Обоснование способов поддержания подземных выработок в метасоматически измененных породах медноколчеданных месторождений

Освоение месторождений полезных ископаемых подземной физико-технической геотехнологией сопряжено с сооружением в недрах комплекса горных выработок. Особенности литолого-петрографического и минерального состава, физико-механических свойств, структурной нарушенности, параметров естественного поля напряжений каждой группы месторождений требуют индивидуального подхода к процессам проведения и крепления подземных выработок.

Особенностью строения медноколчеданных месторождений Южного Урала (Учапинское, Узельгинское, Гайское, Сибайское, Октябрьское, Алек-сандринское и др.) является залегание рудных тел в «оторочке» метасомати-чески измененных пород. Метасоматиты, имеющие достаточно высокие прочностные характеристики в массиве (коэффициент крепости f =8-Н6), при обнажении подземными выработками под действием шахтной атмосферы и подземных вод подвергаются быстрому выветриванию, набухают при насыщении водой и полностью теряют устойчивость.

Традиционные способы крепления подготовительно-нарезных выработок (набрызгбетон, штанговая, арочная податливая крепи) не обеспечивают устойчивость метасоматически измененных пород, что приводит к снижению безопасности горных работ и увеличению себестоимости руды, вследствие роста затрат на поддержание выработок.

Поэтому решение проблемы обеспечения устойчивости подземных выработок в метасоматически измененных породах медноколчеданных месторождений представляет собой весьма актуальную задачу.

Объект исследований: технология сооружения подземных выработок при освоении медноколчеданных месторождений Южного Урала.

Предмет исследований: способы крепления подготовительно-нарезных выработок в метасоматически измененных породах медноколчеданных месторождений Южного Урала.

Целью работы является обоснование способов поддержания подземных выработок в метасоматически измененных породах, обеспечивающих повышение устойчивости обнажений и безопасности горных работ.

Идея работы состоит в использовании установленных закономерностей изменения фазового состава, напряженного состояния и свойств мета-соматитов на контуре выработки для выбора эффективных способов крепления. •.

Основные задачи исследований:

— изучение физико-механических свойств, структурной нарушенности метасоматически измененных пород медноколчеданных месторождений и влияния техногенного выветривания;

— установление закономерностей напряженно-деформированного состояния массива метасоматически измененных пород, вмещающего подземные выработки;

— исследование воздействия взрывных работ при проходке на устойчивость обнажений метасоматитов;

— обоснование способов упрочнения обнажений массива метасоматически измененных пород;

— разработка и опытно-промышленная апробация технических решений по креплению подземных выработок, их технико-экономическая оценка.

В работе использовались методы исследований, включающие: анализ опыта сооружения и поддержания подземных выработок в метасоматитахматематическое моделирование напряженно-деформированного состояния горного массива в упруго-пластической задачестатистическая обработка результатованалитические расчеты и технико-экономический анализ результатов, промышленные эксперименты.

Положения, представленные к защите: •S Устойчивость обнажений вмещающих пород на медноколчеданных месторождениях зависит от степени их метасоматоза, определяемой содержанием в метасоматитах вторичных минералов и присутствием сульфидов железа.

•S Корреляционная связь прочностных и деформационных свойств мета-соматитов с их плотностью позволяет оперативно получать информацию о механических параметрах горного массива и состоянии обнажений пород с различной степенью метасоматоза. Безопасные условия эксплуатации выработок в метасоматитах обеспечиваются применением традиционных методов крепления в сочетании с мероприятиями по изоляции пород от шахтной атмосферы и кислотных вод.

Научная новизна работы состоит в установлении:

— зависимостей предела прочности на сжатие, модуля деформаций и сцепления метасоматитов от их плотности, позволяющих осуществлять оперативный прогноз механических свойств измененных пород;

— математических зависимостей размеров зон неупругих деформаций в кровле и боках выработки от глубины ее заложения, тектонических сил, механических свойств метасоматитов;

— закономерностей изменения механических свойств метасоматитов в процессе техногенного выветривания и перехода метасоматитов в другое фазовое состояние, используемых для ol ки устойчивости контура выработок;

— механизма упрочнения весьма измененных метасоматитов смолой КФ-Ж с водным раствором щавелевой кислоты, заключающегося в образовании прочных химических связей между оксониевым комплексом карба-мидной смолы и обменными катионами метасоматитов.

