Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цели и задачи исследования 9
1.1. Горно-техническая характеристика запасов Шерегешевского месторождения 9
1.2. Геомеханические особенности разработки месторождений Горной Шорни 14
1.3. Методы и критерии оценки сохранности подрабатываемого массива пород 18
1.4. Анализ применяемых технологий при выемке запасов руд под охраняемыми объектами
1.5. Цель, задачи и методы исследований 39
2. Исследование процесса управления состоянием подрабатываемого массива и установление закономерностей изменения напряженно-деформированного состояния конструктивных элементов систем разработки при выемке залежи 41
2.1. Технология камерной выемки с барьерными целиками и сухой закладкой некондиционными рудами 41
2.2. Оценка вероятных параметров сдвижения подрабатываемого массива горных пород в зависимости от способа его поддержания 44
2.3. Анализ напряженного состояния боковых пород и целиков 52
2.4. Обоснование метода повышения несущей способности барьерных целиков 68
2.5. Геомеханическая оценка к обоснованию технологических решений в удароопасных условиях 72
Выводы 80
3. Конструирование и технико-экономическая оценка вариантов систем разработки под охраняемыми объектами 82
3.1. Параметры систем разработки и порядок выемки рудного тела . 82
3.2. Закладочные работы 90
3.3. Прогнозирование уровня показателей качества и полноты извлечения запасов из недр 95
3.4. Технико-экономическое сравнение вариантов отработки 103
Выводы 108
Заключение
Литература 112
Приложения 124
- Геомеханические особенности разработки месторождений Горной Шорни
- Анализ применяемых технологий при выемке запасов руд под охраняемыми объектами
- Оценка вероятных параметров сдвижения подрабатываемого массива горных пород в зависимости от способа его поддержания
- Прогнозирование уровня показателей качества и полноты извлечения запасов из недр
Геомеханические особенности разработки месторождений Горной Шорни
Большой вклад в решение проблем разработки месторождений Горной Шории, а также рудных залежей под охраняемыми объектами достаточно полно отражен в работах И.М. Батугиной, С.А. Батугина, ЯЛ. Бича, Д.М. Бронникова, Н.П. Блоха, Н.Г. Дубынина, П.В. Егорова, А.А.Еременко, Н.Ф. Замесова, В.Р. Именитова, В.А. Квочина, СВ. Кузнецова, М.В.Курлени, Г.И. Кулакова, И.М. Петухова, И.Д. Ривкина, А.Д. Сашурина, Л.М. Цинкера, Е.И. Шемякина, Б.В. Шреппа, О.И. Чернова и др. Напряженно-деформированное состояние массива горных пород Алтае-Саянского региона регулярно изучается институтами СФ ВНИМИ [31,32], ВостНИГРИ [12,21-28,43,50,53, 60,77,83,94], НИГРИ [33] и ИГД СО РАН [55-57,62,64,79,91-93,95].
Рассматривая общие условия отработки железорудных месторождений Сибири, отметим следующие особенности.
1. Месторождения Горной Шории характеризуются сложными горногеологическими условиями: наличие водных объектов в пределах шахтного поля (Таштагол - р. Кондома, Шерегеш - р. Большая Речка, Абакан -Рудная и Средняя р.Кеня); рудные тела являются слепыми и залегают на глубине 200 - 400 м и более; наличие мощных зон тектонических нарушений (до 10-15 м) [12].
2. По коэффициентам удароопасности все породы и магнетитовая руда месторождений способны накапливать упругую энергию деформаций и разрушаться в динамической форме под действием предельных нагрузок.
