Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние изученности вопроса 8
1.1. Анализ рыночного спроса и сырьевой базы калийных солей РУП ПО "Беларуськалий" 8
1.2. Горно-геологические условия отработки Старобинского месторождения калийных солей 19
1.3. Обзор рациональных областей использования различных технологических схем отработки запасов II и III калийных горизонтов 30
1.4. Анализ геомеханического состояния соляного массива, вмещающего отрабатываемые горизонты 42
1.5. Выводы по главе. Цели и задачи исследования 46
2. Анализ сложившейся ситуации на предприятиях объединения и выбор методов исследования 50
2.1. Обзор геологической и горно-технической ситуации на шахтных полях объединения 50
2.2. Разработка вариантов технологических схем извлечения запасов руды в условиях IV калийного горизонта 55
2.3. Анализ площадей распространения IV КГ, возможных вариантов его вскрытия, подготовки и очистной выемки на рудниках РУП «ПО «Беларуськалий» 60
2.4. Обобщение структурно-механических параметров массива горных пород (МГП) в зонах предполагаемого извлечения запасов 76
2.5. Обзор технологической и геомеханической эффективности различных способов закладки выработанного пространства и исследование механических свойств природных и техногенных образцов горных пород 88
2.6. Анализ аналитических, экспериментальных PI экспериментально-аналитических методов исследования компонентов полей напряжений и деформаций 98
2.7. Характеристика выбранного метода оценки НДС МГП 103
2.8. Выводы по главе 107
3. Экспериментально-аналитические исследования напряженно-деформированного состояния ответственных элементов МГП при вскрытии, подготовке и очистной выемке горизонта 109
3.1. Построение горногеомеханических моделей (ГГМ) для различных вариантов технологических схем вскрытия, подготовки и очистной выемки запасов сильвинитовых руд в целях изучения НДС ответственных элементов массива 110
3.2. Разработка соответствующих расчетных схем и оценка параметров НДС ответственных элементов массива 118
3.3. Анализ результатов моделирования и выбор рациональных схем вскрытия, подготовки и очистной выемки IV калийного горизонта 137
3.4. Выводы по главе 141
4. Обоснование технически и экологически безопасного ведения горных работ при извлечении запасов руды на IV КГ 143
4.1. Синергетическая оценка и обобщение геомеханических состояний МГП (включая ВЗТ) при отработке IV КГ в зонах, надработанных выемкой II и III КГ с учетом отставания во времени очистных работ на II, III и IV КГ 149
4.2. Выбор и обоснование локально безопасных вариантов извлечения запасов руды на IV КГ 151
4.3. Технико-экономическая оценка предлагаемых вариантов технологических схем и выбор наиболее эффективных вариантов по комплексу исследованных факторов 162
Заключение 167
Список литературы 169
Приложения 177
- Горно-геологические условия отработки Старобинского месторождения калийных солей
- Анализ площадей распространения IV КГ, возможных вариантов его вскрытия, подготовки и очистной выемки на рудниках РУП «ПО «Беларуськалий»
- Разработка соответствующих расчетных схем и оценка параметров НДС ответственных элементов массива
- Технико-экономическая оценка предлагаемых вариантов технологических схем и выбор наиболее эффективных вариантов по комплексу исследованных факторов
Введение к работе
Актуальность работы. Основными поставщиками калийных солей являются три страны - Канада, Россия и Белоруссия. В последние десятилетия около 16 % мирового импорта калийных удобрений приходится на РУП «ПО «Беларуськалий», которое отрабатывает Старобинское месторождение калийных солей. В состав объединения входит четыре действующих рудоуправления и два новых строящихся рудника. Рудники в пределах месторождения отрабатывают два калийных горизонта (II и III КГ), и еще два калийных горизонта в настоящее время не отрабатываются.
Работы на Старобинском месторождении ведутся более 40 лет. В настоящее время обострилась ситуация с запасами руды на рудниках 1 и 2 рудоуправлений в связи с их доработкой в ближайшие 5 лет. В пределах действующих рудников основным резервом по поддержанию рудной базы является вовлечение в отработку IV КГ, запасы которого оцениваются в 205 млн. тонн сырых солей.
