Введение к работе
Актуальность работы. Обеспечение сырьевой независимости России в железорудном секторе в основном осуществляется за счёт освоения месторождений богатых железных руд Курской магнитной аномалии (КМА), где находятся уникальные по масштабам и качеству запасов месторождения, не уступающие лучшим мировым аналогам (Бразилия, Австралия, Индия, ЮАР). К числу таких месторождений относится "Яковлевское" с запасами 9,6 млрд. тонн и содержанием железа в руде до 70%. Данное месторождение характеризуется сложными горно-геологическими условиями: низкие прочностные характеристики руд, наличие над рудным телом высоконапорных водоносных горизонтов, глубокое залегание крутопадающего рудного тела.
Поиску экономически эффективных и безопасных технологий отработки богатых железных руд в сложных горногеологических условиях посвящены исследования, выполненные в ВИОГЕМ, ИПКОН, СПГГУ, ВНИМИ, ИЭЦ ИГД УрО РАН, ОАО "Центрогипроруда", ООО "НТЦ "НОВОТЭК", 000 "Белмеханобр-чермет", 000 "СПИ "СУБР-проект" и других организациях. Вместе с тем технология, принятая на современном этапе отработки месторождения "Яковлевское", характеризуется значительными издержками производства, что обусловлено необходимостью полной закладки выработанного пространства твердеющими материалами, креплением очистных заходок верхнего слоя металлической рамной крепью и применением системы разработки с послойной выемкой рудного тела в нисходящем порядке.
При фактически сложившейся технологии отработки запасов и уровне издержек производства руды длительная конкурентоспособность рудника может быть обеспечена при увеличении его производственной мощности на 3(Н50% и более по сравнению с фактически имеющейся. Это надёжно может быть достигнуто только при одновременной отработке не менее двух технологических слоев. В этой связи разработка эффективных технологических схем одновременной отработки слоев в сложных горно-геологических условиях является актуальной научной задачей, решение которой имеет большое практическое значение.
Цель работы. Снижение издержек производства руды и повышение производственной мощности рудника при отработке неустойчивых богатых железных руд с использованием системы разработки с послойной выемкой рудного тела в нисходящем порядке и полной закладкой выработанного пространства твердеющими материалами.
Идея работы. Для снижения издержек производства руды и повышения производственной мощности рудника "Яковлевский" очистные работы необходимо вести одновременно в нескольких выемочных слоях с учётом пространственной ориентации осей очистных заходок и последовательности их отработки в смежных слоях.
Основные задачи исследований.
Анализ фактически сложившейся технологической схемы отработки запасов на руднике "Яковлевский".
Шахтные исследования влияния направления отработки и способа проведения очистных заходок на интенсивность обрушений кровли.
Разработка методики определения параметров технологических схем, реализуемых в массивах с различными физико-механическими свойствами.
Исследование влияния горнотехнических факторов на напряжённо-деформированное состояние рудного и закладочного массивов в окрестностях очистных заходок.
Установление зависимостей предельно допустимого обнажения кровли очистной заходки, проходимой под закладочным массивом, от прочностных характеристик рудного и закладочного массивов.
Обоснование рациональных технологических схем совместной выемки слоев на участках неустойчивых богатых железных руд.
Методы исследований. При выполнении использовался комплексный метод исследований, включающий: анализ научно-технической литературы; шахтные наблюдения процессов выва-лообразования в очистных заходках верхнего выемочного слоя "О"; численные и аналитические исследования напряжённо-деформированного состояния рудного и закладочного массивов при совместной отработке слоев.
Научная новизна.
Установлены закономерности формирования зон предельного состояния пород в окрестности очистных заходок верхнего и надрабатываемого слоев от физико-механических свойств рудного и закладочного массивов и пространственной ориентации осей очистных заходок в смежных слоях.
Установлена зависимость предельно допустимых пролётов кровли очистных заходок надрабатываемого слоя от физико-механических свойств рудного и закладочного массивов.
