Содержание к диссертации
Введение
1.Состояние изученности вопроса, цели и задачи исследований 8
1.1 Условия локализации мощных сложноструктурных месторождений 8
1.2. Управление состоянием прикарьерного массива при разработке месторождений комбинированным способом 11
1.3. Анализ опыта разработки Тырныаузского месторождения 22
1.4. Цель, задачи и методы исследований 28
2. Исследование закономерностей поведения прикарьер ного массива при техногенном вмешательстве 30
2.1. Исследование структурных особенностей строения месторождения 30
2.2. Оценка особенностей и параметров естественного поля напряжений 34
2.3. Влияние трещиноватости массива на устойчивость обнажений 38
2.4. Натурные исследования деформации массива 40
2.4.1. Исследование участка Слепой залежи 41
2.4.2. Исследование участка Главного скарна 42
2.4.3 Исследование бортов карьера «Мукуланский» 47
3. Разработка способов управления геомеханическим состоянием прикарьерного массива 52
3.1. Исследование напряженно-деформированного состояния массива 52
3.2. Параметры погашения выработанного пространства 58
3.3.Моделирование порядка отработки камер 61
3.4. Технология отработки прикарьерных запасов со сплошной выемкой руды и закладкой выработанного пространства 67
4. Реализацрш и технико-экономическая оценка результатов исследований 71
4.1 .Опытно-промышленные испытания рекомендуемой технологии 71
4.2. Эффективность подземной добычи руд в прикарьерной зоне системами разработки с закладкой 77
Заключение 84
- Управление состоянием прикарьерного массива при разработке месторождений комбинированным способом
- Оценка особенностей и параметров естественного поля напряжений
- Параметры погашения выработанного пространства
- Эффективность подземной добычи руд в прикарьерной зоне системами разработки с закладкой
Введение к работе
Актуальность работы. Большая часть руд цветных металлов добывается из скальных месторождений, которые входят в группу сложноструктурных. К сложноструктурным относится и Тырныаузское вольфрамо-молибденовое месторождение, отработка которого одновременно открытым и подземным способами разработки сопровождается развитием сложных геомеханических процессов, обусловленных взаимным влиянием горных работ в рамках единой системы. Совместное влияние открытых и подземных работ и выработок увеличивает напряженность массива. Значительно возрастают максимальные касательные напряжения в рудовмещающем массиве в бортах и придонной части карьера, изменяются физико-механические свойства, структурная неоднородность и другие характеристики массива. Нарушается земная поверхность, снижается устойчивость обнажений, повышается интенсивность отслоений вмещающих пород, возрастают потери и разубоживание руды. Поэтому вопросы управления устойчивостью массива при отработке запасов в прикарьерной части месторождения являются актуальными.
Цель работы - обоснование технологии управления состоянием при-карьерного массива, обеспечивающей повышение эффективности и безопасности разработки мощных крутопадающих месторождений комбинированным открыто-подземным способом.
Идея работы заключается в использовании механизма взаимодействия элементов природно-техногенной системы для повышения несущей способности массива за счет сплошного порядка выемки запасов и комбинирования твердеющих смесей различного состава и сыпучей закладки.
Методы исследований. В работе использован комплексный метод исследований, включающий анализ и обобщение ранее выполненных исследований, теоретические и экспериментальные исследования в лабораторных и производственных условиях. Обработка и анализ экспериментальных данных про-
изводились методами математической статистики с реализацией на ЭВМ. Научные положения, защищаемые в работе:
Совместная открыто-подземная разработка месторождения изменяет характер нагружения элементов геомеханической системы в прикарьернои зоне: целики работают в условиях сжатия со сдвигом, причем максимальное значение растягивающих напряжений смещено в наиболее удаленный от поверхности откоса угол камеры, при этом величина сцепления нарушенных пород в 1,5-2 раза меньше по сравнению с неподработанным массивом.
Конструктивные параметры камеры и удаленность ее от поверхности подработанного борта карьера оказывают существенное влияние на объемно-напряженное состояние рудовмещающего массива, причем высота и ширина очистного пространства оказывают меньшее влияние, чем расстояние от поверхности борта соответственно в 1,6 и 5,7 раза.
Повышение устойчивости элементов геомеханической системы при подземной разработке запасов в прикарьернои зоне обеспечивается технологиями со сплошным порядком отработки камер.