В связи с этим, актуальным является поддержание производственной мощности данных предприятий за счет вскрытия и отработки нового калийного пласта (горизонта), что позволит продлить срок службы рудников на 10-15 лет, при гарантированном обеспечении необходимой надежности капвложений по факторам эффективной и безопасной эксплуатации горизонта на базе разработки рациональных технологических схем его выемки.
Существенный вклад в теорию и практику планирования и
ведения очистных работ на калийных рудниках сделан учеными и
специалистами: Андрейко С.С., Зубовым В.П., Калугиным П.А.,
Ковалёвым О.В., Комиссаровой В.К., Красноштейном А.Е.,
Лаптевым Б.В., Нестеровым М.П., Поляниной Г.Д.,
Проскуряковым Н.М., Смычником А.Д., Шалынским Г.П. и др. Однако технологические параметры селективной отработки пластов сложного строения и механизмы разрушения ответственных элементов массива при наличии взаимовлияния отрабатываемых калийных горизонтов имеют особенности, требующие дополнительных исследований, поскольку существенно влияют (а в
некоторых случаях являются определяющими - например, по фактору "сохранности водозащитной толщи - ВЗТ") на технико-экономические показатели работы рудников. Так 4 КГ имеет сложное строение, и его извлечение, используемыми на месторождении системами разработки, приведет к очень низкому содержанию полезного компонента (KCI) в горной массе - не более 15%. В связи с этим, для условий IV КГ необходимо разработать эффективные технологические схемы, позволяющие селективно отрабатывать до 5 слоев сильвинита мощностью от 0,2 до 0,7 м, разделенных прослоями каменной соли мощностью от 0,5 до 3,5 м, при общей мощности сильвинитового горизонта до 12 м.
Цель работы: повышение эффективности работы предприятий, эксплуатирующих запасы нового калийного горизонта, на базе разработки рациональных технологических схем его выемки.
Идея работы: при выборе рациональных параметров технологических схем отработки нового IV калийного горизонта, следует в первую очередь учитывать содержание глин во вмещающем пласт соляном массиве, наличие которых определяет специфику деформационных (механических) характеристик межгоризонтной толщи и технологию отработки запасов калийных солей на месторождении.
Основные задачи работы:
анализ и обобщение характерных горно-геологических и технологических параметров отработки пластов Старобинского месторождения;
погоризонтная систематизация горно-геологических условий залегания калийных пластов на действующих рудниках по принципу "технологической возможности (рациональности)" извлечения;
анализ и обобщение возможных технологий извлечения запасов IV КГ, выбор предпочтительных вариантов вскрытия, подготовки, очистной выемки, обоснование их рациональных параметров для рассматриваемых условий;
анализ и выбор методов оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) рассматриваемого
массива горных пород; моделирование нестационарных полей параметров НДС массива, вмещающего извлекаемый и отработанные горизонты, с учетом обобщенных данных о его структуре и механических свойствах; оценка взаимовлияния отрабатываемых горизонтов при реализации в их пределах различных технологических схем ведения горных работ;
изучение механизмов влияния горно-геомеханических процессов, протекающих в соляном массиве, на параметры технологических схем извлечения запасов IV КГ и обоснование деформационных критериев локальной и региональной безопасности выемки;
разработка методики расчета рациональных параметров технологии извлечения калийной руды в пределах 4 КГ рудниками РУП ПО "Беларуськалий";
выполнение прогнозных оценок технико-экономической эффективности извлечения руды IV КГ рудниками РУП «ПО «Беларуськалий» на базе разработанной методики.
Научная новизна:
Разработаны методические принципы выбора технологических схем отработки слоев IV калийного горизонта с учетом специфических геолого-горно-геомеханических характеристик междупластья 3-4 калийных горизонтов на базе установленных закономерностей формирования напряженно-деформированного состояния вмещающего массива.
Получены зависимости для расчета ширины междукамерных целиков при отработке верхнего слоя камерной системой разработки в зависимости от параметров и геометрии выработанных пространств на 3 калийном горизонте, использование которых позволит обеспечить повышение эффективности и безопасности работ на 4 калийном горизонте.
Основные защищаемые положения: 1. С целью определения рациональных параметров технологических схем слоевой отработки IV калийного горизонта в первую очередь необходимо учитывать деформационные характеристики слоистой межгоризонтной толщи, представленной глиносодержащими текстурными элементами.
