Введение к работе
Актуальность проблемы. При переходе на подземный способ разработки после завершения открытых работ в карьере наибольшие осложнения вызывает выемка прикарьерных,приграничных запасов ввиду возможности образования аэродинамических связей с атмосферой карьера, катастрофического развития процессов сдвижения из-за расположения подземных очистных блоков в горном массиве, находящемся еще до начала очистных работ в состоянии близком к предельному. В особо острой форме все осложнения проявляются на глубоких карьерах. Экономические последствия: себестоимость увеличивается на 30-40 %, потери - 10-15 %.
Ознакомление с опытом производства и проектирования подзем-пых работ в приграничных зонах, состоянием изученности проблем выемки прикарьерных запасов выявило недостаточный уровень их проработки, отсутствие методического обеспечения по проектированию параметров выемки системами разработки с закладкой. В результате увеличивается время на составление проектов, нарушаются сроки ввода подземных рудников, отработка прикарьерных зон переносится на более поздние сроки, что сопрягеяо с дополнительными затратами времени и средств на ввод более удаленных от карьера рудных площадей, консервацией запасов, вероятностью разрыва в добыче месторождений, вынужденным разносом бортов.
Нормализовать ситуацию, снизить остроту проявлений негативных факторов позволяет применение таких технологий подземной разработки, которые обеспечивает прогнозируемый характер развития гзомеханических процессов в прикарьерных массивах пород, устойчивое состояние обнажений, надежную изоляцию очистного пространства. Создание и внедрение таких технологий сопряжено с необходимостью решения комплекса геомеханических вопросов по управлению состоянием массива в условиях совместного влияния открытых и подземных работ, который представляет собой научную проблему управления горным давлением при подземной отработке запасов прикон-турных зон карьеров.
Актуальность настоящей научной проблемы подтверждается включением ее по Постановлению ГКНТ .% 56 от 10 марта 1986 г. в координационные планы фундаментальных научно-исследовательских работ приоритетного направления АН СССР, Минцветмега, Минчермета СССР.
Цель пэботы. Разработка и обоснование принципов проектиро-
вания и методов расчета параметров выемки запасов ппикарьерных зон системами с закладкой, обеспечивающих экономичность, безопасность и полноту извлечения.
Основная идея заключается в учете особенностей карьерного пространства и морфологии приграничных запасов, а также закономерностей развития геомеханических процессов в прикарьерном массиве при выборе и расчете эффективного способа подземной добычи руд в переходной зоне системами разработки с закладкой.
Основные задачи исследований
-
Разработка классификации способов выемки переходных зон.
-
Формулирование принципов проектирования технологических схем отработки прикарьерных зон подземным способом.
-
Исследование напряженного состояния прикарьерного массива на момент завершения открытых работ и обоснование исходіщх данных для проектирования подземных работ.
-
Изучение закономерностей геомеханических процессов в прикарьерном массиве и элементах систем разработки в период производства подземных работ.
-
Обоснование размеров приграничных зон в бортах и дне карьеров.
-
Конструирование рациональных систем разработки с заклад-коп для выемки запасов приграничных зон.
-
Создание инженерных методов расчета параметров подземной выемки прикарьерных запасов.
-
Оценка возможности использования карьерного пространства для целей строительства рудников и отработки переходных зон.
S. Разработка практических рекомендаций, их технико-экономическая оценка и реализация.
Методика и объект исследования. В основу метода исследований положен системный подход к обоснованию методологии проектирования и параметров технологических схем подземной выемки запасов переходных зон во взаимосвязи с процессами добычи открытым способом.
В диссертационной работе применен комплексный метод исследований, включающий анализ и научное обобщение отечественного и зарубежного опыта, теоретические изыскания и экспериментальные исследования в лабораторных и производственных условиях, конструирование, методы научного прогноза, статистическую обработку экспериментальных данных. Окончательные выводы сделаны на основе
технико-экономя^еского анализа результатов с учетом полноты и качества извлечения руды лз недр.
Основные пололения. вы.чостдге на защиту.
-
Технология подземной отработки запасов, прилегающих к предельному контуру погашенню: карьеров (переходные, прикарьер-ные, приграничные зоны), технически осложнена я сопряжена с экономическим удорожанием добычи. Наибольшее негативное влияние геоморфологических, геокеханических, аэродинамических факторов проявляется на расстояниях до 40-50 м от контура карьера.К переходным зонам рекомендуется относить приконтурнне запасы: в бортах карьера - на длину блока, в дне - ка высоту этана.