3. Месторождения рассматриваемого региона отличаются высокими тектоническими полями напряжений. Исследованиями институтов СФ ВНИМИ [31,32] и ВостНИГРИ [21-28] установлено, что вне зоны влияния очистной выемки максимальное главное напряжение направлено по азимуту 320±20 и наклонено к горизонту под углом 20-30 . При этом вертикальная составляющая напряжения (т3 определяется гравитационной нагрузкой и равна уН. Напряжение oh действующее по простиранию, по абсолютной величине является наибольшим и в 2,5- 3 раза превышает сгз. Вкрест простирания действует напряжение а2, равное 1,3-4,8 уН. В зоне влияния очистных работ атах действует вкрест простирания, ориентировано близко к горизонтали и составляет около 5уН. В направлении простирания напряжения имеют величину 3,57Н. Наличие высоких горизонтальных напряжений обусловлено сейсмической активностью Алтае-Саянской складчатой области, которая имеет мозаично-блоковое строение и подвержена интенсивным тектоническим движениям. Здесь одни участки земной коры поднимаются, другие -опускаются. Наиболее опасны в отношении горных ударов - зоны диагональных сдвиговых дислокаций, где происходит разрядка сжимающих усилий [12,21].
4. Увеличение глубины и напряженно-деформированного состояния массива горных пород привело к появлению горных ударов. Так например, на Таштагольском месторождении начиная с гор. -70 м (Я = 610 м), стали отмечаться случаи динамического разрушения почвы откаточных выработок на протяжении 2 м. На гор. -210 м горным ударом, произошедшим 26.02.1984 г., было разрушено уже 230 пог.м почвы и рельсового полотна [12, 21J.
Исследованиями ВостНИГРИ [12,21,23,27,28] установлено, что Шерегешевское месторождение с глубины 600 м отнесено к угрожаемым по горным ударам. На месторождении действует тектоническое поле напряжений с явно выраженной направленностью сжимающих сил, действующих в плоскости, близкой к горизонтальной. Максимальное главное напряжение о{ имеет северо-западное направление (азимут А - 345 ), наклонено под углом 5 -10 к горизонтальной плоскости и в 2,8 - 3,0 раза превышает вертикальную составляющую напряжений. Вертикальная составляющая (оз) равна весу налегающих пород (уН). Среднее по величине главное напряжение направлено на северо-восток ив 1,5-1,7 раза больше веса налегающих пород [23,25-27]. По участкам Подрусловый и Главный ориентировка атах вне зоны ВлияНия очистных работ совпадает с простиранием рудной зоны. В зоне влияния очистных работ о ах действуют вкрест простирания и составляют 5,2уН, вторая горизонтальная составляющая главных напряжений равна 3,8уН [12].
Оценивая напряженное состояние асткоБ месторождения в целом, следует отметить резкую неоднородность поля напряжений, характеризующегося значительной анизотропией горизонтальных сжимающих напряжений. Естественное напряженное состояние определяется гравитационно-тектоническим полем.
Физико-механические свойства рудопородпого массива Шерегешевского месторождения приведены в таол. i.z [12]. Таким образом, при разработке технологии выемки охранных целиков в данных условиях необходимо учитывать не только устойчивость подрабатываемого массива, но и, начиная с глубин около 600 м, склонность горных пород к проявлению горного давления в динамической форме.
Анализ применяемых технологий при выемке запасов руд под охраняемыми объектами
В практике разработки рудных месторождений под охраняемыми объектами накоплен большой опыт, который позволяет установить основные требования к управлению сдвижением подрабатываемого массива и технологии ведения горных работ. Приведем характерные примеры.
На Высокогорском месторождении Нижне-Тагильского района в охранном целике под механическим заводом и промплощадкой шахты "Магнетитовая" было законсервировано более 65 млн. т. руды [1]. Рудные тела - мощностью от 8 до 30 м, залегающие под углом 60-75 . Глубина залегания -от 400 до 800 м. Коэффициент крепости руд по Протодьяконову f = 10 - 13, вмещающих пород f = 10 - 16. Руды и породы среднетрещиноватые, размер структурных блоков 1,5-2 м. На многих участках залежей имела место интенсивная нарушенность боковых пород, особенно в зонах тектонических нарушений.