При расчете параметров камерной системы разработки верхнего сильвинитового слоя IV калийного горизонта необходимо учитывать взаимовлияние, отрабатываемых на шахтных полях, горизонтов.
Расчет параметров технологических схем отработки запасов IV калийного горизонта должен производиться на базе разработанного алгоритма, включающего оценку региональной безопасности рудника и оценку условий эксплуатации панельных выработок, что позволит продлить сроки службы рудников на 10ч-15 лет.
Методы исследований: анализ и обобщение результатов предшествующих работ в области разработки месторождений минеральных солей; экспериментальное изучение физико-механических характеристик литотипов пород межгоризонтной толщи (Ill-TV калийного горизонта); математическое моделирование полей параметров напряженно-деформированного состояния исследуемого массива; статистическая обработка результатов экспериментов; анализ полученных результатов и сопоставление их с натурными данными по напряженно-деформированному состоянии массива горных пород Старобинского месторождения.
Достоверность и обоснованность научных положений и
результатов подтверждается большим объемом
проанализированной информации, корректностью выполненных работ по математическому моделированию напряженно-деформированного состояния соляного массива; подтверждением результатов исследований на техсоветах РУП«ПО «Беларуськалий»; внедрением разработанной методики в проектных документах по поддержанию рудной базы предприятий, отрабатывающих Старобинское месторождение; качественным соответствием полученных результатов с натурными наблюдениями и результатами работ других авторов.
Практическая значимость работы: разработка новых технологических схем отработки 4 калийного горизонта; разработка методик выбора рациональных параметров этих схем; разработка рекомендаций по проектированию ныне используемых технологических схем отработки запасов калийной руды, а также внедрению новых технологий с высокопроизводительным оборудованием в условиях 4 КГ.
Апробация работы. Основные положения диссертационной
работы докладывались на LVII Международном форуме горняков и металлургов Фрайбергской Горной Академии (Германия, Фрайберг, 2007 г.); на ежегодной научной конференции молодых учёных СПГГИ(ТУ) "Полезные ископаемые России и их освоение" (СПб, 2007 г., 2008 г.); на научных семинарах кафедры РМПИ СПГГИ(ТУ); материалы диссертации использовались при выполнении хоздоговорных работ с РУП «ПО «Беларуськалий» и аспирантского гранта Ученого Совета СПГГИ(ТУ) за 2008 год.
Реализация результатов работы. Разработанные рекомендации приняты к использованию ЗАО ВНИИГалургии и РУП «ПО «Беларуськалий» для проектных работ.
Личный вклад автора: сформулированы цель и задачи
исследований; проанализированы геологические и горно
технологические условия отработки IV калийного горизонта
Старобинского месторождения; проведено численное
моделирование нестационарных полей параметров напряженно-деформированного состояния массива, выполнен анализ полученных результатов; выявлена функциональная взаимосвязь между параметрами технологических схем и НДС массива; проведена прогнозная технико-экономическая оценка реализации технологии извлечения 4 КГ.
Публикации: Основное содержание диссертационной работы изложено в 5 статьях (3 из которых в рекомендованных ВАКом РФ изданиях), 2 заявки на изобретение (приоритетные справки).
Структура и объём работы. Диссертационная работа общим объёмом 182 страницы состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 177 источников, 3 приложений, включает 72 рисунка и 12 таблиц.
Горно-геологические условия отработки Старобинского месторождения калийных солей
Промышленные запасы калийной руды планируется довести с 1223,1 млн. тонн в 2005 году до 1538,2 млн. тонн к 2012 году, что позволит обеспечить все рудоуправления РУП «ПО «Беларуськалий» необходимым фронтом очистных забоев, необходимым для их устойчивой работы. Это особенно актуально для Первого и Второго рудоуправлений, промышленные запасы калийных руд на которых недостаточны для поддержания проектных производственных мощностей данных рудников.
Первое рудоуправление введено в эксплуатацию в 1963 году. На 1 января 2005 г. промышленные (извлекаемые) запасы калийных руд составляли 86,85 млн. тонн, в том числе: Второй калийный горизонт (-264 м) - 0,87 млн. тонн; Третий калийный горизонт (-430 м) - 85,98 млн. тонн. На 1 января 2008 г. промышленные (извлекаемые) запасы калийных руд составляли 66,29 млн. тонн, в том числе: Второй калийный горизонт (-264 м) - 0,8 млн. тонн; Третий калийный горизонт (-430 м) -65,49 млн. тонн.
