Прогноз разубоживания руды при отработке запасов на руднике

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 622.281

Прогноз разубоживания руды при отработке запасов на руднике «Ушкатын 3»

Исабек Т.К., Имашев А.Ж., Тилеухан Н., Бахтыбаев Н.Б.

Резюме: В данной статье рассмотрена возможность проявления разубоживания руды при отработке крутопадающих рудных тел. Проведено математическое моделирование по определению зоны разрушения или условных зоны неупругих деформации вокруг выработанного пространств методом граничных интегральных уравнений. При существующей прочности вмещающих горных пород на руднике «Ушкатын 3» зона разрушения вокруг очистной выработки за счет наличие более прочных горных пород резко снижают размеры и тем самым дают возможность если не полностью исключить процесс разубоживания, то значительно его уменьшить. Однако большая протяженность очистных выработок и возможные наличие незначительных нарушений в массиве создают большую вероятность варьирования физико-механическими свойствами вмещающих пород.

Ключевые слова: разубоживание, моделирование, руда, прочность, выработка, деформация, разрушение

Введение. Отработка крутопадающих рудных месторождений подземным способом на всю высоту горизонта может привести к тому, что вокруг очистной выработки может образоваться зона разрушения или зона неупругих деформаций (з.н.д.) [1]. Данная зона разрушения образуется во вмещающих рудные тела породах.

При выпуске породы через дучки часть такой породы попадая в отбитое рудное тело, вызовет неизбежное разубоживание полезного ископаемого (рисунок 1).

Если размеры з.н.д. незначительны, то и разубоживание руды также будет незначительно. При образовании достаточно большой зоны разрушения разубоживание может достигать значительных величин. Это в свою очередь, приведет к значительным дополнительным затратам на обогащении руды. В данном случае возникает экономическая целесообразность разработки технических мероприятий и дополнительного крепления отработанного пространства с целью предотвращения отслоения вмещающих горных пород в отбитую руду.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1 - Схема разубоживания полезного ископаемого

Экспериментальная часть. Для исследования возможных размеров з.н.д. вокруг очистных выработок в условиях рудника «Ушкатын 3» было проведено математическое моделирование поведения приконтурного массива. Моделирование в данном случае было проведено для нескольких вариантов, как технологических параметров, так и горно-геологических условий.

В качестве исходного варианта был выбран блок с размерами по высоте 48 м и шириной 5, 6, 8, 10 м. Физико-механические свойства менялись в пределах существующих на руднике.

Проведенное предварительное математическое моделирование показало, что изменение угла отрабатываемой жилы в пределах от 90⁰ до 80⁰ и угла внутреннего трения от 30⁰ до 37⁰ не оказывают значительного влияния на размеры зоны разрушения вокруг выработки. Поэтому все дальнейшие расчеты были выполнены при следующих параметрах:

· высота горизонта 48 м;

· глубина залегания 150 м;

· угол залегания отработанного пространства 85⁰;

· угол внутреннего трения горных пород 33⁰;

· Объемная масса пород 2,6 т/м³.

Геологические условия расположения выработки задаются углом наклона слоев пород в рассматриваемом сечении. Расположение слоев задается координатой точек пересечения кровли слоев с вертикальной осью координат. В пределах каждого слоя пород могут задаваться плоскости ослабления прочности разной ориентации в количестве до 4.

Построение зоны неупругих деформаций проводится поэтапно. Количество этапов определяет точность построения. Рекомендуется принимать не менее 4 этапов. На каждом этапе нагружения решается упругая задача методом граничных интегральных уравнений [2,4,5], который в данном случае является наиболее эффективным по причине непредсказуемой сложности промежуточных контуров зоны разрушения в процессе нагружения. На всех этапах нагружения осуществляется оценка достигнутого напряженно-деформированного состояния с помощью принятых критериев прочности. Численный вариант не ограничивает количество критериев разрушения, поэтому используются одновременно и сдвиговой (Кулона-Мора) и разрывной (наибольшие деформации растяжения) критерии.

