Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор и анализ практики применения восходящего порядка ведения горных работ 11
1.1. Обзор и анализ схем вскрытия крутопадающих рудных месторождений 11
1.1.1. Зарубежный опыт вскрытия крутопадающих рудных тел 11
1.1.2. Отечественный опыт вскрытия крутопадающих рудных тел.
1.2. Обзор и анализ классификаций способов вскрытия крутопадающих рудных тел 24
1.3. Разработка классификации способов вскрытия крутопадающих рудных месторождений 28
2. Технология отработки тундрового месторождения кольской ГМК 45
2.1. Краткая геологическая характеристика месторождения 45
2.2. Выбор технологических схем вскрытия Тундрового месторождения ... 52
2.3.Выбор систем разработки при восходящем порядке ведения горных работ 63
2.4. Технологические схемы перехода с открытых горных работ на подземные при восходящем порядке ведения работ 77
3. Исследование напряженно-деформированного состояния горного массива при различных порядках отработки месторождения в условиях одно- и многоступенчатого вскрытия 85
3.1. Общие сведения о напряженно-деформированном состоянии горного массива 85
3.2. Анализ опыта теоретических, натурных и лабораторных исследований НДС массива при нисходящем и восходящем порядке ведения работ 90
3.3. Численное моделирование НДС горного массива при нисходящем и восходящем порядке отработки месторождения
3.3.1. Цель и задачи моделирования 98
3.3.2. Методика проведения исследований 99
3.3.3. Исходные данные 104
3.4. Результаты исследований 106
3.4.1. Анализ вертикальных сжимающих напряжений 106
3.4.2. Анализ горизонтальных сжимающих напряжений 111
3.4.3. Анализ растягивающих напряжений 116
3.4.4. Анализ НДС рудного целика между ступенями вскрытия... 120
3.5.Выводы и рекомендации 123
4. Экономико-математическое моделирование и оптимизация параметров схем вскрытия при восходяще-нисходящем порядке ведения работ 127
4.1. Анализ существующих методов оптимизации схем вскрытия рудных месторождений 127
4.2. Обобщение и анализ горнотехнической литературы по применению экономико-математического моделирования для решения задач горнорудной промышленности 130
4.3. Постановка задачи моделирования 135
4.4. Экономико-математическое моделирование и оптимизация высоты первой ступени вскрытия 139
4.4.1. Управляющие переменные и критерий оптимизации 139
4.4.2. Исходные данные экономико-математической модели 141
4.4.3. Тело экономико-математической модели 145
4.4.4. Алгоритм расчета оптимальной глубины первой ступени вскрытия, тестовая задача и пояснения к ним 146
4.4.5. Программа расчета 146
4.5. Результаты экономико-математического моделирования, выводы и рекомендации 146
5. Исследование параметров комбинированной системы разработки при восходящем порядке ведения работ 153
5.1. Обобщение и анализ горнотехнической литературы по вопросам давления сыпучего на подпорные стенки 153
5.1.1. Сыпучее тело и его давление на подпорную стенку 153
5.1.2. Давление грунтов на подпорные стенки 155
5.1.3. Определение давления сыпучего на подпорные стенки 158
5.1.4. Особенности расчета активного давления сыпучего тела на подпорные стенки в подземных условиях 162
5.1.5. Расчет подпорных стенок 166
5.2.0бобщение и анализ горнотехнической литературы по вопросам горного давления на искусственные монолитные целики 169
5.3.Физическое моделирование давления сыпучей породной закладки и пород висячего бока на искусственные монолитные целики 177
5.3.1. Общие сведения о физическом моделировании в горном деле 177
5.3.2. Обзор существующих методов физического моделирования для решения задач управления состоянием горного массива 180
5.3.3. Цель и задачи физического моделирования 187
5.3.4. Материалы и оборудование для проведения эксперимента... 188
5.3.5. Методика проведения исследований 192
5.3.6. Результаты эксперимента 196
5.4.Экономико-математическое моделирование и оптимизация параметров многостадийной системы разработки при ведении работ в восходящем порядке 198
5.4.1. Обзор существующих методов определения параметров системы разработки 198
5.4.2. Постановка задач исследования 201
5.4.3. Исходные данные экономико-математической модели 203
5.4.4. Тело экономико-математической модели 204
5.4.5. Алгоритм расчета и тестовая задача 204
5.5.Результаты экономико-математического моделирования 205
6. Технология отработки тундрового месторождения кольской ГМК 212
6.1 .Схема вскрытия месторождения 212
6.2.Технология добычи руды в блоке (система разработки) 218
6.3.Технико-экономические показатели работы горного предприятия.. 226
Заключение
- Отечественный опыт вскрытия крутопадающих рудных тел.