В связи с тем, что в 2004 году завершена отработка запасов руды на Втором калийном горизонте, недостающие объемы руды частично компенсированы за счет интенсификации отработки третьего калийного горизонта. Однако данное направление поддержания производственной мощности рудника ограничено фактором размещения необходимого числа очистных забоев, а также горно-геомеханическими проблемами обусловленными "стягиванием" очистных работ от границ к центру шахтного поля. В связи с этим уже с 2010 года ожидается снижение добычи руды на руднике. Полное выбытие этого горизонта намечается в 2027 году.
В связи с этим наиболее значимой мерой по поддержанию мощностей Первого рудоуправления является вовлечение в отработку запасов Третьего калийного горизонта на Березовском участке Старобинского месторождения, расположенного в южной части шахтного поля 4 РУ. Проектом предусматривается строительство новой промплощадки и вскрытие запасов этого участка двумя шахтными стволами с доставкой руды на обогатительную фабрику Первого рудоуправления конвейерным транспортом по поверхности. Проектная мощность этого рудника по калийной руде составит 6 млн. тонн в год при сроке обеспеченности запасами около 40 лет. Второе рудоуправление введено в эксплуатацию в 1965 году.
На 1 января 2005 г. извлекаемые запасы калийных руд составляют 135,07 млн. тонн, в том числе: Второй калийный горизонт (-290 м) - 8,38 млн. тонн; Третий калийный горизонт (-445 м) - 126,69 млн. тонн. На 1 января 2008 г. извлекаемые запасы калийных руд составляют 112,88 млн. тонн, в том числе: Второй калийный горизонт (-290 м) — 4,59 млн. тонн; Третий калийный горизонт (-445 м) — 108,29 млн. тонн. В связи с исчерпанием запасов калийной руды на Втором калийном горизонте происходит снижение нагрузки на этот горизонт, полное его выбытие ожидается уже в 2015 году и с 2016 года рудник переходит на одногоризонтную отработку. Однако с учетом фактора возможности размещения необходимого числа очистных забоев (максимальной интенсивности отработки) уже с 2012 года будет снижаться добыча и с Третьего калийного горизонта. Его полное выбытие намечается в 2036 году.
Поддержание производственной мощности Второго рудоуправления планируется за счет вовлечения в отработку запасов Краснослободского участка, имеющего очень сложное геологическое строение и примыкающего через ряд тектонических разломов к действующему шахтному полю 2 РУ.
Промплощадка строящегося на Краснослободском участке рудника находится на расстоянии 7 километров от промышленной площадки Второго рудоуправления. Переработку руды планируется осуществлять на действующей флотационной обогатительной фабрике, а ее доставку -конвейерным транспортом по поверхности.
Балансовые запасы Третьего калийного горизонта на Краснослободском участке составляют более 345 млн. тонн, а промышленные запасы могут оцениваться в 200 млн. тонн. Ввод в эксплуатацию Краснослободского рудника с производственной мощностью 6 млн. тонн, позволит обеспечивать рудой обогатительную фабрику Второго рудоуправления в течение 35 лет. Третье рудоуправление введено в эксплуатацию в 1969 году.
На 1 января 2005 г. извлекаемые запасы калийных руд составляют 237,25 млн. тонн, в том числе: Второй калийный горизонт (-420 м) - 96,54 млн. тонн; Третий калийный горизонт (-620 м) - 140,71 млн. тонн. На 1 января 2008 г. извлекаемые запасы калийных руд составляют 209,21 млн. тонн, в том числе: Второй калийный горизонт (-420 м) - 85,49 млн. тонн; Третий калийный горизонт (-620 м) - 123,72 млн. тонн. На З РУ запасы руды позволяют обеспечить стабильную его работу с поддержанием производственной мощности на уровне 9-Г-11 млн.тонн руды в год на период до 2021 года. В дальнейшем ожидается постепенное уменьшение производительности рудника. Полное выбытие Второго калийного горизонта намечается в 2028 году, а полная отработка Третьего горизонта планируется в 2038 году.
Четвертое рудоуправление введено в эксплуатацию в 1977 году.
