автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Разработка технологии поддержания очистных выработок при сплошной слоевой выемке руды с закладкой

РГ6 од

МИНИСТЕРСТВО ПАУКИ, ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ И ТЕХНИЧЕСКОЙ

] 0;И —^ политики России

СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

БОГДАНОВ Михаил Наумович

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОДДЕРЖАНИЯ ОЧИСТНЫХ ВЫРАБОТОК ПРИ СПЛОШНОЙ СЛОЕВОЙ ВЫЕМКЕ РУДЫ С ЗАКЛАДКОЙ

Специальность; 05.15.02 — «Подземная разработка месторождений полезных

ископаемых»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ж

■/с

Ш./г. V ШМрт^/2.2.

/

илдиклвклз>г

1991 /' '

Л/, а ЛуТЗ, уа-

Работа выполнена в Северо-Кавказском горно-металлургическом институте (СКГМИ).

Научный руководитель; докт. техн. наук М. А. Дзауров

Официальные оппоненты: профессор, доктор технических наук

В. И. ГОЛИК кандидат технических наук И. И. АЙНБИНДЕР

Ведущая организация — институт «Гнпроникель» Защита состоится « _1993 г.

в «ас. на заседании специализированного совета в Северо-Кавказском горно-металлургическом институте по адресу: 362026, г. Владикавказ, ул. Николаева, 44.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СКГМИ

Автореферат разослан 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук / . В. В. СЕРГЕЕВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. При подземной разработке месторождений полезных ископаемых одним из основных вопросов является обеспечение устойчивости очистных выработок.

Особую важность он приобрел при эксплуатации рудников Норильского промышленного района, разрабатывающих высокоценные медно-никелевые руды на глубинах до 1300 м, где в качестве основного варианта используется сплошная выемка руды горизонтальными слоями с закладкой. Двадцатилетний опыт использования данной технологии показал, что наибольшая интенсивность отработки и лучшие технико-экономические показатели достигаются при восходящей слоевой выемке, область применения которой в настоящее время ограничена рудами средней и слабой нарушенности.

С увеличением глубины разработки отмечается общий рост нарушенное™ массивов, что обусловило переход на трудоемкие варианты сплошной выемки руды, в том числе слоями в нисходящем порядке.

Один из путей повышения эффективности отработки месторождений — это применение наиболее производительных технологий очистной выемки на сильнонарушенных участках массива, что может быть осуществлено после проведения специальных мероприятий по упрочнению массива горных пород.

В связи с этим, исследования, направленные на разработку технологических схем, обеспечивающих повышение устойчивости очистных выработок при сплошной выемке руды слоями в восходящем порядке, за счет применения методов искусственного упрочнения массива, являются актуальными и имеют большое практическое значение.

Решению основных задач этой проблемы и посвящена настоящая диссертационная работа, выполненная автором в соответствии с тематическими планами Института проблем комплексного освоения недр Российской Академии наук (ИПКОН РАН) и Северо-Кавказского горно-металлургического института (СКГМИ) на 1980—90 гг. по проблеме «Создание интенсивных

методов подземной разработки рудных месторождений на больших глубинах» (№ госуд. регистрации 01860080181).

Целью работы является повышение эффективности сплошной выемки руды в восходящем порядке за счет использования методов искусственного упрочнения массива сильнонарушенных руд, обеспечивающих устойчивость очистных выработок и безопасность ведения горных работ.

Идея работы.заключается'в использовании технологии предварительного упрочнения массива армополимерной анкерной крепью для повышения устойчивости массива сильнонарушенных .руд. .

'Методы исследований включают в себя анализ и обобщение опыта поддержания очистных выработок, теоретические' исследования методом конечных элементов, лабораторные исследования с использованием методов фотомеханики и микропетрографического анализа руд'И пород, натурные наблюдения за'деформациями массива в зоне ведения очистных работ, обработку ^результатов методами математической статистики, технико^эконо-мический анализ. , , .

"Основные положения, выносимые на защиту:

1. 'Наличие .в массиве сильнонарушенных руд и ксенолитов пород приводит к образованию в кровле выработок зон расслое-,ния, ¡где отмечаются разрушения и .вывалы значительного объема ,руды, что .требует проведения .специальных мероприятий .по упрочнению массива.

2. Исследования микротрещиноватости с учетом шшераль-.ного состава руд позволяют .производить оценку устойчивости очистных выработок по площадной густоте трещин. "Рудные массивы 'Норильского .района с площадной густотой трещин менее .5 мм/см2 .относятся к.категории устойчивых, 5—10 -мм/см2—средней устойчивости, более .1.0 мм/см2— неустойчивых.

