Физико-механическое обоснование эффективности системы слоевого обрушения глиноподобных пород в условиях Рубцовского месторождения полиметаллов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Физико-механическое обоснование эффективности системы слоевого обрушения глиноподобных пород в условиях Рубцовского месторождения полиметаллов

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Рубцовское полиметаллическое месторождение входит в группу месторождений осадочного типа (Зареченское, Корбалихинское, Захаровское, Степное, Таловское). Месторождения осадочного типа характеризуются переслаивающимися пластами глинистых и песчаных сланцев. Структурные разновидности руд: сплошные массивные - 42%, вкрапленные глиноподобные - 55%, сплошные вкрапленные - 3%. Специфика Рубцовского месторождения заключается в том, что при относительно устойчивой руде вмещающие породы весьма неустойчивы и обладают способностью при насыщении влагой увеличиваться в объеме. При этом резко увеличивается горное давление. Опыт разработки месторождения системой горизонтальными слоями с твердеющей закладкой показал, что до 50% воды, поступающей с закладкой, идет на водонасыщение массива руд и пород. Водонасыщенные руды и породы теряют свои прочностные свойства и значительно усложняют условия разработки. Давление на крепь очистной выработки возрастает с увеличением водонасыщения массива и может привести к полному разрушению крепи. Сохранение естественной влажности или незначительное ее увеличение позволит сохранить прочностные характеристики и устойчивость пород, а значит, обеспечит возможность управления горным давлением в очистных выработках. В этой связи появилась настоятельная необходимость устранить водонасыщение массива технологической водой. Изыскание системы разработки, исключающей дополнительное водонасыщение массива, является актуальной задачей исследования.

Объект исследования - системы разработки рудных месторождений.

Предмет исследования - закономерности изменения свойств и состояния глиноподобных руд и пород при водонасыщении.

Цель работы - обоснование целесообразности применения системы слоевого обрушения при условии сохранения прочностных свойств рудного массива.

Идея работы заключается в использовании закономерностей разупрочнения глиноподобных руд и пород при водонасыщении для повышения эффективности технологии очистной выемки. Тема исследования соответствует паспорту специальности 25.00.22 - «Геотехнология (подземная, открытая и строительная)» (п. 3, 4).

Основные задачи исследования:

1. Анализ современного состояния очистной выемки при разработке глиноподобных полиметаллических руд.

2. Исследование влияния увлажнения на физико-механические свойства руд и вмещающих пород Рубцовского месторождения.

3. Обоснование параметров крепления подготовительных и очистных выработок.

4. Технико-экономическая оценка системы слоевого обрушения.

Методы исследований: теоретическое обобщение и анализ технологических параметров систем разработки, постановка экспериментов в лабораторных и промышленных условиях, анализ результатов.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Установлена зависимость снижения прочности глиноподобных пород от степени увлажнения. Глиноподобные породы Рубцовского месторождения полиметаллов ( 70% запасов) даже при незначительном водонасыщении превращаются в рыхлую массу и полностью теряют прочностные свойства.

2. Эффективность применения слоевой системы разработки с обрушением налегающих пород обеспечивается сохранением устойчивости выработок при обеспечении влажности пород до 2%.

Достоверность научных положений, выводов подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов лабораторных исследований с результатами опытно-промышленных работ, положительным результатом внедрения системы слоевого обрушения пород в условиях Рубцовского рудника.

Научная новизна результатов исследования:

- экспериментально установлена зависимость между физико-механическими свойствами глиноподобных руд и пород и водонасыщением;

- определена область влажности массива руд, обеспечивающая его устойчивость;

- дана технико-экономическая оценка системы слоевого обрушения в условиях Рубцовского месторождения.

Практическая значимость работы

Использование результатов исследования позволяет рекомендовать при разработке ценных глиноподобных руд и пород систему слоевого обрушения и соответствующие параметры очистной выемки.

Личный вклад автора состоит в организации, проведении всего комплекса аналитических и экспериментальных исследований как в лабораторных, так и промышленных условиях; в расчетах и определении рациональных параметров очистной выемки при системе слоевого обрушения.

