CC BY
22
УДК 622.502.
Г.В.САБЯНИН
Институт проблем комплексного освоения недр РАН,
Москва, Россия
ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ ОТБОЙКИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ЭКОГЕОТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ КРУТОПАДАЮЩИХ ЖИЛ
В работе дано теоретическое решение задачи о полноте выемки криволинейных двухмерных рудных тел прямолинейными взрывными скважинами. Предложена методика расчета глубины скважин по условиям минимума потерь неотбитой руды.
In work the theoretical decision of a problem on completeness of dredging of curvilinear two-dimensional ore bodies is given by rectilinear explosive chinks and the design procedure of depth of chinks on conditions of a minimum of losses of not beaten off ore is offered.
Любая технология, созданная человеком, нарушает естественный оборот вещества и энергии в экосистеме нашей планеты самим фактом создания какого-либо продукта, которого ранее не было в природе. Поэтому часто применяемое пока словосочетание «экологически чистая технология» не имеет никакого смысла. Можно говорить только о степени опасности той или иной технологии для какой-либо экосистемы. Сформулированные в работе [1] биогенные принципы построения экогеотехнологий освоения недр следует рассматривать как те направления развития геотехнологии, реализация которых позволит снизить техногенное воздействие на внешнюю среду до неизбежного уровня, обусловленного самим фактом искусственного изъятия части материала литосферы в хозяйственных целях.
Трансформация в техносферу второго биотического принципа (на каждом трофическом уровне воспроизводится только новая биомасса, количество которой обратно пропорционально длине пищевых цепей) возможна на основе замены понятия продуцированной биомассы его целевым геотехнологическим аналогом - полезное ископаемое. Тогда принцип построения геотехнологии формулируется как требование добывать и выдавать из шахты в чистом виде только то полезное ископаемое, ради которого создан этот техногенный объект.
В практике горных работ эта идея в той или иной мере эксплуатируется достаточно давно под названием избирательной (селективной) выемки [2]. Общая концепция развития этого направления заключается в том, что уровень избирательности добычных работ путем целенаправленного выбора или создания соответствующих технологических решений приводится в соответствие с характером и уровнем изменчивости естественного распределения полезного ископаемого в разрабатываемом участке литосферы. При этом ключевым моментом является возможность сегрегации горной массы на руду и породу по естественным или искусственным признакам до выдачи ее на поверхность. Эти возможности весьма разнообразны и систематизированы нами по принципу разделения руд и пород (рис.1). Как видно из приведенной схемы, при разделении руды и породы по искусственно заданным признакам три из четырех технологических приемов основаны на управлении буровзрывными работами. Поэтому применение избирательной выемки руды при освоении запасов жильных месторождений во многом будет зависеть от развития новых знаний в области взрывного разрушения горных пород.
Однако наиболее сложной проблемой отбойки руды при использовании избирательной выемки тонких жил является прак-
Рис. 1. Способы разделения руды и породы на стадии очистной выемки
тически непреодолимое противоречие между сложной морфологией (нелинейной формой) отбиваемых рудных тел и способностью современной буровой техники формировать в массиве горных пород только прямолинейные зарядные камеры. При доминировании в области разработки жильных месторождений шпуровой отбойки, когда глубина бурения при ведении очистных работ редко достигала 2 м, влияние этого противоречия было практически незаметным. В последние годы, когда необходимость повышения количественных показателей разработки жильных месторождений и появление новых типов горного оборудования привели к все более широкому использованию на отбойке руды скважин малого диаметра, действие обозначенного выше противоречия может резко снизить качественные показатели очистной выемки. По мере увеличения глубины отбойных скважин вероятность потерь неотбитой руды за пределами контура очистного пространства возрастает прямо пропорционально степени сложности формы отбиваемого участка жилы [3]. В этих условиях фактор полноты выемки балансовых запасов должен быть основным, а при высоком качестве руды - единствен-
ным критерием, ограниченным в каждом его сечении горизонтальной плоскостью. Если этот способ представляет собой сочетание сопрягающихся друг с другом криволинейных участков различной формы и кривизны, то при использовании геотехнологии очистной выемки на основе скважинных зарядов необходим метод определения глубины скважин по условиям полноты выемки балансовых запасов криволинейных участков жил.
Анализ реальной формы наиболее крупных рудных тел на месторождениях цветных металлов и золота показал, что в подавляющем большинстве случаев (более 80 %) форма рудного тела на криволинейных участках наиболее точно может быть описана уравнениями окружности, гиперболы, синусоиды и логарифмической кривой. Значение корреляционного отношения изменяется от 0,58 до 0,72. Анализ полученных данных также показал, что при постоянном значении шага изменчивости и ее амплитуды каждая из перечисленных кривых с вполне приемлемой для горно-технических расчетов точностью может быть заменена дугой окружности радиуса ^.
В общем случае (рис.2) вероятный объем руды, потерянный за счет несовпадения
Рис.2. Расчетная схема для определения оптимальной ширины выемочной прирезки
прямолинейного контура прирезки с криволинейными контурами рудного тела, может быть найден из выражения
х2 х1 х2 0,5SABCD = | /(х)йх - |F(х)йх - | хйх, (1)
0 0 х1
где _Дх) и F(х) - функции, описывающие кривые, ограничивающие внешний и внутренний контуры рудного тела соответственно.
Для жилы, ограниченной в пространстве дугами окружностей, формула (1) примет вид
0^
'ABCD-
х2 .- х1 ,- х2
= | ^Я2 - х2 йх- г12 - х2 йх- | хйх, (2)
х1
где Я1 и г1 - внешний и внутренний радиусы кривизны рудного тела.
