автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Обоснование параметров камерной системы при отработке руд в прикарьерной зоне

Министерство общего и специального образования Российской Федерации

Российский Университет дружбы народов

На правах рукописи

ПИОНЕРИЙН ЭРДЭНЭЦОГТ

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ КАМЕРНОЙ СИСТЕМЫ ПРИ ОТРАБОТКЕ РУД В ПРИКАРЬЕРНОЙ ЗОНЕ

05.15.02 Подземная разработка месторождений полезных ископаемых. 11.00.11 Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Боровков Ю.А.

Научный консультант: кандидат технических наук

Долгушин В. Д.

Москва -1999

СОДЕРЖАНИЕ

Введение............................................................................................................5

Глава 1. Анализ опыта отработки месторождений в карьерной зоне............9

1.1. Технология отработки месторождений в прибортовой зоне карьера.....9

1.2. Технология отработки месторождений в подкарьерной зоне...............21

1.3. Геомеханические особенности отработки прибортовых и подкарьерных запасов руд.............................................................................33

1.4. Основные горно-геологические и горно-технические особенности разработки медного месторождения «Эрдэнэт»...........................................37

1.4.1. Горно-геологические условия месторождения «Эрдэнэт».................37

1.4.2. Физико-механические свойства руд и пород и их структурная нарушенность..................................................................................................41

1.4.3. Технология и перспектива карьерной разработки месторождения «Эрдэнэт».......................................................................................................47

1.5. Задачи исследования...............................................................................56

Глава 2. Исследования напряженно-деформированного состояния массива горных пород при подземной разработке

подкарьерных запасов руд.............................................................................57

2.1. Анализ существующих методик определения параметров зоны влияния карьера на окружающий массив горных пород..............................57

2.2. Распределение напряжений в прибортовом массиве горных пород

при введении очистных работ в карьере.......................................................60

2.3. Распределение напряжений в прибортовой зоне карьера на основе учета его контура............................................................................................64

2.4. Определение мощности зоны влияния карьера на окружающий массив горных пород численным моделированием.....................................69

2.5. Выводы.....................................................................................................75

Глава 3. Исследования НДС массива горных пород в зоне влияния карьера в лабораторных и промышленных условиях...................................76

3.1. Цели и задачи исследований...................................................................76

3.2. Методика моделирования на эквивалентных материалах.....................77

3.2.1. Краткие теоретические основы моделирования на эквивалентных материалах............................................................................77

3.2.2. Выбор масштаба моделирования и подбор эквивалентных материалов......................................................................................................80

3.2.3. Изготовление модели............................................................................82

3.2.4. Метод регистрации деформаций на моделях......................................84

3.2.5. Порядок отработки модели..................................................................85

3.2.6. Результаты отработки модели..............................................................86

3.3. Проведение промышленных экспериментов по определению компонент главных напряжений в массиве горных пород...........................89

3.3.1. Методы определения напряжений в массиве горных пород..............89

3.3.2. Метод разгрузки в варианте торцевых измерений..............................90

3.3.3. Метод разгрузки с центральной скважиной........................................91

3.3.4. Принятая методика и аппаратура для определения напряжений

в массиве горных пород.................................................................................94

3.4. Реконструкция природного поля напряжений по данным

натурных измерений в борту карьера............................................................96

3.5. Выводы...................................................................................................103

Глава 4. Обоснование параметров камер и целиков по устойчивости

при добыче трещиноватых руд под дном карьера......................................105

4.1. Общие положения определения параметров камерных

систем разработки........................................................................................105

4.2. Методы определения камерных систем разработки с помощью функциональных характеристик..................................................................107

4.3. Оценка влияния неоднородности массива горных пород

на устойчивость обнажений.........................................................................118

4.4. Обоснование толщины разделительного целика под дном карьера... 121

4.5. Обоснование пролета обнажения кровли камер по устойчивости

в зоне влияния карьера и методика его определения.................................127

4.6. Предлагаемая система разработки и технико-экономическая оценка 133

4.7. Выводы...................................................................................................139

Заключения...................................................................................................141

Литература....................................................................................................144

ВВЕДЕНИЕ

Эксплуатация месторождений полезных ископаемых имеет первостепенное значение для развития хозяйства любой страны. Но использование запасов полезных ископаемых на многих рудных месторождениях остается неудовлетворительным. Неблагоприятная обстановка с полнотой и качеством извлечения запасов из недр сложилась на российских (Тырныаузском ВМК, Гайском), казахстанских рудниках (Тишинском ЛПК и Анненском ЖГМК), ведущих отработку месторождений комбинированным способом. Низкие показатели полноты и качества извлечения руды из недр на этих рудниках вызваны несоответствием параметров очистных камер геомеханическим условиям разработки этих месторождений (потери в отдельных блоках достигают до 40%, а разубоживание руды - до 25%).

