автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Разработка комбинированной геотехнологии выемки запасов в основании бортов карьеров

/' СА/- / // / и I /

/ ^ ч-^ / ' ■ ^

МАГНИТОГОРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Г.И. НОСОВА

На правах рукописи

ЗИНУРОВ АНВАР ВАКИЛЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА КОМБИНИРОВАННОЙ ГЕОТЕХНОЛОГИИ ВЫЕМКИ ЗАПАСОВ В ОСНОВАНИИ БОРТОВ КАРЬЕРОВ (на примере медноколчеданных месторождений Урала)

Специальности 05.15.03 - Подземная разработка месторождений

полезных ископаемых 05.15.02 - Открытая разработка месторождений полезных ископаемых

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научные руководители: доктор технических наук, профессор Калмыков В.Н. кандидат технических наук, доцент Рыльникова М.В.

Магнитогорск -1999

Стр. ... 3

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА,

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.................................................. 8

1.1. Анализ горно-геологических условий залегания запасов в бортах карьеров (на примере медноколчеданных месторождений Урала).......... 8

1.2. Влияние подработки борта на прочностные и деформационные

^ характеристики руд и пород прибортового массива.................................. 23

1.3. Анализ исследований геомеханического состояния подрабатываемых бортов карьеров и методов оценки их устойчивости................................. 27

1.4. Оценка экономической эффективности технологических решений

по освоению приконтурных запасов карьера.............................................. 35

1.5. Цель, задачи и методы исследований........................................................... 39

Глава 2. ИЗЫСКАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ОСВОЕНИЯ

ЗАПАСОВ В БОРТАХ КАРЬЕРА........................................................ 41

2.1. Анализ опыта отработки прибортовых запасов.......................................... 41

• 2.2. Формирование технологических схем освоения прибортовых

запасов.............................................................................................................. 55

2.3. Классификация технологических схем отработки прибортовых

запасов.............................................................................................................. 77

Выводы..................................................................................................................... 83

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ГЕОМЕХАНИЧЕСКОГО

СОСТОЯНИЯ ПОДРАБОТАННЫХ БОРТОВ КАРЬЕРА................. 85

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

3.1. Результаты инструментальных замеров параметров полей напряжений в

прикарьерных массивах исследуемых месторождений............................. 85

3.2. Методика оценки напряжённо-деформированного состояния прикарьерного массива.................................................................................. 91

3.3. Изучение закономерностей формирования поля напряжений

в прибортовом массиве.................................................................................. 95

3.4. Исследование влияния геометрических параметров карьера

на напряжённо-деформированное состояние массива.............................. 108

3.5. Интегральная оценка влияния природных и горнотехнических факторов на устойчивость прибортового массива..................................... 123

Выводы.................................................................................................................... 125

Глава 4. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЁТА ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕМЕНТОВ ГОРНОЙ КОНСТРУКЦИИ И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОПТЧЕСКИХ РЕИШНИЙ............... 127

4.1. Методика оценки устойчивости подрабатываемого борта карьера..........127

4.2. Методика расчёта параметров элементов систем разработки...................133

4.2.1. Общие положения обоснования параметров систем разработки. 133

4.2.2. Обоснование длины подработки и ширины опорных целиков..... 133

4.2.3. Расчёт параметров крепления массива тросовыми анкерами....... 139

4.2.4. Определение высоты пригрузки....................................................... 146

4.3. Методика оценки экономической эффективности технологии освоения запасов............................................................................................................. 148

4.4. Сопоставимая оценка эффективности технологических схем..................158

4.5. Рекомендации по технологии отработки прибортовых запасов Учалинского и Сибайского карьеров.......................................................... 157

Выводы.................................................................................................................... 164

Заключение............................................................................................................. 165

Список использованных источников................................................................... 168

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы.

Медноколчеданным месторождениям Урала принадлежит ведущее место в сырьевом балансе цветной металлургии России. Крутое и наклонное падение залежей на глубину 500м и более определяют применение открыто-подземного способа разработки.

При выемке запасов открытым способом за предельными контурами в основании карьера практически всегда остаются запасы полезных ископаемых. Значительная их часть для медноколчеданных месторождений Урала, 15-20% от общего количества балансовых запасов, залегает в основании бортов в виде так называемых рудных треугольников. Освоение этих запасов, особенно при разработке ценных руд, имеет существенное экономическое значение для горнодобывающих предприятий.

Анализ отечественного и зарубежного опыта разработки показал, что выемка прибортовых запасов осуществляется системами разработки с обрушением руды, реже с закладкой и открытым очистным пространством. При этом всегда отработка запасов в бортах, непосредственно прилегающих к контуру карьера сопряжена с повышенными потерями руды, низкой интенсивностью выемки и повышенными эксплуатационными расходами. Малая ширина берм при предельном положении контура карьера не позволяет обеспечить технологического сочетания элементов открытых и подземных горных работ на стадии очистной выемки запасов в основании бортов.. Отсутствие технологических решений, обеспечивающих эффективную выемку запасов в основании бортов, объясняется в первую очередь сложностью решения геомеханических задач.

