Введение к работе
В последние годы в рудной промышленности проблема повторной разработки становится одной из основных. Особенно актуальна она применительно к месторождениям, отрабатываемым камерно-столбовой системой, при которой потери полезного ископаемого достигают 20-30 иногда 40% (Жезказган).
Камерно-столбовая система разработки по своей основной идее предполагает сохранение от обрушений налегающей толщи. Эта предпосылка предопределила при решении проблемы повторной разработки первостепенное значение законов геомеханики. Поэтому в данной работе, помимо чисто технологических исследований, широкое распространение получили исследования по: устойчивости налегающей толщи, кровли камер, целиков; влиянию различного рода естественных и искусственных (наведенных) факторов на прочность подземных конструкций; установлению влияния на смежные горные массивы различных способов повторной отработки и т.п. Извлечение руды из недр, особенно при повторной разработке, сопровождается нарушением равновесия горного массива. Правильное понимание особенностей протекания процессов горного давления позволяет управлять этими процессами, направлять их в нужное для производства русло.
Объектами повторной разработки при камерно-столбовых системах являются, главным образом, рудные целики, которые при первичной разработке обеспечивали устойчивость вмещающих пород. Выполнение повторной разработки ведет к изменению способа управления горным давлением, когда обязательное местное поддержание толщи пород целиками заменяется поддержанием искусственными целиками, закладкой, упрочненными целиками или обрушением кровли.
В настоящее время на рудных месторождениях отмечается уменьшение содержания полезных компонентов в руде. В таких случаях повторная разработка ранее отработанных залежей с более высоким содержанием металла становится эффективным путем решения проблемы восполнения сырьевой базы.
Актуальность данной проблемы, в частности по Жезказгану, отмечалась в ряде решений горной группы Академии Наук под руководством академика Агошкова М.И. (протокол № 7 от 7.06.86г., г.Алма-Ата), НТС Госгортехнадзора и МЦМ КазССР (9.06.87г., г.Алма-Ата), НТС МЦМ СССР (16.11.85г., г.Москва), Коллегии Комгортехнадзора ^еспубликиЧ^захстан^4:05т^Г7Г7,отмзгАТ5)7
Целью работы является создание технологии подземной повторной разработки залежей, отработанных камерно-столбовой системой, обеспечивающих безопасную и высокую эффективность извлечения списанного в потери полезного ископаемого.
Идея работы заключается в использовании методов управления горным давлением для создания технологии повторной разработки, обеспечивающей приведение горного массива в новое равновесное состояние.
Методы исследований: изыскание новых способов повторной разработки, натурные эксперименты и наблюдения по определению деформационных и прочностных характеристик и действующих напряжений и смещений в массиве горных пород, численное и физическое моделирование геомеханических процессов при повторной разработке, аналитические расчеты устойчивости, промышленные эксперименты, технико-экономический анализ.
Научные положения, защищаемые автором".
- дано обоснование принципа выбора технологии повторной разработки,
заключающегося в изменении способа управления горным давлением,
выбираемым в зависимости от состояния земной поверхности, состояния
выработанного пространства, степени соприкосновения с соседними
залежами (или участками), наличия надработки и подработки
установлена эффективность подземной повторной разработки, определяемая содержанием металла, мощностью отрабатываемых залежей, глубиной их залегания, а также количеством овеществленного труда, перенесенного горнорабочим на тонну добычи;
- описан процесс деформации междукамерных целиков: при небольших
сроках стояния целики деформируются без заметного проявления
реологических процессов в результате постепенного накопления хрупких
повреждений массива. При длительном стоянии междукамерных целиков начинают проявляться реологические процессы, причем существенную роль в их развитии играет естественная трещиноватость. Установлена физико-математическая модель деформирования трещиноватых целиков, в основу которой положены законы, описываемые моделью Бюргсрса и дилатантной деформацией;
- установлена зависимость деформации подрабатываемых подземной
повторной разработкой бортов карьеров в условиях существования больших
горизонтальных напряжений от ориентировки главного действующего
напряжения в массиве. При подработке бортов, ориентированных вкрест
максимальных горизонтальных напряжений и находящихся под
воздействием минимальных горизонтальных напряжений, направленных
вдоль борта, потеря устойчивости обусловлена наличием в массиве двух
направлений сдвига борта, формируемых двумя призмами: сдвига и упора,
разделенных между собой поверхностью сдвига, положение и ориентировка
в пространстве которой задается местом расположения жесткого
