CC BY
70
© П.К. Гаркушин, Р.М. Григоренко, Р.А Роскошин, 2008
УДК 622.363
П.К. Гаркушин, Р.М. Григоренко, Р.А. Роскошин
ТЕХНОЛОГИЯ И ПАРАМЕТРЫ РАЗРАБОТКИ ПОЛОГО-НАКЛОННЫХ РУДНЫХ ЗАЛЕЖЕЙ
Семинар № 17
Для разработки полого-наклонных и мощных рудных залежей с давних пор применялся вариант камерной системы с плоским днищем. Очистная выемка производилась вручную потолкоуступным или почвоуступным забоем. Так еще в период раннего средневековья известно применение камерной системы для отработки мощных соляных залежей на шахте Величка в Польше, где в устойчивом состоянии находятся более 700 лет камеры шириной до 40 м и высотой до 30 м [1, 2]. Ширина междукамерных целиков достигает 40 м, глубина разработки - до 400 м. Выработанное пространство этой шахты используется для различных целей, в том числе для размещения экспонатов подземного музея, лечебниц, костела и других объектов.
Современный вариант камерной системы с плоским днищем применяется для разработки мощных соляных залежей на польских шахтах Клодава, Вапно, Иновроцлав, Карчилл, при разработке Артемовского, Соль-Илец-кого, Солот-винского месторождений, а также соляных месторождений Румынии, ФРГ, Англии, США, Канады и других стран [3, 4, 5].
Подготовка залежей к очистной выемке состоит в проходке по оси будущих камер штреков (ортов) у кровли и почвы, из которых с помощью веерноскважинных зарядов производят выемку верхнего слоя (отсечки) высотой до 4-5
м и нижнего высотой до 6-7 м (подсечки). На некоторых шахтах производят опережающую подрубку нижнего слоя врубовой машиной. После обработки стен камер канатно-цепными пилами производится отбойка запасов среднего слоя рядами параллельно-скважинных зарядов. За счет опиловки стен, обработки кровли отбойными молотками обеспечивается длительное и безопасное пребывание рабочих и механизмов в открытом выработанном пространстве. За счет применения самоходных буровых кареток и доставочно-зарядных машин, экскаваторов, самоходных дробильных агрегатов, телескопических и стационарных ленточных конвейеров достигается сравнительно высокая производительность рабочих очистного забоя (до 35-40 т/ч-см). Длина камер (галерей) достигает 500-1800 м, ширина не превышает 17-20 м, высота 40 м, а ширина междукамерных целиков до 20-30 м. В целиках через каждые 60-100 м проходят сбойки между камерами.
Более высокий уровень производительности может быть достигнут при переходе от циклично-поточной к поточной технологии с использованием на очистной выемке машин непрерывного действия - комбайнов КШ-3М, Караганда 7/15, Урал - 20КС [4, 5]., с гидроударным исполнительным органом [6, 7, 8]. Однако процесс освоения технологии с механической многоходовой и многослойной отработкой мощных соляных
иЫ. ' і ■ |
ШЩ+м їй | м, \ш ш,, ул \т \£а \щ .
в-є
Рис. 7. Система открытых камер по восстанию с плоской подсечкой: 1 - откаточный штрек, 2 - ниша скреперной лебедки, 3 - горловина камеры, 4 - камера, 5 - междукамерный целик, 6 -надштрековый целик, 7 - подсечка камеры (нижний слой), 8 - верхний слой, 9 - предохранительный козырек, 10 - камерный ходок, 11 - рудный пласт, 12 - сухая породная закладка, 13 - верхняя отсечка
залежей развивается довольно медленно.
Применение машинной выемки и по-грузодоставки практически невоз-можно при отработке рудных залежей переменной мощности и с переменным углом падения. Для разработки таких залежей широкое распространение получила камерная система с плоской подсечкой, двухслойной (двухстадийной) выемкой запасов буровзрывным способом и скреперной доставкой. На рисунке представлен типичный вариант камерной системы с открытым выработанным пространством и плоской подсечкой.
Подготовка залежи к очистной выемке состоит в следующем. На каждом этаже высотой 50-60 м проходят вентиляционный и откаточный штреки, причем откаточный штрек 1 используется в качестве вентиляционного при отработке нижележащего этажа. Запасы рудного
тела в пределах этажа разделяют на участки длиной по простиранию до 250-300 м. По границам каждого участка проходят людские ходки (блоковые восстающие) для сообщения между горизонтами. Ширину камер принимают обычно равной 10-15 м и проверяют на устойчивость при изгибе несущий слой потолочины, запас прочности которого должен быть не менее п0=2 [9].
Ширину междукамерных целиков определяют расчетом из условия воздействия на выемочный блок «камера-целик» нагрузки от полного веса налегающих пород за вычетом разгрузки, обусловленной перераспределением горного давления на барьерные рудные и комбинированные целики, на прикон-турный массив горных пород [9]. При определении несущей способности целиков необходимо учитывать коэффициент формы (Церна), а также влияние
различных видов закладки и ликвидационного заполнителя. Запас прочности жестких междукамерных целиков, обеспечивающих длительную устойчивость геомеханических систем, должен быть не менее 2,5, вследствие чего потери полезного ископаемого могут достигать 60-70 %. Оптимальный вариант охраны выработанного пространства должен включать: первичную геомеханическую систему (стандартную) из неограниченной последовательности жесткопластичных целиков с запасом прочности не менее 1,7; вторичную геомехани-ческую систему с последующим повышением запаса прочности междукамер-ных целиков до 2,0 за счет возведения комбинированных барьерных полос в течение не более 10 лет; в конечном состоянии геомеханическая система должна быть жесткой за счет ликвидационного заполнителя. В этом случае можно повысить извлечение полезного ископаемого на 20 % и обеспечить длительную устойчивость налегающих пород и земной поверхности. При возведении в выработанном пространстве податливых целиков (п < 1,4) возможно оседание поверхности до 6,0 м (Северное сильвини-товое поле, рудник Калуш), но при своевременном заполнении камер сухой закладкой можно остановить деформацию податливых целиков, оседание налегающей толщи пород и земной поверхности (рудник №1,2 рудоуправление Артемсоль) [9,10].
В соответствии с принятыми параметрами производится раскройка залежи в пределах выемочного участка, а в процессе проходки откаточного штрека производится сооружение ниш 2 для скреперных лебедок, засечка горловин камер 3 и монтаж погрузочноскреперных полков. Затем через 60-70 м друг от друга проходят камерные ходки 10 поперечным сечением 2,5*2,5 = 6,25
м2, из которых через 20-30 м бурят геологоразведочные скважины чтобы обозначить верхний контур пласта по содержанию полезного компонента. С помощью веерно-скважинных зарядов из конца горловины расширяют камерный ходок до проектного контура камеры, а затем выполняют плоскую подсечку на длину порядка 30 м. Методом встречных засечек отбивают руду в кровле до верхнего контура камеры (выход на технологическую высоту камеры), образуя таким образом первичное компенсационное пространство (отрезную щель) [11]
Нижний слой (подсечка) опережает верхний на 10 м. Отработка руды нижнего слоя (подсечки) производится рядами веерно-скважинных зарядов, верхнего слоя - рядами параллельноскважинных зарядов. Верхний слой имеет наклон под углом 600 к плоскости днища камеры с целью удобного расположения электросверла ЭБГП - 1У5. Основные параметры очистной выемки: линия наименьшего сопротивления (ЛНС) равна 1,3 м; расстояние между параллельными скважинами в ряду 1,41,6 м; количество одновременно взрываемых рядов - не более трех; удельный расход ВВ на отбойку 1 т руды 0,24 кг, на вторичное дробление 0,08 кг; выход руды с 1 пог. м скважины при отбойке нижнего слоя 1,25 т, верхнего - 3,25 т; выход негабарита 15-20 %. Заряжание скважин производится патронирован-ным ВВ типа Аммонит №6 ЖВ, ПЖВ -20, детонит М, взрывание - с помощью электродетонаторов мгновенного, короткозамедленного и замедленного действия. Очистная выемка осуществляется в восходящем порядке от горловины камеры к вентиляционному штреку. При отбойке руды верхнего слоя у одной из стенок камеры оставляют предохранительный рудный уступ (козырек) шири-
ной 1,5—1,7, под прикрытием которого перемещаются рабочие при выполнении вспомогательных операций по ликвидации обрывов каната, разделке негабарита, доставке материалов и т.д. Запасы в предохранительном козырьке над людским ходком отрабатывают в обратном (нисходящем) порядке от вентиляционного к откаточному штреку.
Производительность камеры зависит от вынимаемой мощности, длины доставки, емкости скреперного ковша. Так, например, при средней вынимаемой мощности залежи 10 м, емкости скреперного ковша 1,6 м3, средней длине доставки 100 м производительность скреперной лебедки типа К-100ЛС-2С может составлять 150 т в смену, 300 т в сутки при двух добычных сменах. Удельный расход подготовительнонарезных выработок на 1000 т добычи (коэффициент технологичности системы) составляет 4-5 пог.м, производительность забойного рабочего - 20-22 т/ч-см. Все это позволяет отнести систему открытых камер с плоской подсечкой к категории средней эффективности. Кроме того, система отличается чрезвычайной гибкостью: позволяет отрабатывать залежи переменной мощности и с переменным углом падения, неспокойной гипсометрией почвы. Очистные камеры могут быть ориентированы по восстанию, простиранию и по падению залежи. Простая технология и применение недорогостоящего оборудования обеспечивает быстрый ввод камер в эксплуатацию. Поэтому система разработки с плоской подсечкой применялась и применяется до настоящего времени при разработке Калуш-Голынского, Стебникского, Верхнекамского, Старо-бинского и зарубежных калийных месторождений, а также залежей других полезных ископаемых.
К числу основных недостатков системы открытых камер с плоским днищем следует отнести большие потери руды в междукамерных целиках. Однако величину потерь можно существенно снизить за счет формирования стандартной геомеханической системы, упомянутой выше: исходный запас
прочности междукамерных целиков 1,7 можно повысить путем возведения комбинированных барьерных полос, заполнив сухой породной или твердеющей закладкой несколько камер (см. рисунок) в пределах выемочного участка.
Сухую породную закладку можно размещать в камерах с помощью скреперных установок, самоходных вагонов, ПДМ, роторных метателей и т.п. Подачу гидравлической закладки следует осуществлять по выработке, пройденной на высоте не менее 10 м от кровли камер и перпендикулярно их оси. Из этой выработки заполняют закладочным материалом каждую камеру через предварительно пробуренные скважины. Таким способом можно заполнять камеры, ориентированные по восстанию, по простиранию, при восходящей отработке залежей. Но лучше всего при восходящей отработке ориентированных по простиранию камер, поскольку в этом случае с небольшим отставанием от очистных работ осуществляется ликвидация выработанного пространства рудника.
Другим важным недостатком системы открытых камер с плоским днищем является то, что при выполнении вспомогательных операций не исключается присутствие людей в открытом выработанном пространстве высотой более 4 м. До настоящего времени применялись различные способы решения этой проблемы.
Вариант передвижения людей в действующую камеру по предварительно пройденному нижнему слою в смежной
камере и через сбойки, проводимые в междукамерных целиках через каждые 15-20 м, оказался весьма трудоемким. От его применения на калийных рудниках отказались. Поэтому для отработки рудных залежей с переменным углом падения от 0 до 450 и переменной мощности от 0 до 25 м наиболее приемлемым оказался вариант системы открытых камер с плоской подсечкой и с оставлением предохранительного козырька шириной 1,5-1,7 м над людским ходком высотой 1,8 м у стенки камеры. Для повышения безопасности горных работ было предусмотрено своевременно производить замену скреперных канатов, а при обрыве счалку хвостового каната производить на скреперном полке, а грузового- в подсечке под прикрытием верхнего слоя.
Применение верхней отсечки с креплением кровли анкерами допускает присутствие людей в выработанном пространстве (рис.1, разрез В-В), но при этом должна быть обеспечена безопасность работ по бурению скважин, возведению крепи. Система открытых камер с верхней отсечкой больше подходит для пологих камер, ориентированных по простиранию. В этом случае высокий уровень безопасности и эффективности ведения горных работ может быть достигнут при многоходовой и многослойной машинной выемке, но с применением комбайнов с гидроударным исполнительным органом, обеспечивающим интенсивное разрушение пород крепостью до 18-20. При восходящей отработке месторождения этот вариант позволяет производить закладку отработанных камер с минимальным отставанием от очистных работ, о чем уже было сказано выше.
Система открытых камер с траншейной подсечкой способствует повышению безопасности горных работ, но при
этом возрастает трудоемкость подготовки за счет проведения дополнительной выработки в днище и выпускных ниш. К тому же применять эту систему можно на пластах с углом падения не более 150, поскольку при большем угле падения выпускаемая из ниш руда скатывается вниз по скреперной выработке. Поэтому камеры лучше ориентировать по простиранию.
На некоторых рудниках без присутствия людей осуществляется доставка руды в открытых камерах погрузочно-доставочными машинами с дистанционным управлением. Эта технология применима в камерах с пологой и ровной почвой, что достигается при подрезке нижнего слоя врубмашиной. Такими условиями располагают немногие горные предприятия, но для отработки пологонаклонных залежей с применением дистанционно-управляемых ПДМ камеры необходимо ориентировать по простиранию.
Нередко встречаются пологонаклонные залежи с крутым изломом на выходе к вентштреку. В таких условиях пологопадающую часть залежи необходимо отработать вышерассмотренным вариантом системы открытых камер по восстанию с плоским днищем и двухстадийной выемкой, а наклонную часть - в одну стадию системой с плоским днищем, отбойкой руды веерноскважинными зарядами и доставкой руды силой взрыва. Подготовка наклонной части камеры включала обычно продолжение камерного ходка и отличалась высокой трудоемкостью работ. Для проведения таких выработок необходимо использовать безлюдный вариант как и при проходке отрезных восстающих: пробурить на вентштрек скважину, разбурить обратным ходом до диаметра 850 мм, а затем с помощью параллельных скважинных зарядов расширить до се-
чения восстающего 2,5х2,5 м. После этого оборудовать восстающий комплексом КОВ-25 и из его кабины, удерживаемой с помощью рабочего и предохранительного канатов, производить бурение вееров скважин, заряжание, взрывание зарядов с вентиляционного штрека. Отбитая руда взрывом перемещается вниз и по пологой части камеры доставляется скреперной установкой к откаточному штреку, где загружается в вагонетки. Этот вариант комбинированной отработки полого-наклонной залежи обладает гораздо меньшей трудоемкостью подготовительных работ и может быть осуществлен в таком виде: в месте крутого изгиба залежи отрабатывают по простиранию камеру с траншейным днищем и используют в качестве отрезной щели (общей рассечки) для восстающих наклонных камер [12].
Из вышеизложенного следует, что применение системы открытых камер с нижней подсечкой и верхней отсечкой обеспечивает достаточно безопасную и эффективную отработку мощных (более 25 м) пологопадающих рудных залежей. При отработке полого-наклонных залежей переменной мощности до 25 м системой открытых камер с верхней отсечкой и анкерной крепью камеры необходимо ориентировать в направлении с минимальным наклоном днища, обеспечивающим безопасное выполнение работ по верхнему слою и применение ПДМ для доставки руды.
Применение системы открытых камер по простиранию с траншейной подсечкой должно быть обосновано методом технико-экономического сравнения с системой открытых камер с плоским
днищем, отличающейся меньшим объемом подготовительно-нарезных работ.
Безусловно, эффективным и безопасным является вариант камерной системы с квадратными целиками и анкерной крепью. Применяется он для отработки пологопадающих залежей мощностью не более 10 м. Возведение в выработанном пространстве квадратных целиков позволяет снизить потери по сравнению с ленточными более чем на 10%. Впервые эта система была применена при разработке пласта каменной соли во Франции на руднике Варанжевиль в середине позапрошлого столетия. В настоящее время применяется при разработке Верхнекамского калийного месторождения, других месторождений.
Для разработки сильвинитовых залежей применяется комплекс самоходного оборудования, включающий бурильную установку УБШ-520 ДЭВ на шинном ходу, оборудованную двумя манипуляторами с электросверлами, зарядную машину ЗМКД-1К, погрузочную машину с загребающими лапами ПНБ-3к, самоходный вагон 5ВС-15М, скребковый конвейер СП-202. На доставке отбитой руды могут быть использованы также погрузочно-доставочные машины ПД-8(12), перегружатель ленточный УПЛ-2м. Для крепления кровли анкерами используется самоходный полок СП-12. Проходка подготовительных выработок осуществляется с бурением опережающей скважины диаметром 300 мм машиной МБС-1. В целом производительность забойного рабочего на очистной выемке достигает 40-50 т/ч-см. Гидравлическая закладка может быть произведена через скважины из пройденной выработки над отработанным блоком.
------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Zbicgniew Strelecki. Wybrane zagad-nienia кора1т soli Wielizka. Ргасе komisji geodezinej.
zwiazane z zabezpieczaniem zagroznych катог w GORNICTWO, 26,1988.- С.5-15.
2. Marian Hanik, Stanislaw Klimowski. WIELICZKA siedem wiekow polskiej soli. Wy-dawnictwo Jnterpress, Warszawa, 1988.
3. Бондаренко А.Д., Карпов Д.А., Ко-шелев К.В., Сидоров С.И. Разработка месторождений каменной соли в СССР и зарубежом. (обзор). -М., ЦНИИТЭИПИЩЕПРОМ, 1970.
4. Крашенин Г.С., Голик В.Б., Сидоров С.И., Черевко П.И. Разработка и анализ цикличнопоточной и поточной технологии выемки каменной соли. - М., ЦНИИТЭИ ПИЩЕПРОМ, 1977.
5. Амосов В.А., Пекур В.З. Исследо-вание работы комбайна КШ-3М на выемке каменной соли//Горный журнал, 1980, №11. - С. 35-37.
6. Проходческий комбайн для весьма крепких руд./Л.А.Митин, П.А. Фадеев, В.Я. Фадеев, В.В. Коробков, Р.А. Кулагин, Н.П. Ерми-лов//Шахтное строительство, 1980, №7. - С. 2728.
7. Горное дело. Реферативный журнал. Реф. 11А200, 1989.
8. Горное дело. Реферативный журнал. Реф. 11А201. 1989
9. Гаркушин П.К. Определение пара-метров камерной системы разработки. Новочеркасск: ЮРГТУ(НПИ), 2004. - 23 с.
10. Гаркушин П.К. Гидрогеологические и геомеханические аспекты безопасной разработки калийных месторождений Предкарпатья//Горный журнал, 2000, №5. - С. 45-46.
11. Тарасов Б.Г., Гаркушин П.К., Глоба В.М. Комплексное освоение калийных месторождений Предкарпатья. - Львов, Вища школа, 1987. - 128 с.
12. Гаркушин П.К.. Шендеров Л.Ф., Воли-ков В.В. Общая рассечка блока камерой с траншейным днищем/Комплексно-механизированная подготовка и отработка шахтных полей калийных рудников. Тр.ВНИИГ.- Л., 1982. - С. 93-104.
13. Комплекс самоходного оборудования для разработки калийных руд./ В.А. Соловьев, В.С. Евсеев, М.П. Стрекалов и др. //Горный журнал, 1983, №4. - С. 42-44. ВТШ
— Коротко об авторах ----------------------------------------------------------------
Гаркушин П.К., Григоренко Р.М., Роскошин Р.А. - Южно-Российский государственный технический университет (НПИ).
Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 17 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. Е.В. Кузьмин.
--------------------------------------------- РУКОПИСИ,
ДЕПОНИРОВАННЫЕ В ИЗДА ТЕЛЬСТВЕ
МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА
1. Минаев В. И., Эпштейн С.А. Влияние морфологии ископаемых углей на экологическую безопасность их переработки (640/07-08 — 18.04.08) 12 с.