Научная новизна работы:
1 .Установлены закономерности нагружения, деформирования и сдвижения рудовмещающих массивов в прикарьернои зоне, нарушенного открытыми и подземными горными работами.
Выявлены корреляционные зависимости влияния параметров камеры, удаленности ее от поверхности уступа и тектонических сил на величину главных составляющих поля напряжений в прикарьерном массиве.
Исследованиями на эквивалентных материалах установлена зависимость коэффициента концентрации напряжений в закладке от порядка отработки камер.
Выявленные закономерности позволили разработать технологические
схемы ведения работ, обеспечивающие эффективное управление состоянием прикарьерного массива при подземной добыче руд, высокие показатели качества и полноты извлечения руды из недр.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается обобщением и использованием большого объема статистических данных, применением современных методов исследований, сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований с результатами опытно-промышленных работ при надежности не менее 90 % и практической реализацией разработок на горнодобывающих предприятиях и в проектных организациях.
Научное значение работы состоит в раскрытии и обосновании взаимосвязей, определяющих эффективность и параметры технологий управления состоянием прикарьерного массива при отработке участков руд, нарушенных открытыми и подземными горными работами.
Практическое значение работы состоит в разработке ресурсосберегающих технологий управления состоянием рудовмещающего массива, позволяющих повысить эффективность и безопасность отработки мощных крутопадающих рудных тел комбинированным открыто-подземным способом. Результаты исследований могут быть использованы действующими горнорудными предприятиями, научно-исследовательскими и проектными организациями при разработке мощных крутопадающих месторождений.
Реализация работы. Результаты исследований использованы при составлении проекта на отработку запасов руд в «Слепой» залежи в предельных контурах карьера «Мукуланский» Тырныаузского вольфрамово-молибденового месторождения. Результаты теоретических исследований использованы в учебном процессе СКГМИ для специальности «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы док-
ладывались и получили положительную оценку на: V Международном научном симпозиуме «Проблемы геологии и освоения недр» (Томск, 2001 г.); Международных научных симпозиумах "Неделя горняка" (Москва, 2001-2003 г.г.); II Всероссийской научно-практической конференции «Горно-металлургический комплекс России: состояние, перспективы развития» (Владикавказ, 2003 г.); НТС Садонского СЦК (п. Мизур, 2002 г.); НТС института "Кавказцветметпро-ект" (Владикавказ, 2003 г.); НТС Тырныаузского ГОК (Тырныауз, 2003 г.); на ежегодных НТК СКГТУ (Владикавказ, 2000-2003 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 100 страницах машинописного текста, содержит 22 рисунка, 12 таблиц, список литературы из 101 наименования и 2 приложений.
#
Управление состоянием прикарьерного массива при разработке месторождений комбинированным способом
Применение одновременно открытого и подземного способов разработки сопровождается развитием сложных геомеханических процессов, обусловленных взаимным влиянием открытых и подземных горных выработок в рамках единой системы. Поля напряжений и деформаций в массивах пород являются результатом взаимодействия соответствующих полей, формирующихся под влиянием техногенных и природных факторов. Это формирует сложные геомеханические системы с одним или несколькими слабыми звеньями. Совместное влияние открытых и подземных работ и выработок увеличивает напряженное состояние массива [2,3,6,12]. Изменяются физикомеханические свойства, структурная неоднородность и другие характеристики рудовмещающих массивов. Снижается устойчивость обнажений, повышается степень и интенсивность отслоений вмещающих пород, возрастают потери и разубоживание руды. Поэтому вопросы управления состоянием рудовмещаю-щего массива при комбинированной открыто-подземной разработке месторождений полезных ископаемых являются актуальными. Как показывает практика комбинированной разработки месторождений методы управления устойчивостью рудовмещающего массива многообразны. Управление состоянием массива принудительным обрушением пород -системы этажно-принудительного обрушения применяют при разработке Высокогорского, Соколовского, Абаканского месторождений [6-8]. Высокогорское железорудное месторождение [4] отрабатывается с совмещением работ открыто-подземным способом. Подземные работы ведут с применением этажного и подэтажного принудительного обрушения (рис. 1.2).
