Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние теории и практики выпуска руды и анализ результатов геомеханических исследований при подземной разработке рудных месторождений
1.1. Современные результаты теоретических и экспериментальных исследований выпуска руды
1.2. Анализ способов управления выпуском руды под обрушенными породами
1.3. Анализ результатов геомеханических исследований при подземной разработке рудных месторождений
2. Экспериментальные исследования закономерностей выпуска руды под обрушенными породами через выпускные выработки
2.1. Методика проведения экспериментальных исследований 41
2.2. Закономерности движения потока рудной массы при огибании препятствий
2.3 Влияние гранулометрического состава рудной массы на параметры огибающего потока
3. Экспериментальные исследования параметров потока и показателей извлечения при послойном (торцевом) выпуске руды
3.1. Параметры потока при изменении направления движения у стенки массива
3.2. Механизм засорения руды при ее послойном выпуске
3.3. Оценка величины потерь руды при ее послойном выпуске
3.4. Влияние угла наклона выпускаемого слоя руды на выбор его толщины
3.5. Выбор рациональной линии очистного забоя при системах подэтажного обрушения с послойной отбойкой руды
4. Кинематика процесса деления потоков и формирования общей фигуры выпуска
4.1. Исследование процесса деления потока 106
4.2. Способ выпуска руды с использованием разделителей потока 111
4.3. Кинематический расчет расположения разделительных целиков и размеров общей фигуры выпуска
5. Напряженно-деформированное состояние и устойчивость разделительных целиков и нависающих уступов в очистном пространстве
5.1. Постановка задач расчета напряженно-деформированного состояния элементов системы разработки с обрушением руды и вмещающих пород
5.2. Напряженно-деформированное состояние и устойчивость разделительных целиков
5.3. Напряженно-деформированное состояние и устойчивость нависающих уступов
6. Практические рекомендации по управлению выпуском руды и горным давлением для систем разработки с обрушением руды и вмещающих пород
6.1. Система разработки мощных крутопадающих рудных тел с использованием разделительных целиков
6.2. Технологические схемы системы разработки с послойной отбойкой и формированием фронта забоя в виде нависающих уступов
6.3. Геомеханическое обоснование элементов системы разработки с увеличенной высотой этажей железорудного месторождения «Одиночное» Краснокаменского ГОКа
6.4. Анализ работы Салаирского ГОКа и совершенствование применяемой системы разработки
6.5. Методика инженерного расчета отбойки и выпуска руды в системе подэтажного обрушения
6.6. Рекомендации по совершенствованию днищ блоков 213
6.7. Повышение эффективности выгрузки рудной массы из бункеров 217
Заключение 228
Литература 232
- Анализ способов управления выпуском руды под обрушенными породами
- Закономерности движения потока рудной массы при огибании препятствий
- Механизм засорения руды при ее послойном выпуске
- Способ выпуска руды с использованием разделителей потока
Введение к работе
Актуальность
Выпуск руды является важнейшим технологическим процессом, определяющим эффективность систем разработки с обрушением руды и вмещающих пород. Процесс выпуска руды вместе с подготовкой днищ блоков характеризуется высокой трудоемкостью, которая, в частности, на железных рудниках Сибири составляет более половины от общих затрат по системе разработки. От способа и организации выпуска руды зависят величины ее потерь и засорения, которые в лучшем случае составляют 10 -15% и 25-К35% соответственно, что значительно превышает аналогичные показатели в других системах разработки. Низкие показатели извлечения руды и большие объемы подготовительно-нарезных работ обусловлены вовлечением в процесс выпуска обрушенных пород, а также небольшой зоной влияния выпускных отверстий и, следовательно, небольшим объемом выпущенной через них руды. Решение проблемы повышения эффективности выпуска руды, и систем разработки в целом, заключается в развитии способов управления формированием потоков при выпуске руды на основе закономерностей ее истечения из очистного пространства.