Нагружение массива задается величиной напряжений на бесконечности, выраженной в долях H ( - объемный вес пород, H - глубина расположения выработки). Прочностные свойства пород массива задаются по слоям: сцепление в долях H, прочность, на растяжение в долях H, тангенс угла внутреннего трения. При наличии плоскостей ослабления задаются также свойства на этих плоскостях [3,6].

Задачей моделирования является определение координат зон разрушения вокруг выработки (рисунок 2) на основании информации о напряженно-деформированном состоянии массива.

Результаты моделирования были обработаны статистическими методами для нахождения аналитических зависимостей развития зоны разрушения от относительной крепости вмещающих горных пород.

Рисунок 2 - Размеры зоны разрушения при предельной прочности пород на растяжение (а - при _р = 10 МПа, б - при _р = 5 МПа, в - при _р = 2 МПа, г - при _р = 1 МПа)

Полный расчет был выполнен для 48 вариантов. Результаты расчетов представлены в таблице 1. В представленных вариантах также учитывался коэффициент ослабления вмещающих пород, который изменялся от 0,2 до 0,8.

Таблица 1 - Результаты расчетов определения параметров зоны разрушения вокруг очистной выработки

разубоживание руда отработка

Обсуждение результатов. Как показало математическое моделирование, при ширине отрабатываемого рудного тело равной 6 м и прочности вмещающих пород близкой к сыпучей среде зона разрушения вокруг выработки составляет в боках около 8,5 м, а в кровле - почве около 8,6 м (рисунок 2 г), т.е. в данном случае, была определена максимально возможная зона разрушения в полностью нарушенных породах. Такой случай возможен при попадании очистного участка работ в зону нарушения с несвязанными сыпучими горными породами, и не может быть применим ко всему очистному блоку.

Развитие зоны разрушения на величину более 10 метров не дают практически возможности укрепить стенки выработки. Процент разубоживания в данном случае составит около 50 %.

Однако следует отметить, что данный расчет проведен при отсутствии полезного ископаемого в очистной выработке. Наличие отбитой руды должно создать дополнительный отпор со стороны очистной полости и препятствовать расслоению выработанного пространства. В этом случае основное расслоение будет происходить в верхней части выработанного пространства, что позволит извлекать руду с меньшим разубоживанием, так как основная масса разрушенных пород будет находиться в самой верхней части магазина. Это обстоятельство дает возможность контролировать извлечение горной массы до тех пор, пока не извлечется все полезное ископаемое и в дучках не появится пустая порода.

Наличие более прочных горных пород резко снижают размеры зоны разрушения вокруг выработки и тем самым дают возможность если не полностью исключить процесс разубоживания, то значительно его уменьшить.

Следует особо отметить, что если предельная прочность горных пород на растяжение превышает величину 10 МПа на растяжения, то зона разрушения вокруг очистной выработки не образуется (рисунок 2 а). И как следствие этого разубоживание полезного ископаемого не происходит.

Статистическая обработка результатов математического моделирования производилась с помощью наиболее разработанной в теории статистики является методология так называемой парной корреляции, рассматривающая влияние вариации факторного признака х на результативный у.

Оценка точности аппроксимации производится по индексу детерминации R². Он выражает долю факторной дисперсии в общей дисперсии, т.е. характеризует, какая часть общей вариации результативного признака у объясняется изучаемым фактором х.

Проверка практической значимости синтезированных в корреляционно-регрессионном анализе математических моделей осуществляется посредством показателей тесноты связи между признаками х и у.

Значение R² находится в пределах от 0 до 1 и чем ближе данное значение, тем лучше аналитическая зависимость описывает фактические данные. В нашем случае подбор формы уравнения был произведен именно по данному параметру. В качестве уравнения для описания размеров зоны разрушения вокруг очистной выработки были приняты следующие: линейная, логарифмическая, степенная, экспоненциальная и полиноминальная. В результате проведенных расчетов максимальное значение R²=0,97 было получено для параболической зависимости.

Поэтому созданная математическая модель может быть признана пригодной для практических целей. Тогда в нашем случае полученные уравнения (рисунок 3-4) можно считать правильными.

Рисунок 3 - Зависимость размеров зоны разрушения кровли от при ширине выработки 5 м

Зона разрушения вокруг очистных выработок практически отсутствует как в кровле, так и в боках при пределе прочности горных пород на растяжении равном 1,75 в долях Н (что соответствует пределу прочности на растяжении равному 7 МПа).