Реализация результатов работы. Результаты исследования внедрены и используются при опытно-промышленной разработке на Рубцовском руднике.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертации докладывались на Пятой международной конференции «Комбинированная геотехнология: комплексное освоение и сохранение недр Земли», посвященной 100-летию со дня рождения академика Н.В. Мельникова (г. Екатеринбург, 22-26 июня 2009 г.); на международных научно-промышленных симпозиумах «Уральская горнопромышленная декада» (г. Екатеринбург, 2008, 2009, 2010, 2011 гг.).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 8 работах, в т.ч. 5 в рецензируемых журналах.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений, изложена на 110 страницах, содержит 22 рисунка и список использованной литературы из 50 наименований.

Основное содержание диссертации

1. Современное состояние ведения очистных работ на Рубцовском руднике

Для эксплуатации Рубцовского месторождения полиметаллических руд применяется система разработки горизонтальными слоями с твердеющей закладкой. Ее выбор обусловлен необходимостью обеспечить в сложных горно-геологических условиях безопасное ведение горных работ и полноту выемки ценной полиметаллической руды с минимальным разубоживанием. Очистные работы ведутся послойной отработкой в нисходящем порядке. Выемка руды производится заходками, которые в зависимости от мощности рудного тела располагаются или вкрест простирания, или по простиранию месторождения. Между заходками первой очереди оставляют целики. Заходки второй очереди, с одной стороны, примыкают к закладочному, а с другой - к рудному массиву. Заходки третьей очереди вынимаются между заложенными выработками.

Выемка заходок на границе с закладочным массивом начинается после набора им прочности 0,7…1,0 МПа, а под закладочным массивом - при его прочности 2,5…3,0 МПа. Принятый состав закладочного массива позволяет получить такую прочность соответственно через 7 и 28 сут.

Как показала практика ведения очистных работ, принятые проектом заходки размером 4х4 м оказались настолько неустойчивыми, что поддерживать их до начала закладочных работ оказалось невозможно, и рудник вынужден был уменьшить поперечное сечение заходок сначала до 3,5х3,5 м, затем до 3х3 м, а в настоящее время сечение заходок составляет 2,5х2,5 м.

Очистные выработки приходится крепить в полном объеме и под искусственным массивом неполными крепежными рамами. Применяемый тип крепи не выдерживает горного давления и нуждается в постоянном ремонте через 7…10 сут, который осуществляется, как правило, вручную, что требует значительных людских и временных затрат. Процесс поддержания горных выработок в рабочем состоянии на Рубцовском руднике занимает до 50% времени рабочей смены. Не дало положительных результатов и применение металлической крепи из спецпрофиля.

В сложившейся горно-геологической и технологической ситуации существующая слоевая система разработки с закладкой на Рубцовском руднике имеет весьма неудовлетворительные технико-экономические показатели: в 2006 г. производительность очистной добычи к концу года составила всего 2,2 м³/чел.-смену, а к концу 2007 г. - 1,6 м³/чел.-смену.

Таким образом, проблема низкой эффективности применения существующей системы разработки горизонтальными слоями с твердеющей закладкой заключается в невозможности поддержания очистных и подготовительных выработок в рабочем состоянии.

Основное влияние на разупрочнение рудного массива оказывает технологическая вода от закладочных и буровых работ, которая составляет около 80% от общего объема шахтных вод. Она сосредоточена на ограниченной площади очистного пространства, особенно при ведении закладочных работ.

Избыточная вода от закладочных работ увлажняет рудный массив соседних заходок и совместно с водой от промывки трубопроводов и буровых работ проникает в нижележащий слой. Это в конечном итоге ведет к заболачиванию рудного массива, а также к обводнению пород лежачего бока.

Вместе с тем по результатам эксплуатационной разведки по мере понижения горных работ увеличивается общий объем добычи вкрапленных и глиноподобных (легкоразмокаемых и теряющих прочность) руд с 30 до 70%.

Попытки гидроизоляции твердеющей закладки в выработанном пространстве оказались безуспешными.

2. Исследование влияния увлажнения на физико-механические свойства руд и вмещающих пород Рубцовского месторождения

Исследование физико-механических свойств пород производилось в лабораторных условиях (табл. 1).