- Выбор технологических схем вскрытия Тундрового месторождения
- Анализ опыта теоретических, натурных и лабораторных исследований НДС массива при нисходящем и восходящем порядке ведения работ
- Экономико-математическое моделирование и оптимизация высоты первой ступени вскрытия
Введение к работе
Актуальность работы: Последнее время в России достаточно остро ощущается недостаток сырья для металлургических предприятий. Это обстоятельство усугубляется истощением большинства легкодоступных запасов руд цветных и черных металлов, осложнением горно-геологических условий разработки месторождений полезных ископаемых, снижением качества руд. Сложившаяся ситуация требует вовлечения в эксплуатацию новых месторождений и запасов руд на больших глубинах (более 500 м), желательно с одновременным снижением себестоимости добычи качественного рудного сырья.
Применяемые в России в настоящее время технологии разработки месторождений с высоким содержанием полезных компонентов при относительно неглубоком залегании, не могут экономически эффективно использоваться для отработки глубокозалегающих рудных тел. Необходима разработка новой инновационной технологии добычи руды с невысоким содержанием полезного компонента подземным способом с больших глубин.
В настоящее время в мировой практике повсеместно принят нисходящий порядок разработки месторождений полезных ископаемых. Это диктуется низкими капиталовложениями на первой ступени вскрытия и коротким сроком ввода рудника в эксплуатацию. Однако, ступенчатое или поэтажное вскрытие вызывает перерасход капиталовложений на строительство рудника за счет последующей дорогостоящей углубки существующих или проведения слепых стволов с концентрационного горизонта.
Таким образом, основные преимущества отработки месторождения в нисходящем порядке утратили свои значения, и возникла необходимость рассмотреть возможность применения новой нетрадиционной и перспективной геотехнологии, состоящей в выемке этажей по вертикали в восходящем порядке.
Этой проблеме посвящены работы ведущих ученых: Д.Р. Каплунова, О.В. Славиковского, Ю.В. Волкова, Ю.М. Цыгалова, В.Л. Яковлева, и др. Однако, вопросы технологии отработки месторождения в комбинированном восходяще-нисходящем порядке, оптимизации параметров системы и управления состоянием горного массива при восходящем порядке отработки глубоких горизонтов, рассмотрены недостаточно подробно.
Тема диссертации соответствует приоритетному направлению развития науки, техники и технологии РФ «Экология и рациональное природопользование» (согласно приказу №577 президента РФ Путина В.В. от 30.03.02).
Научные исследования частично проводились в рамках гранта Правительства Санкт-Петербурга по направлению «Горное дело», наименование НИР «Технология восходящей отработки крутопадающих рудных тел».
Цель диссертационной работы: Повышение эффективности технологии разработки глубокозалегающего Тундрового месторождения Кольской ГМК.
Идея работы: Отработку глубокозалегающих крутопадающих рудных тел Тундрового месторождения необходимо вести в восходяще-нисходящем порядке многостадийной системой разработки, при этом параметры схемы вскрытия и технологии очистной выемки руды в блоке необходимо определять на базе разработанных экономико-математических моделей.