Рудные треугольники расположены в призме упора бортов, преимущественно глубоких карьеров, где наиболее сильно проявляется действие гравитационных и тектонических сил. Поэтому выемка их сопряжена с нарушением

сложившегося равновесия в массиве борта близком к предельному состоянию, а конструктивные элементы систем разработки находятся в сложных условиях нагружения, зависящих от пространственных геометрических параметров борта и полного тензора первичного и вторичного сформированного карьерной выемкой полей напряжений. Разработка эффективной технологии выемки запасов руды в основании бортов карьера должна быть основана на рациональном сочетании элементов технологии и техники различных способов разработки, изыскании инженерных мероприятий по управлению напряжённо-деформированным состоянием подработанного борта карьера.

Создание и обоснование эффективных технологий в сложных геомеханических условиях с надёжными и относительно недорогими способами управления состоянием массива представляет актуальную задачу.

Цель работы. Разработка эффективной геотехнологии освоения запасов в основании бортов карьера и инженерных методов расчёта параметров её элементов.

Идея работы состоит в использовании рационального сочетания произ-

>

водственных процессов открытых, подземных и физико-химических работ при контролируемом состоянии подрабатываемого массива.

Задачи исследований:

- формирование и систематизация технологических схем для выбора эффективных технологий в конкретных горно-геологических условиях;

- оценка влияния естественного поля напряжений, прочностных и деформационных характеристик массива, геометрических параметров карьера, высоты подработки, радиуса кривизны откоса борта на напряжённо-деформированное состояние массива;

- разработка инженерных методов расчета параметров элементов систем разработки, обеспечивающих устойчивость подработанного борта;

- изыскание рациональных технологий отработки запасов в основании бортов Учалинского и Сибайского карьеров.

Методы исследований: Исследования проводились комплексным методом, включающим обобщение и анализ отечественного и зарубежного опыта, натурные замеры по определению напряжений и деформаций в прикарьерном массиве, математическое моделирование напряжённо-деформированного состояния массива в плоской и объёмной постановке задач, технико-экономические расчёты, математическую и статистическую обработку результатов на ЭВМ.

Научные положения, представленные к защите:

• Рациональное сочетание производственных процессов открытой, подземной и физико-химической геотехнологий в прикарьерной зоне обеспечивает повышение эффективности и улучшение показателей качества извлечения запасов в основании бортов карьера по сравнению с традиционными способами добычи.

• Предложенная классификация комбинированных технологических схем по способу управления состоянием массива обеспечивает возможность выбора рациональной технологии освоения запасов в различных горно-геологических условиях.

• Объёмное напряжённое состояние массива оказывает существенное влияние на устойчивость откоса борта, степень влияния определяется радиусом кривизны откоса, величиной и ориентацией тектонических сил относительно поверхности борта.

• Подземная добыча рудных залежей в основании борта ограниченными по размерам выемочными участками приводит к формированию локальных зон обрушения при сохранении общей устойчивости подрабатываемого массива, формы и размеры зон обрушения определяются длиной и высотой подработки, углом откоса борта, параметрами первичного силового поля.

Научная новизна работы:

• сформированы технологические схемы выемки запасов в основании откосов бортов на основе комбинации производственных процессов открытой, подземной и физико-химической геотехнологий и осуществлена их систематизация по способу управления состоянием массива в различных горногеологических условиях;

• установлены эмпирические зависимости коэффициентов влияния на напряжённое состояние подработанного массива тектонического поля напряжений, радиуса кривизны борта в основании карьера и угла откоса, высот борта и подработки;

• предложена инженерная методика расчета параметров элементов систем комбинированной геотехнологии в основании откоса: длины и высоты подработки борта, ширины опорных целиков, высоты пригрузки, элементов анкерного крепления откоса тросами;

• разработана методика оценки устойчивости подработанного откоса с учетом объемного фактора, обусловленного радиусом кривизны борта и действием тектонических сил.

Достоверность научных положений, выводов и результатов обеспечивается надёжностью и представительностью исходных данных, сопоставимостью результатов математического моделирования, лабораторных и натурных исследований, удовлетворительной сходимостью результатов расчётов устойчивости различными методами.

Практическая значимость работы состоит в формировании технологических схем выемки запасов в основании бортов карьера, обеспечивающих высокую эффективность и качество выемки запасов, требуемую безопасность и экологичность горных работ, создании методики расчёта параметров конструктивных элементов систем разработки и устойчивости подработанного борта карьера.

Реализация работы: результаты работы использованы при составлении проекта отработки запасов в основании северного и юго-восточного борта Учалинского карьера и в предпроектных проработках технологии освоения законтурных запасов Сибайского карьера на основе физико-химической геотехнологии.

Апробация работы: Результаты работы опубликованы в печати, апробированы на международной научно-технической конференции: "Экологические проблемы промышленных зон Урала", Магнитогорск, 1997, международных научных симпозиумах "Неделя горняка", Москва 1997, 1998; на международной конференции "Горные науки на рубеже 21 века", Москва-Пермь, 1997, на международной конференции «Проблемы геотехнологии и недроведения», Екатеринбург, 1998; на ежегодных научно-технических конференциях МГТУ и технических совещаниях Учалинского ГОКа и БМСК (г. Сибай).