3. Применение армополимерного крепления .снижает,концентрацию напряжений в кровле выработок на 30—35% и повышает устойчивость горных^конструкций.

4. Предварительное укрепление кровли очистных выработок гармополимерной анкерной крепью уменьшает зоны разуплотнения пород за счет увеличения сопротивления сдвиговым и ¡растягивающим напряжением л обеспечивает повышение устойниво-сти• очистных вь!работок.при выемке силышнарушенныхфуд слоями в восходящем порядке.

'Научная новизна работы заключается:

¡1. »В установлении закономерностей изменения ¡напряженно-то состояния массива (вокруг* очистных выработок ;с 'учетом .силь-

ной нарушенностл руд и наличия ксенолитов пород, что позволяет оценивать устойчивость закрепленной и незакрепленной выработки и выбирать на этой основе параметры упрочнения массива.

2. В разработке методики оценки устойчивости рудных массивов, учитывающей минеральный состав руд и площадную густоту трещин, что позволяет по степени микротрещиноватости классифицировать массивы по устойчивости и выбирать способ поддержания выработок, обеспечивающий безопасность ведения горных работ.

3. В разработке и обосновании новых способов поддержания очистных выработок за счет предварительного укрепления кровли армополимерной крепью, обеспечивающих устойчивость силь-нонарушенных руд при выемке руды слоями в восходящем порядке.

4. В выявлении влияния полимерных материалов, содержащихся в рудной массе, на извлечение металлов при флотации. Установлено, что содержание полимеров а рудной массе до 0,3% не оказывает влияния на показатели извлечения металлов.

Обоснованность и достоверность выводов и рекомендаций подтверждается:

— достаточным объемом экспериментальных данных, обработанных с применением методов математической статистики;

— сходимостью результатов лабораторных, аналитических и промышленных исследований;

— широким внедрением рекомендаций автора на рудниках Норильского ГМК;

— разработан способ предварительного укрепления руд, отбиваемых впоследствии взрывными работами, позволяющий переводить массив в более высокую категорию устойчивости;

— предложен метод оценки устойчивости очистных выработок;

— установлено, что содержание полимерных веществ в рудном массиве в объеме, необходимом для предварительного укрепления, не снижает показатели извлечения полезных ископаемых на стадии обогащения.

Реализация работы. Полученные результаты нашли применение на рудниках Норильского ГМК («Комсомольский» и «Таймырский») и на Талнахской обогатительной фабрике. Использование результатов работы на рудниках НГМК позволило повысить технико-экономические показатели очистной выемки и обеспечить безопасность горных работ, получить экономический эффект, подтвержденный актами внедрения, в сумме 736,4 тыс. руб. (в ценах 1980—90 гг.).

Апробация работы. Основные результаты данной . днссррта ционной работы докладывались в Северо-Кавказском горно-ме таллургическом институте (г. Владикавказ, 1992 г.), институтам «Гипроникель» (Санкт-Петербург, 1991—92 гг.), «Норильскпро-ект» (г. Норильск, 1988—92 гг.), Институте проблем комплексного освоения недр РАН (г. Москва, 1991 г.).

Публикация. По теме диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, в том числе 8 авторских свидетельств на изобретение. .• ■ .

Объем диссертации. Диссертация состоит из' введения, 4 глав, заключения и содержит 169 стр. включая 48 рис., 18 табл., 3 приложения и список использованной литературы из 62 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Месторождения Норильского промышленного района Представлены мощными пологопадающими залежами высокоценных руд, залегающими на глубинах от 200 до 1600 м. В качестве основной технологии добычи принята сплошная выемка руды горизонтальными слоями с закладкой выработанного пространства твердеющими смесями, которая обеспечивает максимальную полноту выемки (потери руды составляют 1,0—1,5%) н высокую интенсивность отработки запасов, соответствующую современным мировым достижениям в области подземной разработки руд на больших глубинах. Скорости продвигания фронта очистных работ при наиболее производительных вариантах выемки — слоями в восходящем порядке достигают 20—25 м/год. В связи ' с этим основные перспективы развития горных работ связаны с широким внедрением данного способа отработки в пределах всех шахтных полей.

В то же время области внедрения восходящей слоевой выемки ограничены участками слабо- и средпенарушенных руд, доля которых резко снижается с ростом глубины разработки и достигает в отдельных залежах 40—50% от общей их площади.

В условиях сильной нарушенности массива переходят, в основном, на трудоемкие технологические схемы выемки руды слоями в нисходящем порядке, которые предпочтительны также с точки зрения управления горным давлением при повышенной удароопасности массива.