Отработка залежей осуществляется камерными системами с твердеющей закладкой. Камеры располагали по простиранию рудных тел. Длина камер до 60 м, ширина до 15 м, высота 80 м (рис. 1.5). Фактическая прочность закладочного массива достигает в отдельных случаях 10 МПа в возрасте одного года. На 1 м твердеющей смеси расходовалось 1200 кг хвостов обогащения, 340-360 кг граншлаков, 40-65 кг цемента марки 300. Доля цемента увеличивалась из расчета повышения прочности закладочного массива с 3 до 5,5 МПа по мере углубления горных работ с 400 до 800 м.
Измерения на поверхности и в подземных выработках показали практически полное отсутствие деформаций и сдвижений массива горных пород. Себестоимость добычи руды при системе разработки с закладкой выработанного пространства возросла в 3,5-8,0 раза (в отдельных камерах по разному). Производительность камер составила 6,0 - 10,5 тыс. т / мес.
В целике под р. Ингулец (шахта «Центральная» Ингулецкого ГОКа) пластообразная крутопадающая залежь (80 - 85) мощностью 5 - 10 м отрабатывалась до глубины 500 м системами с обрушением кровли и зона сдвижения распространились до реки. В целике оставалось около 8 млн.т руды. По проекту предусматривалась отработка целика с твердеющей закладкой. Однако, после проведения детального количественного расчета ожидаемых сдвижений и деформаций горных пород в подработанной толще, было решено продолжить отработку целика с обрушением, а поддержание поверхности осуществлялось оставлением несущих барьерных целиков (рис. 1.6). В 1981 -84 г.г. были отработаны два участка этажа высотой 100 м и длиной 200 и 400 м, разделенные целиком 250 м. Добыто 837 тыс. т руды. Результаты инструментальных наблюдений показали стабилизацию сдвижений в прежних границах, водопритоки в выработки не увеличились [2].
На НоБО-Березовском месторождении (Иртышский полиметаллический комбинат) в охранных целиках под железной дорогой МПС было законсервировано около 40% запасов ценных руд [3]. Руды залегают в крутопадающих (80-90) сближенных рудных телах мощностью 2 - 4 м. Вмещающие породы рассланцованы и неустойчивы: висячий бок рудной зоны сложен рнтоБыми сланцами, лежачий бок-хлорито-серицитовыми сланцами. Крепость пород f =7-.. Глубина залегания рудных тел от 60 до 250 м. Деформации земной поверхности (растяжение, сжатие, наклон) для такого рода объектов не должны превышать 5-8 мм/ м.
Блоки длиной 50 м и такой же высоты отрабатывались в две стадии (рис. 1.7). Сначала отрабатывалась часть блока длиной 20 м горизонтальными слоями с твердеющей закладкой выработанного пространства, а образовавшийся целик длиной 30 м отрабатывался с гидрозакладкой. В нижней части блока в целях предупреждения перепуска закладки сооружался бетонный пояс высотой не менее мощности залежи. После полной отработки залежей первого и частично второго этажа оседание поверхности вдоль железной дороги составляло 20 мм, а деформации сжатия 0,9 мм/м.
Система разработки подэтажными штреками с комбинированной закладкой выработанного пространства: 1 - твердеющая закладка; 2 - с хая породная закладка; 3 - закладочный трубопровод; 4 - вентиляционная сбойка
Такого же рода комбинированная закладка используется при выемке охранного целика под зданиями и промплощадкой на Иртышском месторождении [4]. На этом месторождении отрабатывают крутопадающие сближенные рудные тела (ш = 3 - 4 м, а = 70 - 80), залегающие в слабоустойчивых рассланцованных породах. Блоки длиной 50 м отрабатываются по камерно-целиковой схеме с развитием работ в одном направлении Первичные камеры длиной 20 м извлекаются с твердеющей закладкой вторичные - у днища твердеющая закладка на высоту мощности залежи, но не менее 6 м, а выше - сухая или гидравлическая закладка. Твердеющая закладка имеет состав: цемент - 380 кг/м3; щебень 20 - 50 мм -0,355 м3; песок 0 - 5 мм - 0,6 м3; вода - 340 л/м3. Паспортная прочность через з год составляла 10 МПа.
