Обоснование технологии камерной выемки с увеличенными геометрическими параметрами при разработке медноколчеданных месторождений Урала

В настоящее время более 50 рудников применяют этажно-камерную систему разработки с твердеющей закладкой выработанного пространства. Это обусловлено полнотой извлечения полезного ископаемого из недр и высокой производительностью очистной выемки. Наибольшее распространение получили следующие геометрические параметры камер: высота 60 — 80, ширина 10 — 20 и длина 30 — 50 м.

Перспективным направлением развития данной технологии является увеличение геометрических параметров камер в 1,5−2,0 раза и более. При этом эффективность добычи руды достигается за счет сокращения объема проходческих работ, повышения интенсивности отработки запасов месторождения и концентрации горных работ, увеличения устойчивости рудных и искусственных целиков, снижение потерь и себестоимости добычи. Однако наряду с преимуществами имеются и недостатки, которые создают определенные технологические трудности и сдерживают широкое применение технологии с увеличенными геометрическими параметрами. В условиях медно-колчеданных месторождений недостатки связаны с повышением разубожи-вания, увеличением выхода негабарита и снижением устойчивости конструктивных элементов системы разработки, следствием чего является снижение безопасности горных работ. Изыскание технологии камерной выемки с увеличенными геометрическими параметрами, обеспечивающей повышение эффективности и безопасности добычи, является актуальной научной и практической задачей.

Целью работы является повышение эффективности и безопасности технологии камерной выемки с твердеющей закладкой при разработке уральских медноколчеданных месторождений за счет увеличения геометрических параметров камеры.

Идея работы состоит в том, что увеличение геометрических параметров камеры обеспечивается применением предохранительных рудных целиков, необходимость и размеры которых устанавливаются на основе оптимального соотношения потерь и разубоживания.

Объектом исследований является технология камерной выемки с твердеющей закладкой при разработке медноколчеданных месторождений, а предметом — закономерности изменения эффективности подземной технологии от влияния увеличенных геометрических параметров камеры и показателей потерь (77) и разубоживания (Р).

Задачи исследований:

— исследование влияния геометрических параметров камеры на эффективность подземной геотехнологии;

— исследование производительности и определение оптимального состава комплекса самоходного оборудования (СО) на выпуске и доставке в зависимости от выхода негабарита и длины доставки;

— обоснование экономически эффективных соотношений величин потерь и разубоживания руды при камерной выемке с предохранительными целиками (ПЦ);

— изыскание, разработка и технико-экономическая оценка вариантов технологии камерной выемки с увеличенными геометрическими параметрами (УГП).

Методы исследований включают в себя анализ и обобщение теории и практики камерной выемки, хронометражные наблюдения, методы математической статистики и теории линейного программирования, экономико-математическое моделирование вариантов геотехнологии и технико-экономический анализ.

Научные положения, выносимые на защиту:

— при увеличении геометрических параметров эффективность отработки камер (прибыль) по традиционной технологии определяется в большей степени величиной разубоживания, при этом существуют области как положительного, так и отрицательного влияния УГП в зависимости от их комбинаций;

— эффективность отработки камер по технологии с оставлением ПЦ достигается за счет большего снижения затрат на добычу и обогащение (Зд.0.) по сравнению со снижением извлекаемой ценности- (Цтв.) в результате одновременного увеличения П и уменьшения Р, при этом область эффективного применения данной технологии зависит от содержания меди в балансовых запасах камеры, величины потерь в ПЦ и потенциально высокого разубожи-вания;

— эффективность этажно-камерной системы разработки с УГП обеспечивается путем применения ПЦ, размеры которых соответствуют оптимальному соотношению — величин П и Р, установленному по геомеханическим, технологическим, и экономическим условиям.

Научная новизна работы:

1 В рамках разработанной систематизации! вариантов отработки камер с увеличенными геометрическими параметрами получены зависимости показателей эффективности традиционной технологии от увеличенных геометрических параметров с учетом соответствующих изменений потерь и1 разу-боживания.

2 Установлены закономерности изменения показателей эффективности технологии камерной выемки с применением предохранительных целиков в зависимости от увеличенных геометрических параметров камеры, высоты и толщины предохранительного целика, содержания меди в балансовых запасах ©, величин потерь и разубоживания.

