Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования 9
1.1. Горно-геологические особенности Жезказганского месторождения 9
1.2. Технология ведения горных работ 11
1.3. Обзор практики отработки пологопадающих рудных месторождений камерно-столбовой системой разработки 14
1.4. Геомеханические и горнотехнические условия разработки Жезказганского месторождения 27
1.5. Развитие повторной разработки месторождения 29
1.6. Цель и задачи исследований 38
ГЛАВА 2. Оценка напряженного состояния массива горных пород при выемке свит сближенных залежей 41
2.1. Методика исследований 41
2.2. Исследование закономерностей формирования поля напряжений в целиках различного назначения по мере развития горных работ при существующей технологии 44
2.3. Моделирование отработки залежей при последовательной выемке камерных запасов и погашении целиков 55
2.4. Оценка напряженно-деформированного состояния массива при гравитационных напряжениях 63
Выводы 70
ГЛАВА 3 . Влияние фактора времени на сохранность целиков 72
3.1. Вязко-упругая модель устойчивости целиков 72
3.2. Длительная устойчивость и разрушение конструктивных элементов камерно-столбовой системы разработки пологопадающих месторождений 75
3.3. Оценка устойчивости целиков с учетом фактора времени по методу Турнера-Шевякова 79
Выводы 84
ГЛАВА 4. Технико-экономическая оценка порядка отработки свит меднорудных залежей 85
4.1. Анализ повторной отработки целиков в ранее отработанных панелях рудных залежей 85
4.2. Расчёт технико-экономических показателей камерно-столбовой системы разработки с повторной отработкой 90
4.3. Расчёт технико-экономических показателей камерно-столбовой системы разработки с отработкой целиков вслед за выемкой камерных запасов 98
4.4. Сравнительная технико-экономическая оценка вариантов отработки панелей 100
Выводы 104
Заключение 105
Список литературы 107
Приложения 119
- Технология ведения горных работ
- Исследование закономерностей формирования поля напряжений в целиках различного назначения по мере развития горных работ при существующей технологии
- Оценка напряженно-деформированного состояния массива при гравитационных напряжениях
- Длительная устойчивость и разрушение конструктивных элементов камерно-столбовой системы разработки пологопадающих месторождений
Технология ведения горных работ
Учитывая горно-геологические условия месторождения в разные периоды широкое распространение получили следующие системы разработки: камерно-столбовая с оставлением междукамерных столбчатых целиков, панель-но-столбовая (сплошная) и в последние годы системы с закладкой выработанного пространства твердеющими смесями [1-19].
В зависимости от мощности залежей применяются варианты камерно-столбовой системы разработки: со сплошной выемкой при мощности залежи 5-6 м; потолкоуступной выемкой при мощности - 5-12 м; почвоуступной выемкой при мощности - 6-20 м; с верхней и нижней подсечками при мощности 15 28 м.
В пологих залежах проходят от ствола главные штреки и нарезают шахтное поле панельными штреками. Выемочная панель размерами 150x400 м для увеличения числа забоев разделяется на очистные камеры. Камеры имеют прямоугольную в плане форму, вытянутые по ширине панели и параллельны между собой. Между камерами оставляют для поддержания кровли опорные целики, сплошные или в виде столбов. По границам панелей оставляют панельные целики. Ширина камеры составляет в среднем 15-20 м, а длина камеры соответствует расстоянию между панельными штреками и составляет 150 м [1-19].
Вариант камерно-столбовой системы с верхней подсечкой и применением самоходного оборудования К основным подготовительным работам при данных вариантах систем разработки относятся: проведение главного откаточного штрека, панельных штреков с заездами, а также вентиляционного и сборно-вентиляционного штреков. В зависимости от геомеханических условий, а также глубины залегания данная система имеет несколько вариантов, отличительными особенностями которых являются форма, размеры и сетка расположения междукамерных целиков.
В частности для мощных залежей, залегающих на значительной глубине, были разработаны и успешно применены следующие варианты камерно-столбовой системы разработки: с выемкой камерных запасов и оставлением временных удлиненных целиков прямоугольной формы; с выемкой камерных запасов и прорезками междукамерных ленточных целиков вторичных камер и оставлением временных целиков прямоугольной формы; с выемкой камерных запасов и оставлением временных ленточных целиков.
На очистных работах используют следующий комплекс высокопроизводительного самоходного оборудования: буровые установки «Параматик», «Максиматик», «Миниматик», «Мономатик», «Твин-Ринг», «УБШ-532»; погрузочные машины «Катерпиллер-980С», «Торо-501», ПНБ-3, ПНБ-4; автосамосвалы «МОАЗ», «Торо-40Д», самоходные полки «СП-8А», «Унискейлер Т-3»; машины для заряжения шпуров «ПМЗШ-2», «ЗП-2»; машины для крепления кровли «МОК-8»; самоходные вагоны и экскаваторы [1-2].
