Обоснование способа управления кровлей при разработке маломощных пологих рудных залежей в крепких трещиноватых породах

В Отчетном докладе ЦК КПСС ХХУ1 съезда отмечается, что на добывающие отрасли. уже сегодня приходится львиная доля капитальных вложений, ведь спрос на сырье и энергоносители будет неуклонно расти. Успехи всего народного хозяйства будут особенно зависеть от повышения эффективности добывающей промышленности. Путь к этому — ускорение научно-технического прогресса". Партией и правительством поставлены задачи разработки и внедрения новых средств и технологий, обеспечивающих повышение интенсивности работы горно-добывающих предприятий, полноту извлечения и качество полезных ископаемых, наряду с безусловным требованием повышения безопасности производства горных работ.

Особое значение решение поставленных задач приобретает при добыче руд редких и цветных металлов, доля использования которых в ряде важных отраслей народного хозяйства приобретает доминирующее положение. Месторождения руд редких и цветных металлов обладают наибольшим разнообразием и сложностью горно-геологических условий залегания рудных тел и приурочены большей частью к обширным горным массивам.

Малая, а зачастую и весьма малая, геологическая мощность залежей, определяет соответствующую высоту очистных пространств, в связи с чем, разработка таких залежей в особенности пологих, характеризуется наиболее низким уровнем механизации основных технологических процессов и высокими материальными и трудовыми затратами. Уже в настоящее время, затраты на очистную выемку составляют более 60 $ общих трудовых затрат на горные работы по отрасли / I /.

Выбор в качестве объекта исследований месторождения руд редких металлов Ловозерского щелочного массива обусловлен тем, что ему присуще сочетание большого числа факторов, определяющих состояние горных работ на других месторождениях: весьма малая мощность рудных тел и их пологое залеганиевысокие прочностные показатели свойств пород наряду с интенсивной трещиноватостьюгористый рельеф поверхности, всвязи с чем глубина ведения горных работ на одной абсолютной отметке залежи колеблется от 50 до 500 мсложное напряженное состояние неподработанного массива, характеризующееся наличием субгоризонтальных сжимающих напряжений, превышающих напряжения от действия собственного веса пород.

Ранее проведенными исследованиями для участков, удаленных от дневной поверхности, показано, что при представлении толщи пород как однородной сплошной среды, определенном положении выработок и ориентировки максимальных сжимающих напряжений, устойчивость пород кровли, при принятых параметрах обнажений, обеспечивается за счет снятия растягивающих напряжений.

Однако, современное состояние горных работ на месторождении характеризуется вовлечением в отработку нагорных участков и вводом в эксплуатацию новых более глубоких горизонтов, вследствие чего, около 70% объемов добычи приходится на участки с неизученными горногеологическими условиями. Как показывает практика, отработка запасов как в приповерхностных, так и глубинных зонах сопровождается развитием обрушений пород кровли.

Применение в этих условиях деревянной органно-кустовой крепи не явилось решением проблемы прежде всего из-за сильной подверженности крепи воздействию динамических нагрузок от взрывных работ. Как следствие, почти в 10 раз возросли объемы креплениярасход лесоматериалов за Х1-ую пятилетку на I м3 добытой руды составил 0,03*0,065 м³. Низкие темпы крепления очистных выработок, обусловленные применяемой конструкцией крепи и видом крепежного материала, практически 100 $ доля ручного труда при креплении, привели к снижению интенсивности очистной выемки в 1,5 раза, деконцентрации горных работ на горизонте и не обеспечивают, в то же время, безопасных условий труда в очистных забоях.

Проблематичным является также применение системы разработки с открытым очистным пространством на руднике «Умбозеро», вследствии установленной ранее специфики ориентировки максимальных сжимающих напряжений относительно рудной залежи.

Планируемое в Х1-ой пятилетке освоение новых залежей наряду с возрастанием объемов добычи делает срок эксплуатации месторождения практически неограниченным, что и определяет актуальность цели работы, направленной на изучение закономерностей потери устойчивости очистных выработок в условиях гористого рельефа и сложного напряженного состояния массива горных пород для обеспечения эффективного и безопасного применения сплошной системы разработки.

В основу работы положена идея о преобладающем влиянии на характер разрушения пород кровли трещинной структуры массива и изменчивости величины и ориентировки тектонических напряжений по отношению к контуру выработки.