3 Разработана методика определения эффективных соотношений потерь и разубоживания, учитывающая геометрические параметры камеры и предохранительного целика, содержание полезных компонентов в балансовых запасах, позволяющая на основе структурирования области экономически эффективных соотношений потерь и разубоживания определить опти-мальнышвариант этажно-камерной системы разработки.

4 Установлена статистически значимая связь (?2=0,05) между выходом негабарита и шириной камеры (г=0,5), описываемая уравнением прямой линии регрессии, для условий этажно-камерной системы разработки меднокол-чеданных месторождений. Получена зависимость выхода негабарита от длины камеры (Я =0,99).

Практическое значение работы состоит в следующем:

1 Определены оптимальный состав и области применения комплексов самоходного оборудования (КСО) на выпуске и доставке руды в зависимости от длины доставки и выхода негабарита.

2 Установлены оптимальные соотношения потерь и разубоживания при камерной выемке с предохранительными целиками на основе разработаннойметодики.

3 Выявлены области применения технологии камерной выемки с предохранительными целиками в зависимости от содержания полезного компонента в руде, потерь в ПЦ и потенциально высокого разубоживания.

4 Разработаны варианты технологии камерной выемки, позволяющие повысить эффективность добычи путем оставления предохранительного целика с оптимальными параметрами, за счет повышения качества отбойки, увеличения производительности комплекса самоходного оборудования и снижения удельного объема подготовительно-нарезных выработок.

5 Технология с ПЦ позволяет применять высокопроизводительную камерную систему разработки в сложных горно-геологических условиях.

Достоверность научных положений, выводов и результатов подтверждается применением апробированных методов исследований, надежностью и представительностью исходных данных, оценкой полученных связей методами математической статистики, высоким коэффициентом детерминации (0,97 — 0,99) полученных уравнений, адекватностью моделей, принятых для экспериментов.

Реализация работы. Результаты исследований использованы при составлении проектов отработки очистных камер с твердеющей закладкой по технологии камерной выемки с предохранительными целиками с целью повышения эффективности отработки этажа 670/750 м, при разработке рекомендаций освоения этажа 910/990 м на Гайском подземном руднике, разработке проекта отработки рудного тела № 2 и Узельгинского месторожденияв условиях повышенного разубоживания;

Личный вклад автора состоит в анализе и обобщении террии и практики отработки месторождений с твердеющей закладкой, установлении зависимости эффективности традиционнойтехнологии от влияния увеличенных геометрических параметров с учетом соответствующих изменений П и Р, обосновании эффективности технологии с оставлением ПЦ на основе оптимизации соотношения величин 77 и Р и разработке вариантов технологии камерной выемки с УГП.

Апробация-работы. Содержание и основные положения диссертационной работы представлялись на VIII Юбилейной Уральской научно-технической. конференции по системам подземной разработки руд цветных металлов (Свердловск, 1989 г.), в международном научном"симпозиуме «Неделя горняка» (г. Москва, 2002, 2003, 2007 и 2008 гг.), Г молодежной научно-практической конференции- «Проблемы, недропользования» (Екатеринбург, 2007 г.) — международнойнаучно-технической конференции «Комбинированная геотехнология «Развитие физико-химических способов добычи» (Сибай, 2007 г.), II всероссийской молодежной научно-практической конференции «Проблемы недропользования» (Екатеринбург, 2008 г.), конференции «Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды» с участием, иностранных ученых (Новосибирск, 2008 г.), ученом совете ИГД УрО РАН, научно-технических советах института «Унипромедь», Гайского и Учалин-ского ГОКов.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 16 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 170 страницах машинописного текста, содержит 61 рисунок, 49 таблиц, список литературы из 130 наименований и приложения.

