CC BY
61
А.М Фрейдин, С.А Неверов
ПОКАЗАТЕЛИ ПЛОЩАДНО- ТОРЦОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ ВЫПУСКА РУДЫ ПОД ОБРУШЕННЫМИ ПОРОДАМИ
~П мировой практике подземной разработки весьма мощных
-М-Р крутопадающих рудных залежей широкое распространение получила система подэтажного обрушения с торцовым выпуском руды. При всех достоинствах этой технологии - простота конструкции и управления горным давлением, многозабойность работы самоходного оборудования, высокая интенсивность горных работ и производительность труда - для неё характерны существенные недостатки: низкие показатели извлечения руды из недр; сложность проветривания тупиковых очистных забоев (ортов или штреков). В этой связи в ИГД СО РАН разработан новый вариант системы подэтажного обрушения с площадно-торцовой технологией выпуска руды [1].
Подготовительно-нарезные работы заключаются в проведении транспортного уклона предназначенного для доставки рабочего оборудования на подэтажи, рудоспусков, буро-доставочных ортов и заездов, транспортных и отрезных штреков (рис. 1). Отличительными особенностями по сравнению с известным «шведским» вариантом является дополнительная проходка между ортами погрузочных заездов, что обеспе-чивает более высокие показатели извлечения полезного ископаемого.
Очистная выемка включает в себя процессы: бурения, послойной отбойки руды, выпуска её через торцы буро-доставочных ортов и погрузочных заездов и доставки до участкового рудоспуска. Подготовка горизонта выпуска и доставки по данной схеме позволяет обеспечить вентиляцию очистных забоев за счёт общешахтной депрессии. Свежий поток воздуха из доставочного штрека поступает в отрабатываемую панель, далее в отрезную выработку и через вентиляционный ствол выдаётся наверх.
Рис. 1. Технология подэтажного обрушения с площадно-торцовым выпуском руды: 1 - откаточный штрек; 2 - буро-доставочный орт; 3 - сбойки; 4 - слой отбитой руды
2
Новая технология позволяет достичь следующих показателей (по сравнению с существующими системами разработки): роста производительности труда забойных рабочих в 3,0-4,0раза (95-100 т/чел.-смен) и улучшения общей культуры производства; сокращения сроков ввода в эксплуатацию очистных блоков в 5-7 раз (продолжительность подготовки блока - 1-2 мес.); роста объёмов добычи руды без расширения площадей разработки; снижения удельных энергозатрат и в целом издержек производства; обеспечивает безопасность горных работ за счёт снижения масштабов массовых взрывов и, как следствие, вероятности проявления горного давления в динамической форме; способствует снижению затрат на вентиляцию за счёт применения общешахтного проветривания; позволяет повысить качество товарной руды на 10-15 % за счёт лучшего вписывания очистных панелей в контуры отрабатываемых рудных тел и частичного оставления породных прослоев в выработанном пространстве [2].
Для выявления особенностей выпуска руды по площадноторцовой схеме, были проведены исследования в лабораторных условиях на физических объёмных моделях. Целью исследования явилось определение и выявление основных факторов и параметров, совокупно влияющих на величину показателей извлечения и в установлении характера и закономерностей влияния каждого из них на технологию извлечения полезного ископаемого. Потреб-
ность в раскрытии и изучении закономерностей выпуска по новой схеме продиктована необходимостью определения оптимальных параметров системы разработки и принципа отработки залежей, а также возможностью управления качеством выпускаемой рудной массы.
Корректное моделирование технологии обеспечивалось выполнением основных трёх условий подобия натуры и модели: геометрического (X), кинематического (п) и динамического (5) [3]. Полное одновременное подобие всех физико-механических и деформационно-прочностных свойств сыпучего материала было достигнуто через приведённый показатель сыпучести - комплексной характеристики сыпучих сред [4]. В процессе моделирования показатель сыпучести составил р = 1,15-1,25 м при коэффициенте разрыхления Кр = 1,34-1,36 (наиболее вероятная плотность упаковки). В качестве руды и налегающих пород использовались соответственно рудный концентрат (крупностью частиц 4-6 мм, плотностью 3,65 т/м3) и доломитовая крошка (крупностью 6-10 мм, и плотностью 2,6 т/м3), наиболее соответствующие свойствам руды и налегающих пород в натуре.
Для соблюдения подобия параметров зон потоков (фигуры выпуска), по критерию показателя сыпучести, в модели через каждые 5 см по высоте слоя создавались прослойки из доломитовой крошки. По мере выпуска рудного материала происходило прогибание данных прослоек, по параметрам которых определялся показатель сыпучести (через высоту прогиба и количество выпущенной при этом руды). Если определяемый показатель сыпучести не соответствовал приведённой величине, то эксперимент браковался и повторялся заново.