Отмечается, что обычная сухая закладка при двухстадийной разработке месторождения воспринимает значительную часть нагрузки со стороны налегающих пород. Для заполнения пустот использовались неравномерно дробленые породы от проходки выработок, а с целью увеличения подвижности сыпучего материала при укладке увлажняли. При пористости 10 - 12% такой закладочный массив воспринимает нагрузки до 5 МПа с усадкой не более 13%, а при добавке 8-10% хвостов обогащения - около 8%.
Пример успешной разработки мощной (до 90 м) крутой залежи под водоемом на глубине 250-300 м по камерно-целиковой схеме с твердеющей закладкой показан в работе [5]. Камеры и междукамерные целики имели ширину 15 м, высоту 60 м (рис. 1.8). За более чем десятилетний период отработки месторождения эта система разработки была хорошо освоена, обеспечивала высокую производительность труда, низкую себестоимость продукции и высокую интенсивность отработки.
Залежи магнетитовых кварцитов на рудниках Кривбасса [6] расположены под городскими и промышленными объектами. Ведение подземных горных работ в подобных условиях возможно только камерными системами с последующей закладкой выработанного пространства. Применение твердеющей закладки с использованием хвостов обогащения в качестве инертного заполнителя осложняется отсутствием в достаточном количестве вяжущего.
Оценка вероятных параметров сдвижения подрабатываемого массива горных пород в зависимости от способа его поддержания
Подземная разработка месторождений полезных ископаемых осложняется большим многообразием проявлений процесса сдвижения горных пород. Выемка полезного ископаемого из недр сопровождается образованием полости в массиве и появлением сдвигающих усилий вокруг выработки. По мере увеличения размеров выработанного пространства область влияния горных выработок увеличивается, и процесс деформирования пород достигает земной поверхности. Различные точки в толще пород и на земной поверхности сдвигаются неодинаково. В результате возникают вертикальные и горизонтальные деформации, а также трещины, уступы, провалы. Эти явления могут вызвать повреждения в различных охраняемых объектах, расположенных в мульде сдвижения, увеличение водопритоков по раскрывшимся трещинам в выработки и их затопления от прорывов воды из подработанных водных объектов.
На формы проявления, характер и параметры процесса сдвижения массива пород влияют следующие горно-геологические факторы: - структурные особенности массива горных пород (строение пород, трещиноватость, тектонические нарушения); - размеры выработанного пространства, глубина разработки; - крепость вмещающих пород; - системы разработки и способы управления горным давлением.
С точки зрения влияния на процесс сдвижения горных пород применяемые системы разработки можно разделить на три группы: системы с обрушением руды и налегающих пород; камерные, где кровля поддерживается системой целиков; с закладкой выработанного пространства.
При системах с обрушением зона влияния и параметры процесса сдвижения получают максимальное развитие. При этой технологии кровлю над выработанным пространством искусственно обрушают. Обрушенные породы создают податливую опору для вышележащего подработанного массива.
При камерных системах с открытым выработанным пространством характер сдвижения и деформация горных пород и земной поверхности зависят от соотношения размеров оставляемых целиков и камер. Обычное применение камерной выемки предусматривает сохранение устойчивости обнажения вмещающих пород, тем самым исключается возможность появления опасных сдвижений и деформаций.
Применение системы разработки с закладкой выработанного пространства предусматривается плавное опускание кровли на искусственный массив, при этом исключается возможность образования обрушений горных пород и следовательно, выход провалов на поверхность. Закладка способствует уменьшению абсолютных значений сдвижений и деформаций в массиве и на поверхности.