Наиболее прочными образованиями являются руды в хлорит-серицитолитах, прочность при сжатии которых превышает 200 МПа. Однако именно эти руды серьезно разупрочняются при контакте с водой. Значительно менее прочными (почти в 3 раза) оказываются сплошные полиметаллические руды.

выработка глиноподобный полиметаллический руда

Таблица 1. Сводные характеристик прочности руд и пород Рубцовского месторождения

В то же время при увлажнении они практически не теряют своей прочности. Наименее прочными являются глиноподобные и вкрапленные руды, а также туфопесчаники. При контакте с водой они быстро размокают вплоть до полной потери сплошности.

Особую группу составляют глиноподобные и вкрапленные сульфидные руды, а также такие вмещающие породы, как хлоритолиты и туфопесчаники. При низкой исходной прочности данные породы не просто разрушаются при увлажнении, а самопроизвольно диспергируют, полностью теряя несущую способность, что обусловлено разрушением жестких связей между минеральными частицами. На рис. 2 представлены фотографии последовательного состояния данных пород при их контакте с водной средой. Здесь наглядно проявляется процесс практически полного диспергирования руд в течение первых минут выдержки их в воде.

Способность руды сохранять свое физическое состояние и прочность при увлажнении оценивалась по скорости размокания, при этом образец пробы помещался в ткань, пропускавшую частицы менее 1-2 мм.

Основываясь на результате исследования снижения прочности пород и руд по мере их увлажнения (рис. 3), получим обобщенное уравнение

, (1)

Аналогом геомеханических условий для крепления подготовительных и очистных выработок приняты условия применения слоевого обрушения в ОАО «Севуралбокситруда».

Выемочной единицей на Рубцовском руднике принимается очистной блок со следующими основными параметрами: высота этажа - 35 м; длина блока - 50 м; мощность рудного тела - 5 м; угол наклона - 25.

К подготовительным выработкам в блоке, отрабатываемом системой слоевого обрушения (ССО), относятся рудный и полевой восстающие, ходки из полевого вентиляционного восстающего (ПВВ) в рудный восстающий, вентиляционный подэтаж, рудоспуски. Оптимальной, удобной для возведения крепления и достаточной для восстающего при угле наклона 25 является высота 2,2 м.

К нарезным выработкам при ССО относится слоевой (разрезной) штрек, который проходится либо под висячим боком, либо под рудной коркой (первый вариант), либо под специально монтируемым межслоевым перекрытием (матом) верхнего слоя (второй вариант).

Для первого варианта форма сечения трапециевидная, высота слоевого штрека со стороны висячего бока составляет 2,2 м, а со стороны лежачего бока - 3,0 м; слоевой штрек проходится шириной 3,0 м и крепится неполной крепежной рамой (неполным дверным окладом - НДО) вразбежку.

При расположении слоевого штрека под матом ширина и высота его равны 3,0 м, а крепление комбинированное: под прогоны пробиваются стойки, а под накатник устанавливаются станки НДО.

К очистным выработкам относятся заходки на лежачий бок под монтажом и заходки на висячий бок, располагаемые частично под монтажом, а частично под висячим боком. Ширина заходок во всех случаях ограничивается 3,0 м; высота заходок на лежачий бок 2,5-3,0 м, на висячий бок - переменная и составляет от 3,0 до 3,5 м.

В качестве модели взаимодействия горной крепи с массивом пород подготовительных и нарезных выработок принят расчет несущей способности стоек и верхняка крепи по теории свода:

- при креплении одиночных (подготовительных и нарезных) выработок деревянными неполными крепежными рамами со стойками диаметром 0,2 м вразбежку через 1,0 м запас прочности составляет 14;

- для верхняков диаметром 0,2 м, длиной до 3 м запас прочности составляет 18.

При системах с обрушением пород кровли зона влияния и параметры процесса сдвижения получают максимальное развитие. При разработке пластообразных залежей пологого и наклонного залегания в массиве и на поверхности выделяют зону сдвижения пород, в пределах которой формируется дно мульды сдвижения.