1 В зависимости от установленных факторов, влияющих на величину Р, предложены варианты расположения ГЩ в очистном пространстве при отра ботке камер: 2 Для условий Гайского подземного рудника (этаж 670/750 м) мини мально допустимая толщина ПЦ принята равной 4 м. Установлено, что руд ный ПЦ, оставляемый у висячего бока, будет сохранять свою устойчивость при ширине камеры-до 30 м. Расчетная толщина ПЦ, оставляемого в кровле камеры, в зависимости от ее ширины составила 7,4- 10,4 и 13,9 м, соответст венно, при В равной 20, 25 и 30 м.3 Получены зависимости эффективности технологии с ПЦ для различ ных вариантов. комбинации^УГП с учетом соответствующих изменений П и, Р. В результате экономико-математического моделирования, установлено, к что увеличение ГП при любом варианте отработки камеры с УГТР повышает Пр по сравнению с базовым вариантом.

. Так, увеличение В до. 30-м повышает. удельную Пр на 14,2 руб. за счет большего снижения З.

.0. на 53,5 руб. по' сравнению со снижением Ц

на 39,1 руб. Увеличение Н до 160 м повышает удельную Пр на 19,8 руб. за счет большего снижения З.

.0. на 60,7 руб. по сравнению со снижением Д" .

. на 40,9 руб. Увеличение L до 120 м повышает удельную-///? на 47,8 руб. за счет снижения З.

. на 47,4 руб. и повышения Z/изв. на 0,4 руб. Одновременное увеличение В до 30 м и //до 160 м повышает удельную Пр на 20,4 руб. за счет большего снижения удельных З.

.0. на 55,7 руб. по сравнению со снижением удельной Z/изв. на 35,3 руб. Одновременное увеличение В до 30 м и L до 120 м повышает удельную Пр на 48,7 руб. за счет снижения удельных З.

.0. на 42,3 руб. и повышения, удельной Ц’тЪш на 6,4 руб. Одновременное увеличение //до 160 м и L до 120 м повышает удельную Пр на 54,5' руб. за счет снижения удельных З.

на- 49,8 руб. иповышения удельной Z/изв. на 3,9 руб. Одновременное увеличение В до 30 м, //до 160 м и L до 120 м повышает удельную Пр на 54,6 руб. за счет снижения удельных Зд.о. на 44,7 руб. и повышения удельной Ц

_ на 9,9 руб. Следовательно, уве личение ГП эффективно при использовании технологии с ПЦ. 4 Разработанные варианты отработки камер с УГП по технологии с ПЦ, предусматривающие снижение Р, улучшение качества дробления, снижение удельного объема подготовительно-нарезных выработок и повышение устой чивости днища камеры, существенно повышают эффективность отработки камер в рассматриваемом диапазоне увеличения ГП. Установлено, что эф фективность предлагаемых вариантов I, II, III и IV отработки камер с УГП и ПЦ выше по сравнению с базовым на 27, 33, 26 и 54%, соответственно.5 Впервые предложена технология камерной выемки с УГП, отличаю щаяся тем, что формирование ПЦ в очистном пространстве направлено на исключение Р, а параметры ПЦ определяются методом оптимизации соот ношения величин П и Р по критерию прибыли.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной научно-технической задачи" по обоснованию эффективности и безопасности технологии камерной выемки с увеличенными геометрическими параметрами при разработке уральских медноколчеданных месторождений, реализуемой путем применения форми рования в очистном пространстве ПЦ с размерами соответствующими опти мальному соотношению потерь и разубоживания. Основные научные и прак тические результаты исследований сводятся к следующему: 1 Установлена статистически значимая связь (а = 0,05) между выходом негабарита и шириной камеры (г = 0,5), описываемая уравнением прямой ли нии регрессии, для условий этажно-камерной системы разработки меднокол чеданных месторождений. Установлена также зависимость выхода негаба-> рита от длины камеры (R = 0,99). Показано, что повышение производитель ности и эффективности процесса выпуска и доставки в условиях УТЛ камеры, достигается за счет резкого снижения ц и применения оптимального состава КСО, определяемого в зависимости от L 2 В рамках разработанной систематизации вариантов отработки камер с УГП получены зависимости показателей эффективности традиционной тех нологии от увеличенных геометрических параметров с учетом соответст вующих изменений потерь и разубоживания. В результате экономико математического моделирования установлено, что увеличение В с 20 до 40 м снижает Пр на 82,4 руб./т в результате увеличения Р с 10 до 22%- увеличе ние Н с 80 до 160 м снижает Пр на 29,4 руб./т в результате увеличения Р с 10 до 15%- увеличение L с 40 до 120 м повышает Пр на 36,3 руб./т в результате уменьшения Р с 10 до 6% и одновременное увеличение В до 40 м, Ндо 160 м и X до 120 м снижает Пр на 61,4 руб./т.3 Оценено влияние 77 и Р на эффективность отработки камеры при базо вых ТЭП. Установлено, что эффективность технологии с оставлением ПЦ можно повысить за счет большего снижения З.