Современное состояние теории выпуска руды ограничено изучением прямоточного истечения руды через плоское выпускное отверстие из фигур выпуска в форме эллипсоидов. Однако при гравитационном выпуске поток руды истекает на почву выработки под углом естественного откоса, изменяя направление своего движения, и формирование огибающего потока в таких условиях изучено недостаточно. Представление фигур выпуска в виде математически правильных, подобных эллипсоидов идеализирует процесс выпуска руды и в реальных условиях при решении технологических задач не всегда приемлемо.
Для разработки эффективных способов управления выпуском руды требуется адекватное описание этого процесса, включающее закономерности образования огибающих потоков, изменяющих направление движения. Для целенаправленного изменения направления движения потоков внутри очистного пространства, для управления их скоростью, размерами и формой следует использовать специально созданные элементы системы разработки -рудные целики и уступы. Выбор параметров этих элементов системы разработки должен обеспечивать их устойчивость в массиве отбитой руды для выполнения своих функций по управлению выпуском руды. Исследование напряженно-деформированного состояния, оценка прочности и устойчивости таких элементов систем разработки, находящихся в очистном пространстве, ранее не проводились.
Таким образом, изучение закономерностей формирования огибающих потоков и их использование для управления выпуском руды путем создания внутри очистного пространства специальных элементов систем разработки с геомеханически обоснованными параметрами, позволяющее снизить потери, засорение руды и объемы подготовительно-нарезных работ, является актуальной проблемой.
Целью работы является разработка и геомеханическое обоснование способов управления формированием потоков при выпуске руды из блоков в системах разработки с обрушением для снижения потерь, разубоживания и объемов подготовительно-нарезных работ.
Идея работы заключается в использовании закономерностей формирования потоков руды, изменяющих направление движения, с учетом анализа напряженно-деформированного состояния и устойчивости специальных элементов систем разработки для управления процессом выпуска руды.
Задачи исследований:
- изучить условия и закономерности формирования потоков руды, изменяющих направление движения в процессе выпуска;
- установить влияние параметров, формы выпускаемого слоя руды на показатели извлечения и обосновать способ управления формированием потока путем оформления линии очистного забоя в виде нависающих уступов при послойном выпуске руды;
- обосновать способ управления потоками руды с использованием разделительных целиков, создаваемых в очистном пространстве, и разработать математическую модель формирования общей фигуры выпуска;
- исследовать напряженно-деформированное состояние уступов и разделительных целиков в очистном пространстве, обосновать параметры, обеспечивающие их устойчивость при выпуске руды;
Методы исследований включают: анализ теоретических и экспериментальных исследований процесса выпуска руды из блоков и бункеров; физическое моделирование гравитационного истечения отбитой руды с использованием теории подобия, математическое моделирование формирования потоков руды при выпуске ее из блоков; статистическую обработку показателей извлечения руды и параметров потоков в натурных и лабораторных условиях; методы горной геомеханики для оценки напряженно-деформированного состояния и устойчивости разделительных целиков и нависающих уступов.
Научные положения, представляемые к защите:
- формирование потока, изменяющего направление движения, происходит при наличии целика, ниже которого поток истекает под углом естественного откоса руды; ширина формирующегося потока выше целика не зависит от диаметра выпускного отверстия и соответствует ширине потока, истекающего прямоточно через отверстие с диаметром, равным четырехкратному размеру куска руды; для руды различной крупности существует единая параболическая зависимость между числом кусков по ширине и высоте потока;
- при послойном выпуске руды соотношение между толщиной выпускаемого слоя и шириной зоны потока в верхней части слоя определяет механизм засорения, а также величины потерь и засорения; оптимальное значение указанного соотношения по показателям извлечения равно 0,6+0,7; оформление линии очистного забоя в виде нависающих уступов при оптимальной толщине выпускаемого слоя руды позволяет формировать поток в границах слоя увеличенной высоты со снижением потерь руды на 3+5% и засорения на 10+15%;
- способ управления потоками руды с использованием разделительных целиков, создаваемых в очистном пространстве, позволяет в два и более раз увеличить ширину зоны потока и объем руды, истекающей в выпускную выработку; параметры общей фигуры выпуска рассчитываются по разработанной математической модели в соответствии с проектным контуром блока, что уменьшает засорение руды на 10+20%;
- особенностью напряженно-деформированного состояния уступов и разделительных целиков является образование зон с растягивающими напряжениями, характеризующих прочностное и устойчивое состояние этих элементов систем разработки; основным параметром, определяющим устойчивость уступов и разделительных целиков по критерию Мора, является произведение коэффициента бокового распора на глубину разработки; максимальные значения критерия Мора в нависающем уступе находятся в степенной зависимости от этого параметра с показателем 2/3, а в разделительном целике - в линейной зависимости.
