CC BY
47
УДК 622.834:622.838:622.847
УПРАВЛЕНИЕ СОСТОЯНИЕМ ПОДРАБАТЫВАЕМОГО МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД ЧАСТИЧНОЙ ЗАКЛАДКОЙ ВЫРАБОТАННОГО ПРОСТРАНСТВА В ВИДЕ БУТОВЫХ ПОЛОС ИЗ РАЗРУШЕННОГО ГАЛИТА ПРИ ИЗВЛЕЧЕНИИ ЗАПАСОВ КАЛИЙНЫХ РУД СТОЛБОВОЙ СИСТЕМОЙ РАЗРАБОТКИ
Р.Г. Шваб, В.Н. Дешковский
ОАО «Белгорхимпром», г. Минск, Беларусь
Разработка месторождений твердых полезных ископаемых с закладкой выработанного пространства является широко распространенной технологией, а ее применение является практически не «пожеланием», а «требованием» для недропользователя. Использование закладки выработанного пространства направлено на уменьшение деформаций подработанного массива горных пород и земной поверхности, управление горным давлением, увеличение извлечения полезного ископаемого из недр, создания условий для безопасного ведения горных работ.
На рудниках РУП «ПО "Беларуськалий"», ведущего отработку Старобинского месторождения калийных солей, для извлечения запасов широко применяется столбовая система разработки. Одним из вариантов данной технологии является селективная выемка пласта с закладкой пустой породы (галита) в выработанное пространство лавы в виде бутовых полос, которая применяется на I, II и III калийных горизонтах. Внедрение селективной технологии в первую очередь было связано с необходимостью повышения показателей качества руды.
Применяемый в настоящее время способ селективной выемки пласта заключается в разрушении пустой породы
очистным комбайном, ее доставке забойным конвейером на бортовые или вентиляционный штреки лавы, а также на специально пройденные закладочные штреки, где через шиберные устройства забойного конвейера она пересыпается на перегружатели, которые транспортируют пустую породу на механические метатели, формирующие в зоне обрушения за механизированной крепью бутовые полосы. Таким образом, для частичной закладки выработанного пространства используется только пустая порода, отбитая непосредственно в лаве.
В последнее время уделяется все больше внимания геомеханической роли закладки. Для столбовой системы разработки механизм взаимодействия пород кровли с закладочным массивом (бутовыми полосами), деформационные процессы в подработанной толще пород менее изучены и в основном относятся к математическим моделям. Для изучения этих и других вопросов с 2003 года проводится комплекс исследований, направленных на исследование влияния бутовых полос в отработанном пространстве лав с селективной выемкой руды на формирование процессов сдвижения горных пород и земной поверхности, взаимодействия забойной крепи с вмещающими породами.
Проведены компрессионные испытания образцов закладочного материала, отобранных в лавах III калийного горизонта рудника 2РУ, а также шахтные наблюдения за процессом усадки бутовых полос во времени. Компрессионные кривые образцов закладочного материала аппроксимированы уравнением при коэффициенте корреляции 0,98 и среднеквадратическом отклонении 1,25 [1]
в = 24,83 [1 -ехр(-д/14,7)], (1)
где в - усадка закладочного материала, %; q - прикладываемая нагрузка, МПа.
Шахтные наблюдения за динамикой усадки бутовой полосы шириной около 21 м, расположенной по центру выемочного столба, в лавах №16-низ и 21-низ (рис. 1) показывают, что в первые 30-40 суток после возведения бутовой полосы происходит предварительное уплотнение закладки (I участок кривой).