После отработки и посадки первого слоя над выработками создается предохранительная подушка из обрушенных пород мощностью 6,0 м. По мере развития работ в блоке высота свода естественного равновесия будет увеличиваться и его размер примерно будет равен пролету очистного пространства. Исходные данные для расчета:

- средняя мощность рудного тела m = 5,0 м;

- минимальная глубина разработки Н_min = 85 м;

- максимальная глубина разработки Н_max = 135 м;

- средняя глубина Н_ср = 95 м;

- плотность обрушенных горных пород _обр = 0,02 МН/м³.

Согласно расчетам, запас прочности стойки в конструкции защитного перекрытия в очистном пространстве составил 2,1; коэффициент запаса для верхняка - 1,55.

Посадка участков межслоевого перекрытия выполняется путем взрывания стоек с одновременным обрушением пород висячего бока. Посадочные работы осуществляются на основании паспорта управления кровлей (паспорт посадочных работ). Шаг посадки не должен превышать 9,0 м. На участках с большой мощностью рудного тела (при длине заходок до 20 м) следует применять посадку одной - двух ранее отработанных заходок вслед за окончанием выемки руды в них. Площадь обрушаемых пород может изменяться в зависимости от числа заходок, подлежащих посадке, и угла падения рудной залежи.

В случаях неудовлетворительной посадки, когда высота «подушки» обрушенных пород менее 6,0 м, дополнительно производится их принудительное обрушение. Это достигается путем бурения и взрывания глубоких скважин из специально пройденных выработок в висячем боку или из слоевого штрека, пройденного под висячим боком, а при возможности - из выработок соседних блоков.

4. Технико-экономическая оценка системы слоевого обрушения

Расчетные технико-экономические показатели ССО приводятся в табл. 2, 3.

Таблица 2. Основные технико-экономические показатели по ССО

Таблица 3. Потери руды при ССО

Итого - 3,18%.

Примечание (к формулам табл. 3): h - высота оставляемого целика, h = 0,5 м; - угол падения рудного тела, град; m - нормальная мощность рудного тела, м; H - высота слоя отработки, H = 3 м; К_изм - коэффициент изменчивости контакта руда - порода, К_изм=1,14-1,32; m¹ - толщина (по нормали) оставляемой в кровле пачки руды, м; - отношение площадей самообрушающейся кровли к площади блока; q - средняя высота слоя руды на лежачем боку, м; К_р - коэффициент разрыхления; S_пл - средняя площадь поперечного сечения в «плинтусах», S_пл = 0,17 м².

Разубоживание на контактах с породами висячего и лежачего боков рассчитывается по формуле:

, (2)

где S_к - площадь контакта с породами висячего и лежачего боков, м²;

m - мощность пачки отслаиваемых пород, m = 0,027 м;

- средняя плотность вмещающих пород, т/м³;

V - запасы выемочной единицы, т.

Установлены эмпирические зависимости потерь и разубоживания от влажности в условиях Рубцовского рудника:

; (3)

. (4)

Графическая зависимость прибыли приводится на рис. 6. На рис. 6 четко прослеживается, что прибыль, получаемая при системе слоевого обрушения, значительно превышает прибыль, получаемую при слоевой системе с закладкой (ССЗ), что отражается резким скачком в районе 2% водонасыщения.

Заключение

В диссертации на основании приведенных исследований решается актуальная научно-техническая задача обоснования эффективности системы слоевого обрушения с целью исключения водонасыщения и потери несущей способности при гидрозакладке, имеющей существенное значение при разработке полиметаллических руд Алтайского региона.

Основные результаты и выводы заключаются в следующем:

1. Специфика Рубцовского месторождения заключается в том, что при относительно устойчивой руде вмещающие породы весьма неустойчивые и обладают способностью при насыщении влагой увеличиваться в объеме. При этом резко увеличивается горное давление, увеличивается вероятность разрушения крепи горных выработок.

По мере понижения уровня горных работ по результатам эксплуатационной разведки увеличивается объем добычи вкрапленных, глиноподобных руд (с 30 до 70%), легко размокаемых и теряющих устойчивость.