Преимущества технологии управления состоянием массива посредством обрушения пород объясняются высокой степенью механизации буровзрывных работ и незначительной себестоимостью. К недостаткам способа относятся ухудшение качества дробления верхней части блока и засорение отбитой руды пустыми породами при выпуске вследствие значительной нарушенности массива предыдущими массовыми взрывами в карьере, отчуждение земель с нарушением экологического равновесия, не всегда восполняемого рекультивацией. Обеспечение устойчивого равновесия массива подработанных пород достигается применением систем с открытым очистным пространством при отработке Молодежного [4], Тишинского [14], Гайского [11] месторождений. Гайское месторождение медно-цинковых руд [11] отрабатывается комбинированным способом. Подземные работы ведут на глубине 170-260 м с применением системы подэтажных штреков (рис. 1.3). Камеры располагают вкрест простирания рудного тела, ширина камер и целиков по 15 м, высота от 20 до 60 м. Междукамерные и междуэтажные целики отрабатываются из карьера. Запасы, извлекаемые подземным способом, составляют 30-40% общих запасов. Напряжения, возникающие в междукамерных и междуэтажных целиках под воздействием упругих волн взрыва, значительно превышают в определенных условиях напряжения, обусловленные статическими нагрузками [14,17,25].
Действенным средством управления устойчивостью массива является интенсификация очистных работ в блоках путем увеличения числа действующих забоев, изменения последовательности отработки, организации непрерывно-поточной технологии и применения наиболее производительных технологических схем очистной выемки [18,23]. Повышение интенсивности очистных работ сокращает сроки отработки блоков, снижает деформации в массиве. Технологии управления состоянием прикарьерного массива закладкой выработанного пространства широко используются при отработке Горевского [16], Талнахского [20,37], Учалинского [33] месторождений. Технологии с закладкой выработанного пространства являются средством перераспределения напряжений в подработанном массиве. При отработке подкарьерных запасов используют литой, инъекционный, гидрозакладочный, полураздельный способы возведения закладочного массива [12,18,37]. В качестве закладочных материалов используют песок и дробленные вскрышные породы и породы от проходки полевых подземных выработок, хвосты обогатительных фабрик, котельные и металлургические шлаки, твердеющие смеси. Используют одновременную с выемкой руды и последующую закладку. Распространение технологии камерными и слоевыми системами с закладкой выработанного пространства при отработке прикарьерной части запасов месторождения объяснятся их соответствием принципам малоотходности и сохранности земной поверхности. Однако, при отработке запасов системами с закладкой выработанного пространства затраты на закладку достигают до 30% от себестоимости добычи руды и более. Дополнительно требуется расходовать труд и дефицитные материалы. На многих рудниках разубоживание руды закладочными материалами приводит к резкому ухудшению извлечения металлов при обогащении, так для условий Тырныаузского ГОК [52] каждый процент разубоживания твердеющей закладкой равноценен 0,7-1% снижения извлечения металлов при обогащении. В некоторых случаях применение закладки на 25-30% и более снижает интенсивность отработки месторождений. Для снижения себестоимости и повышения интенсивности закладочных работ при отработке Учалинского [40], Новоберезовского [20], Маныбайского [72], Зыряновского [49] месторождений закладочный массив формируют путем рациональной комбинации породной и твердеющей закладки. Маныбайское месторождение ОАО «КАЗСАБТОН» [72] отрабатывается одновременно открытым и подземным способами. Запасы руды в прикарьер-ном массиве отрабатывают вариантом подэтажно-камерной системы разработки с закладкой выработанного пространства с двухстадийным порядком выемки камер (рис. 1.4). Технологические и конструктивные параметры системы разработки регламентируются устойчивостью обнажений естественного и искусственного массивов.