Задачи исследований:
1. Разработать технологию выемки рудных тел многостадийной системой с комбинированной закладкой при выемке месторождения в восходящем порядке;
2. Оценить напряженно-деформированного состояние (НДС) массива при восходящем порядке отработки месторождения;
3. Оценить напряженно-деформированного состояние рудного целика между ступенями вскрытия при многоступенчатой отработке рудного тела в восходящем порядке;
4. Разработать методику определения оптимальной глубины первой ступени вскрытия при комбинированном восходяще-нисходящем порядке отработки месторождения;
5. Установить закономерность изменения величины шага вскрытия от угла падения рудного тела;
6. Разработать методику определения оптимальных параметров многостадийной системы с заполнением камер комбинированной закладкой при ведении работ в восходящем порядке.
7. Определить оптимальные параметры технологии отработки Тундрового месторождения Колькой ГМК.
Научная новизна:
установлены зоны концентрации сжимающих и растягивающих напряжений при восходящем порядке ведения горных работ, располагаемые в горном массива вокруг верхней части камеры, а также параболические зависимости изменения сжимающих напряжений с глубиной;
установлены зависимости размеров искусственных монолитных целиков от совместного влияния давления пород висячего бока и активного давления сыпучей породной закладки при изменении угла падения рудного тела;
установлены качественные и количественные зависимости приведенных затрат от глубины первой ступени вскрытия при комбинированном восходяще-нисходящем порядке отработки месторождения: минимальная глубина первой ступени составляет 800 м, при ее увеличении значения приведенных затрат остаются постоянными; установлены параболические зависимости изменения удельных затрат на добычу руды от технологических параметров многостадийной системы разработки при восходящем порядке ведения работ.
Защищаемые научные положения:
1. Восходящий порядок отработки глубоких горизонтов крутопадающих месторождений позволяет эффективно управлять состоянием горного массива, так как обеспечивает более чем 2-х кратное снижение действующих сжимающих напряжений по сравнению с нисходящим порядком;
2. При восходяще-нисходящем порядке отработки месторождения высота первой ступени вскрытия определяется экономико-математическим моделированием с учетом капитальных затрат и эксплуатационных расходов при выемке как первой, так и второй ступени вскрытия; для рассматриваемого месторождения она составила 800 м;
3. Размеры искусственных монолитных целиков при многостадийной системе разработки должны определяться не только по величине горного давления пород висячего бока, но и с учетом активного давления сыпучей породной закладки камеры второй очереди; для условий Тундрового месторождения длина камер I очереди составляет 8 м, длина камер II очереди составляет 40 м, прочность твердеющей закладки – 3 МПа.
Достоверность научных положений, выводов и результатов подтверждается представительностью и надежностью исходных данных, сходимостью результатов экономико-математического моделирования с данными других исследований, аналитических расчетов и лабораторных исследований с результатами математического моделирования, а также производственной практикой.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовался комплексный метод исследований, включающий: анализ и обобщение горнотехнической литературы; лабораторные исследования процессов деформирования искусственных монолитных целиков; математическое моделирование напряженно-деформированного состояния горного массива; экономико-математическое моделирование параметров технологии отработки месторождения в восходящем порядке.
Практическая значимость работы:
1. Составлена классификация способов вскрытия крутопадающих рудных месторождений полезных ископаемых.
2. Определено напряженно-деформированное состояние горного массива Тундрового месторождения при ведении работ в восходящем, нисходящем и восходяще-нисходящем порядках.
3. Разработана экономико-математическая модель определения оптимальной глубины первой ступени вскрытия при ведении работ в комбинированном восходяще-нисходящем порядке.
4. Разработана экономико-математическая модель определения оптимальных параметров многостадийной системы разработки.
5. Обоснована минимальная глубина первой ступени вскрытия при восходяще-нисходящем порядке отработки Тундрового месторождения, она составляет 800 м.
6. Обоснована экономическая эффективность восходящего порядка ведения работ перед нисходящим порядком.
7. Разработана и обоснована технология отработки Тундрового месторождения Кольской ГМК в комбинированном восходяще-нисходящем порядке.