На 1 января 2005 г. извлекаемые запасы калийных руд составляют 637,54 млн. тонн, в том числе: второй калийный горизонт (-440 м) -191,98 млн. тонн; третий калийный горизонт (-670 м) - 445,56 млн. тонн. На 1 января 2008 г. извлекаемые запасы калийных руд составляют 601,11 млн.тонн, в том числе: второй калийный горизонт (-440 м) - 179,24 млн. тонн; третий калийный горизонт (-670 м) - 425,38 млн. тонн.
Четвертое рудоуправление обладает достаточными запасами калийных руд, позволяющими в течение 30 лет не только поддерживать производственную мощность на достигнутом сегодня уровне, но и увеличить производительность предприятия по руде до 12 млн. тонн в год.
Анализ площадей распространения IV КГ, возможных вариантов его вскрытия, подготовки и очистной выемки на рудниках РУП «ПО «Беларуськалий»
Горные выработки калийных рудников, как правило, обладают высокой устойчивостью. Это определяется свойствами соляных пород, которые характеризуются высокой вязкостью, и пластичностью. Данные свойства соляных пластов обеспечивают длительную устойчивость выработок без применения крепи. Вместе с тем при залегании непосредственно над калийными слоями пород с большим содержанием НО (глины и галопелиты) значительно осложняется управление кровлей. По прочностным характеристикам и характеру обрушения породы кровли относят к породам средней устойчивости и ко II классу по обрушаемости. Почвы калийных пластов относятся к прочным {авд 20 МПа), однако при наличии пропластков глины может наблюдаться пучение пород [109, 136].
Необходимо отметить, что соляные осадочные массивы в отличии от породных массивов слагающих угольные и иные пластовые месторождения обладают спецификой управления состоянием массива, которая очень значительно отличает их от угольных и горно-рудных месторождений [3, 4, 5, 15, 22, 43, 52, 80, 82, 101]. В первую очередь - это относительная "выдержанность" механических свойств всей соленосной толщи, включая и разрабатываемые пласты. Именно этим обстоятельством объясняется отсутствие отжима призабойной части пласта. На угольных месторождениях свойства (прочностные и деформационные) угля и вмещающих пород отличаются в десятки раз [136]. Механические свойства покрывающих пород (как и подстилающих) на угольных месторождениях также в большинстве случаев имеют ярко-выраженную слоистость (не только геометрическую но и по "градиенту" изменения свойств слоев). Причем это относится не только к структуре (как и на соляных месторождениях) но и свойствам на контактах слоев (значительной разностью свойств на различных "берегах контакта"). В отличие от угольных месторождений на соляных месторождениях даже при ярко выраженной геометрической слоистости свойства слоев (прочностные и деформационные) обычно не различаются более чем в два раза. Исключение составляет только наличие в покрывающей (подстилающей) толще мощных глин. Поэтому соляные массивы являются более "монолитными" (слои более связаны) и выделение в таких массивах непосредственной (основной кровли) зачастую является весьма затруднительным. В связи с этим проводимые аналогии между угольными и соляными месторождениями при анализе различных горно-геомеханических и горнотехнических ситуаций зачастую являются довольно противоречивыми.
Опыт эксплуатации механизированных комплексов на рудниках РУП ПО «Беларуськалий» показывает, что безопасная величина зазоров между секциями крепи может составлять 0,3-Я),4 Mj а ширина незакрепленной полосы кровли в призабойной зоне может достигать 1,5-н 2,0 м. Отставание секций крепи от комбайна может составлять десятки метров. В тоже время в определенных условиях применение крепей с высокой несущей способностью не исключает значительного опускания пород кровли (порядка 0,5 м) и "посадки на жестко" до нескольких десятков секций крепи [71, 73].
Основные направления совершенствования технологических схем и проблемы, сопровождающие отработку пластов представлены на рис. 1.14.
Проводимые работниками Белгорхимпрома и Беларуськалий наблюдения и замеры в нижних лавах показали, что кровля, представленная межслоевой пачкой каменной соли III-IV с лежащими на ней породами, после выемки IV силвинитового слоя регулярно обрушалась за крепью с шагом 0,6-1,5 метра. Первое обрушение прогнувшихся вышележащих пород были зафиксированы при отходе лав от монтажного штрека на расстояние 51-69 метров и сопровождались звуковым эффектом с возникновением воздушной волны. В дальнейшем обрушения вышележащих пород (вторичные осадки кровли) происходили с шагом 22- 25 метров.