Заполнение очистного пространства при выемке камер первой очереди осуществляют твердеющей закладкой, состоящей из дробленной породы и пес-чано-гравийной смеси, с содержанием гравия 56% и со средним расходом цемента 80-120 кг/м . Погашение выработанного пространства камер второй очереди производят твердеющими или породными закладочными смесями, в зависимости от горно-геологических условий. Выемка вторичных камер сопровождается частыми обрушениями стенок и кровли отрабатываемых камер, разубо-живанием руды закладочным материалом. Наиболее высокие показатели качества и полноты извлечения руды из недр обеспечивает вариант системы разработки с заполнением выработанного пространства камер первой и второй очереди твердеющей закладкой. Для снижения себестоимости работ и расхода вяжущих материалов в закладочные смеси добавляют дробленные породы, хвосты гидрометаллургического передела, хвосты кучного выщелачивания, золы и сточные воды ТЭЦ. Однако при существующем порядке и режиме ведения закладочных работ прочностные характеристики смесей снизились при одновременном возрастании разубоживания руды при отработке камер второй очереди. При отработке Зыряновского месторождения интенсивное развитие получили открытые работы с одновременным ведением подземных работ. Карьером вскрыты основные залежи в верхней части Северной, Внутренней и Южной промышленных зон. Запасы руды в прикарьерной части месторождения отрабатывают этаж-но-камерной системой с последующей закладкой выработанного пространства (рис. 1.5). Камеры после отработки закладывают твердеющей закладкой, а междукамерные целики сухой породой. Междуэтажные целики отрабатывают системой горизонтальных слоев с твердеющей закладкой. Сухая порода, которой заполняют пространство после выемки целиков, не обладает необходимой несущей способностью из-за ее усадки. Усадка породной закладки достигает до 30%. Для повышения несущей способности массива из сыпучей закладки его уплотняют действием взрыва [11], повышают влажность закладочного материала [49], подбирают необходимый грансостав [33], укладывают его силой сжатого воздуха [34], пропитывают песчано-цементным раствором [41]. Комбинированные способы управления устойчивостью прикарьерного массива применяют на предприятиях с высоким уровнем инженерно-технологического обеспечения.
Оценка особенностей и параметров естественного поля напряжений
Система геологических блоков месторождений Северного Кавказа относится к наиболее подвижной и интенсивно деформирующейся области земной коры, где наблюдается наличие современных тектонических напряжений в массиве [ 63 ]. Действительное напряженное состояние массива в условиях Тырныаузского месторождения складывается из тензора, обусловленного весом налегающих пород и тензором, обусловленным тектоникой района. Существующая связь между направлением действия главных составляющих поля напряжений и ориентацией в пространстве разрывных нарушений раскрывается исследованием по методике реставрации поля напряжений, разработанной М.В. Гзовским и О.Н. Гущенко [63,64 ]. Для реконструкции осей напряжений пользовались сеткой (рис.2.2). Она получается из поперечной равноугольной азимутальной проекции сферы (сетка Вульфа) или азимутальной поперечной равновеликой проекции Ламберта (сетки Шмидта), если экваториальную линию расположить вертикально и от нижнего конца этой линии против часовой стрелки написать азимуты падения, а углы падения отметить вдоль экваториальной линии, начиная с ее верхнего конца (рис2.2,а), вплоть до центра сетки.
На сетку накладывали восковку с заметкой на северной ее стороне. Для нанесения элементов залегания каждой трещины на сетку, вращая восковку, совмещали сделанную на ней заметку с цифрой азимута падения на сетке и, отсчитав угол падения вдоль вертикальной линии сетки, ставили точку на этой линии (рис.2.2,б). Данная точка представляла собой проекцию на горизонтальную плоскость точки пересечения верхней полусферы с линией восстания плоскости, проходящей через центр сферы, и имеющей одинаковые элементы залегания с рассматриваемой трещиной (рис.2.2,в). При определении положения осей напряжений через выбранные максимумы диаграммы трещиноватости той или иной точки, которые отражали ориентировку отдельных разрывов, проводили проекции больших кругов. При этом точки поочередно помещали на вертикальную линию, и на восковку с сетки поднимали проекции тех кругов, на которые накладывали точки (рис.2.2б,г). Затем точки пересечения проекции больших кругов соединяли с центром диаграммы. Противоположные концы проекций одних и тех же кругов соединяли диаметрами, которые проводили лишь до точек их пересечения с проекциями больших кругов. В итоге каждый максимум и каждая поверхность отдельного разрыва оказывалась наглядно изображенной в виде плоскости, проходящей через центр диаграммы. Север находился в верхней части чертежа. Каждый диаметр представлял собой линию простирания соответствующей плоскости (рис.2.2,д). Для большей наглядности плоскости покрывали штриховкой (рис. 2.2,е).