Апробация работы: Основные положения работы докладывались и получили положительную оценку на Всероссийских научных конференциях молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение» (г. Санкт-Петербург, СПГГИ (ТУ), 2002, 2003, 2004, 2005 гг.); на научной конференции в рамках «Недели горняка» (Москва, МГГУ, 2005 г.); на Всероссийской конференции-конкурсе студентов выпускного курса (СПб, 2004 г.); на VII Международной конференции «Новые идеи в науках и Земле» (Москва, 2005 г.); на 45-й международной конференции горняков (Польша, Краков, 2004 г.); на научных семинарах кафедры РМПИ СПГГИ (ТУ);
Реализация результатов работы: Разработанные рекомендации приняты к использованию и внедрению в проектную документацию ООО « Институт Гипроникель».
Публикации: по теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, из них 6 патентов на изобретение.
Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, 6 глав и заключения общим объемом 230 страниц, содержит 10 таблиц и 96 рисунков, а также список литературы из 136 наименований и 5 приложений.
Автор выражает глубокую и искреннюю благодарность научному руководителю профессору Э.И. Богуславскому, постоянное внимание и помощь которого способствовали успешному выполнению работы; доценту Ю.Л. Минаеву за внесение идей и предложений содействие и консультации по важнейшим вопросам диссертации, другим сотрудникам кафедры РМПИ за практические советы при выполнении лабораторных исследований и написании глав диссертации.
Отечественный опыт вскрытия крутопадающих рудных тел.
Обобщая представленную классификацию можно заключить, что схемы вскрытия наклонными прямыми или ломаными стволами применяют для наклонных рудных тел, залегающих на относительно небольшой глубине от поверхности. Схемы вскрытие со спиральным съездом, являющимся основной вскрывающей выработкой, применяют для небольших рудных тел, залегающих на небольшой глубине (не более 500 м) от поверхности. Схемы вскрытие со штольней применяют в гористой местности.
Анализируя приведенную выше классификацию можно отметить ряд ее недостатков. Во-первых, неясен признак классификации. Если в первых двух случаях за него можно принять количество ярусов (ступеней вскрытия), то в остальных случаях данный признак неприменим. Можно утверждать, что данная классификация лишь обобщает все применявшиеся в Советском Союзе способы вскрытия, пытается их укрупнить и обобщить. Во-вторых, в данной классификации отсутствует разделение по направлению отработки месторождения. В то же время, к моменту подготовки приведенной классификации (как следует из [46]) были известны как нисходящий, так и восходящий порядок ведения работ. В-третьих, в настоящее время существует дополнительно еще несколько способов вскрытия, неучтенных в приведенной классификации. Все это говорит о том, что данная классификация способов вскрытия рудных месторождений устарела и не может эффективно применяться на современном этапе развития техники и технологии.
В. В. Глотов, проанализировав практику вскрытия мелких месторождений (под «мелкими» понимаются месторождения, залегающие неглубоко от земной поверхности и имеющие относительно небольшие запасы), разработал типовые технологические схемы вскрытия таких месторождений [40]. Все схемы ориентированы на применение самоходного оборудования. Для вскрытия запасов этажей проходят автосъезд в сочетании с вертикальными стволами (главным, выходящим на поверхность, или слепыми), квершлаги и штреки. Проанализировав приведенные схемы [40] можно сделать следующие выводы:
1. Современная разработка месторождения должна вестись на базе применения высокопроизводительного самоходного оборудования на все процессах добычи руды;
2. Вскрытие месторождения должно осуществляться вертикальными ру-довыдачными и вспомогательными вентиляционно-закладочными стволами, при этом автоуклон играет вспомогательную функцию и служит для передвижения самоходного оборудования. В отдельных случаях (при неглубоком залегании рудного тела) он может использоваться для транспортировки руды на поверхность.
Необходимо отметить, что в работе не рассматриваются схемы вскрытия рудных тел, залегающих на значительной глубине от земной поверхности. Приведенные технологические схемы частично похожи друг на друга и отличаются лишь взаимным расположением вскрывающих выработок.