-
Варианты отработки приграничных зон после постановки карьера в предельное полояеяие являются наиболее технически сложными и экономически наименее выгодными. Целесообразными и безопасными являются варианты заблаговременной, т.е. до постановки карьера в предельное положение, подземной отработки при-карьерных зон и создания на их месте изолирующих и несущих искусственных массивов.
-
В приоткосном массиве с удалением от обнажения на расстояниях до 35-40 и незазисгало от литологкчоского состава и геологического строения пород образуются области разупрочнения.Степень разупрочнения в блкяайшей к откосу зоне достигает 45-75 %.
-
Строительство горизонтов и проходку подготовительных выработок в переходной зоне цалесообразно проектировать из карьерного пространства параллельно с работами по основной схеме вскрытия, что обеспечивает сокращение і на 1,5-2 года; сроков ввода запасов приграничных зон в эксплуатацию.
-
В переходной зоне бортов карьера целики работают в условиях косонаправленных нагрузок, создаваемых подрабатываемыми массивами пород. Они пропорциональны глубине работ, параметрам исходного поля напряжений к пролетам подработки по нормали к откосу.
Наиболее опасными по вывалообразованию являются сопряжение
кровли камеры с барьерным целиком, а гакне верхняя часть дальней от откоса стенки камеры. При системах с закладкоі: благоприятные условия обеспечиваются оставлением барьерных целиков, порядком отработки от г.вссива к откосу, формированием пригру&ающего борт навала пород, располокенлем целиков нормально простиранию бортов.
-
Переходная зона в донной части карьера располагается в области концентрации горизонтальных напряжений. Уровень концентрации определяется величиной горизонтальных напряжений исходного поля, соотношением размеров карьера в плане и его глубиной, а размер зоны по высоте - шириной дна карьера (1,5-2,0 Ср ).
-
Барьерный целик (потолочина) в донной части карьера находится в условиях продольного сжатия. Действие тектонических сил, увеличение высоты камер, угла наклонов бортов карьера ведет к росту нагрузок. Изменение пролетов подработки, мощности целика влияет на характер распределения напряжений по поперечному сечению. Наиболее вероятная форма нарушения устойчивости - разрушение в режиме сжатия.
Достоверность научных положений и результатов обеспечена:
надежностью и представительностью исходных данных;
сравнением полученшх результатов с данными аналогичных исследований и практики в России и за рубежом;
оценкой полученных связей методами математической статистики;
сопоставимостью результатов, полученных различными методам
Научная новизна работы
-
Оценены запасы руд за-предельными контурами погашенных карьеров по степени влияния карьерной выработки на технологию отработки их подземным способом. Показано, что по геомеханическим факторам в наибольшей мере оно проявляется вблизи карьера на расстояниях до 40-50 м от контура.
-
Установлены закономерности распределения напряжений в мае спвах приконтурных зон карьеров на момент постановки их в прєделі ное положение и в процессе отработки приграничных запасов подземным способом, отличающиеся от известных тем, что в них отражено влияние параметров исходного поля напряжений нетронутого массива формы, ориентации, места расположения и геометрических параметре-, очистных и подготовительных выработок, состояния очистного прост ранства, порядка отработки запасов в переходной зоне, наличия пригрузки.
-
Показано, что напряжения в барьерных целиках, формируемы в прикарьерном массиве, выше дна карьера, не достигают больших значений вследствие разгружающего влияния зон опорного давления высокой жесткости консоли трапецевидной формы сечения, образующе
ел при подработке откосов бортов. Степень нагруженности целиков определяется в основном параметрами исходного поля напряжений и пролетами подработки бортов в направлении перпендикулярном откосу. Действие тектонических сил проявляется в увеличении нагрузок на целики, растягивающих напряжений и зон их распространения в дальних от откоса стенках камер, в уменьшении размеров аналогичных зон в кровле камер. Наиболее опасным по внвалообразованию является сопряжение кровли камеры с барьерным целиком.
-
Установлено, что потолочины в донной части карьеров подвержены действию продольных сжимающих сил, вследствие чего при рассмотренных пролетах (до 100 м) на нижних контурах потолочин не фиксируются растягивающие напряженім. Наличие тектонического силового поля, увеличение высоты камер ведет к дополнительной концентрации горизонтальных сжимающих напряжений в режиме опережающего роста их в верхней части сечения. Б стенках камер возникают растягивающие напряжения, максимальные значения которых приурочены к их верхней части.