Достоверность научных положений обеспечивается использованием методов теории подобия в экспериментальных исследованиях, математической статистики при обработке экспериментальных данных, современных методов геомеханики при расчетах напряженно-деформированного состояния и обосновании параметров разделительных целиков и нависающих уступов; представительным объемом лабораторных исследований выпуска руды и натурных наблюдений за показателями извлечения.
Научная новизна заключается:
- в установлении качественных и количественных зависимостей, определяющих параметры зоны потока руды, формирующегося при огибании целиков;
- в описании механизма засорения руды, определяющего показатели извлечения при ее послойном выпуске;
- в установлении взаимосвязи между расположением разделителей и параметрами общей фигуры выпуска, образующейся в результате деления потоков при выпуске руды из блока;
- в оценке факторов, влияющих на напряженно-деформированное состояние разделительных целиков и уступов, находящихся в очистном пространстве, при выпуске руды;
- в геомеханическом обосновании размеров разделительных целиков и уступов, обеспечивающих их устойчивость;
- в обосновании способов управления выпуском руды, включающих формирование в очистном пространстве разделительных целиков, а также фронта забоя в виде нависающих уступов.
Личный вклад автора состоит в выборе, постановке задач исследования и методов их решения; в обработке и анализе результатов натурных наблюдений за выпуском руды; в проведении и анализе результатов лабораторных исследований по установлению закономерностей движения и управления потоком рудной массы; в обосновании способа выпуска руды и разработке конструктивных элементов системы разработки в виде разделительных целиков; в обосновании системы разработки подэтажного обрушения с фронтом забоя в виде нависающих уступов.
Практическая ценность работы состоит в том, что результаты исследований позволяют:
- сократить объемы подготовительных и доставочных работ на 30+50%, уменьшить потери и засорение руды до 12+13% и 10% соответственно в системе разработки подэтажного обрушения с очистным забоем в виде нависающих уступов; - сократить объемы подготовительно-нарезных работ на 30+35% и уменьшить засорение руды на 10+20% при отработке крутопадающих рудных тел путем создания в очистном пространстве системы разделительных целиков для извлечения руды с лежачего бока залежи;
- обосновать рациональные размеры и расположение выпускных выработок в днище блока;
- осуществить выбор параметров буро-взрывных работ по оптимальной толщине выпускаемого слоя руды в системах подэтажного обрушения;
- повысить эффективность выгрузки сыпучих материалов из бункеров при использовании способа управления формированием потоков с помощью разделителей.
Реализация работы. Результаты работы использованы в рекомендациях по отработке блока №5 месторождения «Кварцитовая сопка» Салаирского ГОК; в рекомендациях по отработке нижнего горизонта железорудного месторождения «Одиночное» рудника «Краснокаменского»; в «Методических указаниях по совершенствованию технологических процессов в системах разработки с обрушением руды и вмещающих пород», согласованных с ОАО «ВостНИГРИ» и ОАО «Сибгипроруда», утвержденных в ОАО «Евразруда»; в методических указаниях «Расчет показателей извлечения при выпуске руды» по курсу «Подземная разработка рудных месторождений» для студентов КузГТУ.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на VIII Всесоюзном семинаре по оптимизации горных работ (г.Новосибирск, 1989г.), на V Всесоюзном семинаре "Горная геофизика" (г.Телави, 1989г.), на Всесоюзной научно-технической конференции "Теория и практика проектирования, строительства и эксплуатации высокопроизводительных подземных рудников (г.Москва, 1990г.), на II Республиканском и III Всесоюзном семинарах "Проблемы разработки полезных ископаемых в условиях высокогорья" (г.Фрунзе, 1990 г., г.Бишкек, 1991 г.), на 4 Международной научно-практической конференции «Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах» (г.Кемерово, 2000 г.), на 7 Международной научно-практической конференции «Перспективные технологии разработки и использования минеральных ресурсов» (г.Новокузнецк, 2001 г.), на научно-практической конференции «Наукоемкие технологии добычи и переработки полезных ископаемых» (г.Новосибирск, 2001 г.), на симпозиуме «Неделя горняка - 2001» (г.Москва, 2001 г.), на Международной научно-практической конференции «Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов» (г.Новокузнецк, 2004, 2005 г.г.), на техническом совете ОАО «Салаирский ГОК» в 1991, 2000, 2002 г.г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 29 печатных работ, в том числе получено одно авторское свидетельство и один патент на изобретение.