Выбрав две сопряженные поверхности скалывания, линию их пересечения считали осью промежуточных главных нормальных напряжений а2. Проекцию точки пересечения этой оси с верхней полусферой обозначали ст2 (рис. 2.2,е). Затем помещали точку а2 на верхнюю половину вертикального диаметра сетки и, отсчитывали от нее вниз 90 градусов, поднимая проекцию большого круга, который является плоскостью, перпендикулярной К ОСИ 72. В этой плоскости лежали а, и ст3 (рис.2.2,ж). Разделив пополам углы между рассматриваемыми двумя плоскостями скалывания (рис.2.2,з), получали направление а, и а3. Используя величину угла между плоскостями скалывания и данные о направлении перемещения по ним, устанавливали, какая из двух последних осей связана с максимальным а„ минимальным а, напряжениями (рис. 2.2,и). Ориентировку каждой оси определяли, совместив ее проекцию с верхней частью вертикального диаметра скважин, пометка северной стороны восковки совпадала при этом с написанной на окружности сетки цифрой азимута падения, а точка пересечения оси с полусферой ложилась на вертикальном диаметре сетки на цифру, указывающую угол падения оси 9 (рис2.2,к). Метод восстановления тектонических полей напряжений применялся для оценки напряжённого состояния массива горных пород на участке отработки камер 4-5. Оценка напряженного состояния массива по методике реставрации поля напряжений показала, что направление действия напряжений от веса вышележащей толщи пород отклонено от вертикали на угол до 30 градусов. Максимальная горизонтальная составляющая ориентирована вкрест простирания рудной зоны и действует в плоскости отклоненной от горизонтали на угол до 35 градусов. Минимальная составляющая поля напряжений ориентирована вдоль простирания месторождения. Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что вертикальные обнажения горных пород, создаваемые при отработке блоков, испытывают воздействие не только вертикальных, но горизонтальных напряжений, что представляет собой наиболее опасный с точки зрения устойчивости массива вариант. Влияние трещиноватости массива на устойчивость обнажений. Структурное строение "Слепой" залежи определяется непосредственной близостью Мукуланского разлома. Результаты исследований, проведенных ранее показывают, что тектоническая нарушенность увеличивается снизу вверх по падению залежи и на запад по простиранию без существенного изменения элементов залегания разрывов. На участке камер 1-2 в породах лежачего бока на г. 2167м расстояние между субширотными нарушениями составляет 20-25м, а на участке камер 6-7 это расстояние уменьшается до 5-10м. Такой же характер прослеживается и для нарушений субмеридионального простирания. С изменением интенсивности тектонических нарушений изменяется и морфология тектонических швов.
Каждая из выделенных систем нарушений сопровождается зоной интенсивной трещиноватости, элементы залегания которой определяются элементами залегания тектонического шва. Особенно ярко эти зоны выражаются в окрестности субширотных крутопадающих разрывных нарушений. В зоне влияния субмередиональных нарушений и вмещающих породах отмечаются системы оперяющих трещин, имеющих острый угол встречи с плоскостью сместителя. Результаты измерений элементов залегания и интенсивности тектонических нарушений и микротрещин показывают, что в рудах и породах на участке камер 1-2 размер тектонических блоков, ограниченных нарушениями второго и третьего порядков, составляет по простиранию 20-25 м и вкрест простирания 10-15 м, а расстояние между трещинами основной системы составляет 0,3-М),5м На участке камер 6-7 расстояние между блокообразующими нарушениями субширотного и субмеридионального простирания составляет 5-10 м, а расстояние между макротрещинами основных систем составляет 0,05-Ю, 1 м. Приведенные результаты исследований позволяют утверждать следующее: - массив горных пород в пределах залежи представляет собой неоднородную среду, сложенную системой взаимодействующих блоков различных порядков и величин, ограниченных разрывными нарушениями, представленными сместителями с зеркалами скольжения и заполненными вторичным дробленным материалом; - дизъюнктивные дислокации, определяющие ориентацию тектонических блоков в пространстве, группируются в двух главных направлениях - субширотном и субмериодиональном; - элементы залегания региональных разломов определяют пространственную ориентацию нарушений более высоких порядков и основных систем трещин; - сеть разрывных нарушений в различных частях месторождения различна, как из-за вариации их количества, так и из-за морфологии тектонических швов. На участке камер 1-2 тектонические блоки призматической формы вытянуты в широтном направлении с размерами 10-15м по ширине и 20-25м по длине. На участке камер 6-7 тектонические блоки имеют призматическую форму с размерами 5-7м; - основные системы трещин образуют блоки призматической, реже ромбической формы с размерами ребра на участке камер 1-2 около 0,3-И),5м, а на участке камер 6-7 около 0,1-г0,2м; - преобладающие тектонические нарушения и основные системы трещин ориентированы в пространстве аналогично ориентации рудного тела.