Наиболее приемлемой для обеспечения циклично-поточной технологии является панельно-столбовая система разработки (рис. 1.3) [1-2]. Подготовка выемочной панели производится следующим образом: в основании залежи с одной стороны проходится транспортный штрек. Из него на расстоянии 150-200 м друг от друга проводятся панельные штреки, из которых прорезаются заезды в панель. В противоположной стороне панели в кровле залежи проводят сборный вентиляционный штрек, который соединяется с вентиляционным штреком, расположенным в центре панели. Очистные работы в камере осуществляются комплексом самоходных буровых машин на гусеничном и пневмо
Панельно-столбовая система разработки. Штреки: 1 - транспортный, 2 - панельный, 3 - вентиляционный, 4 - сборный вентиляционный; 5 - заезды R панель; 6 - барьерный целик. шинном ходу, погрузочными машинами, экскаваторами, ковшовыми погрузчиками и автосамосвалами. Для отработки наклонных до 30 рудных залежей мощностью 10 м широкое распространение получил вариант камерно-столбовой системы разработки с диагональной выработкой [3-19]. Выемочная панель по падению делится на камеры, которые располагаются длинной стороной по простиранию. По диагонали выемочной панели проводится диагональная выработка с засечками в каждую камеру. Очистная выемка в камере начинается из засечек. На границах камер оставляют междукамерные целики прямоугольной формы для поддержания непосредственной кровли и налегающей толщи пород. Ширина камеры (расстояние между целиками) главным образом определяется углом наклона залежи и составляет в среднем 10-20 м. Длина камеры соответствует длине панели и составляет 400 м. Отработка камер в панели осуществляется в восходящем порядке, при котором нижние камеры несколько опережают верхние. Недостатки: большие потери в междукамерных, барьерных целиках, составляющие до 40-45 %; ухудшенная вентиляция в забоях, удаленных от диагональной выработки.
Исследование закономерностей формирования поля напряжений в целиках различного назначения по мере развития горных работ при существующей технологии
Расчеты напряженно-деформированного состояния массива проводились по этапам развития горных работ в нисходящем порядке отработки свиты залежей с применением камерно-столбовой системы разработки.
Решается задача с граничными условиями, представленными на рис. 2.2. При повышенных тектонических напряжениях нетронутого массива - коэффициент бокового отпора q = 2,5. Анализируя напряженно-деформированное состояние массива при отработке на первом этапе залежи на глубине 300 м (рис. 2.4 а, б, в) можно отметить следующее.
Величина горизонтальных напряжений ахх в кровле камер достигает 10 МПа, в основании до 15 МПа (на участках увеличенной мощности до 20 МПа) и в центральном сечении МКЦ 6-8 МПа. Максимальные значения вертикальных напряжений наблюдаются в МКЦ а::= 10-12 МПа. Концентрация напряжений ттах наблюдается в кровле, основании отработанных камер и междукамерных целиках МКЦ (гтах = 3-8 МПа). Таким образом, повышенные напряжения находятся в потолочине и почве камер, а кровля и основание целиков в более благоприятных условиях.
На рис. 2.5 а, б, в представлено распределение напряжений на следующем этапе при отработке центральной залежи на глубине 350-360 м. Заметим, что выемка камер при разработке нижележащей залежи системой с оставлением рудного моста, не оказывает существенного влияния на верхнюю отработанную залежь, за исключением незначительного роста ахх в основании камер до 20 МПа.
В центральной залежи наибольшей нагрузке подвержены области рудного моста между отработанными камерами (ттах до 10 МПа). При этом преобладающими являются горизонтальные напряжения ахх, достигающие 20 МПа; вертикальные напряжения а:: приближаются к нулю. Незначительный рост напряжений до 15-20 МПа наблюдается в МКЦ уменьшенной ширины. Кровля и почва целиков испытывает минимальные нагрузки - ттах = 1 -2 МПа. В кровле и почве отработанных камер а возрастает до 18-20 МПа.
На рис. 2.6 а, б, в представлено поле напряжений при выемке залежей на 3-м этапе на глубине 400-410 м. Отработка камерных запасов нижних рудных пластов существенно не повлияла на распределение напряжений в верхней залежи. В МКЦ центральной залежи напряжения azz возросли на 15 МПа. Однако величины повышенных значений ттах при этом остались практически
Распределение максимальных касательных напряжений при отработке залежей на третьем этапе при существующем порядке на глубине 400-410 м, МПа на прежнем уровне (ттах до 5-6 МПа). Напряжения в рудном мосту на участках между очистными камерами возросли (ттах в среднем составили 12 МПа, ахх до 22-24 МПа, ozz~ 0-1 МПа).
