автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Обоснование параметров системы с обрушением при отработке рудных залежей под водными объектами

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1 Горно-геологические и геомеханические особенности подземной разработки рудных месторождений.

1.2. Обзор литературных источников по отработке рудных месторождений под водными объектам.

1.3. Анализ существующих представлений о параметрах безопасного ведения горных работ под водными объектами.

1.4. Взаимосвязь систем разработки рудных залежей с развитием процессов сдвижения горных пород.

1.5. Цель, задачи и методы исследований.

Глава 2. АНАЛИЗ УСЛОВИЙ И ОПЫТА РАЗРАБОТКИ УРУПСКОГО

МЕДНОКОЛЧЕ ДАННОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ.

2.1. Общая характеристика района расположения и схема эксплуатации Урупского месторождения.3

2.2. Горно-геологические параметры Урупского рудного поля.

2.3. Опыт применения различных систем разработки на Урупском руднике.

2.4. Выводы по главе.

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ФАКТОРОВ БЕЗОПАСНОЙ

ОТРАБОТКИ ПОД РЕКОЙ УРУП Х-ХП ГОРИЗОНТОВ УРУПСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ.

3.1. Систематизация элементов залегания и геоструктурных свойств горных пород в пределах Х-ХП горизонтов под рекой Уруп.

3.2. Анализ прочностных свойств горных пород и природного поля напряжений в пределах предохранительного целика реки Уруп.

3.3. Изучение влияния основных геомеханических факторов на обоснование разработки X-XII горизонтов системой с обрушением.

3.4. Установление значений безопасной выемочной мощности для Х-ХИ горизонтов предохранительного целика реки Уруп.

3.5.Выводы по главе.>

Глава 4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ

ПОСЛЕДСТВИЙ ОТРАБОТКИ СРЕДНИХ ГОРИЗОНТОВ УРУПСКОГО РУДНОГО ТЕЛА СИСТЕМОЙ С ОБРУШЕНИЕМ.

4.1. Формулировка обобщенных условий и основной задачи моделирования отработки средних горизонтов Урупского месторождения системой с обрушением.

4.2. Моделирование перераспределения напряжений при отработке X-XII горизонтов без подпора и с подпором свода естественного равновесия обрушенными породами.

4.3. Результаты моделирования смещений горных пород при отработке XXI горизонтов системой с обрушением.

4.4. Критериальные отличия и результаты моделирования отработки XII горизонта системой с обрушением.

4.5. Выводы по главе.

Глава 5. РАЗРАБОТКА НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИХ АСПЕКТОВ

ЭФФЕКТИВНОГО ПРИМЕНЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ.

5.1. Методические положения по геомеханическому обеспечению отработки рудных залежей под водными объектами.

5.2. Рекомендуемые горнотехнические параметры отработки средних горизонтов Урупского месторождения системой с обрушением.1Г

5.3. Экономическая эффективность результатов исследований.,.

5.4. Выводы по главе.

Актуальность темы исследований. Одним из основных направлений развития современного общества является широкое использование различных видов минерального сырья, и в том числе руд цветных металлов, добываемых при эксплуатации месторождений полезных ископаемых. Чтобы успешно функционировать в условиях рыночной экономики горнодобывающие предприятия должны постоянно совершенствовать технологию горных работ и с максимальной полнотой осваивать имеющиеся в их распоряжении сырьевые ресурсы. Проблема более рационального освоения разведанных запасов полезных ископаемых наиболее остро проявляется при подземной разработке рудных залежей и, особенно, при их расположении под водными объектами. В связи с увеличением глубины горных работ и ухудшением горно-геологической обстановки возрастает проявление горного давления, осложняются условия отработки месторождений, существенно повышаются трудовые и материальные затраты. Опыт отработки наклонных рудных залежей, в том числе и под водными объектами, показывает, что при этом на одно из первых мест по значимости выходят научно-технические вопросы выемки запасов, заключенных, (зачастую оставляемых, теряемых) в предохранительных целиках.

Возможные пути решения указанных вопросов - разработка и применение безопасных и высокопроизводительных вариантов системы разработки с обрушением, приобретающей в последние годы все большее распространение в практической деятельности подземных рудников.