Структура и объем. Диссертация состоит из введения, 6 глав и заключения, написана на 251 странице, содержит 73 рисунка, 35 таблиц и библиографию, из 205 наименований.
Автор считает своим долгом выразить благодарность д.т.н., профессору Ю.А. Рыжкову за полезные консультации и внимание к работе.
Анализ способов управления выпуском руды под обрушенными породами
Существующие способы выпуска руды можно разделить на два вида по числу выпускных отверстий, через которые происходит одновременный выпуск руды: донный площадной и послойный. При донном площадном выпуске предварительно обрушенная руда одновременно выпускается через несколько рядов выпускных отверстий. При послойном выпуске обрушение руды производится над одним выпускным отверстием, либо над одним рядом отверстий. При этом может применяться как донный выпуск через специально пройденные выпускные выработки, так и торцевой выпуск через торец доставочной выработки.
Управление выпуском подразумевает принятие некоторых мер по воздействию на образующиеся при истечении потоки с целью решения двух основных проблем. Во-первых, уменьшить величины потерь и засорения руды породой в процессе выпуска. Во-вторых, снизить объемы выработок, которые служат обеспечению выпуска. Соответственно, и способы управления выпуском руды можно разделить на два вида.
Первый заключается в управлении множеством потоков при наличии значительного объема обрушенной руды и одновременном ее выпуске через выпускные отверстия в днище блока. Второй - в управлении потоком, истекающим через одно выпускное отверстие. Классификация целей и способов управления выпуском руды приведена на рис.1.2.
При донном выпуске из блоков с вертикальными боковыми поверхностями и горизонтальной поверхностью контакта руды и породы наилучшие показатели достигаются при выпуске руды из дучек последовательно равными дозами (равномерно - последовательно) [114, 99, 53, 13, 121, 83]. Классификация целей и способов управления выпуском руды над каждым отверстием и приобретает форму воронок. Критическая высота равна высоте касающихся друг друга эллипсоидов выпуска смежных отверстий. Для составления планограмм выпуска разработаны методики расчета максимальных доз выпуска, при которых потери и разубоживание имеют минимальные размеры [99, 140].
Выпуск также может осуществляться поочередно или в определенном порядке [112, 83, 192, 29]. Так, например, для условий высокого горного давления предложен более рациональный, по сравнению с равномерно-последовательным, режим выпуска [91]. Он заключается в предварительном выпуске 10-15% руды из всех дучек, с последующем выпуском из дучек, расположенных через одну, а затем из остальных в любом порядке. Наибольшие потери и разубоживание, по сравнению с равномерно-последовательным выпуском, возникают при беспорядочном выпуске руды из дучек, при котором, по оценке Г.М.Малахова [114], их величина увеличивается соответственно в 2-2,2 и 1,5-2 раза.По мнению Н.Г.Дубынина при хаотичном выпуске объем выпускаемой чистой руды уменьшается на 36%, потери увеличиваются на 50%о, а разубоживание в 4 раза [53].