.0 по сравнению со снижением.

в результате одновременного увеличения Пи Р. Так, при одновременном увеличении 77 и уменьшении Р на 1% удельные З.

0 снижаются на их сумму, равной 7,7 руб., а удельная Ц

снижается на их разность, равную 3,2 руб. и, в итоге, удельная Пр повышается на 4,5 руб.4 Разработана методика оценки и выбора оптимального варианта техно логии с ПЦ, основанная на определении области экономически эффективных соотношений 77 и Р и ее структурирования, отличающаяся тем, что специ ально разработанный алгоритм процесса оптимизации, осуществляется внут ри рассматриваемого варианта этажно-камерной системы разработки с твер деющей закладкой и в качестве оптимизируемых параметров рассмотрены 77 5 Оптимизация технически возможных соотношений П и Р (в пределах области экономически эффективных соотношений) в зависимости от высоты и толщины ПЦ показала, что с увеличением h.

(с 0 до 80 м) Пр возрастает и достигает наибольшей величины при h.

= 77, а с увеличением Т.

(с 4 до 11 м) Пр снижается до минимального значения. Таким образом, в пределах области экономически эффективных соотношений наибольшая Пр достигается при минимальной толщине ПЦ и его формировании на всю высоту камеры.6 Выявлены области эффективного применения технологии с ПЦ в зави симости от содержания меди в балансовых запасах. Установлено, что эффек тивность технологии с ПЦ определяется величиной 77 в ПЦ и Р и зависит от содержания меди в балансовых запасах камеры: • при содержании от 1,1 до 1,51%, если 77 составляют не более 23,8% (Гц = 8 м) — от 1,52 до 1,72%, если П составляют не более 18,5% (Р.

= 6 м) — от.

1,73 до 2,07%, если 77 составляют не более 13,1% (Гц = 4 м) и с > 2,07% применение технологии с ПЦ становится неэффективно- • при содержании от 1,1 до 1,62%, если Р более 12%- от 1,63 до 2,06%, если Р более 16%- от 2,07 до 2,30%, если Р более 20% и О 2,30% тех нология с оставлением ПЦ неэффективна.7 Составлена номограмма для определения соотношения 77 и Р по каме ре по величине Пр, соответствующих традиционной технологии и с ПЦ в за висимости от содержания Си в балансовых запасах камеры при различных П в ПЦ и Р 8 Установлено, что эффективность этажно-камерной системы разработ ки с УГП обеспечивается путем применения ПЦ, размеры которых соответ ствуют оптимальному соотношению величин П и Р. Так, увеличение В от 20 до 30 м (вариант 1) повышает Пр на 14,2 руб./т, увеличение Н от 80 до 160 м (вариант 2) повышает Пр на 19,8 руб./т, увеличение L от 40 до 120 м (вариант.

3) повышает Пр на 47,8 руб./т. Одновременное увеличение В до 30 и высоты до 160 м (вариант 4) повышает Пр на 20,4 руб./т, увеличение В до 30 и L до 120 м (вариант 5) повышает Пр на 48,7 руб./т, увеличение Н до 160 м и L до 120 м (вариант 6) повышает Пр на 54,5 руб./т и одновременное увеличение В до 30 м, Ндо 160 м и ! д о 120 м (вариант 7) повышает Пр на 54,6 руб./т по отношению к базовому.9 Разработаны варианты отработки камер с УГП по технологии с ПЦ, предусматривающие снижение Р, улучшение качества дробления, снижение удельного объема подготовительно-нарезных выработок и повышение устой чивости днища камеры. Технико-экономическая оценка показала, что эффек тивность предлагаемых вариантов отработки камер с УГП и ПЦ выше по сравнению с базовым вариантом. Так, удельная Пр варианта I выше на 27%, варианта II — на 33%, варианта III — на 26% и варианта IV — на 54%.