Основной объем исследований включал в себя: — изучение физико-механических свойств основных породных разностей и оценку степени их изменчивости в пространствеустановление закономерностей развития трещиноватости пород на различных участках месторождения и их индентификация с помощью различных диаграмм. Это позволило обосновать инженерно-геологическую модель рудоносного комплекса в виде модели случайной величины по показателям физико-механических свойств основных породных разностей;

— анализ теоретических концепций и способов учета структурных неоднородностей массива при расчетах напряженно-деформированного состояния пород и оценке устойчивости кровли очистных выработок. Показано влияние разрывных структур сплошности на характер развития обрушений пород кровли в зависимости от вида напряженного состояния подработанных пород;

— постановку и анализ результатов натурных наблюдений для выявления тенденции изменчивости устойчивости кровли очистных выработок в зависимости от их местоположения;

— физическое (на эквивалентных материалах) и численное (с использованием вариационно-разностного метода) моделирование напряженно-деформированного состояния подработанных пород для изучения характера развития ослабленных зон и сопоставление полученных данных с данными натурных наблюдений на участках, характеризующихся различным фактическим напряженным состоянием массива;

— анализ и обобщение отечественного и зарубежного опыта разработки и управления кровлей при выемке маломощных пологих залежей в сложных горно-геологических условиях для обоснования наиболее рациональных технологических решений, на современном этапе отработки месторождения и поиска перспективных технологических схем добычи;

— опытно-промышленные испытания и внедрение новых видов крепи на руднике «Карнасурт» .

Результаты исследований нашли применение при ведении очистных работ на действующем руднике, при разработке новых вариантов систем разработки для рудников Ловозерского ГОКа и учтены в проектах института Тиредмет" .

Основные рекомендации работы могут найти применение на рудниках, разрабатывающих аналогичные пологопадающие залежи.

Работа выполнена в лаборатории подземной разработки недр Горного института Кольского филиала АН СССР под руководством докт.техн.наук В. В. Жукова.

Автор глубоко благодарен сотрудникам института кандидатам технических наук: И. И. Бессонову, В. Н. Боборыкину, В. М. Дианову, Е. В. Чернову, а также инженерно-техническим работникам Ловозерского ГОКа начальнику технического отдела комбината В.Г.Марты-ненко, гл. геологу, к.г.-м. наук И. Г. Аргомакову, гл. горняку А. А. Уханову, начальнику рудника «Карнасурт» И. И. Партале, способствовавшим проведению исследований, испытаний и внедрению рекомендаций в практику ведения горных работ на рудниках Ловозерского ГОКа.

I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

10. Основные результаты и рекомендации работы используются институтом Тиредмет" и рекомендованы институтом «ВНИПИГорцвет-мет» к применению на других рудниках цветной металлургии страны / т/ .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Особое место месторождений руд редких металлов Ловозер-ского щелочного массива в порододобывающей отрасли цветной металлургии определяется тем, что оно, в настоящее время, является практически единственным в стране поставщиком высокоценного сырья. Ярко выраженная тенденция роста потребности в сырье (в 12-й пятилетке рост объектов добычи почти в 10 раз превысит уровень 1975 г.) определяет необходимость расширения шахтных полей, ввода в разработку глубоких горизонтов и строительство новых рудников.

Уникальность генезиса месторождения, особенности его местоположения, обширные площади рудных тел в сочетании с малой мощностью и пологим залеганием, сложное напряженное состояние массива, обусловленное действием тектонических напряжений, создают весьма сложные условия их отработки уже на глубинах в 300−500 м и определяют низкий уровень механизации основных технологических процессов. Ухудшение горнотехнических условий приводит не только к снижению технико-экономических показателей работы предприятия, но и несет в себе негативный социальный эффект. В этих условиях выполнение требования наращивания объемов добычи и повышения эффективности отработки не может основываться на методах аналогии или «проб и ошибок» при выборе систем разработки и определении их конструктивных элементов в процессе эксплуатации месторождения. В связи с этим очевидна необходимость постановки и решения важной научно-технической задачи — изучение закономерностей потери устойчивости кровли очистных выработок в условиях гористого рельефа и сложного напряженного состояния массива для создания безопасных условий и повышения эффективности технологии горных работ, имеющей также большое практическое значение.

