Методика выбора направления развития подготовительных горных работ при отработке запасов полезного ископаемого в бортах карьера (на примере Новороссийского месторождения мергеля) Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

----------------------------------------- © М.А. Земляной, А.В. Денисов,

2010

УДК 622.441.59

М.А. Земляной, А.В. Денисов

ОБОСНОВАНИЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ЛОКАЛЬНЫХ ЗОН МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД В УСЛОВИЯХ СОВМЕСТНОГО ВЕДЕНИЯ ОТКРЫТЫХ И ПОДЗЕМНЫХ ГОРНЫХ РАБОТ (на примере Новороссийского месторождения мергеля)

На примере Новороссийского месторождения мергелей проведено обоснование пространственного перемещения локальных зон массива горных пород. В результате представляется возможным производить интегрированную оценку напряженно-деформированного состояния массива пород в кровле горной выработки, расположенной в борту карьера.

Ключевые слова: горные работы, мергель, кровля горной выработки, интегрированная оценка.

Ту условиях одновременного ве-

1.3 дения горных работ, когда на рабочей площадке уступа располагается горно-добычная техника и происходит перемещение в пространстве добычного забоя, а на нижерасположенном уступе ведутся подземные работы по проведению вскрывающей выработки, возникает комплекс статических и динамических нагрузок, вызывающий перемещение локальных зон (элементарных ячеек) массива горных пород в пространстве рис. 1.

Представим локальные участки массива горных пород, подверженные пространственным перемещениям, как состоящие из элементарных ячеек призма-тичной формы. Форму призмы элементарной ячейки придают плоскость падения пластов тел полезного ископаемого, ограниченной функцией свода естественного равновесия и функцией опорного давления.

На элементарную ячейку массива горных пород, движущуюся по верти-

кальной оси z под собственным весом Fт и действием модуля силы Fм, кроме силы Fт (действие свода естественного равновесия) пропорциональной расстоянию z1 и силы сопротивления среды, пропорциональной скорости V, действует еще периодически изменяемая сила FoД (опорное давление) рис. 2.

Дифференциальное уравнение перемещаемой элементарной ячейки (модуль силы Fм) будет выглядеть так:

d2 г йг

т------Ъ 2п-----Ъ сг =

dt dt

Дифференциальное уравнение движения элементарной ячейки по наклонной плоскости примет вид

тХ = + Рдда ;

тУ = Ру + Му + Рддд;

тг = + Рддг ...

Рис. 1. Схема концентрации напряжений от воздействия статических и динамических нагрузок: Ь - длина вскрывающей выработки, м; h - высота выработки, м; ^— расстояние от кровли выработки до рабочей площадки, м; ^ ’- высота добычного уступа, м

Рис. 2. Схема проявления сил в кровле горной выработки при ее проведении, величина которых зависит от параметров сооружения и технологии его проведения. и - приращение амплитуды проявления резонанса напряжений от свода естественного равновесия и опорного давления, м

На рис. 3. представлено направление пространственного перемещения пород, нагруженных собственным весом.

Управление напряженно-деформированным состоянием массивов скальных горных пород, находящихся под

действием изменяющихся во времени нагрузок, обусловленных перераспределением первоначальных напряжений породной толщи в окрестностях горных выработок и зон обрушения необходимо производить на основе

-85 -70 -56 -42 -28 -14 -0.84 0.84 14 28 42 56 70 85

Загружение 1

Мозаика напряжений по Тхг Единицы измерения - т/м2

Рис. 3. Векторы направлений пространственного перемещения пород, нагруженных собственным весом

-®5 -70 -Ж

Эдгрэритк: I

ГЛма,*анагрл+5М-Е*1по Те 54Ы-ЬЦз< ИЇ.МріИИ - ТЛЛЕ

%

Рис. 4. Схема кластерной модели пространственного распределения напряжений в кровле горной выработки (штольни)

кластерной модели пространственного распределения напряжений в кровле горной выработки.

В качестве примера использована модель со следующими входными данными: Е - 3,8 тс/м2 (модуль деформации); V - 0,38 - (коэффициент Пуассона); Н - 0,73315 (глубина сжимаемой толщи пород), м; И0 - 1.6 тс/м3 (удель-

СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ

ный вес породы). На рис. 4 представлена схема кластерной модели пространственного распределения напряжений в кровле горной выработки.

Данная модель позволяет производить интегрированную оценку напряженно-деформированного состояния массива пород в кровле горной выработки, расположенной в борту карьера.

|\ ■ ■ г % | . п Л , Л Г\ Г г. ' Г. Г\ ■■ “ I*. 1

■*- ■■■■■■?■■■■■ ‘.г.;.!- ■

1. Казикаев Д.М. Комбинированная разработка месторождений: Учебник для вузов. -М.: Издательство Московского государственного горного университета, Издательство «Г орная книга», 2008. - 360 с.

2. Казикаев Д.М. Геомеханика подземной разработки руд: Учебник для вузов. - М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2005. - 542 с.: ил. Н!ГД=1

— Коротко об авторах ------------------------------------------------------

Земляной М.А. - кандидат технических наук, докторант каф. Подземная разработка месторождений полезных ископаемых (ПРМПИ), Южно-Российский государственный технический университет (НПИ), [email protected]

Денисов А.В. - первый заместитель ген. директора ОАО НТЦ «Промышленная безопасность».

--------------------------------------- © М.А. Земляной, А.В. Денисов,

2010

УДК 622.441.60

М.А. Земляной, А.В. Денисов

МЕТОДИКА ВЫБОРА НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ГОРНЫХ РАБОТ ПРИ ОТРАБОТКЕ ЗАПАСОВ ПОЛЕЗНОГО ИСКОПАЕМОГО В БОРТАХ КАРЬЕРА

(на примере Новороссийского месторождения мергеля)

На примере Новороссийского месторождения мергелей разработана методика выбора направления развития подготовительных горных работ при отработке запасов полезного ископаемого в бортах карьера, позволяющая производить интегрированную оценку выбранного направления развития горных работ с учетом напряженно-деформированного состояния массива пород в кровле горной выработки, расположенной в борту карьера.

Ключевые слова: подготовительные горные работы, мергель, горное давление, борт карьера.

Яастоящая методика выбора направления развития подготовительных горных работ при отработке запасов полезного ископаемого в бортах карьера основана на принципах пространственного распределения породо-

образующих элементов в телах полезного ископаемого и пространственного распределения напряжений в массиве горных пород. В основе метода лежат следующие физические закономерности, установленные в ходе эксперименталь-

Рис. 1. Зависимость содержания Al2Oз от содержания СаСО3 в мергеле

У АО = 10,6 “ 0,103Х

где х - со-

ных и теоретических исследований деформационных процессов, вызванных воздействием прилагаемой нагрузки в области свода естественного равновесия и области опорного давления при проведении горной выработки. Кроме того, неравномерный характер распределения породообразующих элементов (СаСО3, А1203, SiO2 и Fe2SO4) в телах полезного ископаемого, слагающих приоткосный массив горных пород.

Для регистрации проявления горного давления в штольнях устанавливаются наблюдательные станции, которые состоят из динамометра, анкерной крепи, шпуров с глубинными реперами, относительные глубинные реперы, контурные реперы, ползуны с делениями для измерений.

Образцы в лабораторных условиях исследуют при помощи пресса, обеспечивающего постоянную скорость деформирования образца и максимальную нагрузку, не меньше предела прочности образцов данной породы на сжатие.

Трехосное осесимметричное нагружение в режиме обобщенного сжатия (о!>о2=о3>0, схема Кармана) или обобщенное растяжение (03<02=01; 01,02,03>0, схема Беккера) следует проводить в камере трехосного сжатия.

Полученные данные обрабатываются на ЭВМ, применяя программный комплекс «Лира визард». В основу расчета

держание СаСО3 в мергеле, %.

положен метод конечных элементов в перемещениях.

Для выбора рационального направления развития фронта подготовительных работ (выделение первоочередных зон) в плане необходимо установить зависимость А1203 от СаСО3. На рис. 1 представлена зависимость А1203 от СаСО3.

Информация о распределении породообразующих элементов в телах полезного ископаемого и интеграция параметров технологической схемы добычи и ценности минерального сырья определяет направление развития фронта подготовительных работ в пространстве.

Обоснование рациональной последовательности подготовки тел полезного ископаемого к выемке в плане и направление углубки необходимо производить на основе трапециевидно-блочной гео-лого-промышлен-ной модели месторождения, которая позволяет производить интегрированную оценку ценности сырья и параметров технологической схемы добычи мергеля. Основным элементом модели является ячейка с поперечным сечением в виде трапеции. Трапециевидную форму ячейке придают высота уступа и угол залегания тела мергеля с учетом вмещающих породных прослоек. На основе корреляционнорегрессионного анализа для каждой трапециевидной ячейки рассчитывают содержание СаСО3, А1203 и 8Ї02 в мергеле по трем и более скважинам, расположенным внутри элементарного трапециевидного блока.

Ц, руб/т

Зона

оптимальности

Рис. 2. Функция зависимости извлекаемой ценности сырья от содержания в нем силикатного, глиноземного модулей и СаСО3:. где ц - извлекаемая ценность минерального сырья от содержания СаСО3; п -глиноземный модуль; р - силикатный модуль; S1, S2, S3 - площадь, ограниченная зоной оптимальности по извлекаемой ценности, глиноземного и силикатного модулей соответственно, ед2.

Ценность минерального сырья, поступающего непосредственно на обжиг, происходит с учетом зависимости извлекаемой ценности сырья от содержания СаСО3, силикатного и глиноземного модулей представленной на рис. 2.

Увеличение зоны оптимальности (рис. 2) предполагает S1 ^ max, S2 ^

max, S3 ^ max. С увеличением S1, S2, S3 повышается экономическая эффективность производства цемента за счет снижения величины применения корректирующих добавок.

Функция регрессии имеет вид ц = 23,74-0,0641

х2 + 15,52х2 + 36,46х2

где х1-содержание СаСО3, доли ед.; х2 -величина силикатного модуля п, доли ед.; х3 - величина глиноземного модуля р, доли ед.

Однако 82, 83 имеют ограничения по величинам, влияющим на качество сырья, идущего на обжиг. Оптимальные параметры пи р определяются применяемым оборудованием и технологий производства цемента.

Величины 8ь 82, 83 определяются следующей формулой

ь т Ь1

8! =| f(ц)dx, 82 =£ | fl (n)dx,

а 1=1 а1

т Ь1

83 = 2/ ^(рМх>

1= а1

где а1 и Ь1 - отрезок с границами а1 и Ь1 в 1-й зоне оптимальности; т - количество участков в 1-й зоне оптимальности, шт.

Данная модель позволяет производить интегрированную оценку выбора направления развития подготовительных горных работ с учетом применения подземных горных выработок в условиях напряженно-деформирован-ного состояния массива пород в кровле горной выработки, расположенной в борту карьера.

--------------------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Казикаев Д.М. Комбинированная разработка месторождений: Учебник для вузов. - М.: Издательство Московского государственного горного университета, Издательство «Горная книга», 2008. - 360 сЯНЗ

— Коротко об авторах ------------------------------------------------------

Земляной М.А. - кандидат технических наук, докторант каф. Подземная разработка месторождений полезных ископаемых (ПРМПИ), Южно-Российский государственный технический университет (НПИ), [email protected]

Денисов А.В. - первый заместитель ген. директора ОАО НТЦ «Промышленная безопасность».