Введение к работе
Актуальность работы. Технология с твердеющей закладкой обеспечивает полноту извлечения запасов и сохранность подрабатываемых объектов, однако как инструмент управления горным давлением, особенно при отработке пологопадающих и наклонных рудных месторождений, остаётся в «тени». Искусственный массив находится фактически в зоне разгрузки даже при полной подработке. В силу особенностей технологии возведения монолитной закладки, податливости искусственного массива, при пологом и наклонном падении залежи закладка не является полноценным инструментом управления горным давлением. Естественное напряжение перераспределяется и концентрируется в опорных зонах – рудных и породных разделительных целиках, концентрация напряжений в которых достигает 3 и более, создавая тяжелые условия поддержания подготовительных выработок. Выработки, пройденные в разделительных и околоствольных целиках или в зонах их влияния на уровне вентиляционно-закладочных и откаточных горизонтов, испытывают прогрессирующее влияние опорного давления по мере сокращения целиков. В зависимости от прочности и структурного строения пород и руд, слагающих целики, выработки на одних участках оказываются в условиях сильной концентрации напряжений, когда их величина приближается к мгновенной прочности руд или пород (создаётся удароопасная ситуация), на других, если массив представлен сильно нарушенными породами и рудами, разрушение выработок главным образом связано с неустойчивостью обнажений, склонностью массива к «расползанию» по тектоническим трещинам под действием опорных нагрузок. Для традиционной технологии с твердеющей закладкой характерно наличие лага от нескольких месяцев до нескольких лет между началом погашения выработанного пространства и нагружением искусственного массива. За этот период происходит перераспределение напряжений в массиве и интенсивное накопление упругой энергии, а также первоначальное расслоение и нарушение сплошности массива.
Изменить роль искусственного массива как активного несущего элемента возможно при использовании технологии отработки со сплошной уплотнённой породно-твердеющей закладкой выработанного пространства. В основе технологии лежит система разработки со сплошной выемкой слоями или подэтажными камерами, восходящим порядком отработки запасов и породной закладкой с использованием технологии динамического механизированного уплотнения. Технология с уплотнённой, «забитой», породно-твердеющей закладкой позволяет изменить роль искусственного массива как действенного инструмента управления горным давлением. Уплотнённая закладка начинает воспринимать горное давление практически сразу и становится активным несущим элементом в силу специфики её уплотнения. Роль уплотнённого искусственного массива сводится не к пассивному «ожиданию» увеличения размеров подработки, а «упреждающему» воздействию на неблагоприятное развитие геомеханической ситуации на месторождении в процессе отработки. Увеличение размеров выработанного пространства уже не является необходимым условием работы искусственного массива как полноценной реакции отпора. Разработанный способ возведения искусственных массивов с механизированным динамическим уплотнением породной и породно-твердеющей закладкой позволяет эффективно управлять горным давлением, особенно при отработке запасов мощных рудных месторождений под ответственными охраняемыми объектами и в сложных горно-геологических условиях.
Фактором, сдерживающим широкое применения технологии с твердеющей закладкой, является её дороговизна и высокая энергоемкость, особенно если возникает необходимость использовать в качестве заполнителя крупнообломочные отвальные скальные породы для приготовления пастообразных смесей. В этом случае энергоемкость процессов дробления и тонкого измельчения компонентов закладочной смеси достигает 25 - 30 кВтч/м3 смеси. Вместе с тем, существует реальная возможность изменения содержания процессов погашения с закладкой выработанного пространства. С одной стороны, процессы дробления и последующего измельчения компонентов обусловлены требованиями трубопроводного транспортирования смеси, с другой - дробление и измельчение заполнителя негативно влияет на прочностные характеристики искусственного массива. С развитием самоходного транспорта на подземных горных работах появляется возможность отказаться от трубопроводного как основного вида (или хотя бы частично). Известно, что трубопроводный транспорт экономически оправдан при массовых непрерывных материалопотоках, а на рудных месторождениях чаще всего потоки нерегулярны, изменяются место и время работ. Привязка к трубопроводу значительно ограничивает гибкость процесса.
С уменьшением объёмов и увеличением площадей отрабатываемых рудных тел привязка к трубопроводному транспорту ведёт к увеличению удельных затрат на закладку. Сократить удельный вес твердеющей закладки без увеличения ущерба от потерь руды возможно в случае применения новых технологий возведения высокоплотных массивов. Внедрение современных ресурсосберегающих технологий базируется на достаточно сильном операционном «рычаге», создаваемом технологическим комплексом в процессе погашения отработанного пространства с использованием принципов логистики. В традиционных технологиях существующие материалы «подгоняются» под требования приготовления и транспортировки закладочной смеси, например, дробление и глубокое измельчение крупнообломочных скальных пород. Разумнее «подгонять» технологию под существующие скальные материалы как основному носителю затрат. Для этого необходимо перестроить всю логистическую схему погашения выработанного пространства с монолитной закладкой, отказаться от строительства мощных капиталоёмких закладочных комплексов. С технической точки зрения процесс сводится к возведению высокоплотных искусственных массивов с незначительной долей твердеющей закладки (10 - 15% общего объема) и использованием механизированного динамического уплотнения породной отсыпки, применяемого в дорожном строительстве.