Для достижения поставленной цели определен круг задач, включавший в себя: изучение свойств и структуры породного массивавыявление закономерностей формирования напряженно-деформированного состояния пород кровли очистных выработок в зависимости от параметров исходного поля напряжений и местоположения выработок в условиях гористого рельефаизучение характера развития обрушений пород и состояние крепи очистных выработокопределение области безопасного применения системы разработки с открытым очистным пространством и обоснования инженерных мероприятий по управлению кровлейразработка и промышленная проверка эффективности основных рекомендаций работы.

В исследованиях использовался комплексный метод, включающий: анализ и научные обобщения отечественного и мирового опыта разработки тонких пологопадающих рудных залежей в крепких породах и на больших глубинахматематическое (с использованием численных методов механики сплошных сред) и физическое моделирование на утяжеленных эквивалентных материалахнатурные наблюдения с привлечением методов матстатис-тики для обработки и анализа полученных результатов, а также промышленные испытания технологических решений на различных участках месторождения. Окончательные выводы сделаны на основе технико-экономической оценке полученных результатов.

Проведенными исследованиями установлено следующее:

I. При выемке обширных пологих залежей весьма малой мощности, наибольшее распространение как в отечественной практике, так и на рудниках Ловозерского ГСКа, получили варианты систем разработки с естественным поддержанием налегающих пород путем оставления междуэтажных и междублоковых целиков. Управление кровлей, как правило, осуществляется ее поддержанием с помощью различных конструкций крепиосновным крепежным материалом остается древесина, удельный расход которой достигает в ряде случаев 50−100 м3 на 1000 м³ добытой горной массы. При этом, основным функциональным назначением крепи является обеспечение безопасности работ по зачистке почвы откаточных блоков для сбора обогащенной рудной мелочи и предотвращения разлета руды при взрывных работах. Выбор вида крепежного материала в большей мере определяется сравнительной «легко-доступностью» древесиныпараметры системы разработки и конструкция крепи — исходя из опыта предшествующих лет. К основным недостаткам используемых систем относятся: четкая цикличность всех технологических процессов по добыче и постоянное присутствие горнорабочих в очистном пространствемалая высота обуславливает использование маломощного переносного бурового и доставочного оборудования, что определяет низкий уровень производительности труда и технико-экономических показателей по системе разработки. Оставление целиков различных размеров и накопление значительного объема пустот, ставит проблему их ликвидации и создает угрозу массовых обрушений подработанных пород.

2. Показано, что во вновь сложившихся горно-геологических условиях принципиальным вопросом’является определение области безопасного применения системы разработки с открытым очистным пространством. При этом, основным конструктивным элементом системы является несущая способность пород кровли, при оптимизированных с технологических соображений размерах очистного блока, снижение которой и определяет область безопасного применения системы с очистным пространством. Надежность определения несущей способности кровли и, соответственно, выбора способов ее поддержания, связана с достоверной оценкой прочностных свойств, трещинной структуры и напряженного состояния подработанных массивов пород.

3. В работе обоснована инженерно-технологическая модель рудоносного комплекса по показателям физико-механических свойств основных породных разностей в виде модели случайной величины. Применимость модели доказана по результатам испытаний около 600 образцов основных породных разностей, отобранных по одним и тем же слоям пород на различных глубинах и участках месторождения. Определены обобщенные показатели плотиостных, упругих и прочностных свойств пород.

4. В результате обработки измерений элементов трещинова-тости породного массива с использованием векторного метода выявлены следующие особенности распределения трещин:

— независимо от места производства измерений массиву присуще наличие двух систем пологого и трех систем трещин крутого падения. Выдержанность элементов ориентировки систем относительно элементов залегания рудных тел позволяет отнести их к первичным системам, характерным для интрузивных массивов. в нагорных участках массива, вблизи склонов гор зафиксированы системы пологого и наклонного падения, параллельные склонам. Общее число систем трещин на этих участках достигает 6−8.

— наиболее существенным результатом натурной съемки по предложенной методике является выделение, в пределах непосредственно залегающего над залежью малиньитов уртитового слоя, пучков локального сгущения пологой трещиноватости, которые в дальнейшем рассматриваются как пологие разрывы сплошности с ослабленными упругими показателями свойств в пучке. Наличие пучков подтверждается данными анализа выхода кернового материала по геологоразведочным скважинам. Неслучайность образования пучков обусловлена, по всей вероятности, историей формирования маркирующей трещины, разделяющей залежь малиньитов.

Таким образом, при расчетах напряженно-деформированного состояния правомерно представление исследуемой области в виде квазиоднородной среды с обобщенными показателями свойств породпри оценках несущей способности кровли необходимо учитывать ее реальную структуру.