Параметры погашения выработанного пространства
Методическую основу назначения параметров погашения составляют теоретические положения: - устойчивые при очистной выемке породы с течением времени обрушаются и пригружают искусственный массив; - в зависимости от тектоники породы обрушаются или до границ предельного свода самозаклинивания, или до высоты, определяемой коэффициентом разрыхления пород; - условие самоупрочнения пород определяется соответствием размеров выработок предельно допустимым значениям. При неполном обеспечении условия самоупрочнения выработка закладывается так, чтобы при уменьшенной высоте неравенство Н Не обеспечивалось. Требуемый подъем свода при частичном заполнении пустоты определяется по методике [68,69]: Н НС =- -= л (3.13) d.RL Высота, на которую нужно заполнить пустоты, чтобы обеспечить условие сохранения поверхности, определяется в зависимости от угла наклона выработки: при 2 а h h — H /2 еж ґ m „fd, R" 4sin a d, К.; tg±l (3.14) где v - коэффициент устойчивости пород, разбитых трещинами; h - высота выработанного пространства. Н R" v = 2 - f- (3.15) d, К, где dj, d2 - вертикальный и горизонтальный размеры заклинившихся структурных блоков; R R-cL временное сопротивление горных пород при одноосном сжатии, кг/см2, при условии К[ж = R и v = 2 — ; а - угол наклона d. выработанного пространства; m - ширина очистного пространства; ф - угол внутреннего трения пород. При Н hc выработки закладываются прочной закладкой в расчете на обрушение пород до земной поверхности с оказанием соответствующей пригрузки на искусственный массив. Высота искусственного массива, при которой целостность поверхности гарантирована: khm tgoc - Н (КР - l)(m tgot + h sin a) ,. km tgot - H (KP - l)sina где к - коэффициент структурного ослабления пород. Управление геомеханическим состоянием прикарьерного массива осуществляется воздействием на него различными способами: установкой крепи, закладкой пустот, инъекциированием связующих растворов и т.д., направлением на создание вокруг выработок подпора.
Чаще всего подпор создают, регулируя напряженность массива выработок. Напряженность пород создается массой пригрузки в пределах зон влияния выработок, поэтому разрушение пород в зонах породных конструкций идет в режиме хрупкого разрушения. Условие устойчивости напряженно-деформированной системы: м — н.м. — 3 \J l J где стм- напряжения в нетронутом массиве, МПа; сн.м. - напряжения в прилегающей к пустотам части массива, испытывающей влияние горных работ, МПа; о3 - напряжения в массиве из твердеющей закладки, МПа; При использовании закладочных составов различной прочности напряжения, создаваемые в результате подпора материалом-заполнителем пустот, складываются из совокупного влияния всех элементов управления: / 73 = ПРп+ГЧРс+П&т+П&к =Т,П аУ (3.18) 1 где "и» с J "w 9 "к - величины подпора, соответственно, прочного, среднепрочного и малопрочного состава твердеющей и бесцементно-породной смесей; і - число упрочняющих элементов; и,,...,и4- соотношения различных видов закладочных смесей; ау - прочность материалов упрочнения. Предлагаемое условие обеспечения геомеханической сбалансированности массива основано на учете напряжений при формировании закладочных массивов из разнопрочных составов и позволяет путем изменения технологических параметров погашения выработанного пространства регулировать упрочнение закладочного массива и тем самым определять величину ее пригрузки и нормативную прочность. З.З.Моделирование порядка отработки камер. Анализ опыта применения камерных систем разработки с закладкой выработанного пространства показывает, что одним из основных недостатков двухстадийного порядка отработки запасов является обрушение руды из стенок при выемке первичных камер с уменьшением запасов вторичных камер. При отработке вторичных камер приходится взрывать вместе с рудой и значительную часть закладки, попавшей в контуры камеры.