Основные защищаемые положения.
При системе разработки с послойной выемкой крутопадающего рудного тела в нисходящем порядке и полной закладкой выработанного пространства производственная мощность рудника ограничивается главным образом по факторам: "подземный транспорт", "проветривание" и "фронт очистных работ". В условиях отработки запасов на руднике "Яковлевский" максимально возможная производственная мощность рудника по данным факторам при выемке верхнего выемочного слоя не превышает 1,2-^-1,5 млн. т/год. Дальнейшее увеличение годовой производственной мощности рудника возможно только при одновременной отработке двух и более выемочных слоев.
Предельно допустимая ширина очистных заходок надра-батываемых слоев, при превышении которой происходит обрушение искусственной кровли в зонах ведения очистных работ, существенно увеличивается при расположении осей заходок нижерасположенного выемочного слоя под углом к осям очистных заходок в вышерасположенном слое. В условиях рудника "Яковлевский" при расположении осей очистных заходок в смежных слоях под углом 20+90 предельно допустимая ширина заходок нижерасположенного слоя увеличивается в 1,5+2,0 раза и более.
Для снижения издержек производства руды на 50+60% и более, повышения безопасности горных работ и увеличения производственной мощности рудника в 1,5+2,5 раза, следует использовать рекомендуемые технологические схемы с одновременной отработкой слоев при системе разработки с послойной выемкой и полной закладкой выработанного пространства.
Практическая значимость работы.
Разработана методика определения параметров системы разработки с нисходящей послойной выемкой и полной закладкой выработанного пространства.
Установлено, что к числу факторов, оказывающих определяющее влияние на устойчивость очистных заходок надработанного выемочного слоя, относятся пространственная ориентация осей очистных заходок в смежных выемочных слоях и физико-механические свойства рудного и закладочного массивов.
Разработаны эффективные технологические схемы одновременной отработки слоев, расположенных в пределах блока, позволяющие повысить безопасность горных работ и снизить издержки производства руды.
Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций обеспечивается их соответствием результатам, полученным при проведении шахтных и аналитических исследований; положительными результатами оценки рекомендуемых технологических схем специалистами в области разработки рудных месторождений; значительным количеством проанализированных данных о способах разработки месторождений неустойчивых руд; использованием современных апробированных методов исследований.
Апробация работы. Основные результаты выполненных исследований докладывались на: Международном форуме горняков и металлургов (Фрайберг, Германия, 2011г.); Международной конференции в Краковской горно-металлургической академии (Краков, Польша, 2009 г.); ежегодных научных конференциях молодых учёных Санкт-Петербургского государственного горного университета "Полезные ископаемые России и их освоение" (Санкт-Петербург, 2009 г., 2010 г., 2011 г.); международном форуме молодых учёных "Проблемы недропользования" (Санкт-Петербург, 2009 г.) и научных семинарах кафедры Разработки месторождений полезных ископаемых Санкт-Петербургского государственного горного университета.
Личный вклад автора. Сформулированы задачи исследований; собраны данные по объекту исследования; выполнены шахтные и аналитические исследования; разработана численная горно-геомеханическая модель массива и методика проведения исследова-
ний; разработаны технологические схемы совместной выемки слоев; сформулированы основные защищаемые положения и выводы.
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 5 печатных работах, из них 4 статьи - в изданиях, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России.
Структура и объём работы. Диссертационная работа общим объёмом 190 страниц состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 149 источников, включает 74 рисунка и 17 таблиц.
Автор выражает благодарность научному руководителю д.т.н., проф. В.П. Зубову за помощь в определении общей идеи работы и интерпретации полученных данных, техническим работникам рудника "Яковлевский" за помощь в сборе исходной информации и проведении шахтных исследований, сотрудникам кафедры РМПИ за полезные замечания и техническую помощь при выполнении работы.