5. Определены значения коэффициентов структурного ослабления массива пород для различных участков. Установлено различив в Л? определенных по методу Хансаги, со значениями, полученными из соотношения фактически достигнутых пролетов к расчетным. Превышение последних обусловлено действием в массиве дополнительных сжимающих напряжений, оказывающих существенное влияние на напряженное состояние и характер разрушения трещиноватых пород.

6. Моделированием на эквивалентных материалах и расчетами вариационно-разностным методом выявлены особенности деформирования напряженного состояния подработанных пород с учетом гористого рельефа и тектонических напряжений.

Показано, что при отработке нагорных участков месторождения, при нагружении массива собственным весом, в кровле формируются зоны растягивающих напряжениймаксимальные значения (Эр приурочены к средней части пролетов.

Установлен нелинейный характер изменения растягивающих напряжений с глубиной для фиксированных значений пролетов, что обусловлено характером формирования напряженного состояния нетронутого массива с учетом гористого рельефа и отношением глубины залегания к величине пролета подработки меньшим единицы. Наличие пологих разрывов сплошности, параллельных залежи, приводит к возрастанию величин растягивающих напряжений, что и определяет снижение несущей способности кровли при отработке нагорных участков.

При поле напряжений, характеризующемся повышением горизонтальной составляющей над вертикальной, характер напряженного состояния подработанных пород существенно изменяется и определяется не только величиной, но и ориентировкой максимальных сжимающих напряжений к контуру выработки. С увеличением угла между плоскостью выработки и направлением максимальных сжимающих напряжений, в кровле развиваются растягивающие б’у и «причем углы наклона главных площадок, к которым приложены растягивающие напряжения, практически совпадают с углами наклона пологих систем трещин.

При горизонтальном положении выработки и ориентировке (Этих параллельно контуру концентрация максимальных сжимающих напряжений в торцах достигает 1.5−1.90^^ в нетронутом массиве. В этом случае разрушение трещиноватых пород происходит вследствие сдвига. по системам крутопадающих трещин и приурочено большей частью к забоям очистных выработок.

7. Анализ полученных результатов, а также статистической обработки данных по обрушениям пород кровли более чем за семилетний период работы рудника, позволил установить закономерность изменения устойчивости очистных выработок, характеризущейся диапазоном глубин (150−250 м) с минимальной частостью обрушений. Рост обрушений с глубиной обусловлен возрастанием величины горизонтальных напряжений с переходом горных работ ниже уровня долины, в связи с чем разрушение пород трещиноватой и слоистой кровли происходит от значительных сжимающих боковых напряжений.

Таким образом, определена предельная глубина применения системы разработки с открытым очистным пространством. Для рудников Ловозерского ГОКа она составляет 150−300 м. Достоверность приведенного подтверждается практикой отработки глубоких горизонтов мальинитовой и уртитовой залежи, где попытка ее применения на глубине свыше 350 м характеризуется ростом числа обрушений непосредственно в зонах активных технологических операций, резким снижением интенсивности отработки и безопасности труда.

8. Для безопасной и эффективной отработки глубоких горизонтов рудника «Карнасурт» в условиях повышенных горизонтальных напряжений, рекомендовано увеличение предельных пролетов очистных выработок с целью снижения уровня сжимающих напряжений в кровле. При этом величина предельного пролета и, соответственно, первого шага обрушения может быть достаточно надежно определена по формуле проф. Г. Л. Фисенко, в которой, вместо величины боковых напряжений от действия собственного веса пород, предложено подставлять величину результирующих напряжений с учетом фактического напряженного состояния массива.

9. На современном этапе отработки месторождения для обеспечения безопасности работ и повышения интенсивности очистной выемки разработан и внедрен вариант системы разработки с поддержанием пород кровли индивидуальной металлической и пневматической крепями, рабочие характеристики которых соответствуют характеру деформирования и разрушения пород кровли.

Для условий отработки верхних горизонтов залежи Умбозер-ского рудника, с учетом фактического напряженного состояния массива, рекомендовано применение закладки отработанных пространств твердеющими смесями, что позволит обеспечить сохранность сближенных залежей.

Предложен и проходит стадию опытно-промышленных испытаний перспективный вариант сплошной системы разработки со скважин-ной отбойкой по простиранию рудной залежи. Экономический эффект по данным рудника составил И0 тыс. рублей в год.