Анализ отечественного и зарубежного опыта разработки месторождений в аналогичных условиях показывает что высокопроизводительные технологии требуют применения новых спо-

собой поддержания очистных выработок обеспечивающих устойчивость горных конструкций и безопасность ведения горных работ.

К ним, в первую очередь, относится различного вида крепи, обеспечивающие предварительное (перед обнажением забоя) упрочненне массива. В настоящее время широкое распространение находят способы укрепления массива тросовыми анкерами, а также смолоинъекционное упрочнение, в том числе с использованием полимерных анкеров.

Вопросам устойчивости выработок и упрочнения разрабатываемого массива посвящены работы ведущих ученых в области подземной разработки рудных месторождений: Д. М. Бронникова, Н. Ф. Замесова, М. В. Курлени, С. В. Кузнецова, В. Р. Име-нитова, Е. В. Кузьмина, А. П. Широкова, Ю. Н. Огородникова, В. Ю. Ревы, М. А Дзаурова и др. Они позволяют в целом производить оценку устойчивости горных конструкций, в том числе с учетом закрепления массива. При этом учитывается напряженно-деформированное состояние массива, его нарушенность, существенно влияющая на прочностные показатели.

Так, для месторождений Норильского района разработана классификация массивов по нарушенности, учитывающая расстояние между трещинам», угол их наклона, минерал заполнителя, интенсивность вторичных изменений. Слабонарушенными считаются руды с расстоянием между трещинами 1<0,2 м, сред-ненарушенными — с 1 = 0,1—0,2 м, сильнонарушенными — с 1 = 0,05—0,1 м, весьма сильнонарушенными и раздробленными с 1 <0,05 м.

Сильная трещиноватость руд и пород отмечается в основном в зонах тектонических нарушений, на контакте руды с вмещающими породами, а также на участках руд, содержащих ксенолиты, малопрочные включения пород, резко ослабляющие устойчивость массива.

Исследования, проведенные па рудниках НГМК, показывают, что большое влияние на устойчивость выработок оказывает па-рушение межминеральных связей, что в свою очередь определяется характером перераспределения горного давления вокруг выработок и способами их поддержания.

Развитию представлений о механизмах перераспределения горного давления вокруг выработок, разработке методов оценки их устойчивости и обоснованию технологии ведения горных работ, обеспечивающей повышение интенсивности н безопасности выемки при разработке сильнонарушенных массивов, и посвящено настоящее исследование.

В работе основное внимание уделено решению следующих задач:

— исследование исходного напряженного состояния массива и характера его перераспределения вокруг очистных и подготовительных выработок при сплошной выемке руды слоями в восходящем порядке с учетом наличия в массиве слабопрочных пород — ксенолитов и возможности упрочнения массива;

— разработка методики оценки устойчивости выработок и окружающего массива во времени на основе данных микропетрографического анализа;

— определение рациональных параметров упрочнения очистных выработок в рудах различной нарушенности;

— разработка технологии поддержания очистных выработок при отработке силыюнарушенных руд слоями в восходящем порядке с закладкой выработанного пространства;

— исследование влияния содержания полимерных материалов в рудной массе на извлечение полезных ископаемых при обогащении.

Выполненный комплекс исследований напряженного состояния массива в исходном поле на рудниках «Комсомольский» и «Таймырский», где в качестве основных методов измерений использовались метод полной разгрузки с применением фотоупругих датчиков давления, а также метод дискования керна при выбуривании его из скважин, позволит выявить основные особенности формирования полей напряжений в различных залежах на глубинах 500, 1000 и1300 м.

Анализ результатов измерений показывает, что на руднике «Комсомольский» на глубине 500 м исходное поле напряжений характеризуется гидростатическим распределением, где вертикальные и горизонтальные силы, как в рудах, так и во вмещающих породах соответствуют уН и составляют 12,0—15,0 МПа.

На горизонте — 1050 м рудника «Таймырский», где рудный массив разбит серией крупных тектонических нарушений наибольшие напряжения действуют в вертикальной плоскости, их величина составляет 22—48 МПа или (0,7—1,5) уН, причем зоны повышенных напряжений формируются вблизи крупных тектонических нарушений. Горизонтальные напряжения в субмеридиональном направлении составляют 13—19 МПа или (0,4—0,6) МПа, в широтном 18—35 МПа (0,6—1,1) уН. В то же время на отдельных участках (панели 8,9) отмечаются аномалии повышенных вертикальных и горизонтальных напряжений, с чем связаны значительные разрушения выработок в динамической форме. Минимальные напряжения отмечаются в 3—5 м от тектони-

ческого нарушения и повышаются к центру блока, достигая 42— 46 МПа для вертикальной составляющей и 50 МПа для горизонтальной широтного направления.

