Введение к работе
Интенсивное развитие открытых горных работ в последние десятилетия вызвало достижение рядом крупных карьеров предельной по экономическим и технологическим условиям глубины и необходимость доработки законтурных запасов подземным способом. Для обеспечения полноты извлечения ценных руд, сохранения подрабатываемой поверхности, устойчивости бортов карьера выемка этих запасов осуществляется преимущественно системами подземной разработки с закладкой выработанного пространства.
Открытыми горными работами перемещаются из недр на поверхность миллиарды кубометров пустых пород. Отвалы целесообразно утилизировать, но в условиях разработки мощных крутопадающих месторождений ценных руд породная закладка не отвечает технологическим требованиям. Применение твердеющей закладки сдерживается высокой стоимостью вяжущих и инертных материалов.
Совершенствование способа управления состоянием подрабатываемого прикарьерного массива, направленное на обеспечение его устойчивости при снижении затрат на закладочные работы за счет рациональной комбинации сухой породной и литой твердеющей закладки, представляет весьма актуальную задачу.
Целью работы является: повышение эффективности, обеспечение полноты и комплексности освоения прикарьерных запасов за счет совершенствования способа управления состоянием горного массива.
Идея работы: управление состоянием прикарьерного массива при подземной разработке запасов осуществляется за счет замены рудного массива композитным искусственным, формируемым путем подачи в выработанное пространство двухкомпонентной по крупности сухой породной смеси с образованием на периферийных участках зон повышенной пустотности, заполняемых твердеющей смесью.
Основные задачи исследований:
исследование факторов, влияющих на процесс управления состоянием подрабатываемого прикарьерного массива, и выявление закономерностей изменения напряженно-деформированного состояния массива под воздействием горных работ;
оценка природного поля напряжений, прочностных и структурных особенностей прикарьерного массива Учалинского медноколчеданного месторождения;
обоснование состава, прочностных и деформационных характеристик композитного закладочного массива;
изыскание рациональных технологических схем возведения композитных искусственных массивов в прикарьерной зоне;
конструирование технологических схем освоения прикарьерньгх запасов с высокой полнотой их извлечения.
Объект и методика исследований:
Объект исследований - прикарьерный массив Учалинского месторождения медных и медно - цинковых руд.
В работе использовался комплексный метод исследований, включающий анализ и обобщение отечественного и зарубежного опыта управления состоянием массива при комбинированной разработке месторождений, натурные замеры напряжений и деформаций в прикарьерном массиве, съемки контуров выработанных пространств, математическое моделирование напряженно - деформированного состояния горного и искусственного массивов в плоской и объемной задачах; физическое моделирование формирования композитных искусственных массивов; аналитические расчеты и технико - экономический анализ результатов с учетом полноты и качества извлечения руд из недр.
Научные положения, представленные к защите:
Технологические решения по управлению состоянием подрабатываемого прикарьерного массива следует дифференцировать по зонам влияния карьера, форма и размеры которых определяются отклонением интегральных показателей напряженности от их значений в нетронутом массиве.
Сформированный из прочных жестких пород отвалов и низкомодульной твердеющей смеси композитный искусственный массив за счет минимальной пустотности в центре массива обладает низким коэффициентом компрессии, что обеспечивает устойчивость подрабатываемого прикарьерного массива.
Устойчивость вертикальных обнажений искусственного массива обеспечивается упрочнением твердеющей смесью периферийных зон породной закладки, формируемых за счет эффекта сегрегации.
Высокими деформационными характеристиками композитного закладочного массива достигается снижение поперечных деформаций и напряжений на контуре обнажений.
Научная новизна работы:
Установлены корреляционные зависимости распределения напряжений в прикарьерном массиве от глубины и угла наклона бортов карьера, величины тектонических сил.
Предложены математические зависимости для определения формы и размеров зоны влияния карьерного пространства на напряженно -деформированное состояние окружающего массива.
Разработаны технологические схемы выемки прикарьерных запасов с возведением композитных закладочных массивов, обеспечивающие полноту извлечения запасов, устойчивость борта и утилизацию отходов горного производства.
Обоснованы рациональные схемы размещения скальных пород отвалов в подземном выработанном пространстве, обеспечивающие за счет использования эффекта сегрегации формирование закладочного массива комбинированного по способу возведения, композитного по составу, разнопроч-ного и разномодульного по механическим характеристикам.
Установлены эмпирические зависимости: размеров области повышенной пустотности породной насыпи от параметров выработанных пространств, соотношения фракций и месторасположения точек сброса породы; требуемой прочности твердеющей закладки от параметров камер и зон упрочнения.
Достоверность научных положений, выводов и результатов обеспечивается представительностью и надежностью исходных данных, полученных на основе многолетних наблюдений; сопоставимостью результатов математического моделирования, аналитических расчетов, лабораторных и натурных исследований.
Практическая значимость работы состоит в разработке технологических схем, обеспечивающих полноту и безопасность извлечения запасов ценных руд, эффективность и экологичность горных работ. Технология возведения композитного искусственного массива позволит снизить себестоимость руды и повысить ее конкурентоспособность на рынке.
Реализация рекомендаций: результаты исследований использованы при составлении рабочих проектов отработки запасов в основании южного и северного флангов Учалинского месторождения гор. 340 - 380 м, а также в проектах отработки запасов в северном борту Учалинского карьера гор. 220 -300м.
Апробация работы: Результаты, основные положения и выводы доложены на межгосударственной научно-технической конференции "Проблемы развития металлургии Урала на рубеже XXI века", Магнитогорск, 1996; на зональной научно-технической конференции "Совершенствование методов поиска и разведки, технологии добычи и переработки руд", Красноярск, 1996; на международных научных симпозиумах "Неделя горняка", Москва - 1997, 1998; на международной научно - технической конференции "Экологические проблемы промышленных зон Урала", Магнитогорск, 1997; на международной конференции "Горные науки на рубеже XXI века", Москва - Пермь, 1997; на ежегодных научно-технических конференциях МГМА и технических совещаниях Учалинского ГОКа.
Публикации: Основные положения диссертации опубликованы в 8 работах.
Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка из 106 наименований и содержит 153 стр. машинописного текста, 56 рисунков, 26 таблиц.
Работа выполнена в Магнитогорской государственной горно - металлургической академии им. Г.И. Носова на кафедре "Подземная разработка месторождений полезных ископаемых". Исследования, представленные в диссертации, выполнялись в рамках госбюджетной и хоздоговорных НИР.
Автор выражает искреннюю признательность работникам Учалинского ГОКа за оказанную помощь в проведении экспериментов.