Характерным представителем наклонных рудных месторождений, разрабатываемых под водными объектами на глубинах порядка 300-500 м и более, является Урупское медно-колчеданное месторождение, в качестве одной из первоочередных задач, направленных на повышение эффективности горных работ, признана задача по изучению геомеханических процессов при применении системы с обрушением, в том числе и в пределах предохранительного целика реки Уруп. Таким образом, современное состояние подземной разработки наклонных рудных тел, залегающих под водными объектами, обуславливает необходимость и актуальность выполнения научных исследований по геомеханическому обоснованию и совершенствованию горнотехнических параметров безопасной и эффективной технологии добычных работ, основанной на использовании способов управления горным давлением в зоне обрушенной толщи горных пород.

Цель исследований. Разработка метода определения параметров системы с обрушением при выемке запасов рудных залежей под водными объектами, обеспечивающего полноту извлечения полезного ископаемого из недр и предотвращающего опасные сдвижения массива горных пород.

Основная идея работы. Обоснование безопасных и эффективных параметров системы разработки с обрушением на основе учета изменения напряженно-деформированного состояния подрабатываемого массива горных пород, расположенных под водным объектом.

Методы исследований. Использован комплексный метод, включающий научное обобщение литературных источников, проработку патентной информации, систематизацию и анализ геологоразведочных и горноэксплуатационных данных, математическое моделирование с применением ЭВМ, эксперименты в производственных условиях, аналитические и технико-экономические расчеты.

Научные положения, защищаемые автором, и их новизна:

1. Величина концентрации напряжений на междублоковые целики уменьшается на 30 - 35% при подпоре свода естественного равновесия обрушенными породами.

2. При отработке рудных залежей системой с обрушением на глубинах более 300 м устойчивость массива рассланцовых метаморфических горных пород сохраняется при высоте зоны развития водопроводящих трещин над выработанным пространством, превышающей 100 м и зависящей от глубины ведения горных работ.

3. Для обеспечения устойчивости массива горных пород при отработке запасов руды под водными объектами необходимо одновременное соблюдение трех критериев по концентрации напряжений на блоковых целиках, смещению горных пород в массиве и на земной поверхности и высоте зоны водопроводя-щих трещин над выработанным пространством.

4. Параметры системы с обрушением по фактору устойчивости вмещающих пород устанавливаются на основе обеспечения параллельной (одновременной) добычей руды из очистного блока и его рудных целиков, а также подпора свода естественного равновесия обрушенными породами.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций; подтверждается представительным объемом проанализированных материалов, использованием общепризнанных в горной науке моделей горного массива проверенных методик графоаналитических построений и расчетов, положительными итогами опытно-промышленной апробации результатов выполненных исследований.

Научное значение работы: состоит в выявлении закономерностей распределения напряжений и деформаций в массиве горных пород при отработке рудных залежей под водными объектами системой с обрушением, установлении величины переконцентрации горного давления путем своевременного подпора свода естественного равновесия обрушенными породами, разработке алгоритмов и методических положений по определению смещений горных пород и геометрических размеров водопроводящих зон над выработанным пространством после его заполнения обрушенной массой, обосновании параметров системы подэтажного обрушения при выемке рудных запасов в пределах средних горизонтов предохранительных целиков.

Практическая ценность работы заключается в создании программно-методического обеспечения оперативного решения вопросов геомеханического обоснования при проектировании и внедрении результатов исследований в технологию подземной добычи руды системой с обрушением на средних горизонтах рудных залежей под водными объектами, в разработке для конкретных горно-геологических условий выемки рудных запасов варианта ведения добычных работ с подэтажным извлечением руд и одновременным обрушением пород в отрабатываемых блоках.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Результаты исследований использованы при подготовке отчетных материалов по хоздоговорным темам ЗАО "Урупский ГОК" и Московской государственной геологоразведочной академии (р. нов. отчетов 1997 и 1998 г.г.) и при опытной отработке двух выемочных блоков XI горизонта Урупского рудника, что позволило существенно снизить потери и разубоживание рудной массы, повысить безопасность труда и улучшить технико-экономические показатели добычных работ. Ожидаемый экономический эффект от внедрения рекомендуемой технологии в условиях Урупского рудника составит 11,5 млн. рублей в год (в ценах 1999 г.).