При разработке залежей с углом падения менее 90 руду выпускают из блоков с наклонными боковыми поверхностями. Особенность в данном случае заключается в том, что при выпуске руды на горизонтальное днище, со стороны лежачего бока образуется "мертвая зона" вне сферы выпускных отверстий. Основным способом снижения потерь является проведение дополнительных выпускных выработок в породах лежачего бока. Управление выпуском также осуществляется соблюдением планограммы. Поверхность контакта руды и породы может поддерживаться горизонтально, наклонно, или руда выпускается в определенном порядке, сначала через выработки горизонтального днища, а потом наклонного [1, 25, 81, 114,121, 192].
При извлечении руды из блоков сложной конфигурации, общие рекомендации по составлению планограммы выпуска являются недостаточными. Поэтому для установления оптимального режима выпуска исследователи предварительно используют физическое моделирование [198, 128], а в последнее время шире стало применяться компьютерное [81, 204, 46, 20, 89]. Однако, в связи с тем, что закономерности выпуска руды недостаточно изучены, роль физического моделирования по-прежнему остается высокой.
При управлении потоком, истекающим через единичное выпускное отверстие, также преследуются цели снижения потерь, разубоживания, уменьшения числа выпускных выработок. Это достигается за счет увеличения поперечных размеров потока и управления скоростью частиц внутри него. Для увеличения фигуры выпуска и замедления движения центральной части потока предлагается над выпускной воронкой по ее оси формировать разделительный целик [188, 191]. Разработана конструкция выпускных воронок с разделительным перекрытием, которая отличается тем, что в верхней части воронки оставляются встречные консольные целики, при этом образуются две полуворонки. Также для увеличения объема выпущенной руды предлагается формировать в воронке крестовину, выполненную из бетона или рудного массива [49].
Для изменения формы и размеров потока предлагается создание над выпускным отверстием вертикального столба разрушенной руды с кусками большей или меньшей крупности [6, 8], что, по мнению авторов, обеспечит более пологое опускание контакта руда - порода и увеличит объем выпускаемой руды до начала разубоживания. По мнению других авторов [163] более крупный размер кусков руда должна иметь в нижней части выпускаемого слоя, что приведет к расширению сферы влияния выпускного отверстия и возрастанию объема выпуска на 20-30%. Для достижения этой же цели при торцевом выпуске над буродоставочной выработкой оставляют целик -потолочину. Выпуск первоначально осуществляют через щели по бокам потолочины, после чего потолочину разрушают, и выпуск производят по центру выработки [2, 9,139].
Закономерности движения потока рудной массы при огибании препятствий
Истечение руды прямоточно вниз (а); влияние размера куска руды d на ширину параболы h (б): 1 - d =1 мм; 2 - d =2 мм; 3 - d=3 мм; зависимость между числом частиц по горизонтали Ne и вертикали Ne внутри зоны потока после вычета диаметра выпускного отверстия (в) Руда крупностью 1 мм выпускалась через отверстия с диаметром 3, 4, 5 и 6 мм. Руда с d=2 мм через отверстия 4, 6, 8, 10 мм, а руда с d=3 мм через отверстия 8,10, 12, 14,16 мм.
Свободное, без зависаний истечение руды однородной крупности происходит в том случае, когда диаметр отверстия D0 превышает утроенный размер куска d, то есть, D0 3d,. В ходе экспериментов проводились измерения общей ширины зоны потока Н на высоте /. Далее, из общей ширины потока Н была вычтена величина выпускного отверстия D0. Для руды крупностью d =1, 2 и 3 мм были получены зависимости изменения ширины параболы по ее высоте (рис.2.16). Руде большей крупности соответствует парабола большей ширины, причем все параболы имеют различные уравнения.
Существующие способы гравитационного (самотечного) выпуска руды заключаются в том, что отбитая руда поступает на почву доставочной выработки, откуда удаляется скреперной лебедкой или погрузчиком. При донном выпуске руда истекает через выпускную выработку (воронку и дучку) (рис.2.2а), при выпуске поток огибает целик над доставочной выработкой, и руда поступает в нее под углом естественного откоса. Такое истечение отличается от прямоточного.