Измерения протяженности зоны опорного давления, проводимые службами на руднике выполнялись в подготовительных выработках после отхода верхней лавы от монтажного штрека на расстояние 135 метров и на расстояние свыше 300 метров. Исследованиями установлено, что при выемке верхнего слоя зона опорного давления впереди очистного забоя распространяется до 100 метров по центру выемочного столба, до 90 м в краевой части со стороны массива и до 180 метров — в краевой части со стороны выработанного пространства. Полученные данные по протяженности зоны опорного давления хорошо согласуются с результатами измерений указанного параметра в других лавах.
Протяженность зоны и интенсивность воздействия опорного давления впереди забоя нижней лавы зависят от величины опережения очистных работ в слоях. Так, при опережении 11004-1350 метров зона опорного давления распространялась на 130-J-135 метров по центру выемочного столба и на 45-Ї-55 метров — в краевых частях. Незначительные величины зоны опорного давления нижней лавы в краевых частях столба и существенная разница их по сравнению с центральной частью объясняются следующим: после прохода верхней лавы в надработанном массиве образовывалась зона разгрузки, эффект которой сохранялся в течении 8-10 месяцев в центральной части столба и до 2-2,5 лет — в краевых частях. Следовательно, можно констатировать, что измерения зоны опорного давления в краевых частях столба выполнялись в условиях сохранившегося эффекта разгрузки, причем тем большего, чем меньшей была величина опережения очистных работ в слоях, а в центральной части - после полного восстановления нагрузок на межслоевую пачку. Однако при работе нижней лавы, которая вторично подрабатывает соляную толщу возникают аварийные ситуации вызванные зажатием на жёстко секций механизированной крепи, расположенных в центральной части очистного забоя.
Разработка соответствующих расчетных схем и оценка параметров НДС ответственных элементов массива
В настоящее время на Старобинском месторождении разработку калийных руд ведут четыре рудоуправления производственного объединения «Беларуськалий». Пятый рудник (Краснослободской) мощностью 6 млн. т. руды в год находится в стадии подготовки запасов к выемке (проходка штреков главных направлений).
В состав каждого рудоуправления входят рудник для добычи калийной руды и обогатительная фабрика для ее переработки и выпуска минеральных калийных удобрений в форме мелкозернистого, мелкокристаллического и гранулированного концентрата хлористого калия, а также соли калийной смешанной. Кроме того, объединение выпускает техническую, пищевую и кормовую поваренную соль.
На месторождении за короткий промежуток времени был осуществлен переход от камерной системы разработки, характеризующейся низкими показателями по качеству добываемой руды и извлечению запасов из недр, на более прогрессивную столбовую систему с обрушением кровли. Однако, как показывает опыт отработки Старобинского месторождения, потери ПИ все же остаются очень высокими, а длительная эксплуатация месторождения с применением столбовой системы при извлечении руды 5СЫЮ % способствовала быстрому погашению запасов калийных солей на шахтных полях, что привело к быстрому истощению подготовленных запасов.
Второй калийный горизонт на рудниках 1РУ и 2 РУ практически полностью отработан. Для поддержания мощностей 1РУ и 2РУ на существующем уровне необходимо уже в ближайшее время ввести в эксплуатацию забалансовые запасы I и (или) IV КГ. В таблице 2.1. приведены основные показатели работы рудоуправлений из которых видно, что лишь на двух шахтопластах плановое извлечение достигает 60-=-70 %, на остальных же шахтопластах извлечение запланировано на уровень менее 50 %.
График на рис. 2.1, построенный по данным ежегодного экономического отчета объединения и показывающий уровень добычи и потерь по рудникам за 2008 г, также свидетельствует о низком проценте извлечения полезного ископаемого из недр. Основными проблемами, существенно снижающими технико-экономические показатели работы рудников являются следующие аварийные ситуации: 1) неустойчивое состояние выработок верхней лавы (по IV сильвинитовому слою) при залегании в кровле пласта лекгообрушающихся слоев пород с высоким содержанием НО; эксплуатация таких выработок без крепления в некоторых случаях невозможна даже на стадии проходки; попытки использовать податливые арочные крепи в сложных горногеологических условиях также не дали положительных результатов; 2) обрушения мощных слоев кровли в очистных забоях приводящие к "посадке на жестко" секций крепи в лаве; наиболее часто такие аварии встречаются при работе нижней лавы (II и III сильвинитовые слои) в надработанном верхней лавой соляном массиве; 3) неудовлетворительное состояние выемочных штреков, что снижает нагрузки на очистные забои и снижает безопасность работ; обеспечение удовлетворительного состояния выемочных штреков требует значительных дополнительных затрат на проведение комплекса мероприятий по обеспечению безопасных условий работы (прорезка дополнительных компенсационных щелей, применение дополнительного крепления, крепей усиления и т.д.).
