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 пологопа-дающих 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 уН 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 таких условиях 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 слоевая система разработки со сплошной выемкой, 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 гор-
3 J ЮС НАЦИОНАЛЬНАЯ j
' 2Ъ&Щ
ным давлением, особенно при отработке запасов мощных рудных месторождений под ответственными охраняемыми объектами и в сложных горно-геологических условиях.
Сдерживающим фактором широкого применения технологии с твердеющей закладкой является её дороговизна и высокая энергоёмкость, 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 кВт-ч/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 мате-риалопотоках, 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 «погоняются» 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 ее 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 закономерностей проявления горного давления при погашении выработанных пространств с уплотнённой закладкой для 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 увеличения плотности их возведения.
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 отра
ботки запасов рудных месторождений с возведением высокоплотных искусствен
ных массивов методом механизированного динамического уплотнения.
Оценить эффективность вовлечения в эксплуатацию запасов охранных целиков
с применением технологии механизированного динамического уплотнения пород
но-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. Оконча-
тельные 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 уН до 1,1 - 1,2 уН при достижении полной подработки, обеспечивая благоприятные условия управления горным давлением, предотвращает динамические формы его проявления.
Механизированное уплотнение насыпных искусственных массивов закладки с динамическим усилием забивки до 500 кН обеспечивает плотность их укладки 0,95 - 0,98 по Проктору без дополнительной классификации компонентов закладочной смеси, что качественно превышает по деформационным характеристикам монолитные искусственные массивы.
Несущая способность высокоплотных породно-твердеющих искусственных массивов, возведенных методом механизированного динамического уплотнения, превышает реакцию отпора массивов, возведённых из монолитной закладки. Высокоплотные искусственные массивы воспринимают до 70 - 80% веса налегающей толщи пород при незначительных параметрах подработки (до 70 метров) в отличие от монолитных искусственных массивов, воспринимающих не более 10% при аналогичных параметрах подработки, что позволяет вести выемку месторождений под застроенными территориями.
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 на 80 - 85%
снижает энергоёмкость процесса погашения выработанного пространства более
чем на 25%.
Научную новизну работы составляют:
Установлена взаимосвязь между степенью уплотнения закладочного массива
и развитием очагов разуплотнения и деформирования вмещающих пород, учиты
вающая первоначальный распор динамического уплотнения закладочного материа
ла.
Выявлены закономерности формирования горного давления и снижения кон
центраций напряжений в опорной зоне с 1,7 -2 уН до 1,1 - 1,2 уН в зависимости
от параметров уплотнения искусственного массива и степенью его уплотнения
Обоснованы технологические параметры процесса уплотнения закладочной
смеси, позволяющие при динамическом усилии до 500 кН достичь плотности ук
ладки 0,95 - 0,98 по Проктору.
Выявлены закономерности влияния степени уплотнения и технологии возведе
ния закладочного массива на лаг развития полноценной реакции отпора, дости
гающей 70 - 80% веса налегающей толщи пород при пролете подработки до 70 м
Установлено влияние степени уплотнения искусственного закладочного массива на технологические параметры сплошной отработки месторождений, исключающие развитие динамических форм проявления горного давления и опасных деформаций под охраняемыми объектами на земной поверхности
Достоверность научных положений, выводов и результатов подтверждаются.
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 математи
ческих методов обработки результатов исследований;
сходимостью фактических сдвижений и деформаций вмещающих пород (при
отработке запасов охранного целика с высокоплотной комбинированной закладкой)
с экспериментальными исследованиями 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 проектирования технологии отработки запасов мощных месторождений, с использованием способа активного управления горным давлением с возведением высокоплотных искусственных массивов, исключающего зарождение очагов разуплотнения массива;
внедрении новых технологий возведения высокоплотньгх искусственных массивов при отработке мощных рудных месторождений со значительным сокращением монолитной закладки для достижения равнозначного эффекта по показателям качества отработки месторождений;
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 выемки запасов мощных 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 вы-
полнении исследований, проектировании и внедрении технологии повторной отработки запасов охранного целика шахты №6 Миндякского рудника; корпорацией «Казахмыс» при проектировании технологии отработки предохранительных целиков 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 медалями 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, и строительства и эксплуатации высокопроизводительных рудников» (Москва, 1990 г.); международных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва, 2003, 2004, 2005гг.); 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 Мр работ'., в том числе, монография, авторское свидетельство на изобретение, два учебных пособия с грифом УМО РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения; содержит 306 страниц, включая 105 рисунков, 27 таблиц и список использованных источников из 209 наименований работ отечественных и зарубежных авторов. В приложении представлены акты внедрения