Как установлено натурными наблюдениями и исследованиями, неоднородность распределения по плотности упаковки и гранулометрического состава отбитой руды способна инициировать при выпуске значительные отклонения развивающейся области течения от симметрии выпускного отверстия и провоцировать более раннее разубоживание [3]. В связи с этим фигура выпускаемого слоя, плотность упаковки и гранулометрический состав рудного концентрата, имитируемые в модели, строго соблюдались.
Площадно-торцовая технология в отличии от торцовой, требует специфического подхода к решению задачи снижения потерь и разубоживания руды. Эта специфика определяется тем, что выпуск
а) б) в) г)
Рис. 2. Модели для определения количественных показателей извлечения (начало выпуска): а) и б) вид со стороны торца; в) и г) соответственно с заезда
руды, в условиях нового варианта, осуществляется из двух точек (по площади и с торца), вследствие чего сфера влияния зон выпуска (течения) расширяется в месте с тем повышая возможности управления качеством добываемого полезного ископаемого.
Извлечение руды производили из ромбовидных панелей при высоте подэтажа 15 и 20 м. Выпуск осуществлялся путём чередования схем площадно-торцовой и торцовой технологий с изменением толщины и ширины отбиваемых слоёв. Для получения адекватных показателей извлечения руды, в модели, имитировались остатки от выпуска вышележащего слоя. Общая картина моделируемой технологии представлена на рис. 2 (Нпод = 20 м, толщина отбиваемого слоя: для площадно-торцового варианта В = 10 м, для -торцового В = 4 м).
За критерий оценки показателей извлечения было взято предельное разубоживание в последней дозе выпуска, так как его влияние на показатели выпуска весьма существенно, что доказано не только практикой работы подземных предприятий, но и моделированием выпуска руды по различным схемам [4]. Количество извлекаемой из моделей рудной массы соответствовало 60 % и 100 %-му предельному разубоживанию, при которых и определялись показатели извлечения.
В процессе проведения экспериментов применялись, в основном, два варианта равномерно-последовательного режима выпуска рудного материала: одинаковыми дозами с торца и заезда, и дозами
2:1 по отношению к заезду (то есть выпускаемая доза со стороны заезда в 2 раза превышала величину дозы извлекаемой из торца).
В модели с параметрами Нпод = 20 м, В = 10 м (рис. 2, в) при выпуске первого слоя руды, имеющего вертикальный боковой контакт с нетронутым массивом (частный случай) разубоживание наступало после извлечения 65-70 % чистой руды, при этом интенсивного засорения руды со стороны заезда не наблюдалось и ограничивалось лишь налегающими породами. Показатели извлечения руды при этом составили: выход неразубоженной руды 65-70 %, остальная рудная масса в количестве 30-35 % имело разубоживание в дозах выпуска до 60 %. Потери руды изменялись от 8,0 до 8,4 %, общее разубоживание достигало 12,9-13,7 %.
Выпуск последующих слоёв, с торцовым контактом сложенным обрушенными пустыми породами (основной случай, рис. 2, г) характеризовался ухудшением показателей извлечения: выход чистой руды составил 58-62 %, потери изменялись от 8,3 до 8,9 %, общее разубоживание достигало 14,0-15,1 % (табл. 1). Различия в показателях извлечения, а особенно в уровне разубожива-ния, при выпуске первого и последующего слоёв объясняется наличием боковых вмещающих пород и их проникновением в зону потока выпуска.
Для моделей с параметрами Нпод = 15 м, В = 8 м показатели извлечения составили: для первого слоя - потери 7,8-8,3 %, разубоживание 12,7-13,4 %; для последующих слоёв соответственно - потери 8,0-8,6 %, общее разубоживание 13,5-14,2 %.
Исследование торцового выпуска руды, главным образом, было направлено на определение оптимальных параметров отбиваемого слоя с привязкой его к площадно-торцовой схеме. Эксперименты проводились на выше описанных моделях с толщиной слоя В = 3,5, 4,0, 4,5, и 5,0м. Наилучшие показатели извлечения были достигнуты при толщине слоя В = 4,0-4,5 м, - потери руды составили 12,5-13,0 %, разубоживание - 22,7-23,5 % (табл. 1).
Общее количество опытов с параметрами технологии Нпод = 15, 20 м и В = 8,10 м составило 14, по средним значениям которых (попавшим в доверительные интервалы) (табл. 1)
построены графики зависимости потерь Р и разубоживания Я от предельного разубоживания в последней дозе выпуска (рис. 3).
