CC BY
108
ГЕОТЕХНОЛОГИЯ
УДК 622.831.1
С.А. Неверов, А.А. Неверов МАГАЗИНИРОВАНИЕ РУДЫ ПРИ ПОДЭТАЖНОМ ОБРУШЕНИИ
ВВЕДЕНИЕ
Разработка рудных месторождений на современном этапе развития горных работ характеризуется постоянным выбыванием из эксплуатации богатых участков залежей и вовлечением в отработку все более бедных руд, высокой капиталоемкостью и минимальным воспроизводством минерально-сырьевой базы на действующих предприятиях. Непрерывное понижение горизонта выемки сопровождается ухудшением горнотехнических и геомеханических условий разработки, возникают трудности в выборе рациональных параметров выемки и обеспечении сохранности выработок горизонтов выпуска.
На сегодняшний день, в борьбе за повышение показателей извлечения некоторые геотехнологии требуют дополнительных материальных средств и трудовых ресурсов, что ставит под сомнение целесообразность их применения. Сложившаяся ситуация в горнодобывающей отрасли обусловлена несовершенством применяемых систем разработки и неспособностью последних, с учетом используемых технических средств, обеспечить добычу минерального сырья на конкурентоспособном уровне.
Одним из перспективных направлений выемки руд средней ценности и рядового качества является освоение и широкое внедрение различных вариантов системы подэтажного обрушения, когда в качестве экономического критерия выбора способа разработки целесообразно принимать максимум прибыли или минимум приведенных затрат на 1 т балансовых запасов при некотором ухудшении показателей извлечения. В условиях постоянного удорожания материалов и энергии для этой технологии характерны предельное упрощение схем подготовки и очистной выемки, высокая интенсивность горных работ, минимальный объем фонда оборотных средств и способность к автоматизации основных и вспомогательных процессов добычи. Анализ технической литературы и практика работы известных крупных горнорудных компаний [1-3] показывают неоспоримые и очевидные преимущества систем подэ-тажного обрушением перед другими равнозначными геотехнологиями, как более экономичного и прогрессивного способа разработки.
Целью данного исследования является обос-
нование перспективного варианта подэтажного обрушения и устойчивое развитие концепции его управляемости с точки зрения взаимосвязи рациональных параметров отбойки по условиям выпуска руды и устойчивости горных конструкций, при которых обеспечиваются полнота выемки и безопасность работ.
ИССЛЕДОВАНИЕ НОВОГО СПОСОБА ДОБЫЧИ
За основу создания более совершенной системы разработки принят эталон шведской технологии с торцовым выпуском руды, достоинства которой доказаны многочисленными исследованиями [1-4]. В качестве главного критерия дальнейшего развития этой технологии выступает увеличение высоты подэтажа, и как следствие, конструктивное и функциональное изменение некоторых процессов добычи.
В связи свыше изложенным, практический интерес представляет система разработки подэ-тажным обрушением с частичным магазинирова-нием отбитой руды (рис.1). Наиболее близким аналогом по технической сущности и совокупности существенных признаков является вариант выемки рудных месторождений подэтажным обрушением с ромбовидными панелями (рис. 2) и площадно-торцовым выпуском руды [3-5].
Предлагаемая технология реализуется следующим образом.
Весь комплекс подготовительно-нарезных работ выполняют в пределах одного подэтажа, подготовка которого идентична известному способу разработки [3-5].
Кратко напомним конструкцию горизонта выпуска. Представленная система подэтажного обрушения включает в себя проходку доставочно-го штрека, буро-доставочных ортов, погрузочных заездов и вентиляционного штрека. Количество погрузочных заездов, находящихся одновременно в очистной выемке регламентировано и недолжно превышать более двух выработок. Проветривание очистных забоев осуществляется за счет общешахтной депрессии с выбросом загрязненной струи воздуха в вентиляционный штрек, преимущество которого раскрыто в работе [3].