Экономический ущерб от данных аварий является довольно существенным, но при этом в первом случае ущерб наносится за счет списания значительной части запасов, а соответственно снижения извлечения и сокращения срока службы предприятия. Посадки на жестко секций крепи кроме значительного прямого материального ущерба приводят и к невосполнимым потерям объема добычи (из-за простоев очистных комплексов), но практически не влияют на извлечение калийных солей. При обрушениях значительных по мощности слоев кровли на жестко одновременно зажимается от 5-10 до 64 секций механизированной крепи, величины опусканий пород кровли в лавах превышают 600-700 мм.
Значительный объём подготовительных работ (до 20 % добычи руды) обуславливает существенное снижение доли полезного компонента в валовом продукте (с 28- -35 % до 20-г23 %). В определённых горногеологических условиях для обеспечения устойчивости участковых штреков и предотвращения вывалов пород кровли необходимо использование рамных арочных крепей. Однако даже использование таких видов крепей без специального комплекса мероприятий по управлению состоянием соляного массива не сможет обеспечить необходимое состояние участковых штреков. Альтернативой использованию арочных крепей в данных условиях является расположение подготовительных выработок в устойчивых слоях вмещающего массива. Это требует либо отказа от отработки части запасов (некоторых слоев), либо отработки всего пласта на полную мощность.
Технико-экономическая оценка предлагаемых вариантов технологических схем и выбор наиболее эффективных вариантов по комплексу исследованных факторов
Основной источник информации, используемый в данной работе — отчет о результатах предварительной разведки IV калийного горизонта (IV КГ), выполненной ПО "Беларуськалий" на площади Старобинского месторождения.
Проработка указанного материала позволила констатировать существенную дифференциацию данных разведки по шахтным полям 1, 2, 3 и 4 РУ, а также иных перспективных участков месторождения (рис. 1.4).
На поле рудника 3 РУ запасы IV калийного горизонта вскрыты скважинами доразведки (№№ 349а, 134, 127, 132а, 128а, 21а, 115 и др.), имеются и иные скважины: от скважин, выполненных в ходе разведки Старобинского месторождения до скважин, ориентированных специально на доизучение зон тектонических разломов на данном поле. Важно констатировать, что на поле рудника 3 РУ не зафиксировано — ни в одной из перечисленных (и др.) скважин - отсутствие в обследуемой толще IV калийного горизонта. Фрагмент геологической информации (по актам бурения скважины № 132 а) используемой при обобщении горногеологических условий залегания IV КГ приведен в приложении А. В приложении Б приведена информация о варьировании горно-геологических характеристик слоев IV КГ. Для необходимого учета перечисленных (и некоторых других) положений, требуемых для постановки горногеомеханических задач, геологическая информация, имеющаяся и отражающая условия прогнозируемой выемки запасов IV КГ — вполне достаточна. При этом имеется в виду, что аналогичная информация об условиях отработки запасов II и III калийных горизонтов, достаточно обобщена и известна по данным соответствующих научно-технических источников. Последнее, как очевидно, необходимо учитывать при оценке синергетичности ведения горных работ на калийных горизонтах (в наибольшей степени на III и IV калийных горизонтах).
