CC BY
39
© А.Н. Ламзин, 2003
УДК 622.838.51
В
.Н. Ламзин
ТРАБОТКА УДАРООПАСНОСТИ ЦЕЛИКОВ НА БОЛЬШИХ ГЛУБИНАХ НА РУДНИКАХ НОРИЛЬСКОГО КОМБИНАТА
настоящее время горные работы на руднике «Октябрьский» Норильского комбината ведутся на глубине 1000 м, на руднике «Таймырский» и шахте «Скалистая» - до 1500 м. Проводится разведка новых залежей на глубине более 2 км.
Г орнотехническая ситуация на руднике «Октябрьский» осложняется в результате сформировавшихся разделительных массивов (рудных целиков) РМ-1 и РМ-2. Ширина разделительных массивов в настоящее время изменяется соответственно от 120 м до 40 м при мощности отрабатываемых богатых руд от 20 до 35 м. Высокий уровень напряжений в нетронутом массиве от 1,6уН до (3-4)уЯ в зоне опорного давления, большие площади отработанных полей, сильная тектоническая нарушенность, склонность руд и пород к хрупкому разрушению в форме толчков, стреляний, микроударов и горных ударов осложняет ведение горных работ.
Вопрос безопасной отработки разделительных массивов является актуальным не только для рудника «Октябрьский», но и для всего Норильского комбината, т.к. отработка постепенно умень-шающихся целиков большой протяженности является в настоящее время на месторождении основным источником добычи богатых руд. Безопасность отработки целиков должна быть обеспечена без снижения объема добычи с этих разделительных массивов.
Для безопасной отработки разделительных массивов был разработан комплекс мероприятий по предотвращению горных ударов при их подготовке и отработке.
Для разделительных массивов
Схема формирования защищенных зон при отработке мощных рудных тел: 1 - выработки защитного слоя; 2 - рабочая лента; 3 - отработанная лента; 4 - основные запасы; 5 - граница защищенной зоны; в > 4 -берма безопасности
разработан порядок отработки панелей, исключающий возникновение удароопасных ситуаций, и региональные мероприятия по разгрузке разделительных массивов от высоких напряжений.
Основной особенностью безопасной отработки является как отработка защитного слоя, так и приведение массива руды в неудароопасное состояние скважинами большого диаметра на больших площадях. Проведенная оценка внедренных мероприятий по предотвращению горных ударов показала их эффективность и позволила отрабатывать целики, не снижая производительность разделительных массивов.
Поля рудников «Октябрьский» (РО) и «Таймырский» (РТ) ОАО "Г орно-металлургической компании «Норильский никель» на глубинах более 700 м отнесены к опасным по горным ударам. Отработка рудных залежей на глубинах до 1300 и более метров сопровождается ухудшением геомеханической ситуации из-за возрастающей угрозы проявлений горного давления в виде горных и горнотектонических ударов, техногенных землетрясений, что помимо негативных социальных и экологических по-
следствий, приводят к удорожанию восстановительных работ и увеличению затрат на создание безопасных условий труда.
Особенностью отработки Октябрьского месторождения является формирование разделительных массивов между полями шахт 1 и 2 РО (РМ-1) и между шахтой 2 РО и шахтой 1 РТ (РМ-2). Отработка массивов сопряжена с ростом опорных нагрузок при уменьшении ширины активной зоны (не приведенной в неудароопасное состояние) между встречными фронтами очистных работ. Ситуация осложняется также и неравномерным (по тектоническим блокам) распределением нагрузок в пространстве.
При отработке богатых руд на месторождении первоначально применялась сплошная слоевая система разработки с закладкой выработанного пространства твердеющими смесями. Выемку запасов руды в лентах осуществляли слоями сверху вниз (нисходящий порядок) или снизу вверх (комбинированный порядок) с обязательным расположением нарезных и очистных выработок основных слоев в защищенной зоне. Защищенная зона формировалась опережающей по отношению к основным слоям проходкой и закладкой горных выработок твердеющими смесями, как правило, по кровле рудного тела. Тем самым создается достаточно мощный защитный слой, который разгружал призабойный рудный массив от повышенных нагрузок (рисунок). Величина опережения подкровельного защитного слоя принимается такой, чтобы у рудного бока защищаемой выработки формировалась берма безопасности, превышающая половину ширины
очистной ленты.
Многолетняя практика разработанных порядков производства горных работ на РО и РТ показала, что данный способ формирования защищенной зоны достаточно надежен, исключает проявления горных ударов и обеспечивает безопасное ведение очистных работ в основных слоях. Однако сооружение защитного перекрытия, наряду с выявленными достоинствами, имеет существенные недостатки: низкие темпы сооружения защитного слоя, высокую трудоемкость, связанную со значительными объемами проходки выработок тупиковыми забоями, их креплением, последующей армировкой и закладкой дорогостоящими высокомарочными твердеющими смесями. Это приводит к повышению себестоимости и снижению производительности добычи руды.
С целью увеличения скоростей подвигания очистных фронтов по защитному слою с одновременным снижением себестоимости и трудоемкости работ работниками рудника «Октябрьский», ВНИМИ и ГмОИЦ было предложено формировать защищенные зоны путем бурения скважин большого диаметра.
Результаты опытно-промышленных испытаний показали, что испытанный способ разгрузки удароопасных участков массива является эффективным. Отклонения скважин в субпараллельной выработке не превышали 1 м. Способ был рекомендован к промышленному использованию в качестве профилактической меры при разгрузке удароопасных участков массива горных пород. Во всех испытанных вариантах результаты оказались положительными. Разгрузочный эффект проявлялся в большей мере при подработке массива скважинами, чем при надработке, а также при больших диаметрах скважин.
Проведенные исследования показали, что эффективность разгрузочного бурения зависит от вида напряженного состояния, уровня действующих в массиве напряжений и механических свойств руды или пород.
В результате этих инструментальных исследований определены количественные зависимости интенсивности дискования керна, избыточного выхода буровой мелочи, параметров неупругого деформирования приствольной зоны скважин от уровня напряженности и вида напряженного состояния массива.
Коэффициент концентрации вертикальных напряжений Диаметр разгрузочных скважин (мм) Расстояние между скважинами (мм)
110 320
130 380
165 480
110 402
2,5 130 475
165 610
110 520
3,0 130 615
165 780
Выявленные зависимости процесса неупругого деформирования приствольной зоны скважин реализованы в практике оценки напряженного состояния массива и определения параметров бурения разгрузочных скважин.
Проведенными исследованиями было установлено, что при нагрузках 0,6-0,8 от предела прочности руды (породы) начинается деформирование контура скважины. В случае, когда нагрузка в массиве в 1,2-1,5 раза превышает прочность руды (породы), происходит разрушение контура скважины. Причем, чем выше нагрузки, тем больше эффективность разгрузочных скважин. Наибольший эффект достигается путем бурения разгрузочных скважин при напряжениях в массиве выше 2-3,5 предела прочности руды (породы). Одновременно было установлено, что чем выше напряженность массива, тем больший радиус влияния имеет скважина одного и того же диаметра и наблюдается тенденция увеличения разгружающего действия скважины с увеличением его диаметра.
Расчет расстояния ^) между разгрузочными скважинами в зависимости от величины деформации разгрузочных скважин в рудном массиве для условий Октябрьского месторождения выполнен по формуле:
- + ехр
(1)
где d - диаметр разгрузочных скважин, мм; а - действующие вертикальные напряжения в массиве в месте заложения скважины в рудном массиве с учетом глубины, коэффициента концентрации напряжений, объемного веса (а = куН), МПа; асж - предел прочности халькопирита с учетом масштабного фактора (асж = 50), Мпа; к - коэффициент концентрации вертикальных напряжений.
Результаты расчета по формуле (1) сведены в таблицу.
При планировании шахтных экспериментов учтены результаты лабораторных исследований: повышение эффективности разгрузки при увеличении коэффициента концентрации напряжений и диаметра скважин, что позволяет снизить необходимые объемы разгрузочного бурения. Для выбора участка испытаний выполнен расчет полей напряжений при существующей горнотехнической ситуации в шахтном поле РО. Оказалось, что в РМ-1, где и был выбран опытный участок, коэффициент концентрации опорных нагрузок достигает 2,0-2,5уН. Предварительно приобретено новое буровое оборудование, обеспечивающее более точное бурение скважин диаметром до 165 мм.
Защищенная зона для отработки основных слоев создавалась путем бурения разгрузочных скважин длиной от 8,5 до 24 м. Диаметр скважин составлял 165 мм, расстояние между центрами скважин 0,7 м.
Инструментальная оценка действующих напряжений методом дискообразования керна, проведенная до бурения скважин, показала, что максимумы зоны опорного давления находились на расстоянии до 2,5 м от устья скважин, а величина напряжений в этих точках достигала 40-53 МПа (1,5уН). После формирования защищенной зоны происходило снижение действующих напряжений до 20-30 МПа.
Визуальными наблюдениями, проводимыми в процессе проходки и расширения разрезной выработки в ленте, а также состояние очистных слоев, состояние подготовительных выработок оценивалось как удовлетворительное, случаев динамического проявления горного давления не отмечалось. Инструментальная оценка состояния разгрузочных скважин показала, что неупругое деформирование происходит сразу же после бурения.
При бурении разгрузочных скважин длиной более 20 м не всегда
а
а
а
обеспечивалось их расположение в одной плоскости. На отдельных участках отмечалось отклонение между концами скважин на величину более 3dскe. Для исключения подобных отклонений при бурении скважин было испытано устройство для обеспечения
параллельности скважин. При использовании такого устройства необходимая точность бурения обеспечивается при длине скважин до 25 м.
Только на руднике «Октябрьский» ежегодные объемы бурения достигли 80-100 тыс. м/год. В РМ-1 бурением
скважин по кровле рудного тела сформирована и ежегодно по мере продвижения очистных фронтов восполняется защищенная зона на площади более 30 тыс. м2. Динамических проявлений горного давления в защищенных зонах не происходило.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ --------------------------------------
Ламзин А.Н. — ОАО «Норильская горно-металлургическая компания им. А.П. Завенягина».
