автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Совершенствование способа управления состоянием прикарьерного массива при подземной разработке ценных руд

На правах рукописи

ОД

МЕЩЕРЯКОВ ЭДУАРД ЮРЬЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СПОСОБА УПРАВЛЕНИЯ СОСТОЯНИЕМ ПРИКАРЬЕРНОГО МАССИВА ПРИ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКЕ ЦЕННЫХ РУД (на примере Учалинского месторождения)

Специальность 05.15.02 - Подземная разработка месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Магнитогорск -1998

.Работа выполнена в Магнитогорской государственной горно -металлургической академии им. Г.И. Носова

Научные руководители:

Официальные оппоненты:

Ведущее предприятие:

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

доктор технических наук, профессор Волков Ю.В., кандидат технических наук, доцент Аглюков Х.И.

АООТ "Башкирский медно -серный комбинат", г. Сибай

Защита диссертации состоится 1998 г. в

1500 час. на заседании диссертационного совета К 063.04.02 в Магнитогорской государственной горно - металлургической академии им. Г.И. Носова по адресу: 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, малый актовый зал (факс 32 - 28 - 86).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГМА

Автореферат разослан"

/5 " СГП/Р&АХ 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

'ЛЛШ*?

Савинчук Л.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Интенсивное развитие открытых горных работ в последние десятилетия вызвало достижение рядом крупных карьеров предельной по экономическим и технологическим условиям глубины и необходимость доработки законтурных запасов подземным способом. Для обеспечения полноты извлечения ценных руд, сохранения подрабатываемой поверхности, устойчивости бортов карьера выемка этих запасов осуществляется преимущественно системами подземной разработки с закладкой выработанного пространства.

Открытыми горными работами перемещаются из недр на поверхность миллиарды кубометров пустых пород. Отвалы целесообразно утилизировать, но в условиях разработки мощных крутопадающих месторождений ценных руд породная закладка не отвечает технологическим требованиям. Применение твердеющей закладки сдерживается высокой стоимостью вяжущих и инертных материалов.

Совершенствование способа управления состоянием подрабатываемого прикарьерного массива, направленное на обеспечение его устойчивости при снижении затрат на закладочные работы за счет рациональной комбинации сухой породной и литой твердеющей закладки, представляет весьма актуальную задачу.

Целью работы является: повышение эффективности, обеспечение полноты и комплексности освоения прикарьерных запасов за счет совершенствования способа управления состоянием горного массива.

Идея работы: управление состоянием прикарьерного массива при подземной разработке запасов осуществляется за счет замены рудного массива композитным искусственным, формируемым путем подачи в выработанное пространство двухкомпонентной по крупности сухой породной смеси с образованием на периферийных участках зон повышенной пустотности, заполняемых твердеющей смесью.

Основные задачи исследований:

- исследование факторов, влияющих на процесс управления состоянием подрабатываемого прикарьерного массива, и выявление закономерностей изменения напряженно-деформированного состояния массива под воздействием горных работ;

- оценка природного поля напряжений, прочностных и структурных особенностей прикарьерного массива Учалинского медноколчеданного месторождения;

- обоснование состава, прочностных и деформационных характеристик композитного закладочного массива;

- изыскание рациональных технологических схем возведения композитных искусственных массивов в прикарьерной зоне;

- конструирование технологических схем освоения прикарьерных запасов с высокой полнотой их извлечения.

Объект и методика исследований:

Объект исследований - прикарьерный массив Учалинского месторождения медных и медно - цинковых руд.

В работе использовался комплексный метод исследований, включающий анализ и обобщение отечественного и зарубежного опыта управления состоянием массива при комбинированной разработке месторождений, натурные замеры напряжений и деформаций в прикарьерном массиве, съемки контуров выработанных пространств, математическое моделирование напряженно - деформированного состояния горного и искусственного массивов в плоской и объемной задачах; физическое моделирование формирования композитных искусственных массивов; аналитические расчеты и технико - экономический анализ результатов с учетом полноты и качества извлечения руд из недр.

Научные положения, представленные к защите:

♦ Технологические решения по управлению состоянием подрабатываемого прикарьерного массива следует дифференцировать по зонам влияния карьера, форма и размеры которых определяются отклонением интегральных показателей напряженности от их значений в нетронутом массиве.

♦ Сформированный из прочных жестких пород отвалов и низкомодульной твердеющей смеси композитный искусственный массив за счет минимальной пустотности в центре массива обладает низким коэффициентом компрессии, что обеспечивает устойчивость подрабатываемого прикарьерного массива.

♦ Устойчивость вертикальных обнажений искусственного массива обеспечивается упрочнением твердеющей смесью периферийных зон породной закладки, формируемых за счет эффекта сегрегации.

♦ Высокими деформационными характеристиками композитного закладочного массива достигается снижение поперечных деформаций и напряжений на контуре обнажений.

Научная новизна работы:

♦ Установлены корреляционные зависимости распределения напряжений в прикарьерном массиве от глубины и угла наклона бортов карьера, величины тектонических сил.

♦ Предложены математические зависимости для определения формы и размеров зоны влияния карьерного пространства на напряженно -деформированное состояние окружающего массива.

♦ Разработаны технологические схемы выемки прикарьерных запасов с возведением композитных закладочных массивов, обеспечивающие полноту извлечения запасов, устойчивость борта и утилизацию отходов горного производства.

♦ Обоснованы рациональные схемы размещения скальных пород отвалов в подземном выработанном пространстве, обеспечивающие за счет использования эффекта сегрегации формирование закладочного массива комбинированного по способу возведения, композитного по составу, разнопроч-ного и разномодульного по механическим характеристикам.

♦ Установлены эмпирические зависимости: размеров области повышенной пустотности породной насыпи от параметров выработанных пространств, соотношения фракций и месторасположения точек сброса породы; требуемой прочности твердеющей закладки от параметров камер и зон упрочнения.

Достоверность научных положений, выводов и результатов обеспечивается представительностью и надежностью исходных данных, полученных на основе многолетних наблюдений; сопоставимостью результатов математического моделирования, аналитических расчетов, лабораторных и натурных исследований.

Практическая значимость работы состоит в разработке технологических схем, обеспечивающих полноту и безопасность извлечения запасов ценных руд, эффективность и экологичность горных работ. Технология возведения композитного искусственного массива позволит снизить себестоимость руды и повысить ее конкурентоспособность на рынке.

Реализация рекомендаций: результаты исследований использованы при составлении рабочих проектов отработки запасов в основании южного и северного флангов Учалинского месторождения гор. 340 - 380 м, а также в проектах отработки запасов в северном борту Учалинского карьера гор. 220 -300м.

Апробация работы: Результаты, основные положения и выводы доложены на межгосударственной научно-технической конференции "Проблемы развития металлургии Урала на рубеже XXI века", Магнитогорск, 1996; на зональной научно-технической конференции "Совершенствование методов поиска и разведки, технологии добычи и переработки руд", Красноярск, 1996; на международных научных симпозиумах "Неделя горняка", Москва - 1997, 1998; на международной научно - технической конференции "Экологические проблемы промышленных зон Урала", Магнитогорск, 1997; на международной конференции "Горные науки на рубеже XXI века", Москва - Пермь, 1997; на ежегодных научно-технических конференциях МГМА и технических совещаниях Учалинского ГОКа.

Публикации: Основные положения диссертации опубликованы в 8 работах.

Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка из 106 наименований и содержит 153 стр. машинописного текста, 56 рисунков, 26 таблиц.

Работа выполнена в Магнитогорской государственной горно - металлургической академии им. Г.И. Носова на кафедре "Подземная разработка месторождений полезных ископаемых". Исследования, представленные в диссертации, выполнялись в рамках госбюджетной и хоздоговорных НИР.

Автор выражает искреннюю признательность работникам Учалинского ГОКа за оказанную помощь в проведении экспериментов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В специальной литературе, посвященной вопросам комбинированной разработки месторождений и представленной работами М.И. Агошкова, С.Г. Авершина, В.А. Атрушкевича, A.A. Вовк, Ю.В. Волкова, Ю.В. Демидова, Д.М. Казикаева, Д.Р. Каплунова, В.Н. Калмыкова, В.В. Куликова, А.Б. Макарова, М.В. Рыльниковой, К.Н. Трубецкого, В.И. Терентьева, Г.И. Черного, А.Д. Черных, В.А. Щелканова, М.Ф. Шнайдера, В.И. Шубодерова, Б.П. Юматова, Р.Б. Юн и др. отмечается, что основные проблемы подземной выемки прикарьерных запасов связаны прежде всего с процессом управления состоянием горного массива.

Исследования, направленные на совершенствование способа управления состоянием подработанного прикарьерного массива, проводились на Учалинском медноколчеданном месторождении, расположеном на территории республики Башкортостан на восточном крыле Мало-Учалинской антиклинали и представленом крупным линзообразным рудным телом вытянутым в меридиональном направлении, имеющим крутое падение на запад (80-85 град). Длина залежи составляет 1400 м ,мощность колеблется от 2 до 170 м, глубина залегания достигает 460 м. Форма рудного тела в плане гантелеобразная, пережим в средней части мощностью 10-12 м разделяет залежь на северный и южный фланги. Руды и породы месторождения являются скальными, крепкими (f = 10 -Я5) и устойчивыми^

Проектная глубина дорабатываемого в настоящее время карьера составляет 324 м. Угол откоса бортов - 40-46 град. Непосредственно к предельному контуру карьера прилегают значительные рудные объемы, из которых 80-85 % расположены в основании карьера, остальные, главным образом, в северном и в основании восточного бортов.

Выемка законтурных запасов подземным способом осуществляется на четырех участках: в северном борту камерами высотой 20 м; в основании карьера на южном фланге и центре месторождения камерами высотой 40 м под рудной потолочиной; северном - камерами высотой 8 м. Все запасы извлекаются с применением литого способа возведения твердеющей закладки, что влечет за собой повышенные затраты на закладочные работы и, как следствие, высокую себестоимость добываемой руды. Анализ структуры себестоимости руды показал, что более 60 % затрат при подземном способе разработки Учалинского месторождения связано с процессом управления состоянием горного массива.

Геомеханическое моделирование процесса управления состоянием при-карьерного массива предполагает изучение факторов, влияющих на управление массивом, таких как геологические и горно - технические условия разработки месторождения, физико - механические свойства руд и пород, напряженное состояние горного массива во взаимосвязи с параметрами контура карьера, и регулирование на этой основе выходных параметров элементов систем разработки, способа управления состоянием массива и технологии возведения закладки, направления и формы подвигания фронта подземных горных работ относительно контура карьера.

Для разработки геомеханической модели месторождения были проведены натурные замеры напряжений и исследования по оценке физико - механических характеристик прикарьерного массива.

Оценка напряженного состояния пород проводилась методом гидроразрыва на рабочих горизонтах 260, 300, 340 и 380 м. В результате замеров установлено, что рудная и искусственная потолочины вследствие невысоких упругих характеристик не воспринимают полной нагрузки от деформирующихся подработанных бортов, зона концентраций горизонтальных напряжений смещена в более жесткий нижележащий массив. Максимальная компонента горизонтальных напряжений ориентирована в субширотном направлении и составила в среднем на гор. 300 м - 5,1 МПа, на гор. 340 м - 7,3 МПа, на гор. 380 м - 9,2 МПа.

Для определения физико - механических свойств руд и пород, слагающих прикарьерный массив месторождения, произведен анализ структурной нарушенное™, определены коэффициенты структурного ослабления и на основе имеющихся данных о свойствах руд и пород месторождения в образцах по известным методикам осуществлен переход к физико - механическим свойствам руд и пород на различных участках прикарьерного массива.

Проведенная на основе параметров систем трещин, имеющих тектоническое происхождение, реконструкция поля напряжений по методу М.В. Гзовского подтвердила результаты натурных замеров о преимущественном действии тектонических сил в субширотном направлении.

Для-выработки технологических решений, адаптированных к параметрам силовых полей, полученные значения напряжений и физико - механические характеристики использовались в качестве исходных в геомеханической модели напряженно - деформированного состояния (НДС) горного массива в зоне влияния карьера.

В формирование современных представлений о влиянии карьерного пространства на НДС горного массива внесли вклад А.М. Демин, В.И. Зоб-нин, А.И. Ильин, М.А. Иофис, Д.М. Казикаев, А.А. Козырев, C.B. Кузнецов,

A.Б. Макаров, Ю.И. Туринцев, Г.Л. Фисенко, Г.И. Черный, Т.С. Черчинцева,

B.К. Цветков и др.

Исследования влияния карьера на НДС горного массива производили моделированием НДС однородного упругого массива в условиях плоской деформации методом конечных элементов с использованием программы "MFEPL" (ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева). Моделировались условия карьеров высотой от 100 до 500 м, с углами откосов бортов от 35 до 55 градусов при действии тектонических сил от 0 до 6 МПа. Оценка влияния карьера производилась по отклонению интегральных показателей напряженности от их значений в нетронутом массиве. Учитывая особенности нагружения и деформирования элементов систем подземной разработки в прикарьерном массиве, в качестве интегральных показателей принимались показатель относительной устойчивости Пу для оценки зоны влияния в прибортовом массиве и результирующее нормальное напряжение а„ для оценки зоны влияния в массиве ниже основания карьера, где пу = стп / тд ; а„ = а у cos2a + а2 • sin2a ; тд = (at -ст2 / 2) -cos ф, где а = 45 - (ф / 2) - угол между векторами главных напряжений и площадкой сдвига, град.; ф - угол внутреннего трения пород, град.

Сопоставлением значений показателей пу и an в моделях карьеров заданных параметров с результатами расчетов пу и ст„ в нетронутом массиве при коэффициенте вариации Кв = 0,15 отстроены зоны влияния карьеров на НДС массива. Каждая граница зоны влияния (1) рассматривалась в виде графической зависимости с центром координат в точке А (рис. 1). С помощью математического пакета программы "Excel" графическая зависимость подвергалась линейной аппроксимации (2), фиксировались координата точки В по оси х и значение угла р.

В процессе статистической обработки результатов моделирования получены математические зависимости для определения параметров I,, 12 и р при коэффициенте детерминированности Кд= 0,94 - 0,97:

l! = Нк + 1,889 a + 33,541 Т- 117,5; (1)

12 = 0,525 Нк - 1,578 a + 4,869 Т + 1,655; (2)

Р = 0,027 Нк + 0,222 a + 2,065 Т + 19,756. (3)

Рис. 1 Схема к определению параметров зоны влияния карьерного пространства на напряженно - деформированное состояние массива

На основе проведенных исследований предложено классифицировать запасы месторождения (рис. 2) по степени влияния карьера на НДС массива на приконтурные (1), при отработке которых элементы систем подземной разработки находятся в условиях повышенных сдвигающих - в бортах и сжимающих - в основании сил, и прикарьерные (2), находящиеся в области значимого влияния карьера. Соответственно следует дифференцировать технологические решения по управлению состоянием подрабатываемого прикарь-ерного массива.

^ ч ч м \ V и - « $ Я / 0 ь < / / -----

Ч» 300 \ ко ко \ V 5 / / чя изо / -и» -/-

лоо чоо •&> гоо ^^ N \ ¿00 \ \ \ <ср 5СО )И) 11*5 алз 41» ХО» Оуу . у Р«остоп»к« м помрчлости ' «рир»,« / П / \ у/ 1 / \ / £ '0 14 бл,*Пя

Рис. 2 Разделение запасов Учалинского месторождения по зонам

влияния карьерной выемки на напряженное состояние массива

Оценка напряженного состояния прикарьерного массива и зон потенциального вывалообразования в подземных выработках проводилась моделированием методом конечных элементов с проверкой пород по условиям прочности с учетом пространственных характеристик основных систем трещин.

Натурные исследования состояния контуров выработок, расположенных в приконтурных зонах, с помощью звуколокационной системы "Луч" выявили соответствие с фактической картиной вывалообразований. Так, съемками контуров камеры 1/4, расположенной непосредственно под дном карьера при проектной толщине рудной потолочины Ьп = 24 м установлено наличие значительных вывалов в верхней части стенок и кровле камеры. Толщина потолочины уменьшилась до 15,5 м, а объем выпущенной горной массы превысил проектный в 1,35 раза. Для устранения вывалообразований в качестве превентивной меры было рекомендовано при выемке придонных запасов вертикальными камерами пролетом 15 м производить крепление выявленных потенциально неустойчивых участков тросовыми анкерами длиной 6 м. При последующей отработке с учетом данных рекомендаций запасов камеры 2/4 существенных вывалов зафиксировано не было.

В результате съемок контуров лент искусственной потолочины установлено, что объем вывалообразований в них практически пропорционален количеству массовых взрывов в карьере, произведенных в период отработки, и зависит от очередности выемки лент. В результате проведенного комплекса исследований, включающего натурные наблюдения, моделирование НДС массива и аналитические расчеты, установлено, что устойчивость очистных выработок, расположенных в прикарьерном массиве, определяется характером и величиной напряжений в прикарьерной зоне, временем стояния незаложенных выработок, количеством и массой карьерных и подземных взрывов и контролируется структурной нарушенностью

Проведенные исследования прочности закладочного массива искусственной потолочины выявили, что фактическая прочность закладки в 2 - 8 раз ниже нормативной (4 МПа). Тем не менее, замерами деформаций вблизи искусственной потолочины по западному откаточному штреку и ортам 11 и 15 гор. 340 м установлено, что относительные деформации в среднем составили 4,5 мм/м и не превышают нормативно допустимых.

Учитывая, что при низкой фактической прочности дорогостоящей твердеющей закладки сдвижения подрабатываемого прикарьерного массива практически отсутствуют для снижения себестоимости и повышения интенсивности закладочных работ предложено формировать композитный искусственный массив путем рациональной комбинации сухой породной и твердеющей закладки.

и

Применение вариантов камерной системы разработки предполагает обеспечение устойчивости вертикальных и горизонтальных обнажений закладочного массива, сохранность подрабатываемых бортов карьера при нормативно допустимых деформациях поверхности. Этим требованиям соответствует искусственный массив, который по способу возведения является комбинированным, по составу - композитным, по механическим характеристикам - разнопрочным и разномодульным (рис. 3).

Для обеспечения устойчивости горизонтальных обнажений в основании камеры возводится несущий слой из твердеющей закладки повышенной прочности. Затем, одновременно в выработанное пространство камеры раздельно подаются скальные породы отвалов и твердеющая смесь. Выполненный анализ состояния отвалов Учалинского месторождения показал возможность использования скальных пород отвалов в закладочных работах. В настоящее время объем внутреннего отвала достигает 1,5 млн. м3 породы, вблизи карьера находится несколько миллиардов кубометров пород вскрыши, которые целесообразно утилизировать. Оптимизацией шихты из скальной породы достигается низкий коэффициент компрессии в центре закладочного массива. За счет рационального расположения точек сброса породы относительно контура камеры и сегрегации кусков шихты по периферии выработанного пространства обеспечивается повышенная пустотность. Пустоты заполняются раствором твердеющей закладки с прочностными характеристиками, гарантирующими устойчивость вертикальных обнажений композитного закладочного массива.

Рис. 3 Структура композитного закладочного массива:

1 - твердеющая; 2 - упрочненная породная; 3 - породная; 4 - твердеющая повышенной прочности

Исследования композитных закладочных массивов проводили методом моделирования на эквивалентных материалах на закладочном комплексе Учалинского рудника. С обеспечением геометрического и силового подобия имитировалась закладка вертикальных камер, применяемых при отработке запасов в основании карьера с размерами: 15 (пролет) х 50 (длина) х 40 (высота) м и наклонных камер (с углом наклона 60°) равным размером в трех проекциях - 20 м, рекомендованных для отработки прибортовых запасов.

, При моделировании различных схем подачи скальных пород в выработанное пространство камер изучались особенности распределения фракций по объему массива. На основе результатов исследований с учетом порядка отработки запасов на этаже рекомендованно 5 рациональных схем подачи пород в выработанное пространство, характеризующихся максимальным объемом размещаемой породы при расположении ее наиболее крупных кусков у обнажаемых в последующем стенок камеры.

Установлено, что наибольшую плотность и, следовательно, наименьшую усадку имеют двухкомпонентные составы с соотношением минимального размера крупной фракции к максимальному размеру меньшей 1 : 5 при отсутствии средних кусков. Для выполнения условия сохранения минимального размера большей фракции проведены исследования с помощью переносного ультразвукового прибора типа УК - 14П, направленные на выявление размера минимального структурного блока пород. В кусках пород отвалов различных размеров производилось измерение длительности фронта первого вступления сигнала т и на основе статистической обработки результатов замеров определен средний размер куска, имеющего наименьшее количество дефектов структуры (Ь = 0,2 м). Соблюдая условие оптимального соотношения фракций, максимальный размер меньшей фракции Ъ = 0,04 м. Максимальный размер большей фракции принят равным 0,5 м, учитывая необходимость перепуска породы в подземное пространство по породоспускам.

Экспериментально установлено, что насыпная плотность смеси фракций крупностью > 0,2 м и < 0,04 м в соотношении 1 : 1 под точкой сброса меньше средней плотности пород в массиве лишь на 8 %, за счет чего при высоких деформационных и прочностных характеристиках пород достигается минимальная компрессия закладки.

Формирование зон повышенной пустотности обеспечивается за счет эффекта сегрегации и сосредоточения крупной фракции у стенок камеры. В результате исследований определено, что пустотность породной насыпи, предлагаемого состава, на периферии достигает 50 - 60 %. Моделированием установлено, что ширина зон повышенной пустотности по \ - му сечению определяется: горизонтальным расстоянием от точки сброса породы до стенок камеры 1р, м; высотой камеры, Ьк м; расстоянием от основания

камеры до рассматриваемого сечения, Ь, м; соотношением мелкой и крупной фракции в шихте (рис. 4).

А-А Б-&

< / 1

г..

Г.,

■SJ

d.

П

Рис. 4 Схема к расчету размеров области повышенной пустотности в породной насыпи

Установлено, что различный характер образования зон пустотности обусловлен соотношением параметров 1р и Ьк: при Ьк/ 1р = 1 угол наклона линии границы повышенной пустотности приближается к 90°; при Ьк / 1р >1 линия границы отклоняется в сторону точки сброса; при Ьк/ 1р < 1 линия границы отклоняется в сторону противоположную точке сброса. На основе статистической обработки результатов моделирования получены следующие эмпирические зависимости при Кд = 0,96 - 0,98 для определения ширины зон пустотности:

hK/ lp > 1; s = 1 : 1

1п = = 1,174 hk - 0,051 Ip - 0,008 hc - 43,536, (4)

hK/lp<l; s = 1 :1

1п = 2,069 hk - 1,577 lp - 0,638 hc + 14,728, (5)

hK/lp > 1; s = = 1:2

1п = - 3,738 hk + 0,357 lp + 0,165 hc + 146,891, (6)

hK/lp<l;s = 1:2

1п = = 0,818 hk - 1,294 lp - 0,279 hc + 58,112. (7)

Для установления нормативной прочности твердеющей смеси,

используемой для упрочнения породной закладки и обеспечения вертикальной устойчивости искусственных массивов при их обнажении, напряженное состояние композитного искусственного массива исследовалось

на математических моделях методом конечных элементов в объемной задаче с использованием программы "МРЕРЯ".

Моделировался искусственный массив высотой 20 и 40 м с варьированием параметров длины с!к, ширины камеры Ьк и толщины зоны упрочнения 1п. Нормативная прочность определялась из выражения [Стсж] = К, стпр, где К3 - коэффициент запаса, К, = 2; апр = ^ - а3 - приведенное напряжение в массиве закладки (по теории наибольших касательных напряжений), МПа; Ст] и ст3 соответственно главные максимальное и минимальное напряжения на контуре обнажаемой стенки композитного закладочного массива, МПа. Установлены математические зависимости нормативной прочности твердеющей закладки от основных параметров искусственных массивов при Кя = 0,98:

при Ьк = 40 м

[асж] = 2 (-0,147 1„ + 0,003 с1К - 0,013 Ьк + 1,585); (8)

приЬ)1=20м

[Стсж] = 2 (-0,079 1„ + 0,004 с)К + 0,001 Ьк + 0,610). (9)

Предельные напряжения на контуре композитного закладочного массива с минимальной зоной упрочнения равной 0,5 м не превышают 2 и 3,5 МПа при высоте камер соответственно 20 и 40 м. Снижение максимальных касательных напряжений на контуре вертикальных обнажений на 0,25 - 0,4 МПа по сравнению с массивами из твердеющей закладки обеспечивается за счет более высокого модуля деформации композитного искусственного целика.

Несущий слой в нижней части композитного закладочного массива рассматривался как многопролетная неразрезная плита, свободно опертая и нагруженная статическими нагрузками от собственного веса и веса вышележащего закладочного массива. На основе расчетов по известным методикам толщина несущего слоя при закладке камер с пролетами 15 и 20 м составила соответственно 3,2 и 4,4 м при прочности искусственного массива несущего слоя 5 МПа.

Выполненные расчеты устойчивости борта карьера при его подработке по различным технологическим схемам с возведением композитного искусственного массива в условиях совместного действия гравитационных и тектонических сил показали, что коэффициент запаса устойчивости борта снижается на 5 - 15 % и не ниже нормативно допустимого.

Оценка устойчивости обнажений композитных искусственных массивов проводилась на моделях из эквивалентных материалов в условиях закладочного комплекса Учалинского рудника с обеспечением подобия геометрических и прочностных характеристик закладки, параметров 1к /и, [сгСд] / Уз -Ь, tg (р, где 1к - средний размер кусков породы, м; и - динамическая вязкость твердеющего раствора, Па • с; [асд] - прочность массива из

твердеющей закладки на сдвиг, МПа; у3 - объемный вес твердеющего раствора, Н / м3, й - высота искусственного массива, м; <р -угол внутреннего трения закладки, град.

Экспериментальные значения объемов породной закладки и твердеющей смеси при возведении композитных закладочных массивов по рекомендуемым схемам приведены в таблице 1.

На основе моделирования сделан вывод о целесообразности применения при закладке вертикальных камер высотой 40 м соотношения мелкой и крупной фракций породы 1 : 2, что обеспечивает требуемую устойчивость композитных искусственных массивов при их обнажении за счет увеличения ширины зоны упрочнения, и соотношения 1 : 1 при закладке наклонных камер высотой 20 м.

Таблица 1

Объемы породной закладки и твердеющей смеси в зависимости от схемы подачи пород

№ схемы* Параметры камеры, м Объем породной закладки (м3) при соотношении фракций Объем литой твердеющей смеси, м3 Отношение объема твердеющей смеси к объему калгеры, дол. ед.

1 : 1 1 : 2 1 : 1 1 : 2 1 : 1 1 : 2

0-0,04м 0,2-0,5м 0-0,04м 0,2-0,5м

1 15x40x50м 9500 9500 6300 12700 12900 17300 0,43 0,58

2 -II- 10650 10650 7100 14200 10800 15800 0,36 0,53

3 11250 11250 7500 15000 9750 15000 0,33 0,50

4 -II- 13650 13650 9100 18200 5400 11800 0,18 0,39

5 -II- 12800 12800 8500 17100 7000 12400 0,23 0,41

1 20x20x20м 3100 3100 2100 4100 2400 3850 0,30 0,48

2 3100 3100 2100 4100 2400 3850 0,30 0,48

Анализ таблицы показывает, что оптимальной по экономии твердеющего раствора является схема № 4. Реализация данной схемы обеспечивает требуемое упрочнение всех стенок закладочного массива с экономией твердеющего раствора на 60 % при соотношении фракций 1:2. В случае невозможности размещения породы с кровли камеры, следует применять схемы, предполагающие сброс породы с выработок вентиляционного горизонта. Если требуется обнажение двух широких стенок закладочного массива, целесообразно приметать схему №3, а при обнажении одной стенки - схему №5. Это позволит сэкономить соответственно 50 и 60% твердеющей смеси.

* Примечание: по схемам: №1 порода подается с выработок вентиляционного горизонта с середины торцевой стенки камеры; №2 - то же, с середины широкой стенки; №3 - то же, с двух торцевых стенок камеры; № 4 - порода подается с кровли с трех точек, расположенных равномерно по продольной оси камеры; № 5 - то же, с трех точек, расположенных равномерно по широкой стенке камеры.

Закладка наклонных камер по схемам №1 и Х°2 обеспечит 70 % экономии твердеющего раствора при соотношении фракций 1:1.

Анализ гранулометрических составов отвалов показал, что до 40 % породы внешних и до 60 % внутренних отвалов можно использовать без предварительного дробления. Подготовка будет заключаться в грохочении отвальных пород, транспортировании их по карьерным и шахтным путям и смешивании фракций в заданных пропорциях.

На рис. 5 представлены принципиальные схемы доставки пород отвалов в подземное выработанное пространство при отработке различных участков прикарьерных запасов.

в) г)

Рис. 5 Принципиальные схемы доставки породы в подземные камеры, расположенные в основании (а,в) и в бортах (б,г) карьера

Экономическая эффективность предложенной технологии для условий отработки прикарьерных запасов Учалинского месторождения определяется повышением совокупного дохода подземного рудника за счет сокращения в среднем на 60 % объема твердеющей смеси на цементной основе и замены ее отходами производства (породами отвалов), а также за счет увеличения полноты извлечения запасов месторождения путем вовлечения в отработку запасов приконтурных целиков в бортах карьера (см. рис. 5г). Так как переход на предлагаемую технологию не потребует изменений в существующей схеме закладочного комплекса и для грохочения отвальных пород может быть использовано незагруженное в настоящее время оборудо-

ванне обогатительной фабрики, дополнительных капитальных затрат не предусматривается. Поэтому дисконтирование дохода во времени не требуется.

Увеличение совокупного дохода рудника за период отработки прикарьерных запасов составит:

Д = (Эзакл-Зпор)2/ур+(И-С + АС)дцел , (10)

где Эзаю, - снижение стоимости возведения 1 м3 композитного искусственного массива за счет экономии твердеющей смеси, руб. / м3; Зпор-дополнительные затраты на транспортирование и грохочение скальных пород отвалов, руб. / м3; Ъ - прикарьерные запасы месторождения, Ъ = 27 млн. т; ур -плотность руды, ур=4.1 т/м3; И - извлекаемая ценность руды в приконтурных зонах основания бортов карьера, руб. / т; С - полная себестоимость добычи руды на подземном руднике, по данным за 1997 г. с учетом деноминации 1998 г. С = 121,74 руб/ т; АС - снижение себестоимости 1 т руды за счет перехода на системы разработки с возведением композитного искусственного массива, руб. / т; (2цел - общая величина приконтурных запасов в барьерных целиках бортов карьера, (2,|ел =1,35 млн. т.

С учетом выхода рудника на проектную производительность Огод= 1,4 млн. т/год условный годовой экономический эффект от внедрения предложенных технологических схем составит (табл. 2): ЭЭффек = <Згод Д / 2 , т.е. 346,41 х 1,4 / 27 = 17,96 млн. руб.

Таблица 2

Показатели экономической эффективности предлагаемой технологии

э (ЛК ^ПОр И АС (Э^акл " зп„„)г/уп (И-С + АС) (?,,„ д Ээффек

руб/м3 руб/т млн. руб.

42,87 5,88 188,98 8,92 243,59 | 102,82 | 346,41 17,96x106

Наряду с получением экономического эффекта реализация предложенной технологии позволит снизить экологическую нагрузку на окружающую среду за счет размещения в подземном выработанном пространстве пород отвалов в объеме 200 тыс. м3/ год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научно -технической задачи по технологии управления состоянием прикарьерного массива при подземной разработке ценных руд, основанное на замене рудного массива композитным искусственным, формируемым путем рациональной подачи по одновременной схеме скальных пород и твердеющей смеси. Основные результаты проведенных исследований сводятся к следующему:

1. Доказана возможность и целесообразность отработки прикарьерных запасов ценных руд камерными системами с возведением композитных искусственных массивов при обеспечении устойчивости подработанных бортов карьера, полноты и качества извлечения полезных компонентов, утшшлизации отходов горного производства.

2. Натурными замерами напряжений определено, что рудная и искусственная потолочины в основании карьера вследствие остаточных деформационных процессов не воспринимают полной нагрузки от деформирующихся бортов. Максимальная компонента напряжений в рудной потолочине действует в субширотном направлении и не превышает 5,5 МПа, что в 3,6 раза меньше соответствующего значения, полученного решением упругой задачи. Зона концентрации горизонтальных напряжений смещена в более жесткий нижележащий горный массив.

3. Установлено, что деформации в прикарьерном массиве, подработанном системами с твердеющей закладкой, не приводят к возникновению значимых сдвижений массива. За три года натурных наблюдений относительные деформации в среднем составили 4,5 мм/м.

4. Наблюдениями за состоянием очистных выработок в приконтурной зоне определено, что объем вывалообразований пропорционален количеству массовых карьерных и подземных взрывов, зависит от очередности выемочных работ и контролируется структурной нарушенностью массива. Экспериментально доказано, что превентивное тросовое крепление выявленных зон потенциального вывалообразования является эффективной мерой по обеспечению устойчивости массива.

5. Показано, что технологические решения по управлению состоянием прикарьерного массива должны быть дифференцированы по зонам влияния карьера на напряженно-деформированное состояние массива. По величине интегральных показателей напряженности определены форма и размеры зон с различной степенью влияния в зависимости от высоты и угла откоса борта и величины тектонических сил.

6. Разработаны технологические схемы освоения запасов ценных руд, учитывающие особенности геомеханического состояния элементов систем подземной разработки на различных участках прикарьерного массива, обеспечивающие высокое качество извлечения запасов и утилизацию отходов при снижении затрат на возведение искусственного массива за счет применения композиции из скальных пород отвалов и твердеющей смеси.

7. Расчетами устойчивости подработанного борта карьера показано, что замена рудного массива композитным искусственным по вариантам технологических схем снижает коэффициент запаса устойчивости борта на 5 ч- 15 %.

При этом общий коэффициент запаса устойчивости соответствует нормативному значению. ,

8. Эмпирически установлены зависимости для определения размеров области повышенной пустотности, формируемой за счет эффекта сегрегации, в функции от горизонтального расстояния от точек сброса породы до стенок камеры, ее высоты, расположения горизонтального сечения и применяемого соотношения мелкой и крупной фракции в породной шихте.

9. Решением объемной задачи распределения напряжений и деформаций по массиву искусственного целика установлено, что за счет более высокого модуля деформации композитного целика максимальные касательные напряжения на контуре обнажений уменьшаются на 25 % по сравнению с монолитным целиком, а максимальные нормальные напряжения в центре массива повышаются в 1,35 раз, что свидетельствует о более высокой несущей способности композитного массива и обуславливает возможность снижения требуемой прочности твердеющей смеси.

10. Определены величины напряжений и нормативная прочность искусственного массива на контуре обнажений в функции от ширины зоны повышенной пустотности, упрочняемой твердеющей смесью. При минимальной ширине упрочненного слоя 0,5 м прочность твердеющего раствора должна составлять для камер высотой 20 и 40 м соответственно 2 и 3,5 МПа.

11. Предложен оптимальный состав шихты из отвальных пород, подаваемой в выработанное пространство: соотношение минимального размера крупной фракции к максимальному размеру мелкой должно составлять 1 : 5 при отсутствии промежуточной фракции; при закладке вертикальных камер высотой 40 м соотношение мелкой и крупной фракций должно составлять 1 : 2, при закладке наклонных камер высотой 20 м - 1:1.

12. Разработаны рациональные технологические схемы подготовки и подачи породной закладки и твердеющей смеси из карьера в выработанное пространство в зависимости от порядка отработки и местоположения камер в прикарьерном массиве.

13. Сконструирована новая технологическая схема двухстадийной отработки приконтурных запасов открытыми в карьер камерами с формированием композитных искусственных массивов и пригрузкой откоса борта.

14. Технико-экономическая оценка эффективности вариантов показала, что за период отработки прикарьерных запасов совокупный доход рудника увеличится за счет замены твердеющей закладки комбинированной на 243,59 млн.руб. и за счет сокращения потерь в приконтурной зоне на 102,82 млн. руб. С выходом рудника на проектную производительность 1.4 млн. т. в год годовой экономический эффект от внедрения предложенной технологии составит 17,96 млн.руб.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Рыльникова М.В., Калмыков В.Н., Мещеряков Э.Ю. и др. Опыт подземной разработки прикарьерных запасов Учалинского медноколчеданного месторождения // Горный информационно - аналитический бюллетень. - М.: МГГУ, 1997.-№3,-С. 56-61.

2. Рыльникова М.В., Мещеряков Э.Ю. Снижение вредного воздействия и повышение безопасности горных работ за счет оперативного контроля напряжений методом гидроразрыва // Тез. докл. междунар. научн. - техн. конф. "Экологические проблемы промышленных зон Урала". - Магнитогорск: МГМА, 1997, С. 86 - 87.

3. Рыльникова М.В., Мещеряков Э.Ю. Оценка устойчивости бортов карьера, подрабатываемых подземными горными работами // Тез. докл. межгосуд. научн. -техн. конф. "Проблемы развития металлургии Урала на рубеже XXI века". -Магнитогорск: МГМА, 1996. - С. 47 - 48.

4. Рыльникова М.В., Мещеряков Э.Ю. Влияние природных и технологических факторов на напряженно- деформированное состояние и устойчивость подработанных бортов карьера // Проблемы развития металлургии Урала на рубеже XXI века: Сб. научн. тр. - Магнитогорск: МГМА, 1996. - С. 146 -153.

5. Рыльникова М.В., Мещеряков Э.Ю. К вопросу классификации способов комбинированной разработки месторождений // Горный информационно -аналитический бюллетень. - М.: МГГУ, 1997. - №3. - С. 61 - 67.

6. Якубов В.И., Артыкаев М.Р., Мещеряков Э.Ю. и др. Статистический контроль прочности закладки с учетом ее однородности на подземных рудниках // Подземная разработка мощных рудных месторождений: Межвуз. сб. научн. тр. -Магнитогорск: МГМА, 1997. - С. 53 -59.

7. Калмыков В.Н., Слащилин И.Т., Мещеряков Э.Ю. Параметры и технология формирования искусственного разделительного перекрытия при переходе с открытого на подземный способ разработки // Подземная разработка мощных рудных месторождений: Межвуз. сб. научн. тр. - Магнитогорск: МГМА, 1997.-С. 12-19.

8. Мещеряков Э.Ю., Калмыков В.Н. К вопросу отработки приграничных зон при переходе от одного класса систем разработки к другому // Тез. докл. зональной научн.-техн. конф. "Совершенствование методов поиска и разведки, технологии добычи и переработки руд". - Красноярск: КГАЦМ и 3,1996. - С. 31.