В нижней залежи кровля пригружена горизонтальными напряжениями ахх, достигающими более 20 МПа (в краевых зонах камер до 22-25 МПа). В междукамерных и барьерных целиках напряжения а:: увеличились в сравнении с напряжениями в выше расположенных залежах с 10-12 МПа до 14-16 МПа. В наиболее неблагоприятных условиях находятся кровля (ттах до 12 МПа) и почва (ттах до 10 МПа) очистных камер.
Из анализа рассмотренных этапов разработки свиты пологопадающих залежей при существующем порядке отработки видно, что максимальные горизонтальные напряжения ахх наблюдаются в кровле и почве отработанных камер, а также в рудном мосту центральной залежи на участке между открытыми камерами, охх = 15-25 МПа. Вертикальные напряжения azz преобладают в барьерных и междукамерных целиках, которые с ростом глубины горных работ (с 300 до 400 м) увеличиваются в 1,2 раза.
Оценка напряженно-деформированного состояния массива при гравитационных напряжениях
Большинству горных пород присущи реологические свойства, степень проявления которых зависит, в основном, от величины и длительности приложенной нагрузки, температуры. Для описания медленного деформирования горных пород во времени предложены различные уравнения состояния [83-88], которые, по сути, сводятся к комбинации нескольких упругих и вязких элементов [89]. Простейшие двухэлементные модели Максвелла и Кельвина уже с середины прошлого века успешно применяются для оценки вязкости крупномасштабных геологических объектов: тектонических разломов, структурных плит и блоков различного масштабного уровня [90,91]. При моделировании технологических процессов выемки месторождений полезных ископаемых, устойчивости целиков, оседаний земной поверхности при подработке для описания реологического поведения пород используют более сложные уравнения состояния [92-94].
Постановка задачи. На рис. 2.1 а показано вертикальное сечение шахтного поля рассматриваемого объекта - типичная конфигурация выработанного пространства, возникающая при камерно-столбовой системе выемки месторождения с пологими пластами переменной мощности. Предмет настоящего исследования - верхняя часть залежи (область ,) (рис. 3.1), при отработке которой оставлены целики с различным отношением В, высоты к ширине: в восточной части 1, в западной 1. Это позволяет проанализировать устойчивость целиков различного типа при одинаковых условиях внешнего нагружения. Несмотря на то, что в окрестности Жезказганского месторождения преобладают горизонтальные региональные напряжения (коэффициент бокового отпора q 2,5), расширим рамки исследования и рассмотрим эволюцию напряженно Я;
Расчеты проводились при Я, = 250 м, #2=450м, /,= 600м, таким образом, шаг дискретизации в Д составлял 0,25 м, что позволило детально проследить во времени процесс разрушения массива в окрестности выработанного пространства. и ds ч "а здесь и далее опущена). На рис. 3.2 представлены изолинии горизонтальных ахх и вертикальных а., компонентов тензора напряжений, рассчитанных по упругой модели при q =2,5. Можно видеть, что коэффициент концентрации напряжений достигает 2-3 по сг.т и 1,4-1,6 по а в целиках и окрестности очистных камер, где в первую очередь и возникают разрушения.
Длительная устойчивость и разрушение конструктивных элементов камерно-столбовой системы разработки пологонадающих месторождений При моделировании принято, что разрушение пород наступает, если выполнен критерий Кулона-Мора Гтах= +Гс, (3.5) где а и гтах -средние по конечному элементу нормальное и максимальное касательное напряжения, # -угол внутреннего трения, тс -сцепление. В разрушенном элементе модуль Юнга уменьшался в 5 раз [102]. Расчеты проводились при р = 25, тс = 5 МПа (с учетом значения коэффициента структурного ослабления величина сцепления принята меньшей приведенной в табл. 2.1). Как оказалось, изменение реологического параметра dv в указанном выше диапазоне практические не влияет на конфигурацию и размеры зон разрушения, поэтому принято dv= 0,002. На рис. 3.3 показана эволюция со временем t от 5 лет до 40 лет зон разрушения при а =0,65, =0,01 и различных коэффициентах бокового отпора. При высоких значениях q разрушение начинается в кровле и почвы камер, затем в целиках. В последних, если , 1 сначала появляется внутреннее ядро разрушения, которое, увеличиваясь, достигает боковых границ. Целики с 1 остаются устойчивыми. При небольших q (q = 0,33) разрушение целиков начинается с возникновения двух зон у боковых границ, распространяющихся навстречу друг другу. Частично разрушенный целик приобретает характерную форму песочных часов, наблюдаемую в экспериментах по одноосному сжатию образцов горных пород в форме параллелепипеда [103] рис. 3.4. Аналогичное явление наблюдалось и в натурных условиях Жезказганского рудника [104]. При гидростатическом поле внешних напряжений ( ? = 1) процесс разрушения целиков протекает гораздо медленнее, в кровле и почве очистных камер зоны разрушения практически не возникают.
