CC BY
58
© Л.А. Назарова, А.М. Фрейдин, Ж.К. Алимсеитова, 2007
УДК 622.831.1
Л.А. Назарова, А.М. Фрейдин, Ж.К. Алимсеитова
ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПОРЯДКА ОТРАБОТКИ СВИТЫ ПОЛОГОПАДАЮЩИХ ЗАЛЕЖЕЙ КАМЕРНО-СТОЛБОВОЙ СИСТЕМОЙ РАЗРАБОТКИ*
Отработка пологопадающих рудных залежей в мировой практике в больших объемах осуществляется камерностолбовой системой разработки. В то же время для поддержания кровли очистного пространства в недрах оставляют большое количество целиков различного назначения, доля которых в балансовых запасах составляет 40 % и более. Вторым важным недостатком этого способа разработки является накопление подземных пустот, что особенно отрицательно проявляется при многоярусном расположении рудных залежей.
Одним из объектов, где широко, долговременно и в больших масштабах применяется камерно-столбовая выемка, является уникальное Жезказганское месторождение медистых песчаников. Месторождение представлено свитой пологих залежей на 10 горизонтах и ярусах. Интенсивная добыча высокоценных медистых руд привела к тому, что к настоящему времени на этажах и ярусах скопилось более сорока тысяч целиков с запасами руды около 130 млн. т. Образовалась крайне неустойчивая горнотехническая конструкция, в которой процессы разрушения целиков и обрушения налегающей толщи пород приводят к объединению отдельных зон обрушения в ослабленные области, доступ к которым для выемки целиков становится невозможным.
Анализ практики выемки целиков на месторождении показал, что наиболее эффективным является способ извлечения из открытого выработанного пространства, которым удается
*Работа выполнена при поддержке Интеграционного проекта СО РАН № 6-18 «Деструкция земной коры и процессы самоорганизации в областях сильного техногенного воздействия».
Таблица 1
Физико-механические свойства массива пород Жезказганского рудника
Физико-механические свойства Серый рудный песчаник Красный песчаник Серый без-рудный песчаник Обрушенные породы
Предел прочности, МПа на одноосное сжатие 210 130 110 5
на одноосное растяжение 17 6 14 0
Модуль Юнга, ГПа 65 39 55 5
Коэффициент Пуассона 0.2 0.23 0.2 0.3
Плотность р кг/м3 2800 2500 2600 2000
извлечь до 15 % оставленных запасов руды. Однако, как показали промышленные испытания, из-за ухудшения геомеханической обстановки, разрушения целиков и самообрушений кровли возможность этого способа применения крайне ограничена, в частности, из-за утраты доступа в выработанное пространство панели.
Естественной и привлекательной идеей при этом является иной порядок отработки залежей с погашением целиков вслед за выемкой камерных запасов, т.е. в тот период, когда очистное пространство надежно сохраняет устойчивое состояние. Предлагается отрабатывать свиту пологопадающих залежей в нисходящем порядке камерно-столбовой системой разработки с последующей выемкой прочных целиков из открытого выработанного пространства вслед за отработкой камерных запасов.
С целью геомеханического обоснования порядка отработки свиты залежей моделировалось напряженное состояние типичного для Жезказганского месторождения участка, включающего многоярусную конструкцию из целиков и потолочин при отработке залежей камерно-столбовой системой разработки с оставлением рудных целиков (существующий порядок, рис. 1) и при отработке целиков вслед за выемкой камерных запасов (предлагаемый порядок, рис. 2). В табл. 1 приведены свойства пород.
Расчеты проводились методом конечных элементов (код МКЭЧК [1]) для различных расположений очистных выработок, целиков и «мостов», последовательно образующихся при развитии
горных работ. Условия на границе расчетной области определялись напряженным состоянием нетронутого массива, коэффициент бокового отпора q = 2,5 (взбросовый тектонический режим [2]).
Оказалось, что при отработке залежей существующим порядком максимальная концентрация горизонтальных напряжений (охх = 15-25 МПа) наблюдается в кровле и почве отработанных камер, а также в рудном мосту центральной залежи между открытыми камерами. Вертикальные напряжения преобладают в барьерных и междукамерных целиках и с ростом глубины горных работ (с 300 до 400 м) увеличиваются в 1,2 раза. Значения максимальных касательных напряжений ттах в среднем составляют 5-6 МПа; в рудном мосту на участках между очистными камерами ттах возрастают до 12 МПа с увеличением глубины разработки (рис. 3).