При оценке вероятных параметров сдвижения подрабатываемого массива горных пород в условиях участка Подрусловый Шерегешевского месторождения были приняты следующие варианты разработки. 1. Залежь отрабатывается на всю длину участка сплошной этажно-камерной отбойкой руды с шириной блока 27 м и длиной, равной мощности залежи. 1.1. В первую очередь отрабатываются запасы выше гор. 255 м с обрушением боковых пород. 1.2. То же с засыпкой выработанного пространства. 1.3. Отрабатывается этаж 255-185 м сплошной этажно-камерной отбойкой руды с шириной блока 27 м и длиной, равной мощности залежи, с обрушением боковых пород. 1.4. То же с закладкой выработанного пространства. 1.5. То же, как п. 1.3, с учетом размеров зон массива с растягивающими напряжениями. 1.6. Отрабатывается этаж 185-115 м по схеме п. 1.3. 1.7. То же с закладкой выработанного пространства. 1.8. То же, как п. 1.3, с учетом зон массива с растягивающими напряжениями. 2. В средней зоне залежи по простиранию оставляется неразрушаемый целик руды, разделяющий Подрусловый участок на две равные по длине части. Эти части отрабатываются независимо с повторением схем варианта 1 от 2.1 до 2.8. 3. Залежь отрабатывается с делением ее по простиранию на три равные по длине части, расчлененные постоянными разделительными целиками. Эти части разрабатываются независимо друг от друга. Рассматриваются схемы разработки отдельно выделенной трети участка с развитием работ и вариантами управления кровлей, аналогичными п.п. 1 и 2. Результаты расчетов приведены в табл. 2.1. При расчете эквивалентных пролетов принимался и учитывался вариант определения его по схеме, дающей максимальное значение пролета. Так для условия выемки руды без закладки выработанного пространства использовалась зависимость, по которой определялся размер выработанного пространства вкрест простирания L = h Cosa + m Sina, м, ((.11 где h - наклонная высота этажа, м; т - мощность залежи, м; а - угол падения залежи, град. В табл. 2.1 показана глубина отработки Нкор от верхней границы выработанного пространства до наносов, а при подсчете Vi/V2- глубиин ао наносов до середины выработанного пространства, образованного на стадии развития работ, для которой определялось это соотношение.
Прогнозирование уровня показателей качества и полноты извлечения запасов из недр
Показатели качества и полноты извлечения из недр являются определяющими при сравнительной оценке технологических вариантов выемки руды. Основная роль показателей извлечения обуславливается их непосредственным влиянием на конечные результаты горнодобывающих предприятий - количество и качество концентратов, себестоимость металлов, прибыль и т.д.
Основные источники потерь и разубоживания определяются по месту их образования [105]: в подготовительно-нарезных забоях, в местах выклинивания и на флангах рудного тела, разубоживание от породных прослоев, потери оставленного в выработанном пространстве отбитого полезного ископаемого и смешивание с закладочным материалом на выпуске, при погашении днища, в барьерных целиках внутри выемочного участка. При этом прихват и остатки пород в местах выклинивания, на флангах и контурах рудного тела, а также примешивание от породных прослоев являются конструктивными показателями и принимаются по данным геологоразведочной службы рудника.
При разработке рудных месторождений средней мощности и мощных для определения потерь и разубоживания при выпуске руды обычно используются расчетные методы, которые основываются на изучении закономерностей истечения сыпучих материалов из емкостей различной формы, геометрически подобных отрабатываемым блокам. Наибольшее распространение на рудниках черной и цветной металлургии, получила методика, разработанная Куликовым В.В. [40], которая имеет сравнительно простой математический аппарат, основана на общих закономерностях истечения руды под обрушенными породами (в нашем случае под сыпучим закладочным материалом) и требует для реализации минимального количества исходных данных. На ее основе построен алгоритм прогнозирования показателей извлечения руды, представленный в табл.3.3, и проведены расчеты ожидаемых потерь и разубоживания в условиях отработки залежей по описанной выше технологии. Для расчета принят условный блок с шириной В = 27 м, длиной, равной мощности залежи L = 50 м и высотой Я = 70 м. Рассматривался выпуск с использованием вибродоставочного и самоходного оборудования под закладкой крупнокусковой некондиционной рудой и хвостами обогащения. Исследовалось влияние фильтрации, содержания железа в закладочном материале и балансовых запасах а также объема компенсационного пространства.
В ходе решения поставленной задачи было установлено незначительное (на 0,1 - 0,3%) ухудшение показателей извлечения на выпуске руды самоходным оборудованием, по сравнению с применением вибродоставочных установок. Это обстоятельство позволяет предположить, что выбор доставочного оборудования не повлияет на показатели извлечения руды.