Достоверность научных положений, выводов и результатов обеспечивается представительностью и надежностью исходных данныхопытно-промышленной проверкой разработанных научно-технических решенийсопоставимостью результатов математического моделирования, аналитических расчетов и данных практики.

Практическая значимость работы состоит в разработке способов упрочнения метасоматически измененных пород на основе применения модифицированного набрызгбетона, самозаклинивающейся анкерной крепи и инъектирования смолой КФ-Ж с водным раствором щавелевой кислоты при проведении подготовительно-нарезных выработок на Учалинском и Узель-гинском подземных рудниках Учалинского ГОКа.

Реализация рекомендаций: результаты исследований внедрены на • подземных рудниках Учалинского ГОКа при проведении и поддержании подготовительно-нарезных выработок в метасоматически измененных породах.

Апробация работы: Результаты, основные положения и выводы докладывались на международных симпозиумах «Неделя горняка», Москва, 1999, 2000, 2002,2003, 2005 гг^международных научно-технических конференциях: «Комбинированная геотехнология: проектирование и геомеханические основы», Магнитогорск, 2001, 2003 гг.- «Нетрадиционные технологии и оборудование для разработки сложно-структурных МПИ», Екатеринбург, 2005; ежегодных научно-технических конференциях МГТУ и технических совещаниях Учалинского ГОКа.

Публикации: Основные положения диссертации опубликованы в 9 работах.

Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка из 89 наименований и содержит 164 стр. машинописного текста, 57 рисунков, 33 таблицы.

Выводы по главе 4:

1. Обоснованы категории метасоматитов 1−4 групп по физико-механическим свойствам в общей классификации пород месторождений Учалинского ГОКа: 1 — IVa- 2 — IV6- 3 — Va- 4 — V6, Vb. Обводненные метасоматиты предложено выделить в отдельный класс по устойчивости — VI.

2. На основании результатов проведенных исследований рекомендуется для крепления метасоматитов IV-V категорий устойчивости применять комбинированную крепь, состоящую из самозаклинивающихся ЖБШ, модифицированного бетонного раствора для набрызгбетона и заполнения шпуров с анкерами, металлической сеткиVI категории устойчивости — инъекцию массива смолой КФ-Ж с 10% водным раствором щавелевой кислоты.

3. Определены параметры рекомендуемых способов крепления метасоматически измененных пород Учалинского и Узельгинского месторождений: глубина штангования 0,9-г2,2 мсетка штангования от 0,6×0,6 м до 1,1×1,1 мотставание анкерной крепи от забоя принимать равным шагу крепленияотставание набрызгбетонной крепи толщиной 1−2 см принимать не более 5 мсетка металлическая с размером ячейки 0,1×0,1 мглубина смолоинъекции 0,7-И, 7 мсетка шпуров для смолоинъекции 1,0×1,0 м.

4. По результатам анализа безвзрывных способов проведения выработок, характеризующихся значительно меньшей степенью отрицательного влияния на приконтурный массив, для проходки горизонтальных выработок .по метасоматитам рекомендованы комбайны КП -25, 41 111−5, П-160, WIRT (Германия), ATM 105 («Вест Альпине», Германия). Для проходки восстающих выработок в метасоматитах рекомендован буровой комбайн 2KB. 5. Создание и внедрение на Учалинском руднике самоходных машин • для штангования и нанесения набрызгбетона позволило повысить производительность труда 33% и сократить расход цемента на 10%. Применение комбайна 2KB обеспечило наряду с повышением устойчивости обнажений метасоматитов увеличение скорости проходки восстающих в 1,5 раза.

6. Технико-экономический анализ рекомендаций показал, что внедрение новых способов и параметров крепления, за счет в целом их меньшей себестоимости и отсутствия необходимости в ремонтеразработанного самоходного оборудования для механизации работ по креплению обеспечит экономический эффект для ОАО «УГОК» не менее 1,4 млн руб.

Заключение

.