На основании анализа схем вскрытия действующих горных предприятий, приведенных выше, а также практики анализа горнорудных предприятий, можно выделить признаки, присущие современным способам вскрытия крутопадающих рудных месторождений: 1. Вскрытие рудных тел производится вертикальными стволами в породах лежачего бока за зоной сдвижения вмещающих пород;
2. Вскрытие рабочих горизонтов осуществляется путем проведения этажных квершлагов от ствола до рудного тела, либо путем проведения этажных квершлагов и концентрационного горизонта (одного на 4-5 этажных квершлагов), либо путем проведения концентрационных горизонтов без проведения этажных квершлагов;
3. Вскрытие второй и последующих ступеней вскрытия осуществляется путем углубки существующих стволов, либо путем проведения слепых стволов с концентрационного горизонта;
4. Для передвижения самоходного оборудования в породах лежачего бока параллельно рудному телу проводят автоуклон, который соединяет все рабочие горизонты между собой.
На основании сформулированных признаков была составлена классификация способов вскрытия крутопадающих рудных месторождений, залегающих в равнинной местности на достаточно большой глубине. Данная классификация основана на технологических схемах, разработанных Ю.М. Цыгаловым и Н.И. Слащилиной [119] при выемке руды системами разработки с закладкой выработанного пространства. Наряду с положительными сторонами данной классификации (в частности, впервые в классификации выделены схемы вскрытия при ведении работ в восходящем порядке), в ней присутствует ряд недостатков. В частности, в работе не приводятся технологические схемы многоступенчатого вскрытия с проведением слепых стволов для вскрытия запасов второй очереди, что значительно сокращает длину квершлагов и не требует замены подъемной установке на более мощную. Также ничего не говорится о направлении ведения работ в пределах второй и последующей ступеней вскрытия, в то время (как это будет доказано далее) это является серьезным вопросом, требующим отдельного исследования.
Выбор технологических схем вскрытия Тундрового месторождения
Анализ результатов исследований физико-механических свойств руды и вмещающих пород, проводившихся в период разведки и эксплуатации на различных участках Восточного рудного узла, показывает практически полную идентичность этих свойств руд и пород для всех месторождений и рудных тел. К последним относится и рассматриваемое в настоящей работе Тундровое месторождение.
Приведенные в данном разделе сведения о физико-механических свойствах в равной степени характеризуют обогащенные и бедные (безрудные) интервалы пород «продуктивной» толщи. Как руда, так и вмещающие породы разбиты дизъюнктивными нарушениями и межпластовыми тектоническими зонами, однако, характеризуются относительно слабой трещиноватостью и вполне устойчивы при ведении горных работ.
По параметрам физико-механических свойств породы «продуктивной» толщи условно можно расположить в ряд упругости: пироксениты, габбро, габбро-диабазы, перидотиты, песчаники и филлиты. В направлении от пирок у сенитов к филлитам происходит уменьшение плотности (от 3,5 до 2,7 т/м ), модулей сдвига, Юнга (от 12 до 7-Ю4 МПа), всестороннего сжатия (от 10 до 6-Ю4 МПа) и возрастание величины коэффициента анизотропии Vp.