Изменение ширины очистной выработки с 5 до 8 метров не оказывает существенного влияния на увеличения размеров зоны разрушения [7], как в кровле, так и в боках очистных выработок (см. рисунок 5).

Как видно из вышеприведенных расчетов при существующей прочности вмещающих горных пород на руднике «Ушкатын 3» зона разрушения вокруг очистной выработки или существенно мала или практически отсутствует.

Рисунок 4 - Зависимость размеров зоны разрушения боков от при ширине выработки 5 м

Рисунок 5 - Зависимость размеров зоны разрушения кровли от при ширине выработки 5, 6, 8 и 10 м

Положительным фактором является также наличие отбитой руды в магазине, которая выполняет роль сухой закладки и тем самым препятствует развитию зоны обрушения в боках выработки.

С другой стороны проведение большого числа буровзрывных работ как правило снижают прочность вмещающего массива (что при расчетах было учтено с помощью коэффициента ослабления пород) Отрицательным фактором может явится фактор времени, т.е. значительное время которое проходит от момента отбойки руды и обнажения большой площади поверхности до момента выпуска руды из магазина. Развитие зон разрушения во времени может носить достаточно интенсивный характер и не всегда поддается корректному прогнозу из-за отсутствия приемлемых методов и методик.

Наличие даже небольших геологических нарушений в очистной выработке и как следствие этого резкое снижение прочности горных пород на данных участках может привести к увеличению разубоживанию.

К факторам оказывающее негативное влияние на устойчивость отработанного пространства можно также отнести и то, что некоторые вмещающие горные породы значительно теряют прочность при увлажнении. К таким горным породам следует отнести аргиллиты и алевролиты. Согласно методике ВНИМИ, для расчета нормативных нагрузок на крепь снижение прочности для этого типа пород может достигать 40-60%.

Выводы. На основании выше изложенного можно сделать следующий вывод, что при стандартных существующих условиях на руднике «Ушкатын 3» устойчивость очистной выработки не вызывает сомнения. Однако значительная протяженность очистной выработки (около 400 метров) и возможные наличие незначительных нарушений в массиве создают большую вероятность варьирования физико-механическими свойствами вмещающих пород. Большой срок эксплуатации очистной полости и возможное наличие влаги также не улучшают ее устойчивость. Появление в протяженном очистном блоке железных руд, которые в свою очередь отслаиваются при обнажений, приводит к разубоживанию марганцевых руд.

Список использованной литературы

1. Булычев Н.С Механика подземных сооружений в примерах и задачах: Учеб. пособие для вузов. М.: Недра, 1989.

2. Колоколов С.Б. Расчет параметров поддерживающей и анкерной крепи горизонтальных горных выработок. Учебное пособие/Карагандинский политехнический институт. Караганда, 1990. 64с.

3. Оловянный А.Г. Некоторые задачи механики массивов горных пород. ФГУП «Множительный научный центр» ВНИМИ; ООО «Стресс» СПб, 2003. 234 с.

4. Судариков А.Е., Имашев А.Ж. Учет неоднородности массива горных пород при определении нагрузки на крепь / Научные труды Международной научно-практической конференции «Новейшие научные достижения». 17-18 марта 2010г. София, Болгария., стр. 64-66.

5. Судариков А.Е., Имашев А.Ж. Определение устойчивости междужильных целиков методами математического моделирования // Труды Университета, №1, КарГТУ, Караганда. 2010 г. стр 24-28.

6. Имашев А.Ж. Образование трещиноватости вокруг горной выработки / XIV Международный научный симпозиум имени академика М.А. Усова студентов и молодых ученных «Проблемы геологии и освоения недр», том 1, стр. 325-327. 5-9 апреля. ТПУ, Томск. 2010 г.

7. Имашев А.Ж., Исабек Т.К., Судариков А.Е. Влияние ширины выработки на формирование зоны разрушения // Современный научный вестник, №14, Руснаучкнига, Белгород, 2011 г., стр. 102-107.

Размещено на Allbest.ru