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры геодезии и маркшейдерии МГГА (1998 - 1999 г.г.) на научно-технической конференции ФТРиР МГГА "Наука и новейшие технологии при освоении месторождений полезных ископаемых на рубеже XX - XXI веков (1998 г.)", на международной научной конференции МГГА "Новые идеи в науках о земле" (1999 г.), на технических совещаниях и заседаниях техсовета ЗАО "Урупский ГОК" (1997 - 1998г.г.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 3 печатные работы.

Объем диссертации. Диссертация состоит из ведения 5 глав заключения и - 2 приложений, изложенных на 164 страницах машинописного текста, содержит 23 рисунка, 5 таблиц и список использованной литературы из 135 наименований.

5. 4. Выводы по главе 5

1. Для условий подземной отработки рудных залежей под водными объектами определены и сформулированы основные методические положения по геомеханическому обеспечению безопасного производства горных работ.

2. Для условий Урупского меднорудного месторождения разработан рациональный вариант отработки средних горизонтов рудного тела, включающий систему подэтажного обрушения с параллельной выемкой междублоковых целиков.

3. Ожидаемый экономический эффект от внедрения результатов выполненных исследований для Урупского рудника составит примерно 11,5 млн рублей в год (в ценах 1999 г).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научной квалификационной работой, в которой на основании выполненных исследований дано новое решение актуальной для горнорудной промышленности научно-технической задачи геомеханического обоснования и совершенствования горнотехнических параметров безопасной очистной выемки полезных ископаемых системой с обрушением на средних горизонтах наклонных рудных залежей в пределах их предохранительных целиков под водными объектами. Исследования выполнены применительно к условиям подземной разработки Урупского медно-колчеданного месторождения. Их основные научные и практические результаты заключаются в следующем.

1. Для средних горизонтов (X - XII) рудной залежи под руслом реки Уруп произведены анализ геологических, гидрогеологических и геотектонических особенностей породны массивов и применяемых, технологических схем очистной выемки рудных запасов, определены деформационно-прочностные свойства вмещающих пород и руды, установлены характеристики структурной нару-шенности горных пород, оценены способность основных литотипов пород к хрупкому разрушению, их устойчивость в выработанном пространстве и склонность к самообрушению.

2. Напряженное состояние массивов горных пород в пределах Урупского рудного поля охарактеризовано как геодинамическое с преобладанием тектонической горизонтальной составляющей напряжений над вертикальной в 1,8 раза (XII горизонт); изучена возможность и обосновано отсутствие негативного воздействия существующего сложноструктурного техногенного геопространства и имеющихся тектонических нарушений на стабильность геомеханической обстановки в районе средних горизонтов предохранительного целика реки Уруп; с учетом установленной целесообразности и перспективности управления горным давлением самообрушенными породами при очистной выемке указанных горизонтов для них определены соответствующие участки возможной отработки запасов системой с обрушением при различной степени подра-ботанности земной поверхности.

3. На основе применения механико-математических методов оценки напряженно-деформированного состояния массивов горных пород по специально разработанным программам расчета на ЭВМ выполнено моделирование различных вариантов образования выработанного пространства и возникновения соответствующих геомеханических последствий для условий отработки X - XII горизонтов предохранительного целика реки Уруп системой с обрушением, в результате чего: а) определены количественные показатели переконцентрации горного давления в выемочных блоках при условии их отработки с обрушением налегающей толщи, позволившие обосновать возможность предупреждения проявлений горных ударов за счет своевременного обеспечения подпора свода естественного равновесия обрушенными породами; б) установлены характер распределения и величины возможных смещений земной поверхности й приповерхностных слоев горных пород, а также их соответствие условиям допустимости и отсутствия разрывов сплошности; в) обосновано существенное отстояние (удаление в пределах 90 - 110м) верхней границы водопроводящих трещин от дна реки Уруп, гарантирующее непроникновение наземных вод в горные выработки и обуславливающее возможность применения системы с обрушением.