На модели производился выпуск руды через отверстия сложной конфигурации: через воронку симметричной формы с наклонной горловиной и через наклонную дучку из-под козырька (рис.2.2б). У выпускных выработок изменялись ширина верхней и нижней части воронки и дучки, и углы наклона их стенок. В ходе экспериментов размеры выпускных выработок увеличивались. Неожиданным оказалось то, что, в отличие от прямоточного истечения, поток не стал расширяться вслед за границами выработки. Ширина потока оставалась постоянной, такой же, как если бы истечение происходило через выработку с минимальными размерами, обеспечивающими проходимость частиц. a)
Изменение направления движения потока при донном выпуске руды (а) и формирование огибающего потока при выпуске руды на модели через воронку с дучкой и через дучку из-под козырька (б) Вне зависимости от размера выпускного отверстия D0, поток руды истекает через его некоторое постоянное сечение на уровне изменения потоком направления движения. Это сечение названо условным выпускным отверстием, а его размер Dyai. Общая схема формирования огибающего потока показана на рис. 2.3а. Над выпускным отверстием установлена вставка, исключающая возможность прямоточного истечения. Точка огибания обозначена на рисунке индексом "А", ниже этой точки поток изменяет свое направление. При истечении сыпучего материала поток имеет выше точки огибания форму параболоида, а ниже нее -форму трубы. Изменением положения препятствия над отверстием были установлены условия, при которых происходит свободное истечение руды: 1) угол наклона зоны прохода частиц к выпускному отверстию ниже препятствия должен быть не меньше угла естественного откоса сыпучего материала /; 2) ширина указанной зоны должна быть не меньше 3d. При несоблюдении этих условий развитие потока не происходит в результате зависания частиц. Диаметр выпускного отверстия Д, не оказывает влияния на ширину потока.
Размеры потока, изменяющего направление движения при огибании препятствия, устанавливались следующим образом. Руда крупностью 1, 2 и 3 мм выпускалась с изменением направления движения потока. Измерялась ширина зоны потока на различной высоте от точки огибания, уровень которой был принят за нулевой, так как поток имеет форму параболоида выше нее. Ширина зоны огибающего потока сравнивалась с шириной потоков при прямоточном истечении через выпускные отверстия различного диаметра. На рис.2.3б показаны семейства кривых для руды крупностью 1, 2 и 3 мм.
Виды истечения руды показаны на рис. 2.4, где показано движение частиц через отверстие, кромки которого находятся на разном уровне. Прямоточное истечение происходит при размере отверстия больше четырехкратного размера куска руды D0 4d (рис.2.4а). При таком виде истечения увеличение D0 приводит к расширению потока. При уменьшении Д, до (3+4)d осуществляется переход от прямоточного истечения к огибанию, ширина потока становится фиксированной, зависящей только от характеристик руды. Истечение с огибанием может осуществляться при D0= 0 (рис.2.4в) или его отрицательном значении (рис.2.4г).
Установление факта, что при гравитационном выпуске происходит образование огибающего потока определенного размера, позволяет, с одной стороны, определить рациональные размеры выпускных выработок, а с другой, показатели выпуска - объем выпущенной руды, потери и разубоживание.
Механизм засорения руды при ее послойном выпуске
Основным недостатком системы разработки подэтажного (этажного) обрушения с отбойкой и выпуском руды слоями остается повышенное засорение руды, и как следствие, повышенные потери, когда выпуск засоренной руды становится экономически нецелесообразен, и прекращается. Основной рекомендацией для уменьшения засорения при отбойке руды вертикальными слоями является соблюдение определенных пропорций между высотой В и толщиной выпускаемого слоя Т. Согласно [13]: В=2,7-гЗ,5Т. Однако, рекомендуемое соотношение не является универсальным, и в условиях конкретного рудника требуются дополнительные исследования по установлению оптимальных пропорций выпускаемого слоя.