Вынимаемые объемы рудной массы при отработке первичных камер в некоторых случаях на 15-20% превышают проектные, а разубоживание руды закладкой при отработке вторичных камер колеблется от 4 до 10%. На рис. 3.4. показано типичное распределение напряжений при отработке камер второй очереди по данным Горного бюро США [39]. Значения на изолиниях выражают отношения максимальных ат-т и минимальных 7тах главных напряжений к значениям горизонтальных Sh, и вертикальных ау напряжений нетронутого массива горных пород. Сравнивая кривые, можно заключить, что характер распределения напряжений при выемке камер и при закладке камер почти одинаков. Это означает, что последующая закладка камер второй очереди в очень слабой степени способствует поддержанию массива вмещающих пород, напряженное состояние которого при выемке первичных камер изменилось. Для оптимального выбора порядка отработки запасов руд в прикарьерной зоне необходимы более точные знания о внутренних связях конструктивных и эксплуатационных характеристик массивов твердеющей закладки, с одной стороны, и напряженного состояния рудовмещающего массива - с другой. С этой целью выполнено геомеханическое моделирование сплошного и двухстадийного способов развития очистных работ. Для сравнения геомеханики массивов при обоих способах развития работ выполнено моделирование с эквивалентными материалами (рис. 3.5.). В трех моделях имитировалась пригрузка только рудой, в четырех - рудой и искусственным массивом. Во всех случаях показатели пригрузки снимали по данным динамометрических датчиков в основании камер.
Точность воспроизведения процесса на модели и пересчета результатов на натуру зависит от выбранных критериев подобия. Исследования [60, 66-67] показали, что моделирование процессов взаимодействия разрушенных геоматериалов в поле силы тяжести при соблюдении геометрического подобия дает результаты с достаточной для практического применения в горном деле точностью. При моделировании процессов, связанных с напряженным состоянием сыпучего материала необходимо соблюдать как условия геометрического, так и динамического подобия [75].Масштаб геометрического моделирования определен из условия: -т-МЙ - (ЗЛ9) где: Н и h - толщина слоя сыпучего материала в натуре и модели, м; 1Н и 1М -линейные размеры натуры и модели, м; VH и VM - объемные размеры натуры и модели, м3. Эквивалентный материал, используемый для моделирования, характеризуется следующими основными свойствами: плотностью, углом внутреннего трения и коэффициентом сцепления. Свойства эквивалентного материала определены из соотношений: - величина углов внутреннего трения о стенки камеры соответствует натуре: 0,= 0,= 1, (3.20) где Сф и Су - масштаб углов внутреннего трения породы о стенки камеры; - масштаб плотности: CY=bL=i, (3.21) з Ум где ун и ум - плотность пород в натуре и на модели, т/м Достаточное условие динамического подобия на модели и в натуре записывается следующим образом: N. ideM, (3.22) Н _ К = YM M YH H где: К - критерий подобия; N - учитывает значения предельных напряжений. Учитывая, что геометрические размеры модели меньше размеров в натуре, то есть 1н 1м, то для сохранения инвариантности формулы (3.22) следует положить, что NM Ф NH. В этом случае, зная механические свойства материала натуры N„ , и задавшись соотношениями 1М /1н и у м /у н получим механические свойства материала модели NM, которые обеспечат подобие модели и натуры: (3.23) NM = 1MYM_.N In нУн Гранулометрический состав горной массы в модели подбирали с учетом фактического грансостава породной закладки на руднике Молибден (табл.3.4).
Эффективность подземной добычи руд в прикарьерной зоне системами разработки с закладкой
Варианты систем разработки с закладкой выработанного пространства с двухстадийной выемкой камер сопровождаются значительным расходом вяжущих и инертных заполнителей для закладочных работ, высокими потерями и разубоживанием руды. Анализ показателей потерь и разубоживания по камерам, отработанным в двухстадийном порядке показывает, что основными источниками разубоживания руды являются обрушения стенок и кровли при выемке вторичных камер, потерь - остатки отбитой руды в боках выработанного пространства, в том числе и в закладке. Снижение расхода материалов на закладочные работы, потерь и разубоживания руды достигается применением вариантов технологии со сплошным порядком отработки камер. Упрочнение закладочного массива позволяет использовать для закладки камер составы с расходом вяжущего в 1,6-2,5 раза ниже. Наиболее значительно снижаются потери в закладке и разубоживание руды закладочным материалом на контакте с вертикальными обнажениями.