Так как принятый способ отбойки руды должен обеспечивать максимальную полноту извлечения балансовых запасов, то рациональные параметры скважинной отбойки жил по простиранию могут быть найдены из уравнения: 0,5 SABCD = 0.
Решив уравнения (1), (2) и приняв Я = Я1 - т /2 радиус кривизны осевой линии жилы мощностью т, получим выражение для определения ширины прирезки, обеспечивающей наибольший коэффициент извлечения количества балансовых запасов:
и = 2Я
1
А Г 2 - А
Я { Я
где /б - глубина бурения; А - отклонение оси жилы от оси отбиваемого участка.
Коэффициент извлечения количества полезного ископаемого определяется как соотношение площади рудного тела, находящегося в пределах вынимаемой прирезки, к общей площади криволинейного участка рудного тела. Теоретическая зависимость этого коэффициента от отклонения оси рудного тела (А) для различных значений мощности жилы (т) и ширины очистного пространства (М) приведена на рис.3.
При т = М выемка руды прямоугольными прирезками без потерь невозможна (рис.3, кривая 1). При М> т существует совокупность значений А, при которых возможна выемка балансовых запасов криволинейного участка жилы прямоугольными прирезками. Чем больше разница между выемочной мощностью и мощностью жилы, тем шире становится диапазон этих значений (кривая 2 и 3). Предельно допустимое по условию полной выемки балансовых запасов значение отклонения прогиба жилы равно половине разности между шириной очистного пространства и мощностью жилы
А =
М - т АМ
2
2
При А > (М - т)/2 часть балансовых запасов криволинейного участка жилы окажется за контуром вынимаемой прирезки и будет потеряна.
С учетом условия полноты выемки балансовых запасов предельно допустимая ширина прирезки (в метрах) определяется по формуле
Ь = а + 2д/ АМ (4Я -АМ ),
где а - ширина буровой выработки, м; АМ -мощность прихватываемых вмещающих пород, м; Я - радиус кривизны рудного тела на отбиваемом участке в направлении минимальной изменчивости формы рудного тела, м.
Графический анализ полученной зависимости показывает, что предельная ширина
Рис.3. Зависимость коэффициента количества извлечения балансовых запасов от отклонения оси рудного тела
при выемочной мощности 1 м (а) и 3 м (б) 1 -M = ш; 2 - ш = 0,5 м; 3 - ш = 0,25 м;
прирезки по мере роста радиуса кривизны отбиваемого участка увеличивается по параболической зависимости, а также при увеличении разницы между шириной очистного пространства и мощностью рудного тела. Так как на практике прирезка вмещающих пород при очистной выемке обычно задается геологической службой в очень узких пределах (обычно 0,2-0,4 м), то выемка сильно искривленных участков (с радиусом до 6 м) без потерь возможна только при незначительной глубине бурения (2-4 м).
Интегральной характеристикой сложности строения рудного тела является модуль сложности жилы (цж), который учитывает не только радиус кривизны рудного тела, но и его мощность и степень изменчивости элементов залегания. Выполненные расчеты для жил различной сложности показали (рис.4), что допустимая по условиям полноты выемки балансовых запасов прирезки глубина скважин связана с модулем сложности на отбиваемом участке гиперболической зависимостью
к = 8,41ц;1.
Полученная методом наименьших квадратов эмпирическая зависимость (корреляционное отношение гк = 0,79) может быть использована для расчета величины 1б при изменении модуля сложности от 0,5 до 4,2.
Минимальное значение ширины прирезки в каждом конкретном случае определяется уровнем технико-экономических показателей очистной выемки. Результаты исследования параметров очистной выемки прирезками по простиранию показали, что морфология рудных тел при увеличении глубины отбойных скважин становится решающим фактором, определяющим полноту извлечения балансовых запасов.
/, м 18 16
14 Ч 12 10 -8 -
6
4 -2 -
Цж
Рис.4. Зависимость предельной глубины скважин от модуля сложности жилы
0
1
2
3
4
5
Морфология реальных рудных тел является фактором, определяющим объемные показатели отбойки через ограничение глубины бурения. В подавляющем большинстве случаев модули сложности жил по линии падения и по линии простирания довольно значительно отличаются друг от друга. В этом случае представляется достаточно очевидным, что при использовании наиболее производительных геотехнологий с отбойкой жил из нарезных выработок (подэтажей или восстающих), проходить эти выработки целесообразно по линии наибольшей изменчивости рудного тела, а взрывные скважины бурить в направлении минимальной его изменчивости. При соблюдении приведенных соотношений обеспечивается полная выем-
ка балансовых запасов при минимальном (для данных геологических условий) разу-боживании руды.
ЛИТЕРАТУРА
1. Галченко Ю.П. О модели техногенно измененных недр как нового литосферного объекта // Ю.П.Галченко, Л.И.Бурцев, Г.В.Сабянин // Горный информационно-аналитический бюллетень / МГГУ. М., 2005. № 2. С.142-147.
2. Галченко Ю.П. Научно-методические положения технологического обеспечения экологической безопасности при подземной добыче минеральных ресурсов / Ю.П.Галченко, Л.И.Бурцев, Г.В.Сабянин // Проблемы геотехнологии и недроведения. (Мельниковские чтения): Доклады междунар. конф., 6-10 июля 1998 г.; ИГД УрО РАН. Екатеринбург, 1998. Т.2. С.291-297.
3. Совершенствование разработки жильных месторождений / Д.И.Рафиенко, А.Ф.Назарчик, Ю.П.Галченко, Л.А.Мамсуров. М.: Наука, 1988. 215 с.