Для раскрытия факторов, обуславливающих выбор толщины выпускаемого слоя при его заданной высоте, использовалось физическое моделирование. Моделирование проводилось на плоской модели в масштабе 1:100 с соблюдением геометрического подобия. В экспериментах использовалась дробленая руда Салаирского рудника крупностью 2-5 мм. Порода имитировалась дробленым мрамором крупностью 5-Ю мм. На передней стенке модели была нанесена сетка с размером ячеек 20 мм на 20 мм. Толщина модели составляла 60 мм для исключения влияния стенок модели на процесс выпуска руды. Для сопоставимости результатов экспериментов засыпка модели производилась в одинаковых условиях. При выпуске руда под углом естественного откоса истекала на днище модели, откуда удалялась скребком. Выпуск руды из слоя производился 3- -4 дозами, и продолжался до тех пор, пока засорение породой в дозе выпуска не достигало приблизительно 50%.
При выпуске проводились визуальные наблюдения за положением границы потока и его вертикальной оси. Как известно, движение частиц происходит в определенной зоне над выпускным отверстием, которая названа областью влияния выпускного отверстия или зоной потока. За границей зоны потока частицы остаются неподвижными при выпуске любого количества руды из отверстия. При послойном выпуске поток вытягивается вдоль стенки массива, и в вертикальном сечении ограничен веткой параболы 1 со стороны отбитой руды (см. рис. 3.16). Ширина потока на уровне кровли выработки составляет Dycn. Выше этого уровня поток расширяется, и имеет максимальную ширину S в отбитом слое руды, которая зависит от крупности и формы кусков, гранулометрического состава, влажности, коэффициента разрыхления и других свойств руды. Частицы имеют наибольшую скорость движения вдоль вертикальной оси 2. По мере удаления частиц от оси, их скорость уменьшается, и на границе потока практически равна нулю. Поэтому для наблюдения за положением границы потока при засыпке модели создавались несколько горизонтальных прослоев черного цвета, и фиксировалась их подвижная и неподвижная часть. Вертикальная ось потока проводилась через вершину воронки прогиба и максимальные прогибы прослоев.
В ходе предварительных экспериментов было установлено, что процесс засорения осуществляется различным образом, в зависимости от соотношения между толщиной слоя и максимальной шириной потока. Была проведена серия экспериментов по выпуску руды из вертикального слоя высотой 30 м, толщина которого составляла 8, 6, 4 м, при прямой форме очистного забоя. При максимальной ширине потока =10 м толщина отбиваемого слоя в данных случаях составила соответственно 0,85 , 0,6S и 0,46 .
Картина выпуска слоя с меньшей толщиной - 4м (рис.3.3), значительным образом отличается от рассмотренной выше. Первоначально, так же как и при выпуске слоя толщиной 8 м, ось потока находится на расстоянии 2 м от стенки массива (рис. 3.36). Однако при дальнейшем выпуске (рис.3.Зв) становится заметно, что в движение вовлекаются частицы породы, расположенные левее слоя руды, именно они приобретают максимальную скорость, и устремляются в выработку. Так как максимальную скорость движения имеют частицы, расположенные на оси потока, то можно сделать вывод, что она сместилась в сторону обрушенных боковых пород, и находится на расстоянии около 4 м от стенки массива. На рис. З.Зг показан момент начала засорения руды, и образование воронки внедрения. При толщине слоя 4 м засорение руды производится породой, находящейся за боковым контуром слоя.
Отличия можно объяснить следующим. При выпуске слоя руды толщиной 4 м граница потока на высоте 5-6 м (см. рис. З.Зд) выходит за контур слоя. В потоке вместе с кусками руды начинают двигаться куски породы, которые имеют большую крупность. Ширина потока на уровне кровли выработки увеличивается, так как она зависит от крупности движущихся кусков. Это приводит к смещению вертикальной оси потока в сторону обрушенных пород (влево). На фотографиях заметно, что ось имеет некоторый наклон в сторону обрушенного массива, что согласуется с исследованиями [187], по которым величина наклона составляет 4-5. Новая ось потока находится вблизи от вертикальной границы слоя, и наибольшую скорость движения приобретают куски руды и породы, находящиеся рядом с ней. Куски руды, находящиеся у стенки массива, оказываются вдали от оси, и их скорость движения снижается.