Предложенный порядок отработки свиты пологих залежей в условиях последовательной выемки камерных запасов и погашении целиков приводит к тому, что увеличение размеров выработанного пространства за счет погашения запасов руды центральной залежи с одной стороны вызывает дополнительный рост напряжений в его краевых зонах на 15-20 %, но с другой - разгружает массив между погашенной и отрабатываемой залежами (и, соответственно, целики). На участках нижних залежей, по обе стороны от границ обрушенного пространства, происходит рост огг в целиках (5-10 %). На участке под отработанной залежью повышение максимальных касательных напряжений ттах в кровле отработанных камер с 8-10 до 12 МПа не вызывает опасений. Следовательно, при высоких тектонических напряжениях в нетронутом массиве обеспечивается сохранность пород между залежами и возможно управление состоянием целиков. Наблюдается незначительный рост напряжений на участках вблизи краевых зон погашенной залежи. В этом случае для исключения концентрации напряжений и повышения безопасности труда целесообразно отрабатывать целики на этих участках в первую очередь.
Таким образом, при отработке целиков вслед за выемкой камерных запасов, напряжения в породном массиве незначительно отличаются от напряжений при существующем порядке.
Для целого ряда рудных месторождений характерно преобладание вертикальных напряжений в нетронутом массиве
450 —
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550
Рис. 3. Распределение максимальных касательных напряжений Ттах при существующем порядке отработки
над горизонтальными (сбросовый тектонический режим, [2]). Рассмотрим ситуацию многоярусной конструкции при коэффициенте бокового отпора q = 0,33. Расчеты, полученные для случая, когда оставляются целики (рис. 1), дают повышенные значения вертикальных напряжений в основании, в центральной части и кровле межкамерных целиков (МКЦ): на глубине 300 м о22 = 8-10 МПа; на глубине 350-410 м о22 = 12-18 МПа). При этом горизонтальные напряжения в основном сжимающие, но в кровле центральных камер появляется область растягивающих напряжений о** (до 1 МПа). Наибольшие напряжения ттах на глубине 300 м составляют 35 МПа, на глубине 350-410 м - 6-9 МПа. Кровля и почва отработанных камер испытывают напряжения о22 от -1 до 3 МПа, о** от 2 до 4МПа; в рудном «мосту» между отработанными камерами появляются области растягивающих напряжений о22 до 1 МПа. Такая ситуация неблагоприятна с позиции устойчивости, так как здесь возможно образование трещин и разрушение пород.
Таким образом, можно отметить, что практически вся конструкция находится в опасной ситуации, в которой возможно разрушение целиков, а также кровли и основания отработанных камер. В этом принципиальное отличие от условий, когда преобладают природные повышенные тектонические напряжения ($ > 1).
Проанализирована ситуация для предлагаемого порядок отработки свиты пологих залежей, то есть выемка целиков с последовательным послойным погашением кровли вслед за отработкой камерных запасов в случае преобладания вертикальной компоненты напряжений: q = 0.33. В отличие от условий повышенных тектонических напряжений, здесь появляется обширная область растяжения по о** в кровле и почве обрушенного пространства; по о22 - в основном сжатие; концентрация ттах - в краевых частях конструкции. Кровля погашенного пространства практически по всей длине находится в запредельном состоянии по о**, т.е. возможно самооб-рушение налегающего массива. Участок массива между отработанным пространством и нижележащими залежами находится в аналогичной ситуации; о22 = 2-3 МПа; ттах = 2-3 МПа. Максимальная концентрация напряжений наблюдается на флангах выработанного пространства о** = 10 МПа; о22 = 30 МПа; ттах достигают 12 МПа. Участок залежи (особенно МКЦ), выходящий за
Рис. 4. Зависимость коэффициента запаса прочности целиков Кзап от времени Т для различных значений мощности залежи т и коэффициента структурного ослабления Кст при Кф = 1 и Н = 350 м
зону обрушенных пород, испытывает повышенные вертикальные напряжения огг до 22 МПа и максимальные касательные напряжения ттах до 10 МПа.
При этом в краевой зоне в основании выработанного пространства наблюдается область растягивающих напряжений о^ до 3 МПа.
На основе изложенного следует, что безопасность отработки свиты пологих залежей в варианте выемки МКЦ вслед за отработкой камерных запасов зависит, в основном, от соотношения верти-
кальных и горизонтальных напряжений в нетронутом массиве, на-рушенности и прочностных свойств массива.
Для учета фактора времени проведена оценка устойчивости целиков с методом Турнера-Шевякова. Рассчитаны коэффициенты запаса прочности целиков Кзап в зависимости от времени Т, мощности залежи т, диаметра целиков d, коэффициента структурного ослабления массива пород Кст, глубины разработки Н и физикомеханических свойств горных пород.
На рис. 4 показаны значения Кзап в зависимости от времени для т и Кст при постоянных коэффициенте формы Кф = 1 и средней глубине разработки Н = 350 м. Оказалось, что при Кст < 0.7, целики диаметром d < 8 м, теряют свою несущую способность в течение первых пяти лет. Установлено, что при Кст < 0.3 независимо от мощности залежи целики изначально неустойчивы.