-
Карьерная выемка отклоняет направление максимальных главных напряжений в прикарьерном массиве от вертикали, в выработках, параллельных борту, это ведет к смещению зон повышенных сжимающих напряжений в верхний ближний и нижний удаленный от откоса участки контура. Зона растяжения охватывает дальнее от борта сопряжение стенки и кровли и простирается на глубину 0,5-1,5 м. В условиях действия тектонических сил отмечается ассиметричное нарушение устойчивости контура.
-
Сформулированы основные методические положения проектирования технологических схем выемки лрикарьерных запасов, заключающиеся в обосновании целесообразности заблаговременной отработки этих зон системами с закладкой; ограничении интенсивности выемки характером деформирования подрабатываемых массивов с тем, чтобы избежать нерегулируемого обрушения; изоляции рудничной атмосферы от карьерной и использовании нагнетательного способа проветривания; планировании производства большей части капитальных, подготовительных и очистных работ по переходной зоне из карьерного пространства; согласовании календарных планов доработки карьерных запасов и развития подземных горных работ в приграничной зоне.
. Практическое значение работы состоит в:
разработке принципов проектирования и методических рекомендаций по способам выемки запасов ценных руд в прикарьерной зоне;
обосновании параметров технологических схем отработки переходных зон, включающих методики расчета барьерных рудных и искусственных целиков в бортах и дне карьера, пролетов обнажений, нормативной прочности закладки при наличии скальной пригрузки и
без нее, мест и объемов нарушении устойчивости подготовительных выработок, параметров сейсмобезопасной технологии;
- разработке способов выемки приконтурных задасов, обеспе-пивающих полноту извлечения и устойчивость подрабатываемых бортов карьера, надекную изоляцию очистного пространства.
Реализация выводов и рекомендаций. Использованы при составлении СредазШПроцветметом (Ташкент) технического проекта Учалин-ского подземного рудника, Гипроникелем (Санкт-Петербург) технологического регламента на отработку переходного этажа, Унипромедью (Екатеринбург) проекта опытно-промышленной отработки приконтурных запасов северного фланга того яо месторождения, технического проекта Сибайского подземного рудника, локального проекта на выемку приконтурных запасов гор.380-469 м, рекомендаций к технологическому регламенту на выемку приконтурных запасов Сибайского карьера, технологического регламента для доработки месторохде-ния "Молодежное", технического проекта на выемку переходного эта-яа Кыштымского месторождения кварва.
С использованием методических разработок автора и при его участии составлена технологическая инструкция по сооружению искусственного разделительного целика на Учалияском карьере.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на Всесоюзной научно-технической конференции "Перспективы развитиягорной техники и технологии, обеспечивающие высокую степень механизации основных и вспомогательных процессов" (Москва, 1983, Г985), научно-техническом семинаре "Горная промышленность и окружающая среда" (Челябинск, 1983), научно-технической конференции "Совершенствование совместной открыто-подземной разработки рудных месторождений" (Кривой Рог, 1984, 1990), Всесоюзном семинаре по измерению напряжений в массиве горных пород (Новосибирск, 1984, Г990), УШ Юбилейной Уральской научно-технической конференция по систе?.;ам подземной разработки руд цветных металлов (Свердловск, 1989), Координационно-методическом совещании институтов-соисполнителей по заданию ОЗ.ОГ.НЗ по Плану НИР ГКНТ СССР (Губкин, 1989), научно-технической конференции "Ресурсосберегающие технологии при подземной отработке полезных ископаемых Севера" (Якутск, 1990), Всесоюзной научно-технической конференции "Теория и практика проектирования, строительства и эксплуатации высокопроизводительных рудников" (Москва, 1990), X Всесоюзной научно-технической конференции "Физические процессы гор-
ного производства (Москва, 1991), межреспубликанском научно-техническом сешйаре "Разработка месторождение системами с закладкой выработанного пространства. Опыт и перспективы" (Екатеринбург, 1992), Межгосударственной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития научно-технического потенциала Южно-Уральского региона" (Магнитогорск, 1994).
Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 32 печатных работы, в том числе I монография, 27 статей, 4 авторских свидетельства на изобретение.
Объем я структура работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и содержит 439 стр., включая 136 рисунков, 48 таблиц и список использованных источников из 187 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.
Диссертационная работа выполнена в Магнитогорском горно-металлургическом институте в І980-Г993 гг. Исследования, представленные в диссертации, выполнялись в рамках хоздоговорных НИР.
Автор выранает глубокую признательность сотрудникам кафедр подземной и открытой разработки месторождений полезных ископаемых за помощь, оказанную при выполнении экспериментальных исследований, а гакке работникам Учалинского горно-обогатительного, Башкирского медно-серного комбинатов, научного и проектного отделов Унипромели, способствовавшим реализации результатов исследований.