0 30 6 0 90 120 1 50 180 210 240 270
Время сутки
Рис. 1. Усадка бутовой полосы, расположенной по центру выемочных столбов лав №16-низ и №21-низ III калийного горизонта
рудника 2РУ
В течение этого времени закладочный массив практически не создает отпора сдвигающимся породам кровли. Далее наблюдается рост сопротивления закладочного массива (бутовой полосы) опускающимся породам кровли (II участок кривой). Часть закладочного материала выдавливается в выработанное пространство и, не создавая отпора породам кровли, выступает в качестве пояса заклинивания (подпорных стенок). В течение первых трех месяцев усадка бутовой полосы достигает 22-23 %, что составляет более 90 % от конечных значений. Оставшиеся 3-4 % усадки реализуются в течение продолжительного периода времени (6 месяцев и более).
Максимальная усадка закладочного материала, полученная при лабораторных испытаниях (в0«25 %), меньше максимальной усадки закладочного массива в шахте (взм = 25-27 %), что объясняется расползанием закладки в натурных условиях под действием нагрузки от смещающихся пород кровли. В лабораторных условиях при значениях усадки 21-23 % в насыпных образцах закладочного материала формируется ядро отпора. Размеры образовавшегося ядра отпора (длина и ширина) практически соответствуют размерам образца до испытаний.
По результатам проведенных исследований образцов бутовых полос и натурных наблюдений можно сделать выводы:
1) Материал бутовых полос в центре лавы и у бортовых штреков со временем претерпевает различные изменения по степени уплотнения. Объемный вес закладочного массива через 796 суток после выкладки бутовых полос составляет 2,14 г/см3 и 1,15 г/см3 соответственно. Это можно объяснить разным давлением, которое испытывает материал бутовый полосы по длине лавы.
2) Через 2 года и 2 месяца бутовую полосу в центре лавы можно воспринимать как целик с вполне определенными физико-механическими свойствами, который может выдерживать нагрузку от 15 до 22 МПа, что практически соответствует характеристике массива.
3) Зависимости усадки образцов закладочного материала бутовых полос, испытанных в лабораторных условиях, и усадки бутовых полос в натурных условиях удовлетворительно описываются формулой (1).
Из результатов наблюдений за сдвижением земной поверхности необходимо отметить следующее:
1) Мульды сдвижения на земной поверхности отличаются от условий при валовой выемке, предусмотренных
[3] величиной граничных углов и максимальными оседаниями над срединами лав.
2) Фактические величины оседаний в мульдах сдвижения в лавах с селективной выемкой отличаются от расчетных согласно [3] для валовой выемки пласта на 20-30 %. Следовательно, эффект влияния бутовых полос на земную поверхность весьма существенен и требует учета при прогнозировании величин деформаций.
3) При рассредоточенном расположении бутовых полос в поле лавы, когда их ширина не превышает 6 % от ширины выработанного пространства, в мульде сдвижения на земной поверхности местоположения бутовых полос не проявляются.
Характер распределения нагрузки на гидростойки забойной крепи по длине селективных лав №1 (I калийный горизонт, 1РУ) и №24-низ (III калийный горизонт, 2РУ) практически одинаков и не позволяет связать ее с расположением бутовых полос в выработанном пространстве по длине лавы (рис. 2).
л 500 | 450 |400 о. 350 Е 300 | 250
о 200
Ь 150 ш ф 100
! 5» 5 о
♦ . • о* ¡1:»_«.
-с. ыи Я «V . 8 85 '5И,К •8 •
— __ л-- -с «
Г ЪУ : □ 0 • п " - : ; □ х -
1 : □ 3 8 •
□ Первый ряд гидростоек. Ьаг Втоьой ояд пшосгоек. Ьаг
-
; ;
1 5 10 15 20 2 5 30 3 5 40 4 5 50 5 5 60 65 7 0 75
Номера секции мдрокрепи "9 I I ~9 | | ~9 | | -9 , , -9
85 90 95 100 105 110 115117
сЭ
1ч 3,1
4,1 67 |3| 6 |3| 67 4,1
200
Рис. 2. Характер нагружения забойной гидрокрепи в лаве №1 I калийного горизонта на 1РУ (отход лавы от монтажного штрека 332 м, показания манометров спустя 7 ч 30 мин после передвижки гидрокрепи)
Более отчетливо прослеживается характер распределения нагрузки в лаве №80 (III калийный горизонт, 1РУ), где со стороны выработанного пространства смежной лавы формируется бутовая полоса шириной около 60 м (рис. 3).
