автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.03, диссертация на тему:Управление горным давлением при разработке мощных крутопадающих рудных тел камерной системой

О»

^ ц 0

На правах рукописи

Худяков Сергей Владимирович

УПРАВЛЕНИЕ ГОРНЫМ ДАВЛЕНИЕМ ПРИ РАЗРАБОТКЕ МОЩНЫХ КРУТОПАДАЮЩИХ РУДНЫХ ТЕЛ КАМЕРНОЙ СИСТЕМОЙ

Специальность 05.15.02 - Подземная разработка месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург - 1998

Работа выполнена в Институте горного дела УрО РАН

Научный руководитель -Заслуженный деятель науки и техники РСФСР, доктор технических наук, профессор Н.П. Влох

Официальны оппоненты: доктор технических наук Ю.В.Волков

кандидат технических наук В.А.Осинцев

Ведущее предприятие - ОАО «Уралгипроруда»

Защита состоится « _» АиЬес^ия 1993 г. вМ'2 час. на заседании диссертационного совета К.200.52.01 по присуждению ученой степени кандидата технических наук при Институте горного дела УрО РАН по адресу: 620219, г. Екатеринбург, ГСП-936, ул. Мамина-Сибиряка, 58.

С диссертацинй можно ознакомиться в библиотеке Института горного дела УрО РАН

Автореферат разослан « Л&» ищ^ия 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета,

доктор технических наук Ж Апеничев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Разработка мощных рудных тел наклонного и крутого падения производится, в основном, системами разработки с открытым очистным пространством, с обрушением руды и вмещающих пород при торцевом и площадном выпуске руды и с искусственным поддержанием очистного пространства. Камерная система разработки относится к числу эффективных, производительных систем и характерна простотой конструкции, а также высокой механизацией производственных процессов. С понижением уровня очистных работ происходит рост горного давления, что негативно сказывается на устойчивости камер и поддерживающих целиков. Целики при этом зачастую испытывают предельные нагрузки, приводящие к их самообрушениям. Для исключения таких проявлений горного давления приходится или увеличивать размеры целиков или снижать напряжения в горных породах с помощью специальных мероприятий. Увеличение размеров целиков уменьшает камерные запасы в очистном блоке и снижает эффективность системы. Для снижения напряжений до необходимого уровня на Уральских рудниках широкое распространение получили податливые целики. Однако они были рассчитаны для рудных тел небольшой и средней мощности. В мощных рудных телах, особенно при крутом падении, с увеличением глубины разработки даже при применении податливых целиков в силу особенности их конструкции камерные запасы руды будут меньше 45-55% от всех запасов в очистном блоке, что приведет к неэффективности применения камерном системы для отработки таких рудных тел.

Цель работы - увеличение камерных запасов руды при разработке мощных крутопадающих рудных тел.

Идея работы - использование двухстадийной выемки

камерных запасов на основе установления закономерностей распределения напряжений в податливых целиках для повышения эффективности системы разработки.

Научные положения защищаемые в работе:

- использование податливых целихов позволяет применять вторичные камеры, что обеспечивает эффективность камерных систем разработки мощных рудных тел за счет увеличения камерных запасов;

- величина коэффициента концентрации напряжений по контуру податливого целика обратно зависит от его угла наклона;

- величина напряжений по контуру первичной камеры обратно пропорциональна углу падения рудного тела;

-толщина потолочины прямо пропорциональна увеличению пролетов вторичных камер и обратно пропорциональна уменьшению ширины мевдукамерных целиков между ними.

Достоверность научных положений подтверждена сходимостью теоретических, лабораторных и натурных данных, полученных с помощью современных методов исследований, внедрением результатов исследований в практику.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- теоретически обоснована конструкция податливого целика со

вторичными камерами и предложен метод расчета предельных пролетов этих камер;

- установлена зависимость толщины потолочины от параметров вторичных камер и целиков меаду ними;

- установлены оптимальные углы наклона контура податливого целика со вторичными камерами;

- исследовано влияние мощности и угла падения рудного тела на напряженно-деформируемое состояние податливого целика.

Практическая значимость работы заключается в том, что:

- позволяет определять параметры потолочин и вторичных камер;

- обеспечивает увеличение камерных запасов в очистном блоке на 10-15% за счет применения податливых целиков со вторичными

камерами.

