CC BY
42
поддержание буровых выработок за счет обеспечения наибольшей устойчивости буровых выработок и целиков между
ними буровые выработки располагают на разных уровнях по высоте с чередованием уровней проходки выработок через один ряд скважин (А.С. №1666710).
4. Камерные запасы руды обуривают нисходящими параллельными скважинами большого диаметра. Отбойку камерных запа-
сов производят горизонтальными секциями в направлении снизу вверх сосредоточенными зарядами ВВ. С целью повышения безопасности работ, снижения затрат на поддержание выработок бурового горизонта, повышения качества дробления и увеличения производительности труда отбойку руды ведут на зажатую среду, образованную замагазини-ванной рудой (А.С. №1543082).
— Коротко об авторах
Антипин Ю.Г. - ИГД УрО РАН.
----------------------------------------- © В.Н. Власов, В.И. Клишин,
2004
УДК 622.272
В.Н. Власов, В.И. Клишин
СПОСОБЫ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ С ОБРУШЕНИЕМ И ОДНОВРЕМЕННЫМ ДОЗИРОВАННЫМ ВЫБРОВЫПУСКОМ РУДЫ ПОД ПОКРЫВАЮЩИМИ ПОРОДАМИ
Семинар № 13
Для разработки мощных рудных месторождений подземным способом с минимальной себестоимостью добычи используют системы подэтажного и этажного обрушения с выпуском руды под покрывающими породами. Самой производительной системой по данным мировой практики является система подэтажного обрушения с торцовым выпуском руды -шведский вариант. За 80-летний срок ее применения (предложена в 1920 г.) разработана высоконадежная техника для механизации всех процессов, позволяющая достигать производительности более 100 тна человека в смену по шахте. В то же время по показателям потерь и разубожи-вания технология не благополучная: потери руды
в недрах достигают 12-15 %, а разубоживание 30-35 %.
Совершенствования и исследования технологических процессов рассматриваемых систем проводились постоянно как в СССР, России так и за рубежом рядом поколений высококвалифицированных горных инженеров, Малахов Г.А. [1], Дубынин Н.Г. [2], Хетагуров Г.Д. [3], Дженике Э.В. [4], Корнев Г.Н. [5], Агошков М.И. [6], Именитов В.Р. [7]и др. написано большое количество статей, книг, защищено более двух десятков докторских и кандидатских диссертаций. В тоже время существенных изменений в показатели потерь и разубожива-ния на практике рудников не внесли.
В ИГД СО РАН ведутся исследования, позволяющее повысить качество извлечения руды из недр системами с обрушением и выпуском под покрывающими породами [8]. Предложен способ одновременного дозированного вибровыпуска руды из блоков под покрывающими породами с последующей погрузкой и транспортировкой выпущенной дозы на концентрационном горизонте, например, погру-зочно-доставочными машинами. Это позволяет снизить потери и разубоживание руды в 3-5 раз и по показателям конкурировать с системами, использующими твердеющую закладку.
Рассмотрим предпосылки создания предлагаемой технологии подземной добычи руды. Известно, что при выпуске сыпучего материала из квадратного отверстия над ним образуется зона потока круглого сечения, а при выпуске из прямоугольного отверстия - нижняя часть имеет вид эллипса и на некоторой высоте переходит в круг. Если прямоугольное отверстие заменить рядом квадратных отверстий, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга, чтобы зоны потоков над каждым из них пересекались, и выпуск из всей группы отверстий вести одновременно, то при выпуске из ряда отверстий образуется единый поток, аналогичный выпуску из прямоугольного отверстия. Если выпуск производить в разное время, то над каждым отверстием образуется своя зона потока, даже если потоки пересекаются на небольшой высоте. Причем суммарная площадь индивидуальных зон, значительно меньше одной зоны при однйцжманнгоуснипзажнучих материалов из отверстий в окружающем зону потока слое возникают динамические пульсирующие усилия, направленные нормально к
вертикальной образующей зоны потока. Так как эти усилия имеют горизонтальное или близкое к нему направление, то его называют горизонтальным распором. Этот распор представляет собой превышение величины бокового давления, имеющих место в сыпучих материалах в статическом состоянии.
Возникновение динамического горизонтального распора при выпуске сыпучих материалов впервые было выявлено еще в конце XIX столетия [8] при анализе разрушения силосных башен хранения зерна.
В 1938-1939 гг. опыты по исследованию горизонтального распора были проведены С.Г. Тахтамышевым на элеваторе в г. Баку. Исследования проводились на трех зерновых сило-сах, имеющих высоту 28 м при диаметре двух из них - 7 м, и третьего - 4,8 м. В 1939-1940 гг. им были проведены аналогичные опыты с фосфоритной мукой в г. Воскресенске. Этими опытами установлено, что выпуск зерна в большинстве случаев приводит к значительному (в 2,5-3 раза) повышению давления на стенку. При этом максимальное значение наблюдается в интервале сужения зоны потока над выпускным отверстием.
Динамические пульсирующие усилия производят уплотнение сыпучего материала вокруг зоны движущего потока, создавая уплотненный массив. В тоже время в зоне потока над выпускным отверстием образуются и разрушаются куполообразные полости, обеспечивая выход сыпучего материала через выпускное отверстие, и создается в средней части потока зона с изменяющейся плотностью. Движущийся поток сыпучего материала в сужающей зоне потока является источником динамических пульсирующих воздействий на окружающий массив, а пульсирующие изменения плотности внутри зоны потока способствуют образованию компенсационного пространства при изменении зоны потока.
При выпуске из одного отверстия за счет динамических пульсирующих воздействий происходит уплотнение сыпучего материала вокруг движущегося потока с образованием плотных гребней между зонами потоков (выпускными отверстиями). При выпуске из нескольких выпускных отверстий над каждым из выпускных отверстий создается свой независимый источник динамических пульсирующих воздействий. Каждый из источников работает самостоятельно. Поверхности, генерирующие динамические силовые импульсы через сыпучий материал, взаимодействуют с зонами пониженной плотности в смежных зонах потоков над соседними отверстиями. При этом возможно смещение частиц сыпучего материала под действием больших силовых импульсов, величина которых может достигать 4у Н и частотой до 12 Гц. Эти воздействия ведутся между смежными зонами потоков в взаимопротиво-положных направлениях.
б
д
в е
Таким образом, сыпучий материал, находящийся между смежными зонами потоков, подвергается большим динамическим нагрузкам во взаимопротивоположных направлениях, что исключает образование застойных зон и гребней. Для того, чтобы исключить образование застойных зон необходимо вести одновременный выпуски из ряда смежных выпускных отверстий.
Для проверки вышеуказанного положения были проведены исследования на модели, где наблюдалась качественная оценка процесса (моделирование выполнено А.А. Крамаджя-ном). Обрушенные руды (черный цвет) и покрывающие породы (белый цвет) моделировались окрашенным песком. Визуализация де-
Рис. 1. Исследование процесса выпуска на модели: «а», «б», «в» - поочередный последовательный выпуск; «г», «д», «е» -одновременный дозированный выпуск
формационной картины осуществлялась посредством системы первоначально горизонтальных прослоек, контрастных по цвету с основным материалом, которые формировались у прозрачной лицевой стенки. Выпуск осуществлялся через три выпускных воронки, причем, расстояние подобрано таким образом, чтобы зоны, образующиеся около движущихся потоков горной массы пересекались над воронками выпуска. На модели исследовался процесс влияния последовательного выпуска на форму и размеры зоны потока. На рис. 1 а, б, в показаны фотографии модели при последовательном выпуске из отверстий. В начале из центрального отверстия выпускалась руда до начала процесса разубоживания. На этой же фотографии показан момент начала выпуска из левого выпускного отверстия. На рис. 1 б показан момент окончания выпуска чистой руды до начала разубоживания левого отверстия. На рис. 1 в показан момент выпуска руды из правого отверстия до начала процесса разубоживания. Между зонами потоков остаются гребни, в данном примере, на всю высоту отбитого слоя руды.
На рис. 1 г, д, е показано исследование процесса одновременного дозированного выпуска из трех отверстий на той же модели. На рис. 1 г показано начало процесса одновременного выпуска из всех отверстий, на рис. 1 д -середина процесса, а на рис. 1 е - перед началом разубоживания.
При одновременном выпуске из трех отверстий образуется одна зона потока, с площадью значительно большей, чем при последовательном выпуске из одиночных отверстий.
Рис. 2. Исследование процесса выпуска известняка в бункере на обогатительной фабрике
Для предварительной оценки процессов выпуска были проведены исследования в типовом бункере при промышленном выпуске сыпучих материалов на заводе минеральных удобрений.
Бункер (рис. 2, а) емкостью 150 тыс. т с заглубленной галереей сечением 2 х 2 м. Был оборудован вибрационными питателями производительностью 10 т/ч, установленными через 2 м над ленточным конвейером. Высота штабеля составляла 15 м, сыпучий материал - хорошо слеживающийся известняк крупностью 0-50 мм. После заполнения бункера сыпучим материалом на полную его емкость и последующей выгрузке вибрационными питателями в штабеле известняка образовались «трубы» на всю высоту (15 м), что не позволяло производить полную выгрузку. Максимальные размеры зоны потока, полученные над вибрационной плитой через одно выпускное отверстие размером 0,15x0,15 м достигали диаметра
0.3 м на всю высоту штабеля. (Размер выпускного отверстия равен трехкратному размеру кондиционного куска известняка.)
В дальнейшем над вибрационной плитой было выполнено два выпускных отверстия аналогичных размеров на расстоянии 0.2 м друг от друга. В этом случае над вибрационной плитой образовалась зона потока диаметром 0,6 м (рис.
2, б). При дальнейшем увеличении расстояния между выпускными отверстиями образовались две зоны потока диаметром по 0,3 м. а их общая площадь была меньше, чем единая зона потока. Для получения большей зоны потока над вибрационной плитой были выполнены четыре выпускных отверстия через 0,2 м, что позволило получить единую зону потока диаметром около 1,5 м (рис. 2, в).
Для получения полного стабильного и безаварийного выпуска известняка из бункера было предложено работать одновременно тремя вибрационными питателями, над каждым из которых выполнялось по четыре выпускных
отверстия (рис. 2, г). Таким образом, на площади около 15 м2 одновременно работали 12 выпускных отверстий. При одновременной работе трех вибрационных питателей обеспечивалось плавное перемещение известняка из бункера без зависания.
Для получения единого потока сыпучего материала необходимо рассредоточить выпускные отверстия по площади и расположить их на расстоянии, не превышающем размер зоны потока каждого из них, а выпуск осуществлять одновременно.
На основе проведенных исследований были рекомендованы системы отбойки и вибрационного выпуска руды, позволяющие образовать единый поток руды по всему сечению блока за счет рассредоточения выпускных отверстий по площади и расположения их на расстоянии не большем, чем размер зоны потока над каждым из них. При этом требуется проводить одновременный выпуск руды. Одновременный выпуск руды из блока, имеющего большую площадь и выпускные выработки, рассредоточенные на значительном расстоянии, можно осу-
ществлять только посредством вибрационных устройств.
Для предлагаемой технологии выпуска рекомендуется установки ВДПУ - 4ТМ (разработанные В.Н. Власовым ) [9], способные работать под полным завалом рудой, любой крепости и крупности. Установки серийно выпускаются Магнитогорским заводом с 1968 г. На рудниках бывшего СССР и России этими установками погружено более миллиарда тонн руды под землей.
Используя выше описанные выявленные закономерности выпуска, разработан ряд вариантов технологий подземной отработки мощных рудных месторождений, позволяющие максимально использовать имеющуюся на руднике горную технику, выработки и технологические приемы. При этом реконструкция шахт не требуется. На технологии получены патенты РФ [10-14].
Для разработки месторождений подэтаж-ным обрушением по предлагаемой технологии могут быть использованы все разработанные машинные механизмы и приемы используемые при технологии подэтажного обрушения с торцевым выпуском по шведскому варианту, при этом добавляется один процесс одновременного дозированного вибровыпуска, что и обеспечивает снижение потерь и разу-боживания в 3-5 раз, при этом производительность труда в целом по забою снижается на величину не более 5 % [10].
Для этажного обрушения разработан вариант отработки месторождений в неустойчивом горном массиве [14].
Пример выполнения способа разработки мощных месторождений в неустойчивом горном массиве показан на принципиальных схемах рис. 3. Нарезку горизонтов и проходку горно-подготовительных и нарезных выработок (поз. не обозначены) в блоке ведут известными приемами. На бу-
Рис. 3. Способ разработки этажным обрушением мощных месторождении в неустойчивом горном массиве
ровом горизонте проходят буровой орт 1 (рис. 3) для разбуривания массива 2 руды в блоке 3, ограниченном очистным забоем 4 и границей блока, обозначенной пунктирной линией. Из бурового орта 1 проходят восстающие выработки 5 безлюдным методом секционным взрыванием комплекта зарядов ВВ по трассе восстающей выработки 5, в которой размещают рассредоточенные по высоте минные заряды 6 ВВ. Промежутки между минными зарядами ВВ 6 заполняют инертным материалом 7.
Для образования компенсационных полостей 8 проходят буровой орт 9. В нем для каждой компенсационной полости 8 проходят отрезную восстающую выработку 10 также безлюдным методом и разбуривают комплекты скважин 11. На рис. 3 в цифрами 1-У1 обозначена очередность взрывания комплектов зарядов ВВ в скважинах 11. В процессе образования компенсационную полость 8 заполняют замагазинированной отбитой рудой 12.
В зависимости от горно-геологических и горно-технических условий отбойку руды в массиве 2 блока могут производить комбинированным способом с использованием рассредоточенных минных зарядов ВВ в восстающих выработках 5 и зарядов ВВ в комплектах пучковых скважин 13. На рис. 3 показан пример оформления днища блока 3 под вибровыпуск руды с траншеями 14, камерами 15 для монтажа вибромашин 16 и транспортных ортов 17.
Способ разработки мощных месторождений в неустойчивом горном массиве осуществляют следующим образом.
Отрезную восстающую выработку 10 в начальный период расширяют, взрывая заряд ВВ в скважине 11 с цифрой I. При этом производят отгрузку всей отбитой руды. Затем взрывают заряды ВВ в скважинах с цифрами 11-11 и производят выпуск всей отбитой руды. Затем взрывают заряды ВВ в скважинах с цифрами Ш-Ш и после выпуска руды определяют устойчивость стенок образовавшейся компенсационной полости 8. При обнаружении неустойчивости ее стенок дальнейшую отбойку руды ведут с частичным магазинированием. При взрываний зарядов ВВ в скважинах 11, обозначенных цифрами IV, производят выпуск отбитой руды в объеме 20-30 %, остальную отбитую руду магазинируют для поддержания стенок компенсационной полости 8. Дальнейшую отбойку руды в компенсационной полости 8 ведут на замагазинированную отбитую руду. Количество одновременно отбиваемой руды определяют таким, чтобы объем компенсационной полости 8 обеспечивал коэффициент разрыхления слоя отбитой руды не менее 1,15.
При отбойке последним проектным комплектом зарядов ВВ компенсационную полость 8 заполняют взорванной отбитой рудой с минимально возможным коэффициентом разрыхления 1,15. После образования компенсационной полости 8 производят проходку восстающих выработок 5 или бурение пучковых скважин 13 для отбойки руды в массиве. Перед ведением взрывных работ в массиве блока производят частичный выпуск замагази-нированной отбитой руды 12 в количестве 2540 % ее объема, доведя коэффициент разрых-
1. Малахов Г.М. Выпуск руды из обрушенных блоков. - М.: Металлургиздат, 1952.
2. Дубинин Н.Г. Выпуск руды при подземной разработке. - М.: Недра, 1965.
ления отбитой руды до 1,8-1,95 и более. После этого производят закладку минных зарядов 6 ВВ в восстающих выработках 5 с промежутками из инертных материалов 7. Взрывание ведут на зажатую среду (из пустых пород очистного забоя 4) и разрыхленную замагазинированную отбитую руду 12. При использовании зарядов ВВ в пучковых скважинах 13 отбойку производят также на зажатую среду (пустых пород очистного забоя 4) и разрыхленную замагазинированную отбитую руду 12 в компенсационной полости 8. Выпуск отбитой руды из блока ведут одновременным дозированным вибровыпуском. Для чего в одновременную работу включают группу вибромашин, например двенадцать штук (согласно схеме, приведенной на рис. 3) на 3-5 минут. Заполняют транспортный орт 17 под каждой вибромашиной, после чего их отключают. Выпущенную на почву транспортного орта 17 отбитую руду отгружают по-грузочно-доставочными машинами. Одновременное включение вибромашин позволяет дозировать объем выпускаемой отбитой руды. В очистном забое 4 образуется один общий поток руды на все сечение блока, что препятствует проникновению пустых пород сверху и сбоку. Способ обеспечивает минимальные потери и разубоживание руды в пределах 2-5 %.
Выводы.
1. Предложен способ разработки месторождений с обрушением одновременным дозированным вибровыпуском отбитой руды под покрывающими породами, при котором в выработанном пространстве образуют один общий управляемый поток горной массы, что исключает перемешивание руды и покрывающих пород и обеспечивает сокращение потерь и разубоживание руды в 3-5 раз.
2. Применение предложенного способа выпуска руды при системах этажного и подэ-тажного обрушения по качеству извлечения руды конкурентоспособен системам с использованием твердеющей закладки.
3. Предложенный способ может быть использован для разработки рудных месторождений при котором целесообразно применение способов этажного и подэтажного обрушения по горно-геологическим и горно-техническим условиям.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Хетагуров Г.Д. Эффективность системы раз-
работки этажного принудительного обрушения. - М.: Госгортехиздат, 1962.
4. Дженике Э.В. Складирование и выпуск сыпучих материалов. - М.: Мир, 1968.
5. Корнее Г.Н. Повышение эффективности вибрационного выпуска руды из блоков на основе изучения механизма процесса. - Л.: Наука, 1968.
6. Агошков М.И. Разработка рудных месторождений. - М.: Металлургиздат, 1945.
7. Именитое В.Р., Ковалев И.А., Уралов B.C. Моделирование обрушения и выпуск руды. - М.: МГК, 1961.
8. Клейн Г.К Строительная механика сыпучих тел. - М.: Госгортехиздат.- 1956.
9. Власов В.Н. Вибрационная погрузочно-доставочная установка ВДПУ -4ТМ «Сибирячка». Инструкция по изготовлению, монтажу и эксплуатации. -Изд. «Наука».- Новосибирск. - 1968.
10. Патент РФ № 2098626. Власов В.Н., Ста-жевский С.Б., Власов И.Н., Власова М.В.
Способ разработки месторождений с обрушением и выпуском руды под покрывающими породами. // Приоритет от 21.11.1995; опубл. БИПМ № З4, 1997.
11. Патент РФ № 2114306. Курленя М.В., Власов В.Н., Власова М.В., Липин А.А. Способ разработки крутопадающих рудных месторождений этажным принудительным обрушением со сплошной выемкой. //Приоритет от 06.06.1997; опубл. БИПМ №18,1998.
12. Патент РФ № 2117761.Изаксон В.Ю., Власов В.Н., Власов И.Н, Крамсков Н.П. Способ разработки крутопадающих рудных тел. //Опубл. БИПМ №23, 1998.
13. Патент РФ № 2149997. Курленя М.В., Власов В.Н., Власов М.В. Способ повторной разработки мощных рудных месторождений.// Приоритет от 24.03.1999; опубл. БИПМ № 15.2000.
14. Патент РФ № 2182663. Еременко А.А., Петин В.В., Власов В.Н., Дорогунцов В.В., Гайдин А.П., Филиппов П.А., Рубежов Б.З. Способ разработки мощных месторождений в неустойчивом горном массиве.// Приоритет от 07.07.2000; опубл. БИМП № 14. 2002.
— Коротко об авторах
Власов В.Н. - кандидат технических наук, Клишин В.И. - доктор технических наук, ИГД СО РАН, Новосибирск.
---------------------------------------------- © П.В. Сажин, 2004
УДК 622.35 П.В. Сажин
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ УПЛОТНЕНИЙ НА НАПРАВЛЕНИЕ РАЗВИТИЯ ИНИЦИИРУЮЩЕЙ ЩЕЛИ
Семинар № 13
етод ориентированного флюидораз-рыва (ОФР) [1], является наиболее перспективным способом разрушения прочных горных пород растягивающими усилиями. В работе [2] даны технические характеристики на необходимое для осуществления этого метода оборудование. Наиболее интересным, с точки зрения понимания происходящих во время
проведения гидроразрыва процессов, является взаимодействие уплотняющих элементов универсального герметизатора с вмещающими породами скважины. Это вызвано тем, что при проведении ОФР на каменных блоках, в ряде случаев, раскол происходил не в плоскости инициирующей щели, а вдоль оси скважины (рис. 1).