Процессы очистной выемки имеют существенные различия в сравнении с существующим аналогом. Выемку рудных панелей осуществляют
А-А
Рис. 1. Подэтажное обрушение с магазинированием руды: 1 - доставочный штрек; 2 - буро-доставочный орт; 3 - погрузочный заезд; 4 - вентиляционный штрек; 5 - отбитый слой руды; 6 - за-магазинированная руда; 7 - потери; 8 - обрушенные породы
А-А
В- В
В
В
Рис. 2. Подэтажное обрушение с площадно-торцовым выпуском руды
слоями прямоугольной формы. Отбойку руды в слоях выполняют в зажатой среде веерами скважин, пробуренных из буро-доставочных ортов. Послойный выпуск руды ведут в две стадии одновременно или поочередно через торцы буро-доставочных ортов и погрузочных заездов с элементами магазинирования. Первая стадия характеризуется выпуском руды до предельного разу-боживания в последней дозе, что составляет 6075% от запасов вынимаемого слоя. Во вторую стадию выпускают оставшуюся замагазинирован-ную часть руды (25-40%) совместно с отработкой слоев нижележащего подэтажа через доставочные выработки вышеупомянутого подэтажа.
Изменения технологических процессов очистных работ направлены, в основном, на увеличение высоты подэтажа ширины и толщины вынимаемых слоев, и как следствие, на создание предпосылок освоения мощного горного оборудования.
В целях обеспечения высоких показателей извлечения панели и слои отбитой руды нижнего подэтажа располагают в шахматном порядке относительно панелей и слоев выпущенной руды верхнего подэтажа со смещением в плане на 1А площади отбойки.
Элемент магазинирования совместно с правильным выбором режима выпуска обеспечивают возможность качественного регулирования выдержанности контакта «отбитая руда - обрушенная порода», а следовательно, и наилучшие показатели выпуска. Обоснованно предположить, что такой подход в функциональной цепочке добычи создает благоприятные условия для расширения диапазона рациональных параметров технологии и оптимального управления ими.
Рудные панели прямоугольной формы дают возможность задействовать в очистной выемке один подэтаж против двух подэтажей с ромбовидной конфигурацией отбиваемых слоев. Это об-
стоятельство позволяет увеличить высоту подэтажа в 2 раза и сократить объем подготовительнонарезных работ на 20-30% при прочих равных условиях, а также исключить необходимость в погашении погрузочных заездов после выпуска руды из каждого слоя. С точки зрения полноты и качества извлечения минерального сырья ромбовидная форма панелей является наиболее рациональной и обеспечивает приемлемые потери и разубоживание руды. Вместе с тем, при строгом исполнении технологии с магазинированием и соблюдении порядка выемки панелей прямоугольной формы значительная часть остатков отбитой руды может быть извлечена при отработке нижележащего подэтажа с незначительным ухудшением качества горной массы, не оказывая существенного влияния на технико-экономические показатели добычи.
В результате геометрического моделирования процесса выпуска руды с учетом использования алгоритма [4] определены рациональные параметры технологии. Ключевыми факторами, изменяющими состояние всей системы, были приняты показатель сыпучести и предельное разубожива-ние. Истечение руды предполагается из фигур по форме и объему, напоминающих эллипсоиды вращения.
Объем вертикального сегмента эллипсоида впуска (рис. 3):
' а)
где р - показатель сыпучести отбитой руды, м;
Н - высота фигуры выпуска, м;
Ь - расстояние от оси эллипсоида до отсекаемого сегмента, м;
Сравнительные технико-экономические показатели
Показатели Система разработки подэтажным обрушением
Шведский вариант с торцовым выпуском руды Вариант с отбойкой руды ромбовидными панелями и площадно-торцовой схемой выпуска Вариант с элементами мага-зинирования руды
Высота подэтажа, м 10.0 - 20.0 15.0 - 25.0 20.0 - 40.0
Расстояние между буро-доставочными ортами, м 8.0 - 13.0 9.0 - 14.0 12.5 - 16.5
Толщина отбиваемых слоев, м 3.2 - 4.7 8.0 - 12.0 14.0 - 18.0
Удельный расход ПНВ, м/1000т 1.7 - 2.1 1.8 - 2.3 1.5 - 1.7
Потери, % 11.5 - 13.1 7.8 - 8.1 7.4 - 10.1
* Разубоживание , % 14.8 - 18.7 13.8 - 15.6 14.1 - 20.4
Период воспроизводства запасов, мес. 2.2- 2.4 00 сч - ГЧ 1.7 - 2.0
Сравнительная себестоимость 1 т добытой рудной массы по системе разработки (относительно шведского варианта), д. ед.. 1.0 1.1 0.81
Сравнительная прибыль на 1 т погашаемых балансовых запасов, % 100.0 108.1 116.8
при коэффициенте рудоносности 1.