Иными словами, решаемая в настоящей диссертационной работе проблема управления геомеханическим состоянием массива при отработке рудных месторождений с возведением высокоплотных искусственных массивов методом механизированного динамического уплотнения представляется актуальной научной и практической проблемой. В основе её решения лежит научно-методическое обоснование влияния новой технологии погашения выработанного пространства с возведением высокоплотной закладки методом механизированного динамического уплотнения на геомеханические процессы и технологию разработки мощных рудных месторождений.
Объектом исследования является способ управления геомеханическим состоянием массива при отработке рудных месторождений, предметом исследования - закономерности изменения геомеханического состояния массива при отработке рудных месторождений с применением высокоплотной закладки.
Цель работы. Исследование закономерностей изменения геомеханического состояния массива при отработке рудных месторождений с применением высокоплотной закладки для разработки методов управления состоянием массива, обеспечивающих, повышение эффективности и безопасности ведения горных работ.
Основная идея – использование активной реакции отпора высокоплотных искусственных массивов, возводимых методом механизированного динамического уплотнения в условиях, запрещающих деформации в горизонтальной плоскости, в целях снижения нормальных и изгибных напряжений пород висячего бока и обоснования параметров технологии отработки месторождений, обеспечивающих эффективность управления геомеханическим состоянием массива горных пород.
Задачи исследований:
Исследовать деформационные свойства монолитных и высокоплотных искусственных массивов, разработать эффективные способы возведения закладки повышенной плотности.
Исследовать оптимальные параметры режимов уплотнения тяжёлых скальных насыпных массивов и способов возведения устойчивых вертикальных обнажений уплотнённых породно-твердеющих массивов.
Исследовать роль высокоплотных искусственных массивов в геомеханических процессах и выявить закономерности сдвижения вмещающих пород при их возведении; установить взаимосвязи параметров отрабатываемого рудного тела и сдвижения массива.
Исследовать логистическую модель движения материалопотоков при технологии с уплотнённой породно-твердеющей закладкой.
Разработать инженерные методы расчета параметров систем сплошной отработки запасов рудных месторождений с возведением высокоплотных искусственных массивов методом механизированного динамического уплотнения.
Оценить эффективность вовлечения в эксплуатацию запасов охранных целиков с применением технологии механизированного динамического уплотнения породно-твердеющей закладки.
Методы исследований. При выполнении работы использован комплекс современных средств и методов исследований, включающий: системный и структурно-функциональный анализ отечественного и зарубежного опыта исследований технологических схем подземной разработки рудных месторождений системами разработки с закладкой; физическое и математическое моделирование с использованием современных программных продуктов; экономико-математическое моделирование; методы математической статистики и экспертных оценок; промышленные исследования; натурные экспериментальные наблюдения процессов сдвижения вмещающих пород и земной поверхности при повторной отработке запасов охранного целика на Миндякском руднике и промплощадке Гайского рудника. Окончательные выводы сделаны на основании технико-экономического анализа результатов исследований.
Защищаемые положения:
Технология погашения выработанного пространства с уплотнённой закладкой, создающей предварительный распор вмещающих пород, предотвращает развитие разупрочнения массива горных пород и формирование очагов деформирования, снижает концентрацию напряжений в опорной зоне с 1,7 –2 до 1,1 – 1,4 gH при достижении полной подработки. Обеспечивает благоприятные условия управления горным давлением, снижает интенсивность динамических форм проявления горного давления в зоне влияния очистных работ.
Механизированное уплотнение с динамическим усилием забивки до 500 кН обеспечивает плотность укладки породно-твердеющей закладки 0,95 - 0,98 по Проктору без дополнительной классификации компонентов закладочной смеси. Динамическая забивка породно-твердеющей закладки в условиях, запрещающих деформации в горизонтальной плоскости, создаёт распор, исключающий деформации висячего бока.
Несущая способность высокоплотных породно-твердеющих искусственных массивов, возведённых методом механизированного динамического уплотнения, превышает реакцию отпора массивов, возведённых из монолитной закладки. Высокоплотные искусственные массивы воспринимают до 70 – 80% веса налегающей толщи пород при размерах подработки до 70 метров, в отличие от монолитных искусственных массивов.
Технология возведения уплотнённых искусственных породно-твердеющих массивов позволяет переориентировать материалопотоки, изменить традиционные процессы приготовления и транспортирования закладочной смеси. Исключение процессов дробления и глубокого измельчения компонентов смеси снижает энергоёмкость процесса погашения выработанного пространства от 25%.
Научная новизна работы:
Активная реакция отпора искусственного массива, возникающая вследствие динамического механизированного уплотнения с усилиями до 500 кН в условиях зажатой среды, исключает развитие концентрации напряжений в опорных зонах, величина которых не превышает 1,1-1,4.