(барьерного) целика прочностными свойствами массива и контакта с
закладкой. В бортах, ориентированных по направлению максимальных
горизонтальных напряжений, формирование призмы упора предотвращается
боковым зажимом борта окружными напряжениями, удерживающими
сдвигающуюся часть прибортового массива за счет сил трения по торцам
призмы сдвижения;
- установлено, что отработка камерных запасов и междукамерных целиков
ведет к перераспределению напряженного состояния непосредственной
кровли. В районе кровли между забоем и первым междукамерным целиком
в силу значительного различия их жесткости происходит резкий изгиб
кровли и соответственно возникает большая концентрация напряжений,
ведущая к образованию заколов и частых обрушений кровли в призабойном
пространстве, что предопределяет целесообразность использования в этих
условиях погрузочно-доставочных машин с дистанционным управлением;
установлено, что при извлечении барьерных целиков линия максимальных смещений в налегающей толще отклоняется от нормали к
кровле на угол, зависящий от горизонтальной компоненты природного поля напряжений и угла падения залежи;
- определены конкретные величины поля напряженийіз__масивег
разграничивающем nofl3eMHbie_Hj5IKpjdXHe-ropHbie~l>alOTbi; установлено, что
_на__хеверноіг фланге Жезказганского месторождения максимальные горизонтальные напряжения превышают гравитационное давление налегающей толщи более 7 раз;
- установлено, что в условиях неравномерного поля горизонтальных
напряжений эллипсоидные воронки обрушения приводят к высокой
концентрации напряжений вдоль длинной оси эллипса. Для уменьшения
этих напряжений рекомендуется проведение повторной разработки (или
погашение выработанного пространства) в направлении короткой оси
воронки обрушения до придания ей формы круга.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций достигнута надежностью и представительностью исходных данных, использованием геомеханических моделей поведения горных массивов адекватных реальным условиям натуры, применением для расчетов апробированных методик, хорошей сходимостью величин расчетных параметров с данными, полученными из расчетов промышленных и натурных экспериментов.
Научное значение работы заключается в установлении основных закономерностей проявления горного давления в условиях эксплуатации месторождений камерно-столбовой системой разработки и на этой основе создание способов повторной разработки, обеспечивающих высокую эффективность и безопасность горных работ.
Практическая ценность работы состоит в:
- создании новых способов повторной разработки, позволяющих за счет
использования установленных закономерностей проявления горного
давления обеспечить безопасность и эффективность подземной повторной
разработки, в результате чего существенно расширить сырьевую базу
Жезказганского комбината;
разработке способов направленного управления обрушением налегающей толщи, позволившем вести повторную разработку в сложных условиях перекрывающихся и смежных залежей;
- создании методики установления очередности погашения выработанных
пространств, учитывающей реологические особенности поведения
междукамерных целиков;
- обосновании возможности извлечения целиков под охраняемыми
объектами с сыпучей закладкой выработанного пространства.
Реализация работы. Разработанные технические решения и способы повторной отработки использованы п технологических регламентах и рабочих проектах на повторную разработку н зоне обрушения Восточного рудника, естественно-принудительное погашение ослабленных участков шахты "Покро", в районе панелей 62, 63 шахты 65 Южного рудника, в районе панели 4 шахты 55 Западного рудника при отработке разделительного целика между Златоуст-Беловским карьером и шахтой 57 Восточного рудника, при отработке барьерного целика, расположенного между панелями 4-5 шахты 57 Восточного рудника. В результате из потерь возвращено более 6,5 млн. т руды с ожидаемой прибылью не менее 650 млрд. руб. Полученный экономический эффект составляет 70,5 млрд. рублей.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы обсуждались на конференции "Охрана недр и окружающей среды на основе комплексного использования минерального сырья" (Усть-Каменогорск, 1989г.), на XI Всесоюзном семинаре по измерению напряжений в массиве горных пород (Новосибирск, 1990г.), на Всесоюзной конференции "Физические процессы горного производства" (Москва, 1991г., 1995г.), на симпозиуме " Геомаркшейдер-1" (Москва, 1991г.), на научных конференциях Московской Государственной геологоразведочной академии (Москва, 1993, 1995, 1996гг.).
Публикации. Основные положения опубликованы в 27 научных работах и 12 авторских свидетельствах на изобретения и патентах.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения, изложена на 341 странице машинописного текста, включает 54 таблицы, 100 рисунков, список использованной литературы из 152 наименований.