На глубине 1300 м напряжения исходного поля в основном соответствуют гидростатическому распределению — бг~бх» — ■уН (32,0—37,0 МПа). Здесь особую роль играет наличие в рудном массиве включений слабых пород — ксенолитов и меньшая раздробленность пород тектоническими нарушениями.

Таким образом, исходное напряженное состояние в различных залежах и на различной глубине имеет сложный характер и зависит в значительной мере от строения массива, наличия в нем крупных тектонических нарушений и ксенолитов пород.

С учетом выявленных особенностей распределения напряжений в исходном поле была выполнена оценка напряженного состояния массива при сплошной выемке руды слоями в восходящем порядке с использованием метода конечных элементов и фотоупругости для условий разработки залежей в полях рудников «Комосмольский» и «Таймырский».

Как показало моделирование на оптически-активных материалах, на начальной стадии ризвития очистных работ при ширине прол.ета подработки 24—32 м вокруг выработанного пространства формируется зона повышенных концентраций напряжений впереди фронта отработки и зона разгрузки в кровле выработанного пространства, где образуются характерные симметричные своды естественного равновесия.

На стадии полного развития очистных работ при пролетах подработки более 120—160 м происходит стабилизация опорного давления. Величина максимальных концентраций напряжений впереди фронта отработки достигает 2уН, а сама зона опорного давления простирается на 50—70 м в глубь массива.

В кровле очистных выработок основные нагрузки формируются в угловых зонах, причем величины напряжений, как следует из данных моделирования, остаются примерно равнозначными независимо от вариантов развития горных работ — с предварительной надработкой массива по кровле и без нее. Зоны наиболее опасных напряжений распространяются на 1,5—2,5 м в кровле выработок и требуют, особенно на больших глубинах, проведения специальных мероприятий по упрочнению массива. Боковой распор, имитирующий в моделях наличие горизонтальных сил, на стадиях полного развития работ не оказывает существенного влияния на характер распределения напряжений в рудном массиве и лишь в породах кровли по контакту рудного тела резко изменяется картина развития напряжений.

Особый интерес представляют полученные впервые данные о влиянии расположенных в кровле очистного забоя ксенолитов на характер перераспределения напряжений. На рис. 1 представлены рассчитанные методом конечных элементов распределения напряжений в рудном теле в зоне ведения очистных работ при восходящей слоевой выемке руды. Как видно из рисунка, наличие ксенолитов усложняет распределение напряжений в кровле и бортах очистных выработок.

Главная же особенность — это формирование дополнительных зон повышенных концентраций напряжений вблизи ксенолитов. При этом в ксенолитах, модуль деформации которых существенно ниже модуля деформации рудного массива, напряжения понижены. В зависимости от размеров, количества и расположе-жения ксенолитов относительно выработок перераспределение напряжений и его последствия могут быть различными. Так, если ксенолиты локализованы в кровле, отмечается разгрузка пород кровли, fio одновременно возможно наложение зон повышенных концентраций напряжений вблизи ксенолитов и в торцах выработок, обращенных к нетронутому массиву. Здесь высока вероятность разрушения и вывалов руды значительных объемов.

Таким образом, использование восходящей слоевой выемки в зонах силыюнарушенных пород на больших глубинах требует проведения специальных мероприятий по упрочнению массива.

Ркс.1. Распределение напряжений (Гх (а) и щ! (Гу (б) в зоне очистных раЗот при Щ

I N к V ^

восходящей слоевой выемке руды при 7 наличии в массиве ксенолитов пород. СШЗ-руда; С53Г- вмещагщие породы; ЕЭ-за::дадка; у//л - ксенолиты пород.

I - от:сг::2Я выпабспса,

Наиболее эффективным способом повышения устойчивости выработок является упрочнение анкерами массива, впоследствии отбиваемого взрывными работами. Использование для этих целей железобетонных анкеров, наиболее распространенных в практике ведения горных работ, в условиях слоевой выемки руды создает ряд сложностей, особенно на этапах транспортирования и перегрузки руды, в дробильных комплексах и на обогатительной фабрике.

В связи с этим, автором предложен вариант предварительного упрочнения массива стеклопластиковыми анкерами с укреплением их в шпурах полимерными растворами на основе карба-

!

мидно-формальдегидной смолы КФ-Ж, наименее токсичной и достаточно прочной.