Технология механизированного динамического уплотнения исключает лаг между окончанием закладки в забое и его нагружением породами налегающего массива, в отличие от традиционной технологии монолитной закладки.
Напряжения, возникающие в искусственном массиве, в процессе его уплотнения компенсируют нормальные и изгибные напряжения в контактирующей с ним толще налегающих пород, величина которых достигает нулевых значений.
Впервые разработана логистическая схема погашения выработанного пространства и технология сплошной отработки запасов рудных месторождений с использованием технологии механизированного динамического уплотнения, исключающая энергоёмкие процессы мелкого дробления и измельчения компонентов закладки.
Впервые разработана технология сплошной отработки запасов рудных месторождений с использованием механизированного динамического уплотнения породно-твердеющего массива на основе выявленных закономерностей изменения геомеханического состояния.
Достоверность научных положений, выводов и результатов подтверждается:
использованием научно обоснованной методики исследований;
представительным объёмом промышленных и лабораторных экспериментальных исследований с использованием математических методов обработки результатов исследований;
системным подходом к использованию аналитического аппарата и математических методов обработки результатов исследований;
инструментальными натурными наблюдениями и лабораторными исследованиями;
сходимостью фактических сдвижений и деформаций вмещающих пород (при отработке запасов охранного целика с высокоплотной комбинированной закладкой) с результатами экспериментальных исследований при отработке с уплотнённой закладкой;
положительными результатами внедрения технологии механизированного динамического уплотнения скальных пород и различных тяжёлых грунтов;
использованием математического и физического моделирования.
Практическая ценность работы заключается в:
научно-методическом обосновании технологии отработки запасов мощных рудных месторождений с использованием способа активного управления горным давлением с возведением высокоплотных искусственных массивов;
внедрении новых технологий возведения высокоплотных искусственных массивов при отработке мощных рудных месторождений со значительным сокращением монолитной закладки при достижении равнозначного эффекта по показателям полноты отработки запасов;
разработке логистической схемы возведения высокоплотных искусственных массивов, включающей транспортировку закладки на поверхности, перепуск, подземный транспорт с помощью самоходной техники и укладку с последующим механизированным динамическим уплотнением в забое, позволяющей сократить удельный вес твердеющей закладки до 15 - 20% общих объёмов возводимого искусственного массива;
разработке методики проектирования технологических схем отработки запасов рудных месторождений с возведением высокоплотных породно-твердеющих искусственных массивов методом механизированного динамического уплотнения.
Реализация. Результаты работы использованы институтом Уралгипроруда (г. Екатеринбург) при составлении технических проектов Саткинского подземного рудника "Магнезитовая", отработки охранного целика под Механическим заводом на шахте «Магнетитовая» Высокогороского ГОКа; институтом Унипромедь при проектировании отработки Узельгинского месторождения; ПО Уралзолото при выполнении исследований, проектировании и внедрении технологии повторной отработки запасов охранного целика шахты №6 Миндякского рудника; корпорацией «Казахмыс» при разработке предложений по проектированию технологии отработки предохранительных целиков Анненского рудника Жезказганского месторождения; институтом ВНИМИ при составлении ТЭО отработки Соль-Илецкого месторождения. Разработанные с участием автора технологические схемы отработки запасов охранных целиков на Высокогорском железорудном месторождении под ВМЗ и под охраняемыми объектами на Саткинском месторождении магнезита были удостоены дважды серебряной и бронзовой медалей ВДНХ СССР в 1981 г. и 1982 г.
Апробация результатов работы: на VI всесоюзной конференции по механике горных пород (г. Фрунзе, 1979 г.); всесоюзной конференции «Безотходная технология переработки исходных ископаемых» (г. Челябинск, 1985 г.); всесоюзной научно-технической конференции «Перспективы развития технологий подземной разработки месторождений» (г. Москва, 1995 г.); на VII уральской научно-технической конференции по системам подземной разработки руд цветных металлов (г. Дегтярск, 1985 г.); IX всесоюзной научно-технической конференции по механике горных пород (г. Фрунзе, 1989г.); всесоюзной научно-технической конференции «Теория и практика проектирования, строительства и эксплуатации высокопроизводительных рудников» (Москва, 1990 г.); международных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва, 2003, 2004, 2005, 2006, 2007гг.); ежегодных научно-технических конференциях МГТУ; технических советах Учалинского комбината, Саткинского комбината «Магнезит», Миндякского рудника, института Уралгипроруда; на международной конференции Горно-геологического института ЗСФ АН СССР - Института горного дела Сибирского отделения РАН «Проблемы и перспективы развития горных наук» (Новосибирск, Академгородок, 2004 г.); симпозиуме «Уральская горная школа регионам» (Екатеринбург, 2005г.).
Публикации. По теме диссертации автором опубликованы 32 работы, в том числе две монографии, авторское свидетельство на изобретение, два учебных пособия с грифом УМО.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения; содержит 314 страниц, включая 109 рисунков, 28 таблиц и список использованных источников из 209 наименований работ отечественных и зарубежных авторов. В приложении представлены акты внедрения.