Средние значения прочностных и деформационных свойств Породы Предел прочности на сжатие стсж,МПа Предел прочности нарастяжение Стр,МПа Модуль упругости Еі(104МПа) Коэффициент Пуассона ц ср. от ДО ср. от ДО перидотитыгаббродиабазыалевролитпесчаник 92164215129161 45 97 38 58 284 360 306 349 23 18 15 21 12 19 7 9 35 39 32 35 8,687,12 7,05 6,85 0,26 0,31 0,20 0,27
На величину плотности пород влияет степень их минерализации сульфидами. Поэтому для различных значений бортового содержания Ni пприняты следующие величины плотности руды: для Ni 0,3% - 2.92 т/м3; для Ni 0,4% - 2.94 т/м3; для Ni 0,5% - 2.95 т/м3; для Ni 0,6% - 2.97 т/м3; для Ni 0,7% - 2.98 т/м3. Средняя плотность некондиционных руд (Ni 0,3%) и пород принята равной 2,9 т/м . Влажность руды - 1%. Коэффициент разрыхления - 1.5. Горные удары Опыт горных работ на месторождениях Печенгского рудного поля, которые ведутся на глубинах свыше 1000м, не выявил до настоящего времени динамических проявлений - горных ударов. По данным исследований, проведенных ВНИМИ, а также по опыту проходки скипо-клетьевого ствола рудника «Северный», глубина проходки которого на данный момент составляет примерно 1250 м, позволяет сделать предварительную оценку напряженности массива: резких перепадов напряжений в массиве не ожидается; проявления горных ударов могут возникнуть на глубинах более 900 м в зонах слабоустойчивых пород; прогноз возможности проявления горных ударов на глубинах свыше 1000 м может быть подтвержден только опытом горных работ, вероятность их проявления 40-50%.
В результате проведенных исследований рудник признан неселикозо-опасным (среднее содержание свободного кремнезема не превышает 10%).
Обобщая опыт вскрытия крутопадающих рудных месторождений России и зарубежья, приведенный в первой главе, можно сделать вывод, что в настоящее время вскрытие преимущественно осуществляется серией вертикальных стволов и концентрационными горизонтами. При этом различают два принципиальных варианта: одноступенчатое вскрытие - вертикальные стволы проходят сразу на всю глубину залегания рудного тела; многоступенчатое вскрытие - вертикальные стволы вначале проходят лишь на глубину первой ступени вскрытия. Вскрытие второй (третьей, четвер 53 той и т.д.) ступени осуществляется путем углубки существующих или проведения слепых стволов с концентрационного горизонта.
Оба варианта вскрытия также предполагают наличие квершлагов от стволов до рудного тела, полевых и (или) рудных штреков вдоль рудного тела, полевого автоуклона для передвижения самоходного оборудования, капитального рудоспуска для перепуска руды с рабочего на концентрационный горизонт.
В соответствии с разработанной и приведенной в первой главе классификацией схем вскрытия крутопадающих рудных месторождений, рассмотрим возможные варианты вскрытия Тундрового месторождения (рис. 2.1 - 2.8). Все варианты предусматривают вскрытие рудного тела вертикальными стволами в породах лежачего бока с сооружением одного или нескольких концентрационных горизонтов. Для передвижения самоходного оборудования в породах лежачего бока с поверхности до концентрационного горизонта параллельно рудному телу проводят автосъезд, который соединяют с каждым рабочим горизонтом. Для перепуска руды с рабочего на концентрационный горизонт параллельно рудному телу проводят капитальный рудоспуск. а) Варианты одноступенчатого вскрытия вертикальными стволами на всю глубину залегания рудного тела с сооружением одного концентрационного горизонта на нижней отметке (рис. 2.1 и 2.2) предусматривают проведение основных вскрывающих выработок в породах лежачего бока. Один из стволов, оборудованный скиповым подъемом, служит для выдачи всей горной массы на поверхность. Второй ствол, оборудованный клетевым подъемом, служит для спуска/подъема людей, материалов и оборудования на рабочие горизонты, вентиляции рудника. Для передвижения самоходного оборудования в породах лежачего бока до уровня концентрационного горизонта проходят наклонный автосъезд 4, который соединяют с каждым рабочим горизонтом.
Анализ опыта теоретических, натурных и лабораторных исследований НДС массива при нисходящем и восходящем порядке ведения работ
При залегании рудного тела неглубоко от земной поверхности верхнюю его часть целесообразно отработать открытыми горными работами. Они обеспечивают высокую производительность горного предприятия при относительно небольшой (по сравнению с подземными горными работами) себестоимости добычи. При завершении работ в карьере возникает вопрос о переходе к отработке подземной части рудного тела, то есть к комбинированной разработки месторождения [124].