Проведен технико-экономический анализ результатов повторной выемки в ранее отработанных панелях (табл. 2). Из открытого выработанного пространства удается повторно отработать от 5.3 до 14.4 %, из полевых выработок под обрушенными породами - от 27.2 до 76.9 % от оставленных запасов руды в целиках. Значительный объем руды (от 19.4 до 60.5 %) остается недоступным для повторной выемки и безвозвратно теряется.
Сравнение вариантов разработки по технико-экономичес-ким показателям представлено на рис. 5. Сравнение базового варианта разработки, выполненного по приведенным данным в табл. 2, показало, что предлагаемый порядок выемки обеспечивает:
♦ повышение показателей полноты и качества извлечения запасов руды из недр в 1.7 ^ 1.8 раза;
♦ снижение объема проходческих работ в 4 раза и рост производительности труда на 9 ^ 11 %;
♦ снижение себестоимости добычи более чем в 1.4 раза.
Заключение
1. Анализ практики повторной отработки целиков различного назначения через 15-20 и более лет при камерно-столбовой выемке основных запасов панелей на месторождениях, показал что:
♦ более 60 % оставленных запасов представлено нарушенными целиками или располагается в зонах обрушения;
♦ с удовлетворительными показателями потерь и разубожива-ния руды удается извлечь от 10 до 15 % оставленных запасов в целиках из открытого очистного пространства;
9ХХ
Таблица 2
Состояние целиков панелей 3, 4-4а, 5 залежи ПЮЗ-9-1 гор. 235 м шахты 45; панелей 70-71 залежи ПЮЗ-6-1-11 гор. 60-30 м шахты 65
Извлекаемые запасы Панель Панель Панель Панель Панель
3 4-4а 5 70 71
Запасы руды в сумме в целиках, тыс.м3 то же, % 92.6 143.9 255.1 230.3 98.6
100 100 100 100 100
Отработанные из откр. выр. пространства, тыс.м3 11.4 7.9 36.6 8.6 5.1
то же, % 12.3 5.5 14.4 3.7 5.3
Разрушенные целики, тыс.м3 то же, % 56.0 60.5 38.5 26.8 50.1 19.6 44.7 19.4 25.1 25.5
Отработанные из полевых выработок, тыс.м3 то же, % 25.2 97.4 168.5 177.0 68.2
27.2 67.7 66.0 76.9 69.2
Камерные запасы, тыс.м3 515.0 697.6 101.9 741.5 432.1
Итого запасы, тыс.м3 607.7 841.5 1274.6 971.9 530.8
Показатели потерь и разубоживания, %
Объем проходческих работ, Производительность труда м3/1000 т по технологии, т/смену
Себестоимость 1т руды Прибыть на 1 т балансовые
по технологии, руб/т запасов, руб/т
100 80 60 40 20 0
Рис. 5. Основные технико-экономические показатели по сравниваемым вариантам камерно-столбо-вой системы разработки:
1 - камерно-столбовая техноло-гия, применяемая на предприя-тиях корпорации “Казахмыс”;
2 - предлагаемый вариант отработки панелей
♦ при отработке целиков из полевых выработок под обрушенными породами уровень разубоживания руды составляет 25-40 % и потерь от 8 до 10 %.
2. На примере Жезказганского месторождения расчетами установлено, что в условиях высоких тектонических напряжений в результате погашения кровли, напряжения в целиках нижележащей панели снижаются на 20-25 % по сравнению с базовым вариантом с сохранением целиков на этажах и ярусах. В целиках, расположенных за зоной надработки имеет место рост касательных напряжений на 5-10 %. При гравитационном поле внешних напряжений возникают области растяжения в кровле и почве нижней панели и в целиках, за зоной надработки вертикальные и касательные напряжения возрастают.
3. Отработка целиков вслед за выемкой камерных запасов многоярусной свиты залежей при камерно-столбовой выемке может, в основном, безопасно осуществляться из открытого очистного пространства, что обеспечит:
♦ повышение показателей полноты и качества извлечения запасов в 1.7- 1.8 раза;
♦ снижение себестоимости добычи, за счет исключения полевых проходческих работ, в 1.4 раза;
♦ рост прибыли в балансовых запасах при содержании меди 2.5 % - более чем в 2 раза.
----------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Назарова Л.А. Напряженное состояние наклонно-слоистого массива горных пород вокруг выработки // ФТПРПИ. - 1985. - № 2.
2. Назарова Л.А. Использование сейсмотектонических данных для оценки полей напряжений и деформаций земной коры // ФТПРПИ. - 1999. - № 1.
— Коротко об авторах -----------------------------
Назарова Л.А. - доктор физико-математических наук, Фрейдин А.М. - доктор технических наук, Алимсеитова Ж.К. -Институт горного дела СО РАН.
