполагающих ведение добычных работ одновременно в нескольких секциях, зачастую приводят к возникновению сложностей с поддержанием рудной кровли. Это приводит к необходимости крепления выработок, что в свою очередь резко, более чем в три раза, снижает производительность добычного комплекса. В таких условиях выработки с рудной кровлей проходят минимально возможным сечением, а впоследствии применяют нисходящий порядок выемки. На отдельных участках рудного тела, например выше гор. -190 м применение системы горизонтальных слоев с закладкой, по всей видимости, будет возможно только при нисходящем порядке выемки. Устойчивость искусственной кровли определяется соответствием закладочного массива нормативной прочности для конкретного пролета горизонтального обнажения, толщиной несущего слоя, качеством его формирования и армирования.
• Условия поддержания бортов очистных выработок. При ведении горных работ на руднике «Интернациональный» были отмечены случаи потери устойчивости бортов очистных вырабо-
ток. Наиболее часто это явление наблюдалось заходках 1-й очереди разрезных слоев, особенно при длительном стоянии незаложенных выработок. При проходке выработок, хотя бы один борт которых был представлен искусственным массивом, осложнения практически не проявлялись. Исходя из изложенного, можно предположить, что поддержание обнажений искусственного массива с увеличенной высотой не будет вызывать трудностей при соблюдении требований к нормативной прочности закладки. Возможность увеличения высоты выработок с рудными бортами необходимо проверить во время испытаний.
• Условия формирования закладочного массива. Качество закладочного массива во многом определяется условиями его формирования, что подробно рассмотрено в работах [1, 2]. Для слоевых систем разработки с нисходящим порядком выемки особенно важным является формирование несущего слоя. В идеале несущий слой должен формироваться за один раз, без перерыва в подаче закладочной смеси. То есть площадь очистной выработки в плане должна соотноситься с производительностью закладочного комплекса. Также необходимо учитывать перепад высот по длине заходки. «Регламентом технологического процесса...» предусмотрено возведение промежуточных закладочных перемычек, однако при увеличенном горизонтальном пролете очистных выработок их применение рекомендовать нельзя до проведения соответствующих испытаний.
Первоначальный отбор вариантов осуществлялся на основе учета гидрогеологических и геомеханических факторов на конкретном участке, где планируется проведение испытаний. Учиты-
вая большое количество рассматриваемых вариантов для отбора была составлена специальная табличная форма, в которой для каждого варианта по вышеуказанным критериям присвоено значение «+» или «-». После этого варианты, получившие положительную оценку по всем критериям, сравнивались по технико-экономическим показателям.
Опытно-промышленные испытания системы горизонтальных слоев с закладкой и увеличенными параметрами будут проведены в блоке 7/8. Учитывая значительное расстояние от метегеро-ичерского водоносного ком-плекса, горно-геологические и горнотехнические условия, а также имеющиеся подготовительно-нарезные выработки, рекомендуется первоначально принять к испытанию один из вариантов с нисходящим порядком выемки слоев.
Рудник «Интернациональный» на очистных работах эксплуатирует комбайны производства фирмы «Voest-А1рте» (Австрия) АМ-75, АМ-85 и АМ-105 и АМ-1000. Их технические возможности позволяют за один ход оформлять выработку высотой от 4870 до 5800 мм и шириной от 7400 до 9000 мм.
В процессе проведения технического анализа было рассмотрено более 10 возможных вариантов системы, как применяемых на других рудниках, так и оригинальной разработки.
Для трубки «Интернациональная» характерны: малая площадь в плане и высокая ценность руды, определяющая необходимость высокой полноты выемки. Поэтому ни одна из применяющихся на других рудниках схем не может быть адаптирована к данным условиям. Увеличение высоты очистных выработок больше технически возможной для ком-
байна нежелательно, так как это неизбежно приводит к оставлению в каждом слое рудных целиков, извлечение которых недорогими и технологичными способами невозможно, при этом возникает проблема возведения закладочных перемычек большой высоты. Существуют варианты системы, которые позволят не оставлять рудных целиков, но они требуют вынесения нарезных выработок за контур рудного тела, что значительно увеличивает объем полевой проходки. Таким образом, для условий рудника «Интернациональный» потребовалось разработать оригинальный вариант системы разработки, к которому предъявляются следующие требования: минимизация объема полевых
выработок, обеспечение полноты выемки полезного ископаемого, исключение высоких закладочных перемычек, уменьшение частоты переездов комбайна.