Комбинированная разработка рудного тела возможна в двух принципиально отличающихся друг от друга схем [63,64]: совместная разработка месторождения, при которой открытые и подземные горные работы совмещены во времени и ведутся одновременно; и последовательная разработка месторождения с переходом от открытого способа к подземному.
При совместной, или параллельной, отработке подземные горные работы ведут одновременно с эксплуатацией карьера, начиная их от проектного предельного контура карьера в направлении сверху вниз. Недостатком такого варианта является то, что открытые горные работы достигают предельного положения через 20-30 лет после проектирования. За это время происходят сущест 78 венные изменения в геотехнологии и геотехнике, а также меняется представление о свойствах геосреды, но адекватный этим изменениям пересмотр параметров карьера уже невозможен. Появляется возможность и экономическая целесообразность дальнейшего развития открытых горных работ (увеличить угол откоса бортов карьера и передвинуть проектный контур карьера в глубину без увеличения границ горного отвода), но технологически это сделать невозможно из-за существующих подземных горных выработок, пройденные под дном карьера. Также данные схемы предусматривают потерю больших объемов балансовых руд в подкарьерном целике, разделяющем открытые и подземные горные работы. Это приводит к росту средних по рудному телу затрат на добычу руды, примерами чего может служить опыт эксплуатации Учалинского и Гайского месторождений.
При последовательной схеме отработки месторождения подземные очистные работы начинают вести после прекращения открытых горных работ. В начальный период, как правило, производят отработку переходной зоны (под-карьерного целика). Его выемка связана со значительными трудностями, заключающимся в применении различных технологических решений по изоляции подземного рудника от карьера: засыпка дна карьера пустыми породами (при отработке подземной части рудного тела системами с обрушением руды и вмещающих пород), сооружение искусственного монолитного подкарьерного целика мощностью несколько десятков метров по всей площади дна карьера, оставление рудного целика (что ведет к потерям балансовых запасов руды) и др.
Взаимовлияние ведения подземных и открытых горных работ может в значительной степени определять допустимые пределы обнажения горных пород [59] и порядок выемки полезного ископаемого. Распределение напряжений в окружающих выработку породах весьма неравномерно, и необоснованность принятого порядка ведения очистных работ, особенно в подземных условиях при выемке руды под карьером, приводит к попаданию части в зоны с ослабленной устойчивостью и дальнейшим вывалам и отслоениям по контуру выработок.
Наличие близких к отработанному карьеру свободных границ (добыча в подземных условиях) приводит к перераспределению зон повышенного горного давления, перемещающихся в направлении свободной границы (рис. 2.13) [67]. Она охватывает значительную область и распространяется ниже дна карьера на высоту уступа, где сжимающие напряжения больше, чем при естественном на-пряженном состоянии, максимально на 10 - 20 кг/см (исследования, приведенные в работе [67], выполнены для условий Тишинского рудника).
При учете влияния зоны тектонических нарушений на распределение напряжений в подкарьерном целике картина резко меняется. Горизонтальные эпюры горизонтальных и вертикальных напряжений на глубине около 10 м от почвы четвертого уступа характеризуются наличием четырех зон растягивающих напряжений. Две из них прилегают непосредственно к тектоническому нарушению, а две расположены по обе стороны от него на флангах рудного столба, проникая на 20 - 25 м в глубь массива (рис. 2.14).
Экономико-математическое моделирование и оптимизация высоты первой ступени вскрытия
Зависимость вертикальных напряжений от глубины при восходящем и нисходящем порядках ведения горных работ. Такая картина (вертикальные напряжения при восходящем порядке ниже, чем при нисходящем) наблюдается до глубины 1000 - 1100 м. Выше данной отметки вертикальные напряжения при нисходящем порядке ниже, чем при восходящем. Анализируя абсолютные значения вертикальных сжимающих напряжений при восходящем порядке ведения работ, можно сделать вывод, что их максимальные значения, составляющие 92 МПа, заведомо ниже прочности горных пород на сжатие, и они не должны вызывать динамические формы проявления горного давления.