Напряженно-деформированное состояние (НДС) массива горных пород вокруг карьера является важнейшим фактором, определяющим геомеханическую обстановку на месторождении. Оно в свою очередь определяет параметры очистных камер при выемке запасов руды в подкарьерной зоне при совместном способе ведения открытых и подземных горных работ. Анализ опыта отработки месторождений комбинированным способом показал, что на формирование НДС массивов горных пород существенное влияние оказывает начальное природное поле напряжений, наличие зон сжатия и разгрузки вокруг карьера и трещиноватость массива. Однако, в известных методах определения параметров камер по устойчивости только частично учитываются эти факторы, в основном, по отдельности, а не в комплексе, что приводит, как показал анализ практики отработки запасов руды под дном и в бортах карьера на Анненском и Тишинском месторождениях, к увеличению потерь и разубоживания отбитой руды. При разработке месторождения «Эрдэнэт» (Монголия) открытым способом возникла проблема доработки оставленных подкарьерных запасов руды подземным способом, что позволит эффективно и с большой полнотой извлечь

около 900 млн.т с содержанием меди до 0,65% при бортовом - 0,35%. Поэтому обоснование метода определения параметров камер и целиков по устойчивости при добыче трещиноватых руд в прикарьерной зоне является актуальным.

Цель работы заключается в повышении полноты извлечения запасов полезного ископаемого из недр при добыче подземным способом трещиноватых руд в прикарьерной зоне.

Идея работы заключается в научном обосновании метода определения параметров камерной системы, учитывающего изменения природного поля напряжений и зоны влияния карьера на окружающий его массив пород от совместного ведения открытых и подземных работ.

Научные положения, защищаемые автором:

- величина относительной мощности зоны влияния карьера на массив горных пород под дном карьера зависит от ширины дна и конечной глубины карьера, углов наклона бортов, коэффициентов бокового распора и трещинова-тости пород и изменяется по закону 1/2 степени от угла наклона бортов карьера;

- величина толщины разделительного целика (потолочины) между открытыми и подземными работами зависит от величины относительной мощности зоны влияния карьера, параметров и прочностных характеристик самой потолочины, ее трещиноватости, НДС массива горных пород и высоты слоя пригрузки породой на дно карьера, и при этом изменяется по закону 1/2 степени;

- эквивалентный пролет обнажения пород кровли камеры зависит от высоты слоя пригрузки породой, коэффициента структурного ослабления и угла погашения борта карьера и изменяется по гиперболическому закону 1/2 степени;

-пригрузка породой дна карьера позволяет снизить деформационные процессы, происходящие в прибортовом массиве горных пород, при этом с увеличением высоты пригрузки породой в 5 раз величина смещения прибортового

массива уменьшается в вертикальном направлении в 1,2 раза, а горизонтальном - в 1,1 раза.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются применением комплексного метода, включающего: анализ и обобщение достижений отечественной и зарубежной горной науки и практики; проведение натурных измерений методом разгрузки, численного моделирования, экспериментов на моделях из эквивалентного материала и определение физико-механических свойств горных пород в лабораторных условиях; аппарат теории упругости и предельного равновесия; статистическую обработку данных с применением ЭВМ.

Научная новизна работы:

- разработан метод расчета параметров камер и целиков по устойчивости в подкарьерном массиве с учетом природного поля напряжений;

- разработан метод определения размеров зоны влияния карьера на НДС массива горных пород, расположенного под его дном;

- получены аналитические зависимости толщины барьерного целика и пролета обнажения трещиноватой кровли камер от прочностных, деформационных характеристик слагающих ее пород, а также величины относительной мощности зоны влияния карьера.

Практическое значение работы заключается в разработке инженерного метода расчета параметров камер и целиков, учитывающего влияние контура карьера на НДС массива горных пород, расположенных под его дном.

Реализация результатов работы состоит во внедрении в проект рекомендаций по снижению потерь и разубоживания отбитой руды в процессе отработки камерных запасов на подкарьерных горизонтах месторождения Эрдэнэт, что позволит вовлечь в совместную разработку запасов за 7 лет около 10,5 млн.т руды со средним содержанием меди 0,35. Результаты исследований использу-

ются в учебном процессе при проведении занятий по курсу «Технологические процессы при подземной добыче руд» в РУДН и МГГА.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на совещаниях в лаборатории «Перспективных технологий» НУЦ «Недра» МГГА (1996-1998 г.г.), на научных конференциях профессорско-преподавательского состава МГГА в 1996-1998 г.г.

Публикации. По содержанию диссертационной работы опубликованы 4 печатные работы.

Объем работы. Диссертационная работа изложена на 152 страницах машинописного текста, содержит 25 рисунков и 15 таблиц, состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 93 наименования.

Глава I. Анализ отечественного и зарубежного опыта отработки запасов руд в прикарьерной зоне с учетом геомеханических особенностей их выемки

1.1. Технология выемки прибортовых запасов руд

Подземная технология выемки прибортовых запасов руды характеризуется применением двух основных вариантов:

1. Подземной добычей полезного ископаемого непосредственно с уступов карьера с одновременным использованием карьерного и шахтного оборудования. Это возможно при залегании прибортовых запасов со стороны нерабочего борта карьера.

