Моделирование и мониторинг породных конструкций по геомеханическому фактору при отработке пологих залежей

Полный текст

Введение Разработка месторождений руд редких, благородных и цветных металлов, сложенных пологозалегающими рудными телами малой мощности, характеризуется стабильным ухудшением технико-экономических показателей, снижением качества добываемых руд в первую очередь за счет разубоживания и увеличения опасности работающих. Ограниченные размеры очистного пространства и морфологические особенности оруденения препятствуют применению современной техники [1-3]. В таких условиях традиционно применяют отработку рудного тела сплошным забоем на полную мощность, а опасность работающих снижают ограничением времени нахождения в открытом очистном пространстве. К пологим относят рудные тела мощностью до 15 м и углом падения до 25°. Состоянием рудовмещающего массива, определяемым площадью обнажения пород кровли, управляют оставлением рудных целиков и поддержанием пород кровли крепью. Высокий уровень напряжений в рудовмещающем наклонные рудные залежи массиве объясняется сложными изменяющимися во времени условиями отработки. Месторождения руд цветных металлов чаще всего представляют собой изометрическую залежь в тектонически нарушенных вмещающих породах с гидротермальной обработкой. Месторождения рассматриваемого типа разрабатываются с обрушением руды и пород и с естественным поддержанием очистного пространства [4-6]. Управление горным давлением осуществляется путем оставления целиков различного назначения, что снижает экономическую эффективность добычи. Исходя из опасности возникновения критических напряжений в массиве, направлением повышения безопасности работ является сплошная выемка рудного тела. Одним из важных направлений повышения показателей разработки является использование энергии взрыва для перемещения отделенных от массива руд. Поскольку крепь в выработанном пространстве не выполняет своего назначения и является причиной травматизма, получают распространение варианты сплошной выемки с бурением из специальных выработок уменьшенного сечения. Цель работы Для обеспечения максимальной производительности труда конструкции должны иметь большие сечения, однако требования безопасности и экономики предписывают их разумное ограничение [7-9]. Целью исследований проблем разработки маломощных рудных тел и настоящей статьи является оптимизация затрат на управление рудовмещающими массивами с обеспечением одновременно и экономических показателей процессов подземной добычи, и безопасности работников. Методы исследования Цель достигается применением методов строительной механики для повышения эффективности эксплуатации недр за счет рационального использования резервов управления геомеханикой рудовмещающего массива. Сравниваемые варианты в рамках промышленного эксперимента оцениваются с точки зрения трудовых затрат и качества добываемых руд для обеспечения безопасности работающих. Выбор оптимального варианта системы разработки производится путем сравнения альтернативных вариантов, различающихся расположением скважинных зарядов взрывчатых веществ (ВВ) для отделения от массива и дробления руд с целью увеличения рациональности использования силы взрыва. Полученные результаты Варианты сплошной системы разработки оцениваются по показателю безопасности труда рабочих. В равных условиях традиционный вариант с отбойкой руды уступами из очистного пространства сравнивается с вариантами отбойки из буровых выработок (рис. 1, 2). Рис. 1. План экспериментального блока с отбойкой из подэтажных штреков: 1 - восстающий; 2 - поэтажные штреки; 3 - рудные панели [Figure 1. The plan of the experimental block with the breaking from the sub-floor drifts: 1 - revolting; 2 - sub-floor drifts; 3 - mining panels] Рис. 2. План экспериментального блока с отбойкой из буровых восстающих: 1 - штреки; 2 - восстающие; 3 - рудные панели [Figure 2. The plan of the experimental block with the breaking of the drilling uprising: 1 - mine tunnels; 2 - revolting; 3 - mining panels] Из восстающего пройдены подэтажные штреки размерами 2×3 м, образующие панели шириной 6 м. Из штрека скреперования проходили буровые восстающие так, чтобы одна панель была в отработке, а вторая - готовилась к отработке. Ширина целиков между буровыми восстающими - 6 м, высота восстающих - 1,7 м, ширина - 3 м. Первая половина целика отбивалась из одного бурового восстающего, а оставшаяся - из другого. Разворот шпуров по падению обеспечивал направленную отбойку. В табл. 1 и 2 приведены показатели отработки рудных тел. В сравнимых условиях отбойка из штреков имеет лучшие показатели, чем отбойка из восстающих (табл. 3). Показатели варианта сплошной выемки с отбойкой руды из подэтажных штреков [Table 1. Indicators with a solid