Немаловажным фактором в анализе НДС горного массива является анализ горизонтальных сжимающих напряжений при нисходящем и восходящем порядке отработки, и их сравнение между собой. Связано это с практически повсеместно присутствующими на рудных месторождениях горизонтальными сжимающими напряжениями, величины которых могут быть сопоставимы, а в ряде случаев превосходить значения вертикальных напряжений.
В результате анализа напряженного состояния горного массива установ лено, что нисходящий порядок ведения работ вызывает перераспределение го ризонтальных напряжений и их концентрацию в почве отрабатываемой камеры, днище и выработках днища, в висячем боку камеры на уровне откаточного го ризонта (рис. 3.11, а). Для заданных в расчете условий и принятой технологии ведения работ из этого можно сделать вывод, что траншейное днище будет на ходиться в зоне повышенных напряжений, которые могут привести к его час тичному или полному разрушению (в зависимости от глубины ведения работ и действующих напряжений). Абсолютные значения горизонтальных напряже ний, как и вертикальных, равномерно увеличиваются с ростом глубины ведения \ горных работ (рис. 3.12). Данная зависимость объясняется тем, что с увеличе Рис. 3.10. Расположение зон повышенных горизонтальных сжимающих напряжений при нисходящем (а) и восходящем (б) порядке ведения работ.
Полученные значения напряжений на глубинах свыше 1000 м не превосходят пределы прочности горного массива на сжатие. Следует учесть, что в нием глубины ведения работ увеличивается как естественное поле напряжений, так и размер подработанного пространства, в результате чего горизонтальные напряжения растут. На глубине 1500 м (при отработке последнего этажа) они составили 77,5 МПа. Учитывая высокую изрезанность днища блока нарезными выработками, наличие большого количества углов - концентраторов напряжений - можно прогнозировать увеличение фактических значений напряжений в узлах днища до значений, сопоставимых с пределом прочности горного массива, что может привести к его деформациям и частичному разрушению. рассматриваемом регионе Кольского полуострова Мурманской области отсутствуют тектонические напряжения. Как было отмечено выше, данные напряжения могут превосходить по значениям геостатические напряжения или находиться с ними примерно на одном уровне. В регионах, где присутствуют геодинамические напряжения, горизонтальные сжимающие напряжения могут возрасти в несколько раз (в зависимости от действующих тектонических напряжений) и превысить пределы прочности горного массива на сжатие. Это приведет к невозможности отработки глубоких горизонтов на данном месторождении без применения специальных мероприятий, разгружающих горный массив до уровня, при котором безопасно вести горные работы.
Учитывая повышенные вертикальные напряжения в этой же зоне можно с уверенностью говорить, что при нисходящем порядке ведения работ отработка глубоких горизонтов будет сопровождаться деформацией нарезных выработок днища блока, разрушением (частичным или полным) элементов днища блока (траншеи, воронок, дучек), шелушением, стрелянием и микроударами горных пород. Это говорит о том, что нисходящий порядок ведения работ не обеспечивает безопасных условий отработки глубоких горизонтов месторождения без применения специальных мероприятий. Данный вывод подтверждается практикой ведения работ на глубоких горизонтах рудников России и зарубежья.
При восходящем порядке зона повышенных горизонтальных сжимающих напряжений находится в лежачем боку рудного тела на уровне вентиляционного горизонта (рис. 3.10, б). В нее попадают все закладочно-вентиляционные выработки блока. Изменение горизонтальных напряжений с глубиной (рис. 3.12) подобно изменению вертикальных напряжений: сначала происходит их рост, а затем стабилизация и плавное снижение, и объясняется на основании логического анализа тех же факторов и условий отработки. Горные работы начинаются на большой глубине в зоне относительно высокого естественного поля напряжений. Увеличение размеров подработанной зоны стремительно увеличивает напряжения в краевых точках камеры.