Л5 550
£ 500
ф
Й.
о 41(1
а
п ЗЫ>
300
52 250
О 'т
О ш 150
ф 100
I 50
¡а 0
а
0
и □ 9» о
□ • \ -"1 •
• ® 3 • t - . □ • а \ п а • • □ • в ** 0 ев! Ч □
7 — □ о • о и • □ л □ V • 1 \ • \\
! □
— — о Первый ряд гадростоек bar
» — • Второй ряд шдростоек, bar о v\
—Ю-в-«в»—«о-— ♦ ♦ •-в—,
I 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Номера секций гадрокрепи
14,1 10 \3\ 100 . i 30 \3\ 11,5
160,5
Рис. 3. Характер нагружения забойной гидрокрепи в лаве №80 III калийного горизонта на 1РУ (отход лавы от монтажного штрека 1120 м, показания манометров спустя 76 ч 30 мин после передвижки гидрокрепи)
Изучается также динамика обрушений пород непосредственной и основной кровли с помощью самопишущих манометров. Над бутовой полосой пиковое увеличение скорости выхода крепи на рабочее сопротивление отмечается реже (в основном связано с пересечением технологических сбоек), что свидетельствует о плавной посадке пород кровли на бутовую полосу (рис. 4). В целом зафиксированы достаточно малые скорости выхода гидростоек на рабочее сопротивление, что, вероятно, связано с ведением горных работ вблизи краевой зоны и малой мощностью со-леносных отложений в кровле.
Рис. 4. Характер взаимодействия секций забойной крепи № 34 и № 85 с боковыми породами в лаве №80 III калийного горизонта на 1РУ
Шахтными наблюдениями за формированием зон опорного давления по контуру селективных лав, отрабатывающих слои II, II-III и III Третьего калийного горизонта, установлено:
1) бутовые полосы не оказывают влияния на протяженность временного опорного давления впереди забоя лавы;
2) ширина целиков для охраны панельных выработок по действующему нормативному документу [2] завышена на 40 %.
С целью изучения высоты зоны трещинообразования в отработанном пространстве селективной лавы № 21-низ (II калийный горизонт, 2РУ) из исследовательской выработки, пройденной под лавой, пробурены 3 восходящие скважины глубиной 30 м. Над бутовой полосой прибором видеоконтроля зафиксированы трещины до высоты 20,45 м, а в центральной части лавы (между бутовыми полосами) -до высоты не менее 26,78 м. Проведенный аэрокаротаж подтверждает результаты видеоконтроля, однако эти результаты правомерны лишь на высоте до 30 м над лавой. В настоящее время разработана методика расчета высоты
зоны водопроводящих трещин для столбовых систем разработки с частичной закладкой выработанного пространства в виде бутовых полос [1]. Для ее апробации и корректировки будут проведены дополнительные исследования.
Список литературы
1. Дешковский В.Н. Разработка методики расчета высоты распространения зоны водопроводящих трещин для столбовых систем разработки с частичной закладкой выработанного пространства в виде бутовых полос / В.Н. Дешковский, В.Н. Новокшонов, П.П. Палто // Горная механика. - 2007. - №2. - С. 77-84.
2. Нормативные и методические документы по ведению горных работ на Старобинском месторождении калийных солей: утв. БелНЕФТЕПРОМом 23.11.1995. - Солигорск-Минск: Слуцкая укрупненная типография, 1995. - 214 с.
3. Указания по охране сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок в условиях Старобинского месторождения калийных солей: утв. Проматомнадзором при МЧС РБ 03.04.2001. - Соли-горск-Минск: Технопринт, 2001. - 341 с.