Длительная устойчивость и разрушение конструктивных элементов камерно-столбовой системы разработки пологопадающих месторождений
Общий вид выражения условия прочности при расчете рудных целиков исходит из принципа Турнера-Шевякова и рекомендуется «Методическими указаниями по установлению размеров камер и целиков при камерных системах разработки руд цветных металлов», составленных ВНИМИ [105, 106]. Расчет запаса устойчивости принят из следующих соотношений.
Для всех типов целиков расчеты проводятся по допустимым напряжениям сжатия в среднем, наиболее слабом сечении. Общее условие прочности целиков имеет вид: где Ки - коэффициент нагрузки, учитывающий долю веса пород налегающей толщи, воспринимаемую целиками; Ка - коэффициент, учитывающий влияние угла падения рудного тела на величину нагрузки, приходящейся на целик; у -средний объемный вес пород налегающей толщи, МН/м3; Я - глубина разработки, м; S,p - грузовая площадь, приходящаяся на целик, м2; Slf - площадь поперечного сечения целика, м2; асж. - прочность пород в образце при сжатии, МПа; Кстр - коэффициент структурного ослабления, учитывающий снижение
прочности пород в реальном массиве по отношению к их прочности в образце; К - коэффициент, учитывающий влияние времени на несущую способность
целика или кровли камеры; Кзап - коэффициент запаса прочности; К ф - коэффициент формы целика, учитывающий влияние на его несущую способность соотношения параметров целика в плане; К ф - коэффициент формы целика, учитывающий влияние на его несущую способность параметров целика в сечении, соответствующем направлению нагрузки на целик. Результаты расчетов коэффициента запаса прочности целиков в зависимости от времени приведены на рис. 3.7-3.9.
Приведенные на рис. 3.7 величины Кзап при разных значениях мощности залежи и диаметров целиков в зависимости от времени их стояния свидетельствует о следующем. Целики диаметром 8 м и менее практически при всех приведенных мощностях залежей теряют свою устойчивость уже в первые годы {Кзап 1). Аналогичная картина наблюдается с увеличением мощности залежи. Так, рост мощности залежей от 4 до 12 м при фиксированных размерах целиков сопровождается снижением коэффициента запаса прочности более чем в 2-2,5 раза. При этом целики диаметром 8 м, как было отмечено выше, начинают разрушаться в первые 2 года, диаметром 10 м - в течение 20 лет. a
Графики зависимости коэффициента запаса прочности целиков от времени при разных значениях мощности залежи с различными диаметрами целиков при Кс=0,5, Н=350м На рис. 3.8 показаны значения Кзт от времени при различных параметрах мощности залежи и коэффициентах структурного ослабления при постоянных коэффициенте формы (Кф=1) и средней глубине разработки {Н=350 м). Из рисунка следует, что при Кст 0,7, целики диаметром d 8 м, теряют свою несущую способность в течение первых 2-х лет. Расчетами установлено, что при Кст=0,3, независимо от мощности (Кф=\) целики изначально неустойчивы. Подобная ситуация наблюдается при мощности залежи 4 м. приведены значения Кзап при отработке залежей на разных глубинах. С увеличением глубины разработки до 400 м при фиксированных размерах целиков, Кзт уменьшается в 4 и более раза. Аналогичная картина просле живается при уменьшении мощности залежи (Кф = 1). В этих случаях снижение мощности залежи с 12 до 8 м сопровождается потерей устойчивости целиков в 3 раза. При этом целики диаметром d 8 м на глубине 350-400 м, начинают разрушаться в течение первых пяти лет. И как показано на рис. 3.9 в, целики при мощности залежи 4 м неустойчивы с момента их образования. Графики зависимости коэффициента запаса прочности целиков от времени при разных значениях мощности залежи на разных глубинах залегания пщКф=1, Кс=0,7 Таким образом, сравнение сроков службы целиков, определенных с помощью расчетов по численному алгоритму, и по инженерным формулам Турнера-Шевякова показало их хорошее качественное соответствие. Однако в отличие от инженерного, численный метод позволяет не только установить конечный срок службы целика, но и проследить динамику развития зон разрушения, а также учесть неоднородность строения и свойств массива.