50 -
140 ОА
-£ 20 I *0
о -о
Рис. 3. Графики зависимостей показателей извлечения руды от предельного разубожи-вания в последней дозе выпуска: а) при высоте подэтажа Нпод = 15 м б) при высоте подэтажа Нпод = 20 м; Рь Р2 и Яь Я2 - соответственно потери и разу-боживание руды при площадно-торцовой и торцовой технологии выпуска
Площадно-торцовой технологии присущ свой особый режим выпуска, сущность которого была исследована в процессе моделирования. Анализируя результаты исследования различных вариантов равномерно-последовательного режима выпуска можно отметить следующее:
1. Существенно важным результатом здесь явилось не только нахождения эффективного режима выпуска, но и экспериментальное доказательство того, что режим выпуска оказывает значительное влияние на показатели извлечения, что требует строгого выполнения, соблюдения и осуществления новой технологии;
2. Выпуск руды в вариантах одинаковыми дозами из торца и со стороны заезда и в соотношении 2:1 является равноценным обеспечивающим наилучшие показатели извлечения;
3. В условиях данных вариантов режима выпуска существует возможность быстро и гибко реагировать на изменения условий разработки, переходя от одного к другому, создавая благоприятные предпосылки управления качеством добываемого сырья.
К основным параметрам системы разработки с площадноторцовым выпуском руды относятся следующие размеры панели: толщина отбиваемых (выпускаемых) слоёв и расстояния между бу-ро-доставочными выработками и погрузочными заездами. Толщина отбиваемого слоя и ширина панели должна приниматься из условия получения минимальных потерь и разубоживания руды.
Теоретически, наилучшие показатели извлечения будут достигнуты только в том случае, если фигура выпуска максимально вписывается в параметры конфигурации слоя по его толщине и ширине [4]. На параметры зон потоков, для каждого конкретного случая, определяющее значение оказывают: показатель сыпучести рудной массы (величина постоянная) и ширина выработки выпуска.
Для определения оптимальных параметров технологии были проведены эксперименты с вариацией толщины отбиваемого слоя. В моделях с высотой подэтажа Нпод = 20 м (ширина панели А = 10 м) толщина выпускаемого слоя составляла В = 8, 10, 12 и 15 м и при высоте подэтажа Нпод = 15 м (ширина панели А = 8 м) соответственно - В = 6, 8, 10 и 12 м. Ширина выработки выпуска принималась равной Ав = 4м. Результаты исследований представлены в табл. 2.
Как видно из результатов табл. 2, минимальные потери и разубо-живание руды достигнуты при толщине слоя В = 8 м и В = 10 м соответственно для высоты подэтажа Нпод = 15 м и 20 м.
В целом, обобщая результаты лабораторных экспериментов технологии площадно-торцового выпуска руды, отметим следующее:
1. Как видно из табл. 1 показатели извлечения площадноторцового выпуска относительно торцовой системы улучшились, потери руды снизились на 15-20 %, общее разубоживание - на 3035 %;
2. Количество извлечённой чистой руды при площадноторцовой технологии выпуска в 1,5-1,6 раза превышает количество выпущенной чистой руды по торцовой схеме;
3. Процесс разубоживания наступает более интенсивно со стороны заезда (выпуск по площади), что обусловлено контактом обрушенного слоя руды с боковыми вмещающими породами;
4. При выпуске рудной массы со стороны заезда предельное разубоживание в дозах выпуска нарастает постепенно в отличии от выпуска из торцовой выработки;
5. Количество извлечённой руды из заезда превышает количество извлечённой руды со стороны торца и составляет, соответственно, 60-65 % и 35-40 % от общего объёма выпущенной рудной массы;
Рис. 4. Остатки отбитой руды в панели при площадно-тор-цовой технологии выпуска
6. Толщина слоя выпускаемой руды в 2,0-2,5 раза превышает толщину отбиваемого слоя при торцовом выпуске. Расстояние между погрузочными заездами при этом составляет 12,5-14,5 м;
7. Общие показатели извлечения по панели (рис. 4), которая включает в себя чередующиеся слои выпущенные по площадно-торцовой и торцовой схемам, составили: потери руды - 9,4-10,6, общее разубоживание - 15,617,1.
Авторы выражают признательность и благодарность «Фонду содействия отечественной науке» за финансовую поддержку комплекса выполненных и выполняемых в настоящее время работ в данном направлении.
--------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Патент РФ № 2208162. Способ разработки рудных месторождений подэтажным обрушением / Фрейдин А.М., Кореньков Э.Н., Филиппов П.А. и др. / Опубл. в БИ, 2003, №19.
2. Фрейдин А.М., Филиппов П.А., Гайдин С.П., Кореньков Э.Н., Неверов С.А. Перспективы технического перевооружения подземных рудников ЗападноСибирского металлургического комплекса //ФТПРПИ. - 2004. - №3.
3. Крамаджян А.А., Стажевский С.Б., Хан Г.Н. Моделирование выпуска сыпучих материалов из ёмкостей // ФТПРПИ. - 1999. - №4.
4. КуликовВ.В. Выпуск руды. - М.: Недра, 1980.
— Коротко об авторах --------------------------------------------------
Фрейдин А.М. - доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией,
Неверов С.А. - кандидат технических наук,
Институт горного дела СО РАН.