При системах разработки с закладкой выработанного пространства повышается извлечение балансовых запасов месторождения, улучшается качество выдаваемой продукции, сохраняется земная поверхность и появляются благоприятные предпосылки для размещения в выработанном пространстве отходов производства. Оценку эффективности применения систем разработки с закладкой выработанного пространства производим на основе критерия удельной прибыли за расчетный период времени. Сумма прибыли в расчете на годовую добычу и переработку рудной массы (если качество ее на карьере и руднике неодинаково) рассчитываем по формуле [23]: I »=1 е=1 ЇХ ЇХ,,, (4.1) где tp — расчетный срок сравнительной оценки вариантов разработки, лет; Пргкр1 - годовая прибыль при работе карьера и рудника в t-й год, руб.; Пргр1 - годовая прибыль при работе одного рудника в t-й год, руб. Годовая прибыль при работе карьера и рудника определится по формуле (руб/год) п АХао+ЬгКг) + АРСдр Лк+Ар Пргкр=(Ак+АР) = Ц р АР - 4-«о - ЛКЬ Кг - АрСдр - Акр - Соф, (4.2) где Ак и Ар - производственная мощность карьера и рудника при одновременной работе, т/год; Акр=Ак+Ар -общая производственная мощность предприятия, т/год; ЦдКр - извлекаемая ценность добываемой рудной массы при одновременной работе карьера и рудника, руб/т; ао - эксплуатационные затраты на добычу рудной массы на карьере, руб/т; Кг - текущий или граничный коэффициент вскрыши, т/т; b - затраты на вскрышные работы, руб/т вскрышных пород; Сдр — эксплуатационные затраты на добычу рудной массы на руднике, руб/т; СОФ — эксплуатационные затраты на обогащение 1 т рудной массы при одновременной работе карьера и рудника, руб/т. Годовую прибыль при работе одного рудника рассчитывают по формуле [23]: Пргр = Ар(\+д){цдр-(Сдр+Соф) ( А А \ \ Ap(\+q))_ (4.3) где Ццр - извлекаемая ценность добываемой на руднике рудной массы, руб/т; q - доля увеличения производственной мощности рудника при отказе от работы карьера, доли ед.; ф - доля условно-постоянных затрат по руднику, обогатительной фабрике и комбинату в целом, доли ед.
Извлекаемую ценность добываемой рудной массы при работе только рудника «Молибден» определяют по формуле [23]: "в / ! Цар = о,о\ срі(\-РР) єоР,Ц,+Тс -РР)І,є Цг j-i j-\ J } (4.4) где n и пб - число извлекаемых цветных и благородных металлов в руде балансовых запасов; m - число концентратов, в которые извлекаются цветные и благородные металлы; ср; - содержание і-го цветного металла в руде балансовых запасов рудника, %; србі - содержание і-го благородного металла в руде балансовых запасов рудника, г/т, кг/т; Рр - разубоживание руды балансовых запасов рудника, доли ед.; sopij - извлечение і-го цветного металла в j-й концентрат при обогащении рудной массы, добытой на руднике, доли ед.; є0бРу - извлечение і-го благородного металла в j-й концентрат при обогащении рудной массы добытой на руднике, доли ед.; Цц - отпускная цена і-го цветного металла в j-м концентрате, получаемом из рудной массы, добываемой на рудниках, руб/т; Цбу - отпускная цена і-го благородного или редкого металла в j-м концентрате, получаем из рудной массы, добываемой на руднике, руб/кг. Исходные данные для сравнительной оценки систем разработки представлены в таблицах 4.2.,4.3. 1. Эффективность применения технологий управления состоянием при-карьерного массива при подземной добыче руд системами разработки со сплошной выемкой определяется совокупностью значений, учитывающих взаимовлияние рудника и карьера, величину производимой продукции, затрат на ее производство и получаемой прибыли с учетом фактора времени. 2. Использование рекомендуемой технологии разработки позволило сни-зить потери на 2-4% и разубоживание руды на 5-8%, повысить интенсивность очистной выемки в среднем в 1,2-1,4 раза по сравнению с применяемой на руднике «Молибден» вариантом системы с закладкой изолированными камерами. 3. Экономический эффект, при отработке балансовых запасов руды в прикарьерной зоне в объеме 33750 м3 в год вариантом системы со сплошным порядком отработки камер за счет обеспечения высоких показателей качества и полноты извлечения руды из недр составит более 300 тыс.руб. 4. Эффективность технологий управления состоянием прикарьерного массива при подземной добыче руд системами разработки со сплошной выемкой возрастает при вовлечении в производство отходов производства, в первую ф очередь отвальных пород вскрыши в качестве компонентов закладки.