В результате был разработан вариант, в наибольшей степени удовлетворяющий предъявляемым требованиям, который предлагается к испытаниям.
Целью проведения испытаний является определение технической возможности и экономической целесообразности увеличения площади поперечного сечения очистных выработок в условиях рудника «Интернациональный», разработка и выбор эффективных технологических схем ведения работ слоевой системой разработки с закладкой твердеющими смесями с увеличенными параметрами очистных выработок при комбайновом способе отбойки.
Основными задачами испытаний являются:
1. Определение оптимального порядка отработки очистных заходок в пределах блока.
2. Определение рациональных способов оформления очистных заходок с увеличенным поперечным сечением при комбайновом способе отбойки.
3. Оценка устойчивости обнажений кровли и бортов очистных выработок, представленных рудным, породным, искусственным и комбинированными массивами.
4. Определение прочностных и деформационных характеристик образцов горных пород.
5. Определение технико-
экономических показателей испытываемых вариантов.
При нисходящем порядке выемки слоев, когда очистные работы ведут под защитой искусственной кровли, безопасные параметры очистных выработок определяются устойчивостью искусственного массива в кровле выработок, которая, в свою очередь, обеспечивается за счет формирования массива с требуемой нормативной прочностью. Нормативную прочность искусственного массива в кровле очистной за-ходки следует принимать из табл. 1. На начальном этапе испытаний рекомендуется принимать толщину несущего слоя равной 2,0 м.
Таблица 1
Требования к нормативной прочности несущего слоя
Толщина несущего слоя, м Пролет обнажения, м
4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 10,0
1,0 2,0 3,5 4,0 7,0 9,0 11,2
1,5 2,0 2,5 3,0 5,0 6,0 7,5
2,0 2,0 2,0 2,5 3,5 4,5 5,6
2,5 2,0 2,0 2,0 3,0 4,0 4,5
Первоначально предлагается испытать вариант с послойной выемкой од-
ним фронтом сдвоенными по высоте за-ходками. Принципиальная схема ведения очистных работ по данной технологии приведена на рис. 1 - 3.
Сущность предлагаемой системы разработки заключаются в следующем. Разрезной слой выемочной секции вынимается по существующей схеме. Так как ширина нижерасположенных захо-док превышает ширину заходок разрезного слоя, для обеспечения устойчивости искусственной кровли необходимо, чтобы почва всех смежных заходок находилась на одном уровне. Высота разрезного слоя составляет 4 м. Оставшиеся 23 м делятся на два горизонтальных слоя, высотой 11,5 м каждый, которые отрабатывают в нисходящем порядке.
Запасы слоя делят на заходки первой и второй очереди. Ширина заходок первой очереди принимается 6-8 м, второй очереди - 6 или 8 м. Рекомендуется для испытаний принять ширину лент первой очереди 6,0 м, а лент второй - 8,0 м.
Нарезные работы заключаются в проведении слоевых заездов от спирального съезда до контура рудного тела и далее по рудному телу.
Очистные работы в слое разбиваются на две стадии:
Стадия I - отработка и закладка за-ходок 1-й очереди.
Стадия II - отработка и закладка за-ходок 2-й очереди.
Отработка запасов стадии I происходит следующим образом. Очистная за-ходка делится два слоя, каждый из которых отрабатывается за один ход комбайна. Для заезда комбайна для каждого слоя проходят слоевой заезд с противоположных флангов рудного тела. После этого очистные заходки отрабатывают по схеме, определенной рабочим проектом. Первоначально
производят выемку верхнего слоя до сбойки со слоевым заездом, пройденным с противоположного фланга.
Этим обеспечивается сквозная вентиляция для отработки нижнего слоя за-ходки. Выемку заходки прекращают не
Б-Б
доходя до контура рудного тела, оставляя временный рудный целик, который впоследствии будет извлечен при проходке слоевого заезда для отработки за-ходок 2-й очереди.
Рис. 1. Система разработки горизонтальными слоями с закладкой с нисходящим порядком выемки. Вариант со сдвоенными по высоте слоями. 1-я стадия. Поперечный разрез
Рис. 2. Система разработки горизонтальными слоями с закладкой с нисходящим порядком выемки. Вариант со сдвоенными но высоте слоями. 1-я стадия Продольный разрез
Рис. 3. Система разработки горизонтальными слоями с закладкой с нисходящим порядком
После этого из второго слоевого заезда отрабатывают нижний слой за-ходки, также не доходя до контура рудного тела, оставляя временный рудный целик. После этого отработанную заходку закладывают.