4. Составлены методические положения по геомеханическому обеспечению подземной отработки рудных залежей под водными объектами, основанные на проверке соблюдения сформулированных критериев непроявления горных ударов, соответствия смещений земной поверхности регламентируемым значениям и соотносительности высоты зоны водопроводящих трещин с глубиной залегания осваиваемых запасов полезного ископаемого.

5. По совокупности выполненных исследований разработан рациональный вариант отработки средних горизонтов предохранительного целика под

134 руслом реки Уруп, включающий систему подэтажного обрушения с параллельной (одновременной) выемкой основных запасов очистного блока рудных целиков (междублоковых и междупанельных) при обеспечении подпора свода естественного равновесия обрушенными породами.

Рекомендуемый вариант системы с обрушением позволяет снизить потери и разубоживание рудной массы, повысить уровень безопасности труда и улучшить технико-экономические показатели добычных работ. Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения на Урупском руднике результатов выполненных исследований составляет в ценах 1999 г. примерно 11,5 млн. рублей.

Полученные разработки могут быть использованы и на других аналогичных предприятиях (в том числе и в республике Ангола - родине автора) при обосновании технических решений безопасной и эффективной выемки запасов полезного ископаемого из предохранительных целиков под сохраняемыми наземными объектами различного предназначения.

1. Агошков М. И. Актуальные проблемы освоения месторождений и использование минерального сырья М: Изд-во МГГУ, 1993-279 с.

2. Агошков М. И., Борисов С.С. и Баярский В.А. Разработка рудных и нерудных месторождений, М.: Недра, 1983,424 с.

3. Акимов А. Г., Кузнецова Е. И. Причины и последствия внезапного обрушения горных пород на втором Соликамском калийном руднике // Горный журнал 1997-№8, с.13-15.

4. Алборов 3. Б. Разработка зарубежных месторождений, расположенных под водоемами и реками М.: ЦШ®информации и технико-экономических исследований цветной металлургии, 1965-22 с.

5. Алексеев Ф. К., Астафьев Ю. П., Блюнюков В. Г. и дрг., Разработка рудных месторождений "подземные горные работы" Киев "Изд-во техника", 1980 81 с.

6. Антоненко А. К., Прошин Ю. М., Малютин Р. С. Состояние и перспективы развития сырьевой базы цветной металлургии России И Горный журнал. -1994.-№8, с. 18-21.

7. Уоллес., М. Дж. Фултон М.: Мир, 1983.- 276 с.28.- Вербицкий В, Методы определения гидравлической связи подземных вод ((

8. Изучение и прогноз сдвижений и деформаций массивов горных пород, гидромеханических процессов при разработке месторождений подземным и открытым способами. Сборник научных трудов СПб: ВНИМИ, 1991.- 280 с.

9. Именитов В. Р. Процессы подземных горных работ при разработке рудных месторождений. Учебное пособие для ВУЗов, 3-е изд., перераб. И доп. М.: Недра, 1984.-504 с.

10. Именитов В. Р. Управление горным давлением при подземной разработке -М.: МГИ, 1997,- 32 с.

11. В. И. Именитов Проектирование рудников. Учебное пособие. М.: МГТУ, 1981. с.

12. Именитов В. Р. Процессы подземных горных работ при разработке рудныхместорождений. М.: Недра, 1986.

13. Инструкция по безопасному ведению горных работ на рудных и нерудных месторождениях склонных к горным ударам. Л.: ВНИМИ, 1989.

14. Иванов В. И., Турчанинов И. А. Концентрация напряжений на забое скважины в условиях объемного сжатия. // Сб. Измерение напряжений в массиве горных пород. Новосибирск.: ИГД СО АН СССР, 1970.

15. ИмениТОВ В. Р. Технология и комплексная механизация подземнойразработки, месторождении полезных ископаемых. М : Недра, !9?3, 463с.

16. Истошин С. Ю. Морской горный промысел - М.: Наука, 1981 - 168 с.61.- Калиткин Н. Н. Численные методы. М.: Наука, 1978.

17. Каплунов Д. Р., Барон Л. й. и др. Научные основы технического перевооружения подземных рудников. М.: Наука, 1983.

18. Кацнелъсон Н. Н., Гвирцман Б. Я., Гусев В. В. Подработка затопленных выработок в Донецком бассейне // Труды / ВНИМИгеомеханики и маркшейдерского дела М., 1964.- Вып. 52.- с. 111-126.

19. Кириченко Г. С. Влияние закладки на несущую способность целиков М.: Наука, 1969.- с.

20. Кириченко Г. С., Звеков В. А., Айнбиндер И. И. Исследование систем разработки с закладкой на глубоких рудниках // сб. Выбор основных параметров подземной разработки рудных месторождений. Л.: ИПКОН АН СССР, 1986.

21. Ковалев И. А. и др. Технология и комплексная механизация разработки месторождений полезных ископаемых М.: Недра, 1989.- 208 с.

22. Кондратьев С. С. Создание технологии добычных работ при отработке наклонных рудных залежей с использованием способов управления горным давлением. Дис. Канд. Техн. Наук М., 1991.- 215 с.

23. Колченков С. П. и Митичкина Н. И.

24. Курманенко А. Д., Игнатова Л. А., Кереев X. К. Гидрогеологические особенности индерского поднятия / Реферативный сборник: промышленность горнохимического сырья М., НИИТЭХИМ, 1978.- с. 1-3.

25. Кратч Г. Сдвижение горных пород и защита подрабатываемых сооружений. -М.: Недра, 1978.

26. Лушникова О. Ю., Лагунов В. А., Шилин Г. Ф. Контроль им управление состоянием массива при защите горных выработок от водопритоков М.: Недра, 1995.- 236 е.: ил.

27. Обзорная информация ЦНИИцветмет экономики и информации. Опыт разработки месторождений на больших глубинах за рубежом. - М.: Вып. I, 1986.

28. Опыт отработки охранных целиков с гидрозакладкой выработанного пространствам.: ЦНИИцветмет экономики и информации, 1980.- 34 с.

29. Отчеты МГТА, 1980-1992 (Фонды УТОК).

30. Панасенко Г. Н. О мощности зоны трещиноватых пород под очистными выработками угольных шахт Донбасса // Третья геол. Конф. Латугинские чтения: Тез. Докл. (1969) Луганск: ПО "Луганск геология", 1969.- с. 84-86.

31. Поляк 3. И. Итоги исследования сдвижения горных пород в Подмосковномбассейне // Исследования по вопросам горного и маркшейдерского дела: Сборник ХХП/ВНИМИ.-Л., 1950.-е. 400-413.

32. Попов Г.Н. Технология и комплексная механизация разработки рудных месторождений, М.: Недра 1970. -456 с

33. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния горных разработок на угольных месторождениях М.: Недра, 1981.- 288 с.

34. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок угольных месторождений Л.: ВНИМИ, 1981.288 с.

35. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на рудных месторождениях с неизученным характером сдвижения горных пород Л/. ВНИМИ, 1965.- с.

36. Предохранительные целики. КАВКАЗГИПРОЦВЕТМЕТ.- Орджоникидзе, 1975.- 13 с.

37. Шадрин А. Г., Колдунов А. В., Маслов Ю. А. и др. Разработка рудной залежи в целике под рекой Ингулец системами с обрушением вмещающих пород // Горный журнал 1985.- № 6.- с. 21-23.

38. Штумпф Г. Г. Исследование проявлений горного давления и устойчивостиподготовительных выработок при бес целиковой отработке пологих и наклонных пластов // Вопросы горного давления Новосибирск, ИГД СО АН СССР, Ротапринт, 1977.- с. 64- 69.

39. Яковлев М. А., Жуков Н. А. Технологические решения при подземнойразработке рудных месторождений // Геомеханическое обоснование технологических решений при разработке руд подземным способом -Новосибирск: изд-во ГПНТБ СО АН СССР, 1984 г. с. 3-8.

40. Ялымов Н. Г. Погашение пустот при подземной разработке руд Фрунзе,изд-во "Илим", 1979 г. 128 с.

41. Ямщиков В. С., Павлов Л. Л., Вознесенский и др. // Измерение напряжений вмассиве горных пород. Новосибирск, 1976.

42. Шестаков В.А. Научные основы выбора и экономической оценки системразработки рудных месторождений. М.: Недра, 1976. 272 с.

43. Hedley D. G. F., Udd J. E The Canada Ontario - Industry Rockburst project