Реализация результатов работы. Внедрение предложенного варианта камерной системы разработки осуществлялось на шахте Естюнинская Высокогорского ГОКа и на шахте Западный Каражал Атасуйского ГОКа, на которых были улучшены технико-экономические показатели.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены на 111 Всесоюзном семинаре по горной геофизике (Батуми, 1985 г.), на 1Х Всесоюзном семинаре по измерению напряжений в массиве горных пород (Новосибирск, 1985 г.), на Всероссийской конференции по управлению напряженно-деформированным состоянием массива горных пород при открытой и подземной разработке месторождений полезных ископаемых (Екатеринбург, 1994 г), на Международной конференции "Геомеханика в горном деле - 96" (Екатеринбург, 1996 г.), на Международной конференции «Проблемы геотехнологии и недроведения» (Екатеринбург, 1998 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 разделов и заключения, изложена на 104

страницах машинописного текста, содержит 22 рисунка и 12

таблиц, список использованных источников из 73 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Камерные системы разработки занимают одно из ведущих поло жений в добывающей отрасли. На основании геомеханического анализа камерных систем разработки при отработке мощных рудных тел выявились препятствия для дальнейшего успешного и эффективного применения этих систем, приводящие к уменьшению камерных запасов полезного ископаемого.

Применяемые на большинстве рудников поддерживающие целики зачастую испытывают предельные нагрузки, приводящие к самообрушениям. Приходится или увеличивать размеры целиков, что неминуемо приведет к возрастанию потерь полезного ископаемого, или для снижения напряжений до безопасного уровня проводить специальные мероприятия. К таким мероприятиям можно отнести, например, создание разгрузочных щелей или, что более эффективно, применение податливых целиков, хорошо себя зарекомендовавших на рудниках Уральского региона при отработке рудных тел средней мощ ности. Однако в мощных рудных телах, особенно при их крутом зале гании, из-за особенности конструкции известных податливых целиков в камерах окажутся менее 45-55% всех запасов руды очистного блока, что является препятствием для эффективного применения камерных систем разработки.

В мощных крутопадающих рудных телах исследования по управлению напряженным состоянием за счет создания податливости целиков не производились. Данная работа посвящена этому вопросу с целью увеличения камерных запасов и обеспечения устойчивых параметров камерной системы при разработке мощных рудных тел . Для решения поставленных задач применена методика, включающая в себя натурные исследования, применение численных методов с привлечением ЭВМ и моделирование на фотоупругих материалах. Выббр объектов исследований производился по горно-геологическим характеристикам месторождений, имеющих мощные рудные тела наклонного и крутого падения. К наиболее типичным из них можно отнести два месторождения:

- Западно-Каражалское, находящееся в центральной части Республики Казахстан.

- Естюнинское, расположенное на Урале.

Для получения наиболее рациональных параметров очистных блоков

при камерной системе разработки и их дальнейшего совершенствова

ния были проведены испытания физико-механических свойств горных пород и определено их первоначальное напряженное состояние.

Определение физико-механических свойств пород на месторождениях проводилось в лабораторных условиях по известным методикам. Образцы изготовлялись из штуфов пород, взятых непосредственно с мест определения напряжений, действующих в массиве горных пород. Для создания равномерности нагружения на образец Сэыли изготовлены специальные обоймы. Поперечные и продольные деформации определялись с помощью электротензорезисторов. Испытаниям подвергались 255 образцов по Западно-Каражалскому месторождению и 410 - по Естюнинскому. Испытания показали, что

породы слагающие месторождения, крепкие и весьма крепкие, и спс собствуют применению камерной системы разработки. Модуль упру гости массива горных пород для определения величины деформаци! в срезаемой части потолочины находился в шахтных условиях. Дл; этого были заложены наблюдательные станции, состоящие из репер ных линий большой протяженности

(25-30м) и установленных на глубину до 1,5 м фотоупругих датчиков.

Напряженное состояние массива горных пород определялось мето дами щелевой разгрузки и электрометрией. На Западно-Каражалскол месторождении измерениями было охвачено 5 горизонтов, на Естю нинском - 3. Полученные методом щелевой разгрузки напряжения действующие на контуре выработок пересчитывались методом при ближений на напряжения, действующие в массиве. По результатам^ полученных напряжений в массиве построены графики изменения на пряжений с глубиной (Рис.1), позволяющие прогнозировать первона чальные напряжения на нижележащих горизонтах. Определение напряжений, действующих в массиве горных пород, методом электрометрии подтвердило результаты, полученные с помощью щелевой разгрузки. Расхождение результатов не превысило 10-15% .

Применение податливых целиков, используемых при отработке рудных тел средней мощности, в мощных крутопадающих рудных телах вынуждает уменьшать камерные запасы в блоке. Для избежания этого негативного явления предложено часть податливых целиков вы нимать так называемыми «вторичными камерами» (Рис.2).

Расчеты по установлению оптимальной длины пролета первичной камары, при которой обнажение висячего бока будет в устойчивом состоянии, производились с учетом физико-механических свойсте горных пород и их напряженного состояния. Несущими нагрузку висячего бока являются междублоковые целики. Напряжения в междубло-

Графики изменения напряжений с глубиной а) Западно-Каражаяское месторождение

6) Естюнинское

о ю га зо ла 50 ее чо ад

100 го о зоо АОО

- ГОР. »68 га-

ГОРД Ом

¡1!

¿¿Л

t

Разрез по камере ,1?2 б.я.19 шахты Западный Каражал

новом целике находились в зависимости от задаваемого пролета ¡¡ер зичной камеры. График изменения напряжений в МИ1 я зависимости

от пролета первичной камеры для ьевгоршадшигм Нападлый Каражиг представлен на рис. 3.

¿,Ша

50 1.0 30 10 •ш

/[¿]с«с

А*

6 ц - №1РЯХ№№Я <5 МЫ ; [¿]чс- нрэд*ап < опчиас.!?: '/¡Ь;

г?

-ЙС.З

Сравнивая эти напряжения о пределом прочит* ^ цоиика допаши вывод об его устойчивости. В случае превышение предела прочное! V, целика необходимо уменьшить пролег первичной камеры и повтори г» расчет. Увеличение размеров междублокового целика нежелательно, так как камерные запасы в очистном блоке пр«5 этой уменьшай)«. Анализ результатов моделирования показал, что для Западно-Каршкшюкош месторождении уюой'шшн;»». »¡¡гри'л «иии камеры : ¡зчдаггатер п'ри ее длине равъой Вй г/ , дня по)IV,пехоте 1?е> м.

I Ирахшка применения камерной «иил»в1я ршрз&шп а мхщиит^Ш' целиками при отработке рудных гол средней мощносш показывав,, •1 г» сраззгсш» част потолочины у 'луь:ичигп !>»ж.,1 и* м«п'жи" .¡г/от жать Ь ( ~ы Для уточнения эюго размера орм шрййик« пу-

нш гем Ьы,- ироооло); расч«! юищ*; ¡.и цроз^амол •.«.•:!л, етааила 5 й м .

Дли определения опгимапымй имицикм шжжо-адт» «мрунипл к-о меры нро«о«ено магоматачест" моп«'-т?ю«ан№} по нриерамме

о

к 0

Е1ав(-2. Было просчитано четыре варианта, в которых изменяли« пролеты вторичных камер и размеры целиков между ними. По резуль татам исследований построены графики коэффициентов концентра ции напряжений, действующих в нижней части потолочины (рис.4). Пс

этим графикам по задаваемым пролетам вторичных камер находите? необходимая толщина потолочины.

Одно из слабых мест в конструкции податливого целика, с точм

зрения его устойчивости, является его торец, воспринимающий ос

новнуго чаегь нагрузки. Для нахождения оптимального угла наклон« торца податливого целика была создана объемная фотоупругая мо дель из уретанового каучука (СКУ -6). Угол наклона торца изменяло? от 90 до 50 град. По результатам моделирования построены графим

коэффициентов концентрации напряжений (Рис.5) и установлено, чте коэффициент концентрации напряжений не может превышать 3.7 Анализ графиков показал, что оптимальным углом наклона торца податливого целика является угол, близкий к 70 град. Торец этого целика будет устойчив и при его углах более 70 град., но увеличение угла приведет к уменьшению камерных запасов в блоке.

Влияние шщкое™ и угла падения рудного тела на напряженное состояние в конструктивных элементах очистного блока исследовалось численными методами с применением ЭВМ. Мощность рудной толщи принималась равной 40, 50, 60 м , а угол падения задавался в 45,55, 65 град. Рассматривалось распределение напряжений в горных породах, действующих вкресг простирания рудного тела. Анализ моделирования показал, что с увеличением угла падения рудного тела, растягивающие напряжения на контурах обнажений существенно уменьшаются. Наибольшая устойчивость конструктивных элементов камерной системы разработки со вторичными камерами и податливыми целиками достигается при ушах падения рудного тела более 55 град.

Графики коэффициентов концентрации напряжений в нижней части потолочйны

4

г

-2 Кпо

кпу " В 1самеРы К - над центром камеры

Податливый целик С а ), графики коэффициентов концентрации напряжений ( б )

а)

б) К

О

Kj, 1^2 - камер» соот стленно перличная и r ная;

i - толщина срезаемой части потолочины

<к

г

лГ" %

>

12345670 Точки замеров I- 6=50° 2- 9 = 60° 3-8 = 70° 4- 6 = 80° 5- 8 = 90° Рис. 5

Мощность рудного тела значительного влияния на устойчивость обнажений не оказывает.

Промышленная проверка и внедрение лабораторных исследований на шахте Естюнинская проводилась в опытных блохах №8 гор. -60 м и №6 гор. -120 м . В блоке №8 первичная камера была пройдена на всю длину блока с одновременным срезом потолочинного целика. Это привело к тому, что нагрузка на рудный массив, оставшийся у лежачего бока, снялась полностью. Отбойку вторичной камеры начали с 17 метровой ее ширины с подзиганием фронта работ от первичной камеры к лежачему блоку и оставлением потолочины толщиной 15 м. После того, как убедились в устойчивости потолочины, ширина вторичной камеры была доведена до 33 и.

Первичную камеру в блоке №8 на зсю длину блока оформить было невозможно, так как днище вышележащего этажа имеет в плане ломаную линию, а для обеспечения податливости потолочины необходимо иметь плавный, без резких перегибов, контур вышележащего отработанного этажа. Поэтому было решено отбить в блоке две вторичные камеры шириной 38 и 40 м, разделенные «жестким» целиком шириной 22 м, а также предусмотреть возможный перепуск обрушенных пород с вышележащего этажа во вторичную камеру с дальнейшей отработкой жесткого целика путем массового взрыва на «зажатую среду». Для уменьшения сейсмического эффекта отбойка руды во вторичных камерах производилась технологическими взрывами via более двух веероз скважин. Применение предложенного варианта этажно-хамернсй системы разработки позволило отработать опытные блоки на шахте Естюнинская без динамических проявлений горного давления и повысить камерные запасы в очистных блоках а среднем на 15% .

1А

Промышленная проверка лабораторных исследований на шахт Западный Каражал проводилась при выемке блоков №18 и №19 гор. +170 м. В ходе очистных работ из-за отклонений от рекомендованных параметров в опытных блоках произошли частичные самооб рушения. Это стало возможным потому, что вместо рекомендованнс 5-6 метровой срезаемой части потолочины на руднике этот размер местами достигал 15-20 м, т.е. потолочина у висячего бока работал« не в режиме среза, а как жесткий целик уменьшенных размеров и бь па раздавлена, так как напряжение срезаемой части достигало 190 МПа, что значительно превышает предел прочности горных пород п сжатии. По предложенному варианту камерной системы разработки рудник отработал лишь 2/3 запасов руды в блоках, остальные пришлось добывать системой с отбойкой на «зажатую среду».

Для наблюдения за срезом потолочины у висячего бока на рудник, были оборудованы наблюдательные станции с глубинными реперам В целом, промышленная проверка рекомендаций, сделанных в диссертации, показала, что камерная система разработки с податливые целиком и вторичными камерами является перспективной при отработке мощных крутопадающих рудных тел в условиях большого горн го давления.

Расчет эффективности применения данного варианта на рудника» производился согласно «Инструкции по определению экономическое эффективности «епонй>30ваний в черной металлургии новой техники, изобретена?! vj рационализаторских предложений». Проведенный pas чет экономической эффективности для шахты Западный Каражал по казан, что на каждые 800 тыс. т добытой руды потери ее уменьшились на 12% и экономический эффект составил около 250 тыс. рублей в ценах 1990 года. Для шахты Естюнинская эти показатели а ответственно составили 15% и около 320 тыс.рублей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненный в диссертационной работе комплекс исследователь-сих работ позволил научно обосновать возможность и целесообраз-эсть применения для разработки мощных крутопадающих рудных теп мерной системы с податливыми целиками и вторичными камерами с глью увеличения камерных запасов руды в условиях повышенного гор-то давления. Основные научные и практические результаты дмссер-¡ученной работы заключаются в следующем:

1. Испытания физико-механических свойств пород и руд, сгагаю их месторождения, в лабораторных условиях выявили, что горные по->ды на рассматриваемых месторождениях крепкие и весьма крепкие, эдуль упругости горных пород, определенный натурными испытания-1 в шахте, примерно в два раза меньше модуля упругое™ найденный 'И испытании образцоз.

2. Для определения напряжений в массиве горных пород были именены методы щелевой разгрузки и электрометрии, позволяющие оизводить измерения за сравнительно короткое время с достаточной чностью. Разброс данных, полученных напряжений этими методами, превысил 10-15%.

3. Проведено обоснование применения камерной системы разра-тки з мощных рудных телах крутого падения с применением податли-х целиков и вторичных камер. Исследование устойчивости обнажений □водилось математическим моделированием с применением ЭВМ на ьемной модели из уретанового каучука СКУ-6.

4. Определены предельные пролеты первичной и зторичиых камер Злоке, а также оптимальная толщина потолочины в зависимости от змеров междукамерных и междублокозых целиков для каждого объек-исследозаний.

5. Найден оптимальный угол наклона обнажения податливого це-<а, равный 70°, обеспечивающий его устойчивость.

6. Установлена закономерность распределения напряжений в конструктивных элементах очистного блока от мощности и угла падения

рудного тепа. Наибольшая устойчивость висячего бока достигается при yiviax падения рудного тела более 55°.

7. Лабораторные исследования с применением численных методов и фотоупругого моделирования с использованием экспериментально получанных натурных данных физико-механических свойств и напряженного состояния мзссиза горных пород рассматриваемых месторождений, позволили установить возможность, целесообразность и эффективность применения камерных систем с податливыми целиками для разработки мощных рудных тел крутого падения.

8. Проверка теоретических исследований по параметрам системы разработки и устойчивости обнажений на месторождениях Западный Ка-ражал и Естаэшнеюм дзет уверенность, что при соблюдении рсех рекомендованных параметров очистного блока и порядка его отработки камерная система с податливыми целиками и вторичными камерами может успешно применяться для разработки любых мощных рудных тел наклонного и крутого падения, имеющих аналогичные условия. Доля камерных запасов при этом увеличивается на 10-15% по сравнению с обычной камерной системой и жесткими целиками.

ОСНОВНЫЕ положения ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ в

IУУБОТАХ

1, Комплексное исследование напряженного состояния массива горных пород железорудных шахт Урала методом электрометрии и щелевой разгрузки / влзх Н.П., Скрипченко В.В. Худяков C.B. и др. // Горная геофизика: Тез. докл. ■• Батуми, 1985. - с.17-18.

2. Прогноз ударооласкоети выработок на основе измерения первоначальных напряжзчий на рудниках HTMKI Влох Н.П., Зубков A.B., Худя-

ков C.B. и др. // Исследование напряжений в горных породах : Сб.науч. тр. - Новосибирск :ИГД СО АН ССР, 1985. -е.29-38.

Липин Я.И., Зубков A.B., Худяков C.B. Управление НДС лри выемке рудных залежей в тектонически напряженных породах // Управление НДС горных пород при открытой и подзавдой разработках полезных ископаемых: Всероссийская :<онф Тез. дохл - Новосибирск - Екатеринбург, 1994. - с .93-94.

Липин Я.П., Худяков C.B., Черных В.А. Особенности управления НДС массива пород при отработке месторождения Западный Харажал // Управление НДС массива скальных пород при разработке месторождений полезных ископаемых и строительстве подземных сооружений: Международная конф. Геомеханика в горном деле: Тез. док. - Екате-зинбург, 1996,-с. 115-116.

5. Худяков C.B. Влияние мощности и угла падения рудного тела на напряженное состояние конструктивных элементов камерной системы разработки со вторичными камерами // Управление НДС массива скальных пород при разработке месторождений полезных ископаемых и строительстве подземных сооружений: Международная конф. Геомеханика в горном деле' Тез док. - Екатеринбург, 1996,- с. 137-138.

. Современные проблемы отработки месторождения Западный Ка • ражал и путей их решения / Блох Н.П., Липин Я.И., Худяков С В., Черных В.А. // Проблемы геотехнологаи м недрозедения. (Мзпьниховские чтения). Доклады шзадународкой конференции, Ч 10 тля 1998г." Екатеринбург:УрО РАН, Ш8. -е.Гм-88.

Уральское Отделение РАН ИНСТИТУТ ГОРНОГО ДЕЛА ( ИГД)

На правах рукописи

ХУДЯКОВ СЕРГЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

УПРАВЛЕНИЕ ГОРНЫМ ДАВЛЕНИЕМ ПРИ РАЗРАБОТКЕ МОЩНЫХ КРУТОПАДАЮЩИХ РУДНЫХ ТЕЛ КАМЕРНОЙ СИСТЕМОЙ

Специальность 05.15.02 - Подземная разработка месторождений

полезных ископаемых

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор, Влох Н.П.

Екатеринбург, 1998 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................................................................................4

1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА..........................................................8

1.1. Геомеханический анализ камерных систем разработки

при отработке мощных рудных тел..................................................................8

1.2. Цель и задачи исследований.......................................... 12

2. ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД С МОЩНЫМИ РУДНЫМИ ТЕЛАМИ....................................Г........................ 13

2.1. Краткие геологические характеристики месторождений. 13

2.2. Определение физико-механических свойств пород

на месторождених.......................>....................................... 14

2.3. Напряженное состояние массива пород на рудниках..........22

2.3.1.Исследование напряженно-деформированного состояния (НДС) массива горных пород на Западно-Каражалском месторождении........................................... 22

2.3.2. Исследование НДС массива горных пород на Естюнинском месторождении............................................ 27

2.4. Выводы........................................................................................................................33

3. ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ

ЭЛЕМЕНТОВ МЕЖДУЭТАЖНЫХ ЦЕЛИКОВ......................... 35

3.1. Обоснование применения моделирования при решении

поставленных задач..........................л......................................................................35

3.2. Обоснование применения камерной системы разработки со вторичными камерами..............................................................................................................38

3.3. Определение пролета первичной камеры и ширины барьерного целика в очистном блоке....................................................................39

3.4. Определение толщины потолочины вторичных камер в зависимости от их ширины и размеров целиков, расположенных между ними.................................................... 48

3.5. Определение оптимального угла наклона стенки

самосрезающегося податливого целика для повышения

его устойчивости.................................................................

3.6. Влияние мощности и угла падения рудного тела на напряженное состояние конструктивных элементов

очистного блока......................................................................... 60

3.7. Выводы...................................................................................... 66

4. ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРОВЕРКА ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ........................................................................... 68

4.1. Горно-геологическое описание экспериментальных участков на объектах............................................................... 68

4.2. Проектные решения отработки опытных участков с учетом конкретной горно-технической обстановки............................ 69

4.3. Проведение экспериментальных работ на месторождениях. 78

4.4. Анализ проведенных промышленных экспериментов.......... 85

4.5. Выводы..................................................................................... 89

5. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРЕДЛАГАЕМОЙ ГОРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ............................................................... 91

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................... 94

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.............................. 96

ВВЕДЕНИЕ

Разработка мощных рудных тел наклонного и крутого падения производится, в основном, системами разработки с открытым очистным пространством, с обрушением руды и вмещающих пород при торцевом и площадном выпуске руды и с искусственным поддержанием очистного пространства. Камерная система разработки относится к числу эффективных, производительных систем и характерна простотой конструкции, а также высокой механизацией производственных процессов. С понижением уровня очистных работ происходит рост горного давления, что негативно сказывается на устойчивости камер и поддерживающих целиков. Целики при этом зачастую испытывают предельные нагрузки, приводящие к их самообрушениям. Для исключения таких проявлений горного давления приходится или увеличивать размеры целиков или снижать напряжения в горных породах с помощью специальных мероприятий. Увеличение размеров целиков уменьшает камерные запасы в очистном блоке и снижает эффективность системы. Для снижения напряжений до необходимого уровня на Уральских рудниках широкое распространение получили податливые целики. Однако они были рассчитаны для рудных тел небольшой и средней мощности. В мощных рудных телах, особенно при крутом падении, при применении этих податливых целиков в силу особенности их конструкции камерные запасы руды уменьшатся до 45-55% от всех запасов в очистном блоке, что приведет к неэффективности применения камерной системы для отработки таких рудных тел.

Цель работы - увеличение камерных запасов руды при разработке мощных крутопадающих рудных тел.

Идея работы - использование двухстадийной выемки камерных запасов на основе установления закономерностей распределения напряжений в податливых целиках для повышения эффективности системы разработки.

Научные положения защищаемые в работе:

- использование податливых потолочинных целиков и вторичных камер обеспечивает эффективность камерных систем разработки мощных рудных тел за счет увеличения камерных запасов;

- величина коэффициента концентрации напряжений по контуру податливого целика обратно зависит от его угла наклона;

- величина напряжений по контуру первичной камеры обратно пропорциональна углу падения рудного тела;

-толщина потолочины прямо пропорциональна увеличению пролетов вторичных камер и обратно пропорциональна уменьшению междукамерных целиков между ними.

Достоверность научных положений подтверждена сходимостью теоретических, лабораторных и натурных данных, полученных с помощью современных методов исследований, внедрением результатов исследований в практику.

Научная новизна работы:

- теоретически обоснована конструкция самосрезающегося податливого целика со вторичными камерами и предложен метод расчета предельных пролетов этих камер;

- установлена зависимость толщины потолочины от параметров вторичных камер и целиков между ними;

- установлены оптимальные углы наклона контура самосрезающегося податливого целика со вторичными камерами;

- исследовано влияние мощности и угла падения рудного тела на напряженно-деформируемое состояние податливого целика.

Практическая значимость работы

заключается в том, что: - позволяет определять параметры самосрезающихся потолочин и вторичных камер;

- обеспечивает увеличение камерных запасов в очистном блоке на 10-15%.

Реализация результатов работы. Внедрение предложенного варианта камерной системы разработки осуществлялось на шахте Естюнинская Высокогорского ГОКа и на шахте Западный Каражал Атасуйского ГОКа, и были улучшены технико-экономические показатели.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены на Уральской зональной конференции молодых ученых и специалистов по механике сплошных сред (Пермь, 1980 г.), на 111 Всесоюзном семинаре по горной геофизике (Батуми, 1985 г.), на 1Х Всесоюзном семинаре по измерению напряжений в массиве горных пород (Новосибирск, 1985 г.), на Всероссийской конференции по управлению напряженно-деформированным состоянием массива горных пород при открытой и подземной разработке месторождений полезных ископаемых (Екатеринбург, 1994 г) и на Международной конференции "Геомеханика в горном деле - 96" (Екатеринбург, 1996 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано б печатных работ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 разделов и заключения, изложена на 104 страницах машинописного текста, содержит 22 рисунка и 12 таблиц, список использованных источников из 73 наименований.

Диссертационная работа выполнена автором по результатам исследований, в которых он принимал непосредственное участие в качестве исполнителя и ответственного исполнителя научно-

исследовательских работ, проводимых в соответствии с тематическими планами Института горного дела УрО РАН и заданиями ГКНТ под научным руководством Заслуженного деятеля науки и техники РСФСР, лауреата Государственной премии СССР, профессора, доктора технических наук Н.П.Влоха.

Автор выражает благодарность сотрудникам лаборатории горного давления ИГД УрО РАН, принимавших участие в лабораторных и производственных экспериментах, а также инженерно-техническому персоналу шахт Западный Каражал и Естюнинская при проверке экспериментальных данных в шахтных условиях.

1. ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ КАМЕРНЫХ СИСТЕМ

РАЗРАБОТКИ ПРИ ОТРАБОТКЕ МОЩНЫХ РУДНЫХ ТЕЛ

Наиболее часто при разработке мощных рудных тел применяются системы с открытым очистным пространством, с обрушением при торцевом и площадном выпуске руды и искусственным поддержанием очистного пространства.

Последние два класса не получили широкого распространения из-за отсутствия в достаточном количестве самоходной техники при торцовом выпуске руды и большими потерями и разубоживанием руды при площадном выпуске руды [ 1-6 ].

Камерная система разработки относится к числу эффективных и производительных систем и характеризуется простотой конструкции и технологии очистных работ, высокой механизацией производственных процессов и безопасными условиями труда [ 7-10 ].

Изучение отечественной и зарубежной практики добычи полезных ископаемых подземным способом выявило широкое распространение системы разработки с открытым очистным пространством. Камерной системой разработки в России и странах СНГ добывают около 30% железной руды, до 75% фосфоритов и калийных солей и около 50% руд цветных металлов. В странах дальнего зарубежья различными вариантами камерных систем разработки добываются цветные и полиметаллические руды от 24% (Япония ) до 75% ( ЮАР ). [11-13].

На дальнейшее распространение камерной системы разработки отрицательное влияние оказывает в одних случаях ухудшающаяся горно-геологическая обстановка на рудниках, в других - рост напряженного состояния в массиве горных пород, связанного с углублением горных работ, в третьих - оба этих фактора. Это приводит к самообрушениям целиков и увеличению потерь и разубоживания руды. Для предотвра-

щения самообрушений на ряде месторождений стали увеличивать размеры целиков в ущерб запасам руды в камерах [14 ].

По оценке академика М.И.Агошкова предел эффективности применения камерных систем достигается при 45-55% запасов руды в целиках [ 15 ]. Такого предела достигли на рудниках Кривбасса. Участились случаи самообрушения стенок камер и целиков на рудниках им.Дзержинского, им.Кирова, им.К.Либнехта в Криворожском бассейне, где доля камерных запасов уменьшилась до 48-51%. Однако, на шахтах рудоуправлений им.Ленина,им.ХХ Партсъезда, им.Коминтерна этажно-камерная система остается одним из основных способов добычи руды без снижения ее качества [16-18 ].

Одной из причин успешного применения камерных систем на указанных рудниках является установление закономерностей изменений с глубиной напряжений в массиве горных пород и в элементах системы, а также геомеханические исследования устойчивости обнажений и целиков, которые позволяют разработать эффективные мероприятия по повышению устойчивости обнажений, предотвращения горных ударов и обеспечить безопасную и экономически выгодную добычу полезного ископаемого на больших глубинах [19-22].

При добыче полезных ископаемых на Кавказе, Средней Азии и Казахстане системами разработки с открытым очистным пространством выявлено, что очистная выемка эффективна, когда при определении параметров целиков, поддерживающих очистное пространство, учитывается фактическое напряженное состояние массива [23-29].

На рудниках Молодежный, Октябрьский, Заполярный, Дарасун-ский, расположенных в Сибири и Заполярье, наряду с изучением структурных и деформационных характеристик учитывается и фактор горного давления. Так на Синюхинском месторождении цветных металлов такие исследования позволили увеличить длину панели с 50 до 80 метров при

ширине ленточных целиков и камер соответственно 5 и 50 метров [3031].

На месторождениях Урала камерные системы разработки нашли широкое распространение. Однако в начальной стадии отработки месторождений часто происходило разрушение целиков из-за несоответствия фактического напряженного состояния этих целиков и прочностных характеристик горных пород. Было неоправданное завышение размеров поддерживающих целиков, что приводило к снижению камерных запасов [32-35]. Так на шахте Валуевская при увеличении глубины очистных работ с 140 до 270 метров камерные запасы снизились с 75 % до 46 % [32]. В результате разработок ряда институтов и технических служб предприятий были найдены технические решения, позволяющие эффективно использовать камерные системы разработок не увеличивая размеры поддерживающих целиков [36-38]. В ИГД МЧМ СССР ( ныне ИГД УрО РАН ) создана методика расчета параметров целиков, учитывающая фактическое напряженное состояние массива пород, а также различные конструкции податливых целиков, что позволило увеличить камерные запасы в среднем на 20 % и снизить напряжения в целиках при отработке рудных тел средней мощности [39-44].

Системы с открытым очистным пространством широко применяются и в странах дальнего зарубежья. Глубина разработки при этом зачастую превышает 1000 метров, а на руднике Морро-Вальхо достигает 2800 метров. Высота камер варьируется от 30 до 150 метров, длина составляет в среднем 20-25 метров, ширина целиков 10-20 метров [5, 8-10, 13, 45,46]. Уделяя большое внимание исследованию горного давления и проводя профилактические мероприятия по его снижению на некоторых рудниках удалось отказаться от дорогостоящих и трудоемких систем разработки с закладкой выработанного пространства, например на руднике 12 комбината Брансуик ( Канада ) или на руднике Маунт Айза (Австралия ) [9-10]. Кроме этого часть рудников, применяя систему этажно-

го самообрушения, из-за большого выхода негабарита и затратами на вторичное дробление перешли на камерную систему разработки, например на руднике Фэбиен ( Швеция ) [ 8 ].

Подводя итоги анализа применения в горном производстве камерных систем разработок можно отметить, что эти системы эффективны при добычи полезных ископаемых из месторождений большой мощности с устойчивыми вмещяющими породами. В целом, анализируя камерные системы разработки по геомеханическим критериям, можно отметить, что глубина отработки большинства месторождений составляет в среднем 500-700 метров, а на некоторых рудниках достигает 1000 и более метров. При таких глубинах происходит резкий прирост напряжений в конструктивных элементах системы разработки, что негативно отражается на устойчивости целиков и кровли камер. Применяемые на большинстве рудников поддерживающие целики шириной 10-15 метров, имеющие потолочину толщиной 8-15 метров, зачастую испытывают предельные нагрузки, приводящие к самообрушениям. Приходится или увеличивать размеры целиков, что неминуемо приведет к возрастанию потерь полезного ископаемого, или для снижения напряжений до безопасного уровня проводить дорогостоящие и трудоемкие профилактические мероприятия. К таким мероприятиям можно отнести , например, создание разгрузочных щелей или применение податливых целиков, хорошо себя зарекомендовавших на рудниках Уральского региона при отработке рудных тел средней мощности. Однако в мощных рудных телах, особенно при их крутом залегании, из-за особенности конструкции известных самосрезающихся податливых целиков в камерных запасах окажутся менее 45-55% всех запасов руды очистного блока, что является препятствием для эффективного применения камерных систем разработки.

1.2. Цель и задачи исследований

Камерные системы разработок занимают одно из ведущих положений в добывающей отрасли. На основании геомеханического анализа камерных систем разработки при отработке мощных рудных тел выявились препятствия для дальнейшего успешного и эффективного применения этих систем, приводящие к уменьшению камерных запасов полезного ископаемого. Целью данной диссертационной работы является увеличение камерных запасов руды при разработке мощных месторождений наклонного и крутого падения.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать физико-механические свойства горных пород, позволяющие применять камерные системы разработки, на месторождениях, имеющих мощные рудные тела наклонного и крутого падения;

2. Определить первоначальное напряженное состояние массива пород;

3. Исследовать закономерности распределения напряжений в междуэтажном целике;

4. Разработать конструкцию камерной системы с увеличенными запас