Для исключения частых переездов комбайна со слоя на слой и для повышения интенсивности работ предлагается в одной выемочной секции использовать два комбайна, один из которых будет отрабатывать верхние слои очистных заходок, а второй - нижние слои. В этом случае перегоны комбайна происходят только после полной отработки всего слоя сдвоенными заходками, а время отработки слоя высотой 11,5 м
будет ненамного больше времени отработки стандартного слоя высотой 4,5-4,75 м (увеличится только время на закладочные работы). Схема отработки запасов стадии II принципиально ничем не отличается. Для отработки захо-док второй очереди также проходят два слоевых заезда на противоположных флангах рудного тела, вынимая временные рудные целики, оставленные при отработке заходок первой очереди. За-ходки второй очереди имеют в кровле и бортах искусственный массив, поэтому их ширину можно увеличить до 8 м при соблюдении нормативной прочности закладки.
Рис. 4. Система разработки горизонтальными слоями с закладкой с нисходящим порядком выемки с опережающим формированием слоевыш заездов. Вариант со сдвоенными по высоте слоями и отработкой лент первой и второй очереди из одного слоевого заезда. Отработка лент первой очереди
Заходки второй очереди отрабатывают в порядке, предусмотренным рабочим проектом.
После полной отработки запасов слоя аналогичным образом отрабатывается нижележащий слой.
Наиболее существенными недостатками рассмотренного выше варианта являются необходимость проведения слоевых заездов под рудной кровлей, которая
Рис. 5. Система разработки горизонтальными слоями с закладкой с нисходящим порядком выемки с опережающим формированием слоевых заездов. Вариант со сдвоенными по высоте слоями и отработкой лент первой и второй очереди из одного слоевого заезда. Отработка лент второй очереди
зачастую имеет низкую устойчивость, а также отсутствие наклона слоев, что может вызвать проблемы с растеканием смеси в заходках длиннее 30-40 м при односторонней схеме подачи закладки, применяемой на руднике.
Для того чтобы избежать отмеченных недостатков, был разработан дополнительный вариант, рекомендуемый для
испытания на втором этапе испытаний (рис. 4 и 5).
Основная его особенность состоит в предварительном формировании слоевых заездов таким образом, что все они проходятся под защитой искусственной кровли. Таким образом исключается формирование рудных консолей в кровле слоевых заездов, длительное стояние которых без крепления сопряжено с риском заколообразования и обрушений кровли.
Предварительные расчеты интенсивности очистных работ, выполненные по позабойному методу показали, что производительность одного фрон-та при предлагаемых схемах ведения очистных работ достигнет 380-400 тыс. т/год, что позволяет обеспечить требуемую производительность рудника при существую-
1. Монтянова А.Н. Формирование закладочных массивов при разработке алмазных месторождений в криолитозоне. - М.: Горная книга, 2005.
2. Пацкевич П.Г. Геомеханическое обоснование геотехнологии отработки подземных
щей стратегией развития рудника, предусматривающей одновременную отработку запасов верхних блоков №№ 1-4 и запасов глубоких горизонтов в блоках 7/8 и ниже.
В результате опытно-промышленных испытаний будет оценена устойчивость конструктивных элементов системы разработки, выбран порядок ведения горных работ, определены рациональные схемы отбойки руды в пределах выемочной секции. Тем самым будет определена техническая возможность и экономическая целесообразность применения данного варианта системы разработки. Полученные данные будут использованы для дальнейшего совершенствования технологии добычных работ с использованием комбайновой отбойки руд.
------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
запасов трубки «Интернациональная». Материалы 2-й международной научной школы «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых. - Москва. ИПКОН РАН, 2005. шгЛ
і— Коротко об авторах ----------------------------------------------------------------------
Айнбиндер И.И. - доктор технических наук, заведующий лабораторией,
Пацкевич П.Г. - горный инженер,
Родионов Ю.И. - горный инженер,
Институт проблем комплексного освоения недр РАН, info@ipkonran.ru Кисиличин С.А. - аспирант кафедры Технологии подземной разработки рудных и нерудных месторождений, Московский государственный горный университет,
Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru
