Оценка возможности безвзрывной выемки породного прослоя в условиях пластового месторождения криолитозоны Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

© С.В. Панншсв, А.М. Бураков, А.П. Винокуров, 2008

УДК 622.271.4(571.56)

С.В. Панишев, А.М. Бураков, А.П. Винокуров

ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ БЕЗВЗРЫВНОЙ ВЫЕМКИ ПОРОДНОГО ПРОСЛОЯ В УСЛОВИЯХ ПЛАСТОВОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ КРИОЛИТОЗОНЫ

Семинар № 14

Кангаласское буроугольное месторождение расположено в центральной части Республики Саха (Якутия) в 40 км севернее г. Якутска.

Рабочими угольными пластами на поле разреза являются (сверху вниз) Рудничный, Верхний и Нижний.

В настоящее время объектом эксплуатации месторождения являются пласты Верхний и Нижний. По своим морфологическим особенностям они образуют одну мощную угольную залежь, состоящую из двух основных сближенных угольных пачек, разделенных прослоем глин, алевролитов и песчаников (междупластье) с суммарной мощностью 0,5-2,5 м.

Пласт "Нижний" имеет широкое площадное развитие. Средняя мощность пласта составляет 5,2 м. Пласт

1 о0

плавно погружается под углом 1-2 в северном направлении, в эту же сторону происходит увеличение его мощности до 6,0 м. Кровля и почва пласта сложены, в основном, глинистыми образованиями с примесью песчаного материала.

Пласт "Верхний" является верхней пачкой угольной залежи и расположен выше пласта "Нижний" в 1,5-3,0 м. Пласт имеет простое и сложное строение. Совместно с пластом "Нижний" он погружается в северном направлении с постепенным нарастанием мощности от 8,9 до 13,3 м. Средняя мощность пласта составляет

11,1 м. Основная кровля пласта сложена песчано-глинистыми образованиями: песками, песчаниками, алевролитами, аргиллитами и глинами, почва - аргиллитами и глинами.

На горных работах в разрезе используется экскаватор ЭШ-10/70 (бестранспортная вскрыша) и экскава-торы-мехлопаты ЭКГ-5 А. Буровые работы ведутся станками СБШ-250МН и 3СБШ-200-60, СБР-160-А-24 и СВБ-2М. Транспортный парк разреза составляют автосамосвалы БелАЗ-75405.

Производственная мощность разреза составляет 300 тыс. т в год. Но в последние годы связи с интенсивной газификацией и переводом объектов теплоснабжения на жидкое углеводородное топливо произошло падение объёмов добычи угля. Основные технико-экономические показатели

предприятия представлены в табл. 1.

Добычные работы на разрезе обычно ведутся в периоды январь-апрель и август-декабрь. В эти же периоды по транспортной системе разработки отрабатывается внутренняя вскрыша (междупластье). Технология отработки внешней и внутренней вскрыши (междупластья) включает в себя предварительную буровзрывную подготовку.

Как видно из табл. 1, себестоимость добычи угля растет на фоне постоянного снижения объемов произ-

Таблица 1

Основные ТЭП разреза "Кангаласский"

Показатели ед. изм. 2001 г. 2002 г. 2003 г. 2004 г. 2005 г. 2006 г.

Добыча угля тыс. т. 240,5 195,6 187,7 191,3 192,1 186,9

Вскрыша всего тыс. м3 336 190 395 174 20 31

в т. ч. автотранспортная т. м3 81 70 70 0 0 26

бестранспортная т. м3 255 120 325 174 20 5

Себестоимость 1 т. угля руб. 184,54 265,52 290,76 240,39 303,02 355,00

Таблица 2

Данные скважинных замеров температуры

Дата Гемп-ра воздуха, 0С Осадки Глубина измерения температуры массива, м

0,0 0,1 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

10 мая +9,8 - +4,4 +4,1 +1,1 -4,8 -6,7 -8,6 -9,0 -9,7

17 мая +7,8 Дождь +5,5 +2,7 +0,1 -4,6 -5,8 -7,3 -7,8 -9,2

24 мая +9,4 Дождь +5,8 +4,5 +1,9 -3,7 -5,0 -6,7 -7,7 -8,8

31 мая +21,4 - +12,8 +10,7 +6,8 -2,7 -4,2 -6,0 -7,6 -8,4

7 июня +17,0 - +12,0 +11,3 +7,6 +1,3 -2,4 -5,4 -7,8 -8,1

14 июня +23,4 - +13,8 +11,1 +7,7 +3,2 -1,4 -4,2 -7,2 -7,6

27 июня +19,4 - +11,9 +11,7 +5,9 +3,8 +0,9 -2,6 -6,2 -7,0

5 июля +20,8 - +13,0 +11,3 +8,5 +3,4 +3,2 +1,0 -1,4 -3,6

12 июля +26,6 - +14,7 +14,4 +11,1 +3,8 +3,6 -0,9 -4,2 -5,7

20 июля +17,4 Дождь +11,2 +9,1 +8,5 +5,3 +5,1 +1,0 -3,2 -5,4

27 июля +28,4 - +16,1 +12,7 +10,1 +5,5 +5,4 +1,8 -2,1 -5,3

9 авг. +24,8 Дождь +13,9 +11,8 +10,3 +7,6 +7,4 +3,2 -0,2 -4,2

16 авг. +17,2 Дождь +10,9 +8,9 +8,9 +9,4 +11,2 +10,4 +1,2 -4,1

водства. Вместе с тем, себестоимость разработки вскрышных пород имеет значительные колебания в течение года. Минимальная себестоимость 1 м3 вскрыши наблюдается в летнее время года, а максимальная - в периоды, когда осуществляется отработка междупластья и вывоз его автотранспортом в отвалы. В значительной мере это связано с предварительной взрывной подготовкой породного прослоя, что влечет за собой затраты как на буровые работы, так и на дорогостоящие ВВ. Кроме того, значительно увеличиваются выбросы вредных веществ в атмосферу.

В этой связи целесообразно оценить возможность безвзрывной выемки междупластья с использованием эффекта естественной оттайки, в результате чего изменяется термомеха-

ническое состояние породы в годовом цикле температур.

Для месторождений криолитозоны характерно такое явление, как сезонная оттайка пород, причем максимальные значения (несколько метров) достигаются обычно в осенний период.

Естественная оттайка мерзлых пород весьма широко применяется при открытой разработке россыпных месторождений криолитозоны [1, 2]. Это позволяет значительно снизить себестоимость горных работ, исключив буровзрывную подготовку массива.

Для оценки возможности безвзрывной выемки междупластья предварительно были выполнены натурные исследования температурного режима. Исследования проводились на правобережном участке горных

Рис. 1. Температурная скважина на участке работ

работ разреза "Кангаласский", в предварительно пробуренной по всей глубине породного прослоя скважине (рис. 1). Глубина скважины составила 3 м при мощности породного прослоя

2,5 м. Температура измерялась посредством термогирлянды, конструктивно состоящей из термодатчиков на базе терморезисторов ММТ-1 (рис. 2).

Установка термогирлянды в скважину была произведена в конце апреля. Первый замер температуры был выполнен 10 мая, а последний - 16 августа. Результаты натурных наблюдений за температурным режимом в скважине представлены в табл. 2, а на рис. 3 - построенный по этим данным график движения границы фазового перехода по глубине с течением времени.

Рис. 2. Принципиальная схема термогирлянды

1-щиток 2-термодатчик

3-соединительные провода

4-общий провод

Рис. 3. Движение границы фазового перехода по глубине

/ / / / / / / У У У

V У У У / / / ^ /

' ^ 1,3 ^ ч*> Д V л* л д .

Как видно из графика, за период наблюдений нулевая изотерма температуры в породном прослое в интервале 24-31 мая достигла глубины 0,5 м, к 14-24 июня - глубины 1 м, к 20 июля - глубины 2 м, и к 16 августа -глубины 2,5 м. Такую интенсивность оттайки можно объяснить тем, что вся площадь вскрытого между-пластья после отработки верхнего угольного пласта покрыта угольной крошкой (см. рис. 1). Этот фактор предопределил значительный нагрев поверхности и соответственно, более высокую интенсивность оттайки породы.

Оценка сопротивления копанию пород междупластья была выполнена по методике "УкрНИИпроекта" для роторных экскаваторов, которая предусматривает определение Къ (удельное сопротивление пород копанию) для стандартной стружки площадью 0,15x0,07 м, следующим выражением [3].

К, = 12,5 (0,67Фрад + 10СМ) ,

МПа,

где ор, осж - временное сопротивление пород сжатию-растяжению (6,92 и 0,38) МПа; ф - угол внутреннего трения пород, (35 град); См - сцепление пород в массиве, (0,005) МПа.

Физико-механические свойства приняты по данным различных геологических организаций и эксплуатационной разведки.

Методика корректна для пределов Кро = 0,03 ... 3,0 МПа.

■ КЬ= 12,5038 Г °,67 • °,61 0,7 =

ь 6,92Г+10• 0,005 )

= 0,22 МПа.

Расчетами определено, что сопротивление копанию алевролитоглинистого прослоя в талом состоянии находится в пределах 0,2-0,3 МПа, то есть меньше усилия копания оборудования цикличного действия (0,6 МПа) и удельного усилия копания роторных экскаваторов. Это позволяет вести его разработку без буровзрывного рыхления.

Исследование прочностных характеристик (осж) междупластья на испытательной машине иТБ-250 (рис. 4) позволили установить, что прочность породного прослоя изменяется от направления приложения нагрузки, т.е. наблюдается анизотропия прочности. Так, предел прочности на одноосное сжатие при нагрузке вкрест напластования выше в 1,5 раза, чем по напластованию. При этом снижение прочности в первом случае происходит в 3-3,5 раза интенсивнее.

Прочность на сжатие пород междупластья, по геологическим и эксплуатационным данным, составляет 3,5-7,0 МПа в талом состоянии и 7,2-

12,5 МПа - в мерзлом, что согласуется с данными экспериментальных исследований.

Выполненные ранее исследования свойств пород Кангаласского место-

сж

Температура, град.

Рис. 4. Изменение прочности на сжатие породного прослоя от температуры

рождения [4] также показали существенную разницу в прочности пород междупластья в зависимости от направления приложения нагрузки.

Таким образом, на основе исследования температурного режима и оценки прочностных свойств породного прослоя показана возможность

его оттаики в теплый период года на глубину до 2,5 м и возможность без-взрывноИ выемки. Установленная анизотропия прочности междупластья, в свою очередь, позволяет рекомендовать схемы отработки забоя вскрышных пород со снижением необходимых энергозатрат.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Емельянов В.И. Открытая разработка россыпных месторождении. - М.: Недра, 1985. - 175 с.

2. Ржевский В.В. Открытые горные работы. Часть 1. Производственные процессы.- М.: Недра, 1985. - 509 с.

3. Владимиров В.М., Трофимов В.К. Повышение производительности карьерных

многоковшовых экскаваторов. - М.: Недра, 1980. - 284 с.

4. Ермаков С.А., Бураков А.М., За-удальский И.И., Панишев С.В. Совершенствование геотехнологиИ открытой разработки месторождении Севера. - Якутск: ЯФ ГУ "Изд-во СО РАН", 2004. - 372 с. ШИЗ

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

Панишев C.B., Бураков А.М., Bинокуров А.П. - Институт горного дела Севера им,

H,B, Черского СО РАН,

Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 14 симпозиума «Неделя горняка-2008», Рецензент д-р техн, наук, проф, B.C. Коваленко.