Рассматривая вопрос по выбору закладочного материала необходимо учитывать эффект фильтрации засоряющих пород, при котором согласно исследованиям [40, 103], потери и разубоживание руды возрастают пропорционально снижению коэффициента сыпучести. При закладке хвостами можно ожидать снижения его величины в 2 - 2,2 раза по сравнению с засыпкой выработанного пространства крупнокусковым материалом. Другим положительным фактором, в пользу использования в качестве закладки
Повышение содержания железа в засоряющих породах положительно сказывается на снижении потерь. Однако наблюдается увеличение разубоживания, что связано с необходимостью выпуска большего количества разубоженной руды для достижения браковочного предела в последней дозе выпуска с содержанием Fe 19%. Необходимо отметить, что высокая доля полезного компонента в закладке улучшает качество сырой руды, в результате чего возрастает выход концентрата на обогатительном переделе. На рис.3.7 показано влияние содержания железа в последней дозе выпуска на изменение потерь и качества товарной руды.
Качественные показатели отработки месторождений в большой степени зависят от конструктивных и технологических параметров применяемых систем разработки. Опыт отработки железорудных залежей Горной Шории подтверждает, что на потери и разубоживание значительно влияют: применяемые конструкции днищ; образование призабойной компенсационной камеры и ее положение относительно выпускаемых отверстий; геометрические параметры подсечки взрываемого рудного массива [41]. Нами эти параметры условно объединены показателем удельного объема камерной выемки, при которой выпуск производится без налегающего закладочного материала. Изучение его влияния показывает (см. рис.3.8), что качество извлечения улучшается с увеличением объема компенсации.
Основываясь на результаты выполненных расчетов проведем далее технико-экономическую оценку выбранной технологии отработки Подруслового участка, по вариантам применения переносного и самоходного оборудования и использования в качестве закладочного материала хвостов обогащения и крупнокусковой некондиционной горной массы.
С целью проведения технико-экономического анализа вариантов выемки запасов руды под охраняемыми объектами по предлагаемой технологии составлен алгоритм расчета экономической эффективности, представленного в табл. 3.4. В качестве критерия эффективности принята себестоимость 1 т железа в концентрате и валовая прибыль на 1 т балансовых запасов.
Рассматривалась выемка участка по камерно-целиковой схеме с использованием в качестве закладочного материала некондиционной руды, добываемой из отработанных блоков, и хвостов обогащения, также изучалась целесообразность перехода рудника на самоходное оборудование. При этом вопрос применения самоходной техники исследовался на примере закладки выработанного пространства некондиционной рудой. Технико-экономическое сравнение вариантов выполнено применительно к запасам участка Подрусловый на гор. 185 - 255 м как наиболее перспективным для отработки в ближайшее время.
Так как камерно-целиковая выемка конструктивна по схеме подготовки блоков, проведению нарезных и буровых работ аналогична применяемой на руднике технологии и сравнима по эксплуатационным затратам, в основу оценки приняты затраты по Шерегешскому РУ за январь 2002 года без корректировки на проектные объемы добычи руды по шахте. Дополнительные затраты при разработке Подруслового участка связаны с закладочными работами и необходимостью строительства на поверхности закладочного комплекса при использовании хвостов обогащения, а также проведением выработок и оборудования закладочного горизонта. Капитальные затраты по строительству закладочного хозяйства не учитывались. Для справки следует отметить, что затраты на бурение скважин для подачи закладки в шахту глубиной 350 м и диаметром 400 - 600 мм составляют около 10 млн.руб.
Технико-экономические показатели по сравниваемым вариантам приведены в табл. 3.5. Анализ полученных результатов показал, что, использование закладки из некондиционной руды по сравнению с закладкой хвостами обогащения, позволяет снизить себестоимость металла в концентрате на 6 - 7 % и, соответственно, увеличить валовую прибыль на 1 т балансовых запасов до 9 %.