Выполненный комплекс исследований на моделях методом фотоупругости, где определялась картина полос вокруг незакрепленной выработки и выработки, закрепленной анкерной крепью, при изменении бокового распора от 0,5 до 1,5, показал, что укрепление массива может существенно (на 30—35%) снизить концентрацию напряжений на контуре и в глубине массива. На рис. 2 представлены полученные зависимости изменения числа полос в модели незакрепленной (1) и закрепленной анкерами (2) выработки, расположенной на глубине 500 м в зависимости от расстояния до ее контура, которые описываются выражениями:

Расстояние от контура выработки, м

Рис. 2 Изменение числа полос в модели вокруг выработки в глубь массива 1—незакрепленного, 2—закрепленного анкерами.

а) для незакрепленной выработки

Кн=6,5—4.21+0.712; 4 = 0,9 (1)

где Кн—условный коэффициент концентрации напряжений, соответствующий числу полос в модели; 1 — расстояние от контура выработки; »1 — корреляционное отношение.

б) для закрепленной выработки

Кн-4,5—4,81 + 1,312; п = 9,5 (2)

Расстояние от контура выработки, м

Рис. 2 Изменение числа полос в модели вокруг выработки в глубь масссива

1—незакрепленного, 2—закрепленного анкерами.

Выбор и обоснование параметров крепления очистных выработок в существенной мере связан со знанием основных закономерностей поведения массива во времени, что зависит от его прочности и трещиноватости. Эти показатели используются для оценки устойчивости выработок, где главным фактором является нарушенность массива, определяемая по выходу керна с 1 п. м скважины.

Наблюдения за состоянием обнажений п выполненный мнк-ропетрографический анализ пород показывает, что нарушение устойчивости горных пород начинается с разрушения минеральных связей и образования микротрещин. Поэтому для оценки устойчивости пород в обнажениях использован метод, учитывающий химико-физнко-механическую устойчивость минералов во времени — метод микропетрографических исследований, где основным критерием оценки служит площадная густота трещин.

Метод включает в себя изготовление шлифов из кернов, выбуренных на различном расстоянии от контура выработок, и их микропетрографический анализ, при котором определяется площадная густота трещин. В сочетании с существующими методами он позволяет получить данные об изменении зон неупругих деформаций во времени в зависимости от минералогического состава руд.

На основании результатов микропетрографического анализа более 230 образцов руд и пород, отобранных на различных по устойчивости участках очистных выработок в рудах слабой, средней н сильной нарушенности, предложена классификация массива по устойчивости, где основным признаком является площадная густота трещин, обусловленная естественными и техногенными факторами (таблица 1).

Таблица 1

Классификация устойчивости очнетных выработок

п. п. | Категория устойчивости Вид разрушения Площадная густота трешиин, А г. тр., мм/см

1 устойчивая — менее 5

2 средней устойчивости выпадение 5—10

отдельных

заколов

3 неустойчивая вывалы более 10

Площадная густота трещин определяется по формуле: • 1тр Ьтр

А г. тр.=

Бш

Бш

где п — число трещин, наблюдаемых в аншлнфах;

1тр — средняя длина,трещин, мм;

Ьтр — суммарная длина трещин, мм;

Сш — площадь аншлифа, см2. На рис. 3 представлены полученные в результате исследований, выполненных на руднике «Комсомольский», зависимости развития площадной густоты трещин и рамера зоны разуплотнения'пород от расстояния до контура очистной выработки в сплошных богатых, медистых и вкрапленных руда.

Из рис. 3 видно, что площадная густота трещин в сплошных сульфидных рудах на 20—30% больше, чем в медистых и вкрапленных, что характеризует их меньшую устойчивость в обнажении. Кроме того, массив, упроченный анкерами (кривая 3), обладает значительно большей устойчивостью по срвнению с незакрепленной выработкой (кривая 4), при этом площадная гус-тота'трещин для сплошных руд ниже на 35%, а для вкраплен-, ных и медистых — на 45%. Так, например, незакрепленный мае-

15

{О

• л о { — > а

V . 1 ^^^ » е

'".к ■ Г****»—- г ' >- О

1,3 — сплошные сульфидные руды; 2,4 —■ медистые и вкрапленные руды. 1,2 — незакрепленный массив; 3,4 — массив закрепленный полимерными анкерами. ......

[ [

10

5

[

I

Рис. 3 Зависимость площадной густоты трещин от расстояния: до контура выработки (а) и мощности зоны разуплотнения (б).

сив сплошных сульфидных руд на глубине 0,5 м от контура выработки имеет площадную густоту трещин более 10 мм/см2(рис. 3, кривая 1), что характеризует его как неустойчивый. При тех же условиях густота трещин предварительно укрепленного массива сплошных руд менее 10 мм/см2 (рис. 3, кривая 4), т. е. он относится к категории средней устойчивости.