Способ выпуска руды с использованием разделителей потока
На основании установленных закономерностей деления потока разработан способ выпуска руды с использованием системы разделителей [4]. Целью способа является повышение эффективности отработки месторождений за счет увеличения фигуры выпуска и точности управления ее параметрами. В качестве разделителей предлагается использовать разделительные целики, взаимное расположение и число которых определяется формой очистного пространства. На модели был произведен выпуск руды под обрушенными породами из блоков, имеющих в сечении ромбическую, треугольную и наклонную форму.
На рис.4.4а) изображено сечение, перпендикулярное доставочной выработке, и схема развития общей фигуры выпуска для блока ромбической формы. Над выпускным отверстием расположен горизонтальный целик, а выше него - парами на нескольких уровнях наклонные целики, симметрично расположенные относительно вертикальной оси выработки. Выпуск производится под обрушенными породами. В ходе выпуска отбитой руды через выпускную выработку образуется несколько самостоятельных потоков, которые пересекаются, и образуют один общий поток с увеличенными поперечными размерами.
При разработке крутопадающих рудных тел запасы с лежачего бока извлекаются через дополнительно проведенные в нем выработки. На модели проводился выпуск для таких рудных тел. Применение разделителей позволило отказаться от промежуточных выработок в лежачем боку и производить выпуск через выпускную выработку основного горизонта. В данном случае разделители располагаются вдоль лежачего бока (рис.4.4в), и ход выпуска на модели показан на рис.4.7.
Для осуществления предлагаемого способа выпуска и обеспечения низких показателей потерь и разубоживания в каждом конкретном случае необходимо производить предварительный расчет по определению положения и размеров целиков в зависимости от формы и размеров очистного пространства.
Расположение разделителей определяет общую фигуру выпуска, в которую сливаются потоки руды, огибающие разделители. Нахождение параметров фигуры выпуска связано с вычислением высоты столба руды над каждым разделителем в зависимости от его местоположения. При проведении выпуска руды под обрушенными породами расчет производится из условия одновременности достижения выпускного отверстия частицами породы, находящимися на оси каждого потока на границе раздела "руда 117 обрушенная порода". Для расчета использовались решения, полученные В.В.Куликовым [99] для описания процесса истечения.
Схема для расчета приведена на рис.4.8. Слой руды высотой Hj выпускается через воронку с дучкой, для разделения образовавшегося потока выше выпускной выработки располагается разделительный целик. Расположение нижней точки разделительного целика 1 внутри потока должно удовлетворять условиям (4.1), при которых возможно разделение потока. При известных расстояниях между целиками по вертикали Ь и горизонтали а , точка 1 имеет координаты (я/, Ь), где я/ равно расстоянию от точки 1 до вертикальной оси потока, подвергающегося делению, я; = \a-DyJ21. Через точку 1 строится эллипсоид выпуска, максимумом которого является точка 5. Согласно В.В.Куликову, уравнение поверхности тела выпуска для частиц, приходящих к выпускному отверстию за время t, выглядит следующим образом:
Рассматривалась типичная горно-техническая ситуация процесса очистной выемки руды системой разработки с обрушением руды и вмещающих пород с использованием разделительных целиков. Очистные работы находятся в стадии, когда над рудным массивом сформировался массив обрушенных пород на высоту Нобр, считая от днища отрабатываемого блока. Плоское вертикальное сечение блока, проходящее через середину разделительного целика, показано на рис.5.1а).
Расчеты напряженно-деформированного состояния целика, массива руды и вмещающих пород выполнялись методом конечных элементов. Для этого, из рассматриваемого сечения была выделена расчетная область - многоугольник ABCDEFGHKL (рис.5.16) по следующим критериям. Границы расчетной области ВС и CD должны быть удалены от выемочного блока на расстояние, не менее чем в три раза превышающие размеры блока в соответствующих направлениях. При таком удалении границ можно считать, что на них сохраняется начальное напряженно-деформированное состояние рудного массива, на которое не оказали влияния очистные работы. Линия DE является осью симметрии отрабатываемого горизонта, что позволяет рассматривать половину сечения, показанного на рис.5.1а). Остальные размеры расчетной области, такие как высота этажа AF = Нэт, высота целика КН = h, ширина целика GH = I, являлись переменными величинами задачи.
