CC BY
26
© И.И. Бессонов, Н.А. Калашник, 2002
УЛК 622.274.35
И.И. Бессонов, Н.А. Калашник
РАЗВИТИЕ МЕТОЛА ЛИФФЕРЕНЦИРОВАННОГО ОПРЕЛЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМ ПОАЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКИ РУАНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Введение
Современная разработка рудных месторождений Кольского полуострова, ведется в сложных горно-геологических условиях, обусловленных постоянным увеличением глубины ведения горных работ. Массивы руд и вмещающих пород имеют сложную структуру, разномасштабную и изменчивую трещиноватость, неоднородное исходное напряженное состояние, а физико-механические свойства руд и пород по их разностям варьируют в широких пределах. Недооценка этих факторов при принятии технических решений может привести к большим потерям полезного ископаемого в недрах, разубоживанию добытой руды и затратам на разработку месторождений, а в крайних случаях к разрушениям горных выработок и целиков. В связи с этим при освоении таких месторождений важным представляется взаимосвязь решения технологических и геомеханических задач. При двухэтажной отработке месторождений, разработке свиты пластов, а также при применении различных классов систем разработки месторождений эти задачи отличаются повышенной сложностью.
Практика разработки рудных месторождений показывает, что полнота извлечения из недр и затраты на выпуск конечной продукции в значительной мере определяются схемой расположения и параметрами очистных блоков (камер, целиков). Особенно это проявляется при наиболее распространенной двухстадийной отработке месторождений и обусловлено тем, что потери, разубоживание и затраты при выемке камер обычно меньше, чем при выемке между-камерных целиков. Естественно, что для получения наибольшего экономического эффекта необходимо стремиться сосредоточить как можно больше запасов полезного компонента в камерах и возможно меньше в целиках. На практике это достигается за счет выборочного расположения камер на участках месторождения с наиболее высоким содержанием полезного компонента (приводя-щего, как правило, к бессистемной отработке месторождения), либо путем оптимизации расположения и размеров конструктивных параметров систем разработки по экономическим критериям.
Существующие инструктивные подходы
Определение надежных, с точки зрения безопасности горных работ, значений параметров конструктивных элементов при подземной разработке рудных месторождений полезных ископаемых является
сложной задачей в силу, прежде всего, следующих обстоятельств: большой изменчивости горногеологических условий; допускаемыми усреднениями, упрощениями (так называемыми допущениями) при использовании расчетных формул и входящих в них значений параметров; распространением точечных значений натурных определений на площадные участки и др. [1, 2].
Не смотря на то, что этому вопросу, как показал аналитический обзор [3] посвящено достаточно много работ, его решение в полной мере на сегодняшний день остается незавершенным, а сам вопрос - актуальным. В недостаточной мере решение этого вопроса отражено и в инструктивно-методической документации. Так, в "Единых правилах безопасности..." [4], указывается, что размеры основных конструкций систем разработки должны приниматься "...в соответствии с утвержденным проектом". В то же время "...размер и форма целиков... должны рассчитываться согласно существующим нормам и правилам на устойчивость и исключить опасность обрушения на все время их службы".
В "Нормах технологического проектирования..." [5] говорится, что "...проектирование горнодобывающих предприятий ... в строгом соответствии с требованиями ЕПБ, "Инструкции по безопасному ведению горных работ..." и других инструктивных документов... Размеры камер ... устанавливаются проектом...; ... применять системы разработки, которые предлагаются и обосновываются научноисследовательскими институтами в технологических заданиях на проектирование..." и т.д. В "Правилах технической эксплуатации ... [6] в основу определения параметров конструктивных элементов заложена классификация руд и пород по их устойчивости и коэффициенту крепости. При соблюдении условия, когда ширина а и длина Ь обнажения пород кровли соизмеримы (длина превышает ширину не более чем в 2 раза - 1< п <2; где п = Ь/а), указываются минимальные площади устойчивого обнажения для класса пород и руд. Отсюда полагается, что величина устойчивого пролета 1 может быть определена из выражений:
- для близких к квадратным обнажениям:
1 р <л^
- для прямоугольных с указанным выше соотношением длины к ширине:
1 р 4
Сложности геомеханических решений
В специальных работах