В этом случае часть нерабочих уступов по полезному ископаемому отрабатывают открытым способом, а затем - подземным с доставкой отбиваемой горной массы на борта карьера. В выработанном пространстве формируют искусственный массив, чаще всего из твердеющей закладки.

2. Оставлением части запасов, залегающих непосредственно в борту в виде прибортового целика. Это возможно при наличии значительной протяженности рудного тела в прибортовой зоне. В этом случае капитальные подземные выработки обычно проходят из карьера.

В случае очень протяженной рудной залежи в прибортовой зоне возможна доработка этих запасов в две очереди. На первой стадии дорабатывают удаленную от борта часть рудного тела без подработки самого борта. Во вторую - оставшуюся часть, примыкающую к борту, после погашения борта карьера и демонтажа карьерных коммуникаций в зоне сдвижения [88].

1.1.1. Опыт отработки прибортовых запасов руд на отечественных рудниках

Гайский рудник. Месторождение медных руд расположено на Южном Урале. Оно характеризуется мощным слоем покрывающих пород толщиной до

100 м. многочисленными крутыми рудными телами, прослеживаемыми до глубины 600 м. Руда имеет неравномерное распределение металла и склонна к эндогенным пожарам.

Верхнюю часть месторождения отрабатывают открытым способом с использованием экскаваторной погрузки в автомобильный транспорт с глубины карьера 340 м. Вскрышу вывозят во внешние отвалы.

По геологическим данным и проектной проработки контуров карьера было выяснено, что значительная часть богатых руд залегает за контуром карьера. Поэтому для снижения срока отработки карьерного поля на 11-12 лет руководство рудника решило начать подземную доработку запасов руды богатейших линз на глубине 170-260 м.

Подземный законтурный участок вскрыт четырьмя вертикальными стволами и наклонным стволом, пройденный с борта действующего карьера. Подземную выемку ведут системой с открытым очистным пространством и с последующей твердеющей закладкой в три очереди.

Для разработки месторождения использовали открыто-подземный способ с последовательным ведением подземной, а затем открытой разработки. В период, когда на открытых работах вскрывали рудные тела, на подземном участке вынимали камерные запасы, после чего их консервировали почти на 20 лет до отработки руды открытым способом в контуре карьера, а затем работы возобновляли для выемки запасов руды в бортах и под дном карьера (рис. 1.1).

Совместные горные работы на подземном руднике и карьере №1 ведут уже более 20 лет. К настоящему времени открыто-подземным способом отработали запасы руды до глубины до 400 м от поверхности.

Подземную очистную выемку ведут двумя вариантами этажно-камерной системы разработки с отбойкой руды глубокими скважинами с последующим заполнением выработанного пространства твердеющей закладочной смесью. Первый вариант - с использованием переносного оборудования, второй -

Рис. 1.1. Выемка приконтурных запасов медной руды на Гайском руднике, (а - начальная и б - конечная стадии выемки): 1 - разделительный рудный целик; 2 - дно карьера; 3 - проектный конечный контур карьера при совместной разработке месторождения.

- с самоходным оборудованием. Удельный вес второго варианта постоянно возрастает. Длина камер составляет 30-50 м, ширина -15-20 м, высота - 60-70 м.

На участках рудных тел со слабыми вмещающими породами и пологим углом падения намечено применять систему разработки горизонтальными слоями с закладкой выработанного пространства твердеющей смесью.

Применение варианта отработки месторождения с доработкой приборто-вых запасов подземными горными работами дало возможность обеспечить стабильность выполнения плановых показателей, увеличить интенсивность разработки в 1,5 раза, повысить технико-экономические показатели и увеличить проектную мощность рудника [79].

Рудники Курской магнитной аномалии (КМА). В настоящее время карьеры бассейна КМА продолжают добычу бедных железистых кварцитов на нижних горизонтах месторождений. Геологической службой установлено, что за конечными контурами карьеров КМА (Лебединского, Михайловского, Стойлен-ского) залегают около 100 млн.т богатой железной руды, которые предложено извлекать подземным способом из зоны карьера. Подземную очистную выемку руды предлагается вести по двум разработанным проектам [66,84]:

-доработку прибортовых руд осуществлять непосредственно с уступов нерабочего борта карьера и вынимать их частично открытым и подземным способом;

-законтурные запасы руды дорабатывать только подземным способом с проходкой вскрывающих выработок с нерабочего борта карьера.

К прибортовым запасам относят руды, залегающие под бортами карьера до отметки его дна и простирающиеся до границы зоны сдвижения.

Прибортовые запасы руд уходят вглубь бортов карьера под углом 0-10°. Богатые руды уже вскрыты Лебединским карьером и выходят в зону карьера в виде 1-3 уступов высотой по 8-12 м. Мощность рудного тела, выходящего в карьер, колеблется от 3 до 38 м. Выемку руды предлагается начинать непосред-

ственно с уступов нерабочего борта карьера, часть прибортовых запасов может быть отработана шахтным и карьерным оборудованием. Уступы формир