Публикации: По результатам выполненных исследований опубликовано 9 работ.

Объём и структура работы: Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка из 116 наименований и содержит 179 стр. машинописного текста, 50 рисунков, 11 таблиц.

Работа выполнена в Магнитогорском государственном техническом университете им. Г.И. Носова на кафедре «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых». Исследования, представленные в диссертации, выполнялись в рамках госбюджетной и хоздоговорных НИР.

Автор выражает глубокую благодарность преподавателям и сотрудникам кафедр подземной и открытой разработки месторождений полезных ископаемых, а также работникам Учалинского ГОКа и Башкирского МСКа за постоянное внимание, ценные советы и оказанную помощь при выполнении работы.

1.СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Анализ горно-геологических условий залегания запасов в бортах карьеров (на примере медноколчеданных месторождений Урала)

Анализ практики отработки полезных ископаемых открытым способом показывает, что за предельным контуром в бортах карьеров остаются значительные запасы ценных руд. Так, в Уральском регионе, на Учалинском месторождении общий объём прибортовых запасов составляет более 5 млн.т, Сибай-ском 12,5 млн.т, Молодёжном 4,5 млн.т, Гайском 18 млн.т медно-цинковых

РУД-

Вытянутые по периметру основания борта или маломощные выклинивающиеся участки залежи не попадают в контур карьера, ввиду нецелесообразности отработки их открытым способом из-за высокого значения коэффициента вскрыши. Несмотря на их условия залегания, высокая ценность минерального сырья предопределяет необходимость вовлечения этих запасов в разработку.

По форме месторождения разделяются на линзообразные, жилоообраз-ные и неправильной формы. Залежи осложнены «раздувами, пережимами», апофизами, множеством тектонических подвижек с разрывом и без разрыва сплошности рудных тел, «зеркалами скольжения» и другими характерными нарушениями, которые снижают устойчивость руд и пород [55].

Исследуемые в работе месторождения сложены массивными сульфидами и вкрапленными рудами. По минералогическому составу они представляют собой средне- и мелкозернистый агрегат зёрен пирита, халькопирита, сфалерита и в меньшем количестве - теннантита, ковелина, халькозина. Нерудные минералы представлены кварцем, хлоритом и серицитом. Вкрапленные руды имеют,

в основном, тот же минералогический состав, но от массивных отличаются сланцевой текстурой и более низким содержанием сульфидов.

Все медноколчеданные месторождения можно разделить на три класса: крутопадающие средней мощности, крутопадающие мощные, пологие мощные [8]. При разработке крутопадающих месторождений, как правило, в основании бортов остаются запасы руды, так называемые рудные треугольники.

Рассмотрим особенности геологического строения медноколчеданных месторождений Урала, разрабатываемых открытым способом и имеющих значительные прибортойые запасы (Учалинского, Сибайского, Молодёжного).

Учалинское медно-цинковое месторождение, разрабатываемое одноимённым карьером, представлено крупным линзообразным рудным телом, приуроченных к контакту альбитофиров и миндалекаменных диабазов, превращенных гидротермальными процессами в серицитовые, хлорито-серицитовые и хлорито-кварцево-серицитовые породы.

Скальные вмещающие породы месторождения характеризуются средней крепостью (11-14) и представлены риолитовыми порфиритами, рассечёнными дайками габбро-диоритов (рис. 1.1). Дайки габбро-диоритов мощностью 10-20 м простираются в северо-западном направлении с падением к северо-востоку под углом 60-80°, устойчивые, слабо трещиноватые, весьма упругие.

Верхняя часть месторождения практически к настоящему времени отработана карьером, проектная глубина которого составляет 324 м. Угол откоса бортов карьера - 33-37°, в основании 43°. Профиль борта выпуклый. Угол откоса уступов составляет 40-45° на верхних горизонтах, а на нижних увеличивается до 60-65°. Наибольший объём прибортовых запасов сосредоточен в северном, южном и юго-восточном бортах карьера. Одновременно с доработкой карьера осуществляется отработка законтурных запасов на северном фланге месторождения в борту на горизонтах 180-200м и в основании борта карьера (горизонты 340-380м). Выемка законтурных запасов в северном борту ведётся

камерами высотой 20м и размерами в плане 8 х 20-30 м. Очистные работы производятся по камерно-целиковой схеме при двухстадийном и трёхстадийном порядке отработке с последующим заполнением выработанного пространства твердеющей закладкой. Отработка запасов ведётся с оставлением несущего рудного прибортового целика шириной 15м. Проводимый институтом "Унипромедь" систематический контроль за устойчивостью северного борта карьера значимых деформаций не выявил [33],

О

120

240

360

400

Щрут J метасо-

* и

риолитовые порфириты

г г< габбро-

матиты порфириты диориты

Рис. 1.1 Геологический разрез -4 Учалинс