Резюмируя рассмотрение имеющейся геологической информации констатируем: - для условий отработки запасов IV КГ качественные и количественные параметры строения соленосной толщи характеризуют целесообразность прогнозных проработок варьируемых горно-геомеханических ситуаций по выемке здесь калийных руд; - для реализации подобных задач в конкретных условиях шахтного поля З РУ необходимо выполнить анализ и обобщение физико-механических характеристик пород (породных комплексов) междупластья III-IV, IV калийного горизонта и подстилающей его толщи. Классическая схема отработки запасов на смежных шахтных полях, как известно [150], требует — помимо всего прочего - разделения их барьерными целиками, проектируемыми с параметрами, исключающими затопление одного из рудников смежными рудниками при возникновении на каком либо из шахтных полей аварийной ситуации. Такой подход, очевидно, подразумевает проведение дифференцированной - по отдельным шахтным полям - отработки запасов IVго КГ. В тоже время, рассмотрение конкретных геолого-гидрогеологических условий, характерных для горизонта, позволяет обсудить возможную целесообразность иного подхода, например, подхода "регионального" для всех шахтных полей действующих РУ. Имеется естественно в виду, что высказанные аспекты решения рассматриваемой проблемы следует понимать только как априори-постановочный, требующий самостоятельного углубленного изучения, выходящего за рамки настоящих исследований. Только в такой постановке ниже рассматриваются некоторые "вероятные" положения этого подхода.
"Региональная" безопасность добычи солей, как известно, предопределена геологией последних — верхнедевонских отложений. Эти отложения по литологическому составу представлены двумя частями: верхней глинисто-мергелистой толщей (ГМТ) и нижней соленосной свитой, включающей четыре калийных горизонта. Нижняя свита, в основном, представлена мощными пластами каменной соли — калийные горизонты в ней оцениваются как имеющие подчиненное значение. Не анализируя досконально количественные характеристики мощностей указанных толщ, в целом, возможно, отметить, что в пределах шахтных полей отложения ГМТ характеризуются величинами 300 м (исключая 50V70 метровую зону в их кровле!), а соленосная толща (включительно до отметок II КГ, так как ІКГ распространен "весьма локально") - величинами 150 м. Этот комплекс пород мощностью 400-1-450 м, учитывая упомянутый аспект I КГ, относится к породам так называемой водозащитной толщи (ВЗТ). При соблюдении -существующих к ВЗТ при проведении горных работ на горизонтах (II, III и IV) - требований незатопляемость рудников необходимо гарантирована, обеспечивая наличие сплошности ВЗТ и, естественно, невозможность проникновения вод мезо-кайнозойской группы в горные выработки различного назначения.
Ниже рассматриваются (в соответствие с существующими подходами к "дифференцированной" отработке шахтных полей) и анализируются варианты вскрытия и подготовки запасов IV КГ в пределах шахтного поля рудника З РУ.
Альтернативными вариантами вскрытия IV КГ на данном шахтном поле являются проходка комплекса уклонов с IIIго КГ на IVblM КГ, или углубка стволов до IVго КГ. По первому варианту (вскрытие уклонами) предусматривается углубка ствола № 1 (до III КГ - по условиям вентиляции), проходка транспортных, конвейерных и вентиляционных уклонов, бункера с дозатором и ходками (транспортным и конвейерным), сооружение капитальных выработок (гараж, ЦІIII и др.) и некоторых других объектов (закладочные блоки на III КГ и др.). При рассмотрении данного варианта вскрытия обращает на себя внимание весьма значительная протяженность наклонных выработок (свыше 2000 м для отдельных наименований выработок) - например для конвейерного и вентиляционных уклонов, а также для других выработок. Выполненный ранее анализ горно-гелогических характеристик межгоризонтнои толщи (III КГ-IV КГ) позволяет считать возможным возникновение значимых "затруднений" в процессе управления горным давлением в таких объектах во времени.
По второму варианту вскрытия (вскрытие IV КГ вертикальными стволами) предусматривается - аналогично Iу варианту — углубка ствола № 1 (до III КГ) и, кроме того: углубка стволов № 2 и № 4, сооружение (у скипового ствола № 4) бункера с камерой питателей и дозатора, а также проходка транспортного и конвейерного ходков с IV КГ до бункера (протяженность каждого не более 600 м - в зависимости от угла наклона с выработок). Поскольку углубку стволов № 2 и № 4 возможно осуществлять сверху-вниз без их остановки с использованием наклонных выработок углубочного горизонта, суммарной протяженностью 1000 м, но используемых только на время углубки: 2 года, то отмеченные в части 1-го варианта вскрытия недостатки можно считать в данном случае непринципиальными (имея в виду срок отработки запасов горизонта, по крайней мере, не менее 20 лет).