2. Увлажнение породного массива Рубцовского месторождения определяется, главным образом, потерей воды при закладочных и буровых работах. Наиболее быстрая стадия кинетики насыщения горных пород определяется явлениями смачивания и капиллярного движения жидкости. Степень увлажнения на этой стадии пропорциональна квадратному корню времени контакта пород с водой.

Вторая стадия водонасыщения пород и руд определяется двумерной миграцией воды по поверхности микротрещин и контактов минеральных зерен.

3. Глиноподобные и вкрапленные сульфидные руды, а также вмещающие породы - хлоритолиты и туфопесчаники - при контакте с водой самопроизвольно диспергируют, превращаясь в рыхлую массу, и полностью теряют свою несущую способность. Наиболее устойчивыми к воде являются сплошные полиметаллические руды.

4. Выемочной единицей на руднике рекомендуется очистной блок с основными параметрами: высота блока - 35 м; длина блока - 50 м; мощность рудного тела - 5 м; угол наклона - 35. Ширина заходок очистной выемки - 3,0 м, высота заходок - 2,5-3,0 м.

5. В качестве крепи подготовительных и нарезных выработок рекомендуется применять деревянную крепь с неполными крепежными рамами. Шаг посадки кровли не более 9 м.

6. Производительность труда на одного забойного рабочего при системе слоевого обрушения составляет на очистных работах 0,11 м³/чел. час. Потери руды - 3,2%, разубоживание - 3%.

Прибыль предприятия пропорциональна объему работ, вовлекаемых в отработку системой слоевого обрушения пород (по сравнению со слоевой системой с твердеющей закладкой).

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

1. Изыскание рациональной технологии добычи гигроскопичных руд на Рубцовском полиметаллическом месторождении / Н.В. Гобов, В.В. Котляров, В.А. Осинцев, О.В. Славиковский // Изв. вузов. Горный журнал. - 2009. - №3. - С. 7-15.

2. Исследование влияния увлажнения на свойства руд и вмещающих пород Рубцовского месторождения / О.Г. Латышев, Н.В. Гобов, В.В. Котляров, О.О. Анохина // Изв. вузов. Горный журнал. - 2009. - №7. - С. 35-40.

3. Аксенов А.А., Котляров В.В., Гобов Н.В. Исследование геомеханического состояния гигроскопического массива при системах разработки с закладкой и обрушением // Изв. вузов. Горный журнал. - 2010. - №2. - С. 4-9.

4. Технико-экономическое обоснование системы слоевого обрушения выемки пучащих и диспергирующих руд и пород Рубцовского месторождения / Н.В. Гобов, Н.Г. Валиев, В.В. Котляров, Ю.П. Лямин // Изв. вузов. Горный журнал. - 2010. - №6. - С. 14-18.

5. Котляров В.В. Факторы отработки гигроскопичных руд // Материалы Уральской горнопромышленной декады: сборник научных трудов. - Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2007. - С. 58-61.

6. Котляров В.В. Выбор эффективной технологии подземной разработки полиметаллических руд Рубцовского месторождения // Материалы Уральской горнопромышленной декады: сборник научных трудов. - Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2008. - С. 98-100.

7. Котляров В.В. Оценка напряженного состояния краевой части выработок в условиях пучения пород Рубцовского месторождения // V Международная конференция «Комбинированная геотехнология: комплексное освоение и сохранение недр Земли», посвященная 100-летию со дня рождения академика Н.В. Мельникова, г. Екатеринбург, 22-26 июня 2009. - Екатеринбург, 2009. - С. 91-93.

8. Котляров В.В., Валиев Н.Г., Гобов Н.В. Обоснование и исследование технологии очистной выемки гигроскопичных руд и пород Рубцовского полиметаллического месторождения // Материалы международного научно-промышленного симпозиума «Уральская горная школа - регионам», г. Екатеринбург, 12-21 апреля 2010. - Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2010. - С. 311-312.

9. Котляров В.В., Валиев Н.Г., Гобов Н.В. Обоснование технологии разработки полиметаллического месторождения пучащих и диспергирующих руд и пород // Материалы международного научно-промышленного симпозиума «Уральская горная школа - регионам», г. Екатеринбург, 12-21 апреля 2010. - Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2010 - С. 308-310.

Размещено на Allbest.ru