groove with the breaking of ore from the sublevel drifts] Таблица 1 Блок Вид работ Объем, м3 Площадь, м2 Мощность Разубоживание, % Производительность [Block] [Type of work] [Volume, m3] [Area, m2] рудная, м [Impoverishment, %] забойщика, м3/см [Mining [Productivity of height, m] the miner, m3/ cm] 1 Отбойка целика [Whole breaking] 1300 1000 1,1 15 3,5 Проходка штреков [Passage of drifts] 1000 600 1,1 33 3,9 Всего [Total] 2300 1600 1,1 22 3,7 2 Отбойка целика [Whole breaking] 3300 1800 1,6 13 4,4 Проходка штреков [Passage of drifts] 1300 800 1,4 21 4,6 Всего [Total] 4600 2600 1,5 15 4,5 3 Отбойка целика [Whole breaking] 2200 2200 0,7 27 3,4 Проходка штреков [Passage of drifts] 900 500 0,9 46 2,8 Всего [Total] 3100 2700 0,7 35 3,0 Показатели варианта выемки с отбойкой руды из буровых восстающих [Table 2. Indicators of the option of excavation with the breaking of ore from the drilling rebels] Таблица 2 Блок Вид работ Объем, м3 Площадь, м2 Мощность Разубоживание, % Производительность [Block] [Type of work] [Volume,m3] [Area, m2] рудная, м [Impoverishment, %] забойщика, м3/смена [Mining [Productivity of height, m] the miner, m3/shift] 1 Отбойка целика [Whole breaking] 1000 700 1,2 18 3,1 Проходка восстающих [Raise driving] 600 300 1,1 32 3,4 Всего [Total] 1600 1000 1,2 22 4,2 2 Отбойка целика [Whole breaking] 700 800 0,5 40 4,9 Проходка восстающих [Raise driving] 1300 800 0,7 52 4,6 Всего [Total] 2000 1600 1,2 22 4,9 3 Отбойка целика [Whole breaking] 1300 1600 0,6 30 3,0 Проходка восстающих [Raise driving] 1800 800 0,6 65 3,4 Всего [Total] 3100 2400 0,6 49 3,0 Сопоставимые показатели вариантов отбойки руды [Table 3. Comparable indicators of variants of breakage of ore mineral] Таблица 3 Вариант отбойки [Option breakings] Блоки [Blocks] Угол падения, ° [Angle of incidence, °] Размеры, м [Size, m] Мощность рудная, м [Mining height, m] Доля нарезных работ, % [Share of rifled works, %] Разубоживание, % [Impoverishment, %] Производительность забойщика, м3/см [Productivity of the miner, m3/cm] Из подэтажных штреков [From the subfloor drifts] 1 12 40×40 1,1 45 22 3,7 2 30 45×55 1,5 28 15 4,5 3 30 50×55 0,7 40 35 4,4 Среднее [Average] - - 1,1 37 23 3,7 Из восстающих [From rising] 1 10 45×35 0,7 47 47 4,7 2 15 40×25 1,2 32 22 3,2 3 30 55×50 0,6 34 49 3,2 Среднее [Average] - - 0,7 38 42 3,8 Из очистного пространства [From the treatment space] Среднее [Average] - - 1,0 50 41 3,7 По производительности труда варианты отбойки близки, что объясняется превалированием доли бурения в трудозатратах (рис. 3). Разубоживание руды породой при отбойке определяет качество товарной продукции (рис. 4). Производительность труда, м3/см Labour productivity, m3/cm 3,8 3,8 3,78 3,76 3,74 3,72 3,7 3,7 3,7 3,68 3,66 3,64 1 2 3 Рис. 3. Производительность труда при альтернативных вариантах отбойки руд: 1 - из подэтажных штреков; 2 - из буровых восстающих; 3 - уступами [Figure 3. Labor productivity in alternative types of ore separation: 1 - from sub-floor drifts; 2 - drilling rising; 3 - terraces] 40 Разубоживание, % Dilution, % 35 30 25,2 25 20 15 10 5 0 36,7 35,3 1 2 3 Рис. 4. Разубоживание при альтернативных вариантах отбойки руд: 1 - из подэтажных штреков; 2 - из буровых восстающих; 3 - уступами [Figure 4. Disintegration in alternative types of ore caving: 1 - from sub-floor drifts; 2 - drilling rising; 3 - terraces] Отбойка из буровых выработок не только устраняет необходимость нахождения работающих в открытом выработанном пространстве, но и эффективнее по показателям производительности труда и качества добываемых руд. Возрастающую с увеличением площади обнажения кровли опасность обрушения пород с риском для рабочих и увеличением разубоживания руд снижают ограничением времени нахождение работающих в выработанном пространстве для выполнения производственных операций (например, жения плоской кровли при данном наклоне выработки, м. o Связь между размерами пролетов пород кровли (L α ) в рудных телах с углом падения α выражается зависимостью o o Lα = K α L , o где L - предельный эквивалентный пролет пород обслуживания скреперной установки). кровли горизонтальной выработки; K α - коэф- При оценке степени риска разрушения несущей породной конструкции в кровле очистной фициент учета угла наклона выработки: 1 выработки исходят из того, что скальные породы разбиты трещинами на структурные блоки, кото- , K α = + 2 2 cos α ηsin α рые при определенных условиях образуют несущую арку, несущую пригрузку породами в пределах свода естественного равновесия. При недостаточном заклинивании пород арка может разрушиться, и кровля из плоской по форме превратится в сводчатую. Надежное заклинивание пород в пределах свода естественного равновесия обеспечивается при условии где α - угол падения рудного тела, °; η - коэффициент бокового распора породных блоков: η = μ , 1-μ где μ - коэффициент Пуассона. Величина K α зависит от угла падения руд- L факт £ α L o , ного тела. При изменении угла падения от 0 до 50° коэффициент увеличивается от 1 до 1,5. где Lфакт o - фактической пролет кровли выработ- Расчет безопасности несущих конструкций из заклинившихся в кровле пород исходит из гики, м; Lα - предельно допустимый пролет обнапотетического времени наступления обрушения кровли в пределах свода естественного равновесия при нарушении условия прочности. При отбойке руды в уступе работающие оказываются в самых опасных условиях, поскольку офорнахождением работающих в пределах выработок малого сечения, что снижает вероятность травматизма. При отбойке из подэтажных штреков условие o мление уступов производится в то время, когда L факт £ L α может быть нарушено исключитель- L факт достигает максимальной для данных усно на заключительной стадии отработки панелей. Опасность для рабочих может представлять только ловий величины (рис. 5). Традиционный вариант характеризуется повышенной опасностью для рабочих, находящихся в открытом выработанном пространстве для организации доставки разбросанной взрывом руды. Альтернативные варианты с отбойкой руды из подэтажных штреков и восстающих характеризуются взрывная волна при гипотетически массовом обрушении кровли (рис. 6). При отбойке из буровых восстающих опасность травматизма при гипотетическом обрушении может возникнуть также только на заключительной стадии после отработки рудных целиков (рис. 7). 2 1 Lo Рис. 5. Вариант с отбойкой уступами: 1 - направление фронта работ; 2 - расположение отбитой руды [Figure 5. Variant with rebind steps: 1 - the work front direction; 2 - the location of the broken ore] 1 1 2 1 Lo 1 Рис. 6. Вариант с отбойкой из подэтажных штреков: 1 - буровые штреки; 2 - отбитая руда [Figure 6. Option with a breakdown from the sub-floor drifts: 1 - drilling drifts; 2 - repulsed ore] 1 1 LO 2 Рис. 7. Вариант с отбойкой из буровых восстающих: 1 - рудный массив; 2 - выработанное пространство [Figure 7. The option of breaking from drilling rising: 1 - ore massif; 2 - mined-out space] Анализ вариантов отбойки руд позволяет оценить прочность конструкции по увеличению опасности для работающих: из восстающих, из штреков, из выработанного пространства. Совместное рассмотрение параметров отбойки руд и устойчивости несущих породных конструкций из заклинившихся пород позволяет утверждать, что лучшие показатели обеспечивают варианты с отбойкой из буровых выработок, при этом являясь менее опасными для рабочих по сравнению с традиционным вариантом отбойки из выработанного пространства. Для нахождения приемлемого компромисса между требованиями надежности породной конструкции и экономичности добываемых руд в процессе проектирования и эксплуатации горных выработок целесообразно использовать полученные закономерности [10-13]. Выводы 1. Показатели разработки месторождений руд редких, благородных и цветных металлов, сложенных пологозалегающими рудными телами малой мощности, могут быть улучшены при комплексной оценке параметров обойки руд. 2. Несмотря на повышенную трудоемкость проходки буровых выработок, производительность труда забойщика не уменьшается, потому что затраты на проходку компенсируются удобством доставки руды при создании рудного вала, а разубоживание уменьшается. 3. Варианты отбойки из буровых выработок превосходят вариант отбойки из выработанного пространства за счет создания более комфортных условий для работы взрыва. 4. Отбойка из буровых выработок при более высоких показателях добычи руды избавляет работающих от необходимости опасного нахождения в открытом выработанном пространстве.

Об авторах

Владимир Иванович Голик

Северо-Кавказский государственный технологический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: v.i.golik@mail.ru

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры горного дела

ул. Николаева, 44, Владикавказ, Российская Федерация, 362021

Андрей Алексеевич Белодедов

Южно-Российский государственный политехнический университет

Email: a.a.belodedov@mail.ru

кандидат технических наук, доцент кафедры горного дела, декан горного факультета

ул. Просвещения, 132, Новочеркасск, Российская Федерация, 346428

Александр Владимирович Логачев

Южно-Российский государственный политехнический университет

Email: log.a@bk.ru

кандидат технических наук, доцент кафедры горного дела

ул. Просвещения, 132, Новочеркасск, Российская Федерация, 346428

Дмитрий Николаевич Шурыгин

Южно-Российский государственный политехнический университет

Email: shurygind@mail.ru

кандидат технических наук, доцент кафедры горного дела

ул. Просвещения, 132, Новочеркасск, Российская Федерация, 346428

Список литературы