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научно-технической задачи по подержанию подземных. выработок в метасоматически измененных породах медноколчеданных месторождений, путем совершенствования способов и параметров крепления на основе комплексных исследований физических, механических и химических свойств метасомати-.тов, напряженно-деформированного состояния приконтурного массива и влияния взрывных работ на устойчивость обнажений. Основные результаты проведенных исследований сводятся к следующему:

1. Установлено, что при обнажении подземными выработками метасоматически измененных пород происходит их разупрочнение вследствие интенсивного водонасыщения по капиллярным трещинам и развития процесса гидратации водных алюмосиликатов с выщелачиванием катионов К, Na и замещением их на молекулы воды. По прошествии 2−3 месяцев с момента обнажения метасоматитов зона разупрочнения приконтурного массива достигает глубины 250 мм и развивается далее, что вызывает дополнительные нагрузки на крепь и приводит к потере ее несущей способности.

2. Выявлены закономерности между содержанием сульфидов в метасо-матитах, их плотностью у и основными характеристиками: пределом прочности [стсж], модулем деформаций Едеф, сцеплением С, углом внутреннего трения ф и коэффициентом Пуассона ц, что позволяет по значениям у оперативно прогнозировать свойства метасоматитов на различных участках массива.

3. Определены зависимости глубин зон неупругих деформаций от тектонической составляющей поля напряжений, глубины заложения выработки и прочностных свойств метасоматитов. Получены многопараметрические уравнения для определения глубин зон неупругих деформаций в кровле и боках выработок, пройденных в метасоматитах плотностью у = 2,6+4,0 т/м3 на глубинах Н = 200+800 м при тектонических напряжениях Т = 0+20 МПа.

4. Установлено, что наибольшее влияние взрывные работы оказывают на устойчивость пород призабойной зоны. Степень влияния взрыва возрастает по мере снижения прочностных свойств метасоматитов. Двукратное снижение массы заряда в оконтуривающих шпурах приводит к уменьшению размеров зоны влияния взрыва лишь на 20%.

5. Опытно-промышленными испытаниями установлено, что применение самозаклинивающихся анкеров обеспечивает несение ими нагрузки q = 2,32,4 т/анкер непосредственно с момента установки. При установке анкера с бетонным заполнителем по истечении семи суток его несущая способность достигает q = 7,2 т.

6. Определен состав для смолоинъекции, обеспечивающий тампонаж и упрочнение весьма слабых и обводненных метасоматически измененных пород: карбонатная смола КФ-Ж в комплексе с отвердителем 10% водным раствором щавелевой кислоты.

7. Применение строительной полимерной добавки Г|Акватрон-6″ (3% от массы цемента) в составе раствора для возведения ЖБШ и набрызгбетона предотвращает процесс разупрочнения метасоматитов за счет их газои гидроизоляции. Прочностные характеристики модифицированного бетона в 2−6 и 1,3−2 раза выше характеристик соответственно бетона традиционного состава и модифицированного более дорогими импортными добавками.

8. Для метасоматитов различных категорий, классифицированных по физико-механическим свойствам, определены способы крепления подземных выработок, обеспечивающие долговременную устойчивость обнажений: самозаклинивающиеся ЖБШ в комплексе с металлической сеткой и модифицированным бетонным раствором для набрызгбетона и возведения ЖБШинъекция массива смолой КФ-Ж с 10% водным раствором щавелевой кислоты.

9. Обоснованы параметры рекомендуемых способов крепления метасоматически измененных пород Учалинского и Узельгинского месторождений в зависимости от категорий их устойчивости: глубина штангования 0,9-г2,2 мсетка штангования от 0,6×0,6 м до 1,1×1,1 мотставание анкерной крепи от забоя принимать равным шагу крепленияотставание набрызгбетонной крепи толщиной 1−2 см принимать не более 5 мсетка металлическая с размером ячейки 0,1×0,1 мглубина смолоинъекции 0,7-И, 7 мсетка шпуров для •смолоинъекции 1,0×1,0 м.

10. Создание и внедрение на Учалинском руднике самоходных машин для штангования и нанесения набрызгбетона позволило повысить производительность труда на 33% и сократить расход цемента на 10%. Применение комбайна 2KB обеспечило наряду с повышением устойчивости обнажений метасоматитов увеличение скорости проходки восстающих в 1,5 раза.

6. Технико-экономический анализ рекомендаций показал, что внедрение новых способов и параметров крепления, за счет в целом их меньшей себестоимости и сокращения затрат на ремонтразработанного самоходного оборудования для механизации работ по креплению обеспечит экономический эффект для ОАО «УГОК» не менее 1,4 млн руб.