Предварительное укрепление массива анкерами существенно повышает сопротивление пород сдвиговым и растягивающим напряжением и повышает устойчивость выработок. Видно также, что площадная густота трещин значительно убывает в глубь массива и стабилизируется на расстоянии 2—3 м. Практически это расстояние характеризует зону разуплотнения пород, что хорошо согласуется с данными моделирования методом фотоупругости, и определяет размер зоны, которую необходимо упрочнять.

Исследования влияния времени на устойчивость очистных забоев, где главным критерием является объем вывалов за определенный промежуток времени, отнесенный к их общему объему, показали, что основные разрушения (до 60%) в пределах.

зон разуплотнения происходят в первые 1,5—2,0 месяца после обнажения забоя. При длительном стоянии выработки после 6—7 месяцев происходят дальнейшие обрушения. Если в первом случае разрушения массива связано в основном с перераспределением напряжений в зоне ведения очистных работ, то во втором — оно объясняется воздействием внешних факторов на химическую активность минералов и, следовательно, прочность руд.

Выявленные особенности поведения массива позволяют выбирать рациональные способы поддержания очистных выработок, скорости их отработки и параметры упрочнения массива.

Выполненные расчеты показали, что в зонах сильной нару-шенности массива длина армирующего стержня определяется высотой возможной зоны разуплотнения пород, с учетом величины заглубления армирующего стержня, которая, по данным 10. В. Заславского и В. М. Мосткова, определяется по формуле

Я а -с1

(Ь= —°'5 М;

где с1 — диаметр армирующего стержня; Да — предел прочности материала армирующего стержня на разрыв (для стеклополи-мерных стержней Иа=195 МПа); тс — удельное сцепление за-' крепляющего состава с армирующим стержнем, МПа).

Результаты исследований, проведенных на руднике «Комсомольский», по определению высоты зоны неупругих деформаций в кровле (более 40 экспериментов) с использованием предложенного микропетрографического анализа, показали, что в зависимости от физикомеханических свойств пород, нарушенное™ массива, времени отработки и ширины очистной выработки зона разуплотнения составляла 0,5—1,5 м, причем большей крепости пород и параметрам выработок соответствует большая высота разуплотнения. Эта тенденция прослеживается на всех глубинах разработки. Таким образом, высота упрочнения массива зависит от горно-технических условий разработки и должна равняться суммарной величине возможной зоны разуплотнения пород и заглубления анкера. В основном, длина анкера для сильнонару-шенны'х пород равна 1,8—2,0 м.

При определении расстояния между анкерами при различной нарушеннности массива была проведена оценка устойчивости закрепленных выработок. В качестве основного критерия использовалось "отношение фактического сечения очистных слоев к проектному. Установлено, что минимальное изменение сечения отмечается в сильнонарушенных породах при сетке крепления

0,8X0,8 м, в средненарушенных — 0,9X0,9 м, в слабонарушен-ных — 1,1X1,1 м. Эти величины в сочетании с выбранной глубиной упрочнения и приняты в качестве основных параметров крепления.

На основании проведенных исследований для глубоких рудников Норильского района разработан ряд технологических схем выемки сильнонарушенных руд слоями в восходящем порядке, которые учитывают особенности строения массива и наличие в нем ксенолитов пород.

Они предусматривают предварительное упрочнение массива, впоследствии отбиваемого взрывными работами, армополимер-ной анкерной крепью. Необходимость предварительного укрепления определяется выявлением его площадной трещиноватости при А> 10 мм/см2. На рис. 4 представлена технологическая схема отработки очистных слоев с предварительным упрочнением, которая применима как для отработки рудного массива, так и укрепления пород кровли. Высота отбиваемого слоя руды составляет 3,5—4,0 м, а общая глубина скважины — 5,5—6,0 м. Верхняя ее часть на глубину 2,0 м закрепляется армополимерной крепью, а остальная часть служит для отбойки руды. Для упрочнения используются полимерные штанги и полимерный закрепляющий раствор, состоящий из карбамидно-формальдегид-ной смолы КФ-Ж-ЮО (весовых частей), песок— 100, щавельная кислота (отвердитель) 5. На армирующий стержень устанавливается специальное уплотнительное кольцо для исключения выливания раствора из шпура и удобства его доставки в шпур зарядным шлангом. Приготовление и подача в шпур анкера и раствора механизированы. Для снижения сейсмического воздействия на анкер применяется глинистая забойка.

Опытно-промышленные испытания технологии восходящей слоевой выемки с предварительным упрочнением массива армо-полимерными анкерами в панели 6 (лента 27) рудника «Комсомольский» показали, что по сравнению с незакрепленной кровлей значительно (на 25—30%) снизился объем отслоении и вывалов, существенно снизились затраты на оборку заколов. Повысилась устойчивость забоев, что позволило в условиях сильной нарушенности руды использовать вариант восходящей слоевой выемки с параметрами очистной выработки 8X8 м.

При взрывной отбойке укрепленного стеклопластиковыми анкерами массива закрепляющий полимерный раствор и сам армирующий стержень смешивается с рудной массой, которая затем попадает в обогатительный передел. Это может оказать существенное влияние на процесс обогащения полезных ископае-

Рис. 4 Технологическая схема предварительного упрочнения массива сильнонарушенных руд полимерными анкерами

1 — рудный массив; 2 — закладка; 3 — очистная выработка; 4 — отбиваемый слой руды; 5 — скважина, б — закрепляющий раствор; 7 — армирующий стержень; 8 — пробка; 9 — взрываемая часть скважины.

мых. Выполненные на Талнахской обогатительной фабрике исследования показали, что содержание полимерных веществ в рудной массе до 0,7% не оказывает отрицательного влияния на показатели обогащения. Повышение их содержания до 0,9—1,0% приводит к их ухудшению: на 0,4% снижается массовая 'добя меди в медном концентрате при одновременном повышении массовой доли никеля. В целом происходит снижение качества концентрата. Наиболее рациональное содержание полимерных материалов в горной массе — 0,1—0,3%, при этом достигается даже некоторое увеличение извлечения меди и никеля в концентрате. :

Расчеты показывают, что даже при условии полного упрочения всех сильнонарушенных руд на руднике «Таймырский» общая доля полимерных веществ в'горной массе не превысит данных показателей.

Все это позволяет сделать вывод о перспективности использования данной технологии выемки для разработки сильнонарушенных массивов руд и пород

Для участков с наличием ксенолитов пород разработаны технологические схемы, учитывающие как их мощность и пространственное расположение, так и спаянность контактов. Выделено четыре типа ксенолитов. Первые три имеют спаяанные контакты и характеризуются одинаковой с рудой нарушенностью, они отличаются только вещественным составом. Ксенолиты четвертого типа характеризуются сильной нарушенностью, имеют не спаянные контакты, часто ослабленные хлоритом. Они, в основном, влияют на устойчивость очистных выработок. Их отработка., как правило, осуществляется совместно с рудой. При этом применяется ряд технологических схем выемки:

— кровлеуступным забоем горизонтальными или слабонаклонными шпурами с высотой очистного пространства до 6 мм и предварительным упрочнением кровли очистной выработки;

— с оставлением под ксенолитами предохранительной рудной корки толщиной не менее 2-х и с последующей их совместной отработкой;

— с полной закладкой выработанного пространства и отбойкой слоя, включающего ксенолит, по цикличной схеме проведением по слою разрезного штрека с последующим его расширением и креплением кровли.

Все технологические схемы отработки массива прошли промышленные испытания на руднике «Таймырский» и позволили в.условиях глубин 1000 м и более применить наиболее производительный вариант сплошной выемки руды с закладкой слоями снизу вверх по восстанию залежи.

В целом экономический эффект от внедрения разработанных технологий на рудниках комбината состг|;ил 736,4 тыс. руб. (в ценах 1980—1990 гг.).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Выявлены особенности формирования исходных полей напряжений на различных глубинах. Они существенно зависят от тектонического строения массива и наличия в нем слабых пород — ксенолитов. Их оценка на стадии геологической разведки в сочетании с определением нарушениости массива позволяет устанавливать зоны, где требуется предварительное упрочнение массива при слоевой восходящей выемке руды.

2. Установлено влуяние ксенолитов пород на напряженноде-формированное состояние кровли очистных выработок при выемке руды слоями снизу вверх. Наличие ксенолитов приводит к образованию пониженных концентраций напряжений в зонах их

расположения и росту нагрузок в окружающем нх массиве, что повышает вероятность разрушении и вывалов пород.

3. Обоснована и предложена методика оценки устойчивости разрабатываемого массива, основанная на определении микро-трещиноватости горных пород и учитывающая минеральный состав руд. Предложена классификация устойчивости очистных выработок в зависимости от степени микротрещиноватости очистных выработок в зависимости от степени микротрещиноватости горных пород: если площадная густота трещин менее 5 мм/см2, массив устойчивый; если площадная густота трещин находится в пределах 5—10 мм/см2, массив средней устойчивости; если площадная густота трещин более 10 мм/см2, массив неустойчивый.

4. В основном, вывалообразования в очистной выработке происходят через 1—1,5 месяца после ее проходки, затем резко уменьшаются и стабилизируются (до 4—5 месяцев после проходки). Укрепление горных пород анкерами позволяет снизить напряжения на контуре выработки и в глубине массива на 30— 35% по сравнению с незакрепленной.

5. Площадная густота трещин в богатых рудах на 20—30% выше, чем в медистых и вкрапленных, что объясняется их более высокой химической активностью. Площадная густота трещин убывает в глубь массива, на глубине 3 м и более стабилизируется, и ее можно принимать за характеристику нетронутого массива.

Предварительное укрепление рудного массива (как богатых руд, так и менее богатых) снижает его площадную густоту трещин до 45%, что позволяет повысить устойчивость горных пород и применить наиболее производительные технологические схемы выемки руды горизонтальными слоями снизу вверх.

6. Оптимальным содержанием полимерных веществ в горной массе, при котором достигаются максимальные количественные (извлечение металла) и качественные (массовая доля металла) показатели на обогатительном переделе будет до 0,2% от горной массы.

7. Разработаны и внедрены варианты сплошной слоевой системы разработки с твердеющей закладкой и восходящим порядком выемки руды, суть которых заключается в предварительном укреплении рудного массива, впоследствии отбиваемого взрывными работами, и управлении горным давлением в окрестности очистных выработок.

8. Разработаны технологические схемы выемки руды при наличии в массиве ксенолитов пород, предусматривающие как пред-

варительнос упрочнение массива, так и последовательную отбойку руды в этих зонах горизонтальными шпурами, обеспечивающими устойчивость очистных выработок.

9. Суммарный экономический эффект от использования результатов данной диссертационной работы на рудниках «Комсомольский» и «Таймырский» Норильского ГМК в период 1987— 91 гг., подтвержденный актами внедрения, составил 736,4 тыс. рублей (в ценах 1980—90 гг.).

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Совершенствование сплошной системы при разаработке мощных рудных тел //Горный журнал, 1989, № 10, с. 37—39 (соавторы А. М. Дзауров, А. Д. Мальсагов, В. С. Левин).

2. Повышение эффективности технологии очистной выемки при отработке мощных месторождений сплошной системой //Цветная металлургия, 1992, № 12 (соавтор М. А. Дзауров).

3. Механизация возведения крепей подземных сооружений //Шахтное строительство, 1989, № 10, с. 28 (соавторы М. А. Дзауров, А. С. Выскребенец и др.).

4. А. с. 1661431 СССР, МКИ Е21Д 11/10. Пневмонагнетатель для смешивания и подачи растворов в полости /М. А. Дзауров, A.C. Выскребенец, А. Д. Мальсагов, М. Н. Богданов и др. — Опубл. в БИ 1991, № 25.

5. А* с. 1666727 СССР, МКИ Е21С 41/22. Способ разработки мощных месторождений /В. С. Левин, А. Д. Мальсагов, М. А. Дзауров, М. Н. Богданов и др.— Опубл. в БИ 1991, № 28.

6. А. с. 1615365 СССР, МКИ Е21С 41/16. Способ разработки мощных рудных тел /С. В. Бойко, В. 10. Бадаев, М. Н. Богданов и др.— Опубл. в БИ 1990, № 47.

7. А. с. 1599543 СССР, МКИ Е21С 41/22. Поддерживающий ленточный целик /С. В. Бойко, В. Ю. Бадаев, М. Н. Богданов и др. — Опубл. в БИ 1990, № 38.

8. А. с. 1335702 СССР, МКИ Е21С 41/06. Способ разработки руды камерно-целиковой системой /С. В. Бойко, В. 10. Бадаев, Б. М. Липчанский, X. X. Кожиев, М. Н. Богданов — Опубл. в Б И 1987, № 33.

9. А. с. 1254159 СССР, МКИ Е21С 41/06. Способ разработки мощных пологих рудных залежей /В. Т. Цахилов, М. Н. Богданов, В. И. Коротких и др. — Опубл. в БИ 1986, № 32.

10. А. с. СССР по заявке № 4804459 от 21.03.90, пол. реш. от 28.08.91. Способ формирования и ограждения между рудным телом и твердеющим закладочным массивом /М. 'Н. .Богданов, А.П. Дергунов, Л. sB./Малетин.н др.

Сдано в набор 15.09.93' г. Подписатю к печати 20.09.93 г. Бумага писчая 60Х X84'/ie- Объем 1 п. л. Гарнитура литературная. Тираж. 100 Зак. 218 Газетно-журнальная типография. 362015, г. Владикавказ, пр. Коста, 11.