а - угол наклона эллипсоидов выпуска, град Объем горизонтального сегмента эллипсоида выпуска (рис. 3):
Уя *****
(3)
где Ї - расстояние от центра фигуры выпуска до отсекаемого сегмента, м;
(4)
к - высота подэтажа, м.
Ширина отбиваемых слоев (й) пропорцио-
3
м
нальна высоте подэтажа следующего выражения:
(к) и определялась из
(5)
где к - коэффициент, зависящий от предельного разубоживания в последней дозе выпуска отбитой руды (к = 1,1 - 1,25);
Кр - коэффициент разрыхления замагазиниро-ванной руды, д. ед.;
Важнейшим параметром системы разработки является толщина отбиваемого слоя (п), определяющая расстояние между погрузочными заездами:
«я^.м (6)
где п - коэффициент, учитывающий высоту и область влияния фигуры выпуска в зависимости от предельного разубоживания, д. ед.
?=з^Уг-д1 (?)
где Кн - коэффициент пропорциональности между разрыхленной и замагазинированной рудой, (Кн =
1.05 - 1,2);
Я1 - предельное разубоживание в последней дозе выпуска, д. ед.
Вышеприведенные формулы (1) и (2) справедливы для условия - к > 24.0 м.
При равнозначности ширины (й) и толщины (п) выпускаемых слоев наибольший эффект от реализации технологии обеспечивается равномерно-последовательным режимом выпуска руды одинаковыми дозами из погрузочного заезда и буро-доставочного орта.
Предварительные расчеты по определению показателей извлечения выполнялись применительно к отработке мощной крутопадающей залежи, представленной железными рудами. Предельное весовое разубоживание составляло 60% (Я1 =
0.6), показатель сыпучести принимался на уровне р = 1.1 - 1.2 м. Высота подэтажа изменялась от 20 до 40 м. Процесс магазинирования являлся обязательным и неотъемлемым элементом системы разработки.
Результаты проведенных исследований представлены в сравнительной таблице.
Анализ результатов моделирования позволил установить следующее.
Объем подготовительно нарезных работ по системе разработки составил 1.5 - 1.7 м/1000 т, что позволило повысить интенсивность выемки панелей на уровне подготовки подэтажей. В свою очередь это привело к сокращению нормативов подготовленных и готовых к выемке запасов, высвобождению части оборотных средств, и как следствие, уменьшению себестоимости добычи
в сравнении с технологиями данного класса более чем в 1.2 раза.
Ширина й и толщина п отбиваемого слоя в зависимости от высоты подэтажа изменялись от
12.5 до 16.5 м и 14.0 до 18.0 м соответственно.
Извлечение руды составило 89.6 - 92.8%, выпуск горной массы - 106 - 120% от погашаемых балансовых запасов.
Минимальные значения потерь и разубоживания руды соответствовали й = 13.5, п = 14.0 м при высоте подэтажа к = 30 м и й = 15.7, п = 16.4 м -при к = 40 м. В границах этих параметров потери руды варьировались на уровне 7.4 - 10.1%, разубоживание изменялось от 14.1 до 20.4%.
На основе проведенных исследований (рис. 4) построены графики зависимости показателей извлечения от высоты подэтажа, при которой параметры отбойки и выпуска руды отвечают выше представленным выражениям (1) и (2).
Нарушение последовательности выемки и шахматного расположения панелей и слоев нижнего подэтажа относительно верхнего на 10 - 20% провоцируют снижение показателей извлечения: потери и разубоживание руды возрастают соответственно более чем в 2.0 и 1.4 раза.
По укрупненным расчетам предпочтительным является вариант с высотой подэтажа 35.7 м и объемом магазинирования отбитой руды 34% от запасов слоя, обеспечивающими равноценность показателей извлечения с системами разработки подэтажного обрушения (табл.). Наибольший успех, как было сказано выше, может быть достигнут только при жестком соблюдении параметров выемки в соответствии с принятыми технологическими особенностями.
Рис. 4. Зависимости потерь Р и разубоживания Я от высоты подэтажа
В работе [6] приводится сравнительная гео-механическая оценка систем подэтажного обрушения с торцовым и площадно-торцовым выпуском руды. За исследуемые области принимались рабочие выработки подэтажа. Результаты численного моделирования показывают конструкционную приемлемость подэтажных технологий к отработке месторождений с развитыми тектоническими полями напряжений на больших глубинах. Возникающие касательные напряжения, в окрестностях очистной выемки, не превышают предельных значений сопротивления пород на сдвиг с учётом структурного ослабления массива. Наименьшая устойчивость характерна для кровли вы-
МО
10 -I---------------1-------------1-------------1-------------1-------------1------------1--------------1------------1
£ 10 15 20 25 30 35 40 45 Н
Рис. 5. Сравнительная эффективность вариантов систем подэтажного обрушения: 1 - технология с торцовым выпуском; 2 - с площадно-торцовым выпуском; 3 - с магазинированием руды
работок горизонта выпуска, сохранность которых определяется скоростью отработки панели и способами их поддержания.
Установленные рациональные параметры отбойки по условию обеспечения устойчивости горных выработок соответствуют достижению максимальных показателей извлечения руды на выпуске.
В нашем случае, объективно допустить, что высокая интенсивность подготовки залежей, малый срок эксплуатации нарезных выработок, погашаемых по мере развития очистных работ, принятые условия отбойки и выпуска руды благоприятно скажутся на безопасности отработки залежей при освоении системы подэтажного обрушения с магазинированием. Это связано в первую очередь с увеличением высоты подэтажа и расстояний между буро-доставочными выработками с сохранением послойного извлечения руды малыми взрывами.
Прогнозная эффективность технологии при ранжировании параметров к, й и п определялась по величине получаемой прибыли на 1 т погашаемых балансовых запасов (рис. 5) относительно базового варианта путем прямого счета:
П = Ц—(с+*)—(Уш + 1^.руб./т. (8)
где Ц - стоимость конечного продукта, отнесенная на 1 т балансовых запасов, руб./т;
с - показатель, соответствующий величине переменных затрат на добычу и переработку горной массы, приходящийся на извлечение 1 т балансовых запасов, руб./т;
к - постоянные затраты на добычу и переработку 1 т товарной руды с учетом потери качества при обогащении, руб./т;
Уп и Уг - соответственно экономический ущерб от потерь и разубоживания руды, руб./т.;
Уш = ^_________5^., руб./т.
руб./т
(9)
(10)
где Р и Я - соответственно потери и разубожива-ние руды, %;
а и Ь - соответственно содержание полезного компонента в рудной массе и во вмещающих породах, %.
В качестве базовой системы разработки, прибыль которой на 1 т балансовых запасов составляет по безразмерному показателю 100, принято подэтажное обрушение с торцовым выпуском руды (к = 15.7 м, й = 12.0 м и п = 3.9 м). Сравнительные технико-экономические решения (табл.) выполнены применительно к особенностям разработки железорудных месторождений Г орной Шо-рии при постоянной мощности рудных тел (60 м) и однотипности применяемого горно-шахтного оборудования.
Как видно из таблицы и рис. 5 незначительный рост прибыли в условиях рассматриваемого способа обеспечивается за счет снижения объемов проходческих работ и повышения качества выпуска руды. Вместе с тем, эти показатели не являются абсолютными в связи с тем, что трудно спрогнозировать как себя поведет система разработки с магазинированием при отработке залежей с различной степенью рудоносности.
Аккумулирование части отбитой руды верхнего подэтажа создает трудности в выделении и оставлении в недрах включений и прослоев пустых пород при выемке нижнего подэтажа. Следовательно, неизбежен неоправданный рост потерь руды, величина которых может достигать 40 и более %. В этом смысле предлагаемый к освоению вариант добычи имеет ограниченную область использования.
На основании графиков, представленных на рис. 5 оптимальные значения параметров сравниваемых систем разработки соответствуют:
П =f(к) -^■max , (11)
Исследуя эти функции на экстремум, получим оптимальные значения высоты подэтажа, при которых обеспечивается достижение максимума прибыли:
базовый вариант
£Т.Ф-1.07к=0; (12)
площадно-торцовая технология
22.9-l.I6h = а: (13)
система с магазинированием
ЪЗЗЬ = & (14)
В этих условиях отчетливо прослеживаются сферы влияния систем разработки подэтажного обрушения. Так, для технологии с магазинирова-нием руды высота подэтажа ограничивается возможностями применяемого бурового оборудования и должна составлять не менее 24 м. При меньших ее значениях становятся предпочтительными варианты с ромбовидными панелями.
Максимальная эффективность системы разработки обеспечивается при следующих параметрах: высоте подэтажа к = 35.7 м, ширине и толщине вынимаемых слоев й = 15.1 м и п = 15.5 м. Увеличение высоты подэтажа, например, с 36.0 до 42.0
м приводит к снижению прибыли на 5 - 10% за счет роста разубоживания на 3.8 - 6,3% (абсолютных). Уменьшение высоты подэтажа до 20 - 24 м также снижает эффективность разработки на 10 -22%. Последнее обстоятельство объясняется ростом затрат на подготовительно-нарезные работы, которые не окупаются повышением качества извлекаемой горной массы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Освоение технологии подэтажного обрушения с элементами магазинирования позволяет, в сравнении с системами разработки данного класса:
снизить объем подготовительно-нарезных работ в 1.3 - 1.4 раза и, соответственно, повысить интенсивность выемки месторождений;
^ обеспечить по прогнозным оценкам безопасность отработки за счет меньшей изрезанности массива горными выработками;
увеличить эффективность добычи руды более чем на 20% при равноценности показателей извлечения.
Однако с учетом всех достоинств этой технологии область ее применения ограничивается выемкой мощных рудных залежей с выдержанными элементами залегания и равномерной степенью рудоносности при строгом соблюдении параметров отбойки и режима выпуска руды.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Именитое В.Р. Процессы подземных горных работ при разработке рудных месторождений. Учебное пособие для вузов, 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Недра, 1984.
2. Современные способы разработки рудных залежей с обрушением на больших глубинах / А.М. Фрейдин, А.А. Неверов, С.А. Неверов, П.А. Филиппов; Рос. акад. наук, Сиб. отд-ние, Институт горного дела. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2008. - 151 с.
3. Перспективы технического перевооружения подземных рудников Западно-Сибирского металлургического комплекса / А.М. Фрейдин, П.А. Филиппов, С.П. Гайдин, Э.Н. Кореньков, С. А. Неверов. // ФТПРПИ. — 2004. — № 3.
4. Фрейдин А.М. Моделирование площадно-торцовой технологии выпуска руды под обрушенными породами / А.М. Фрейдин, С. А. Неверов. // ФТПРПИ. — 2005. — № 5.
5. Патент РФ № 2301335. Способ разработки рудных месторождений подэтажным обрушением / Неверов С.А., Фрейдин А.М., Неверов А.А.
6. Устойчивость горных выработок при системе разработки подэтажного обрушения / А.М. Фрейдин, А.А. Неверов, С. А. Неверов, П.А. Филиппов // ФТПРПИ. — 2008. — № 1.
□ Авторы статьи:
Неверов Сергей Алексеевич
- канд.техн.наук, научный сотрудник Института горного дела Сибирского отделения РАН (г. Новосибирск), телефон (383) 217-09-52, е-шаД: пеуегоуаа [email protected]
Неверов Александр Алексеевич
- канд.техн.наук, научный сотрудник Института горного дела Сибирского отделения РАН (г. Новосибирск),, е-шай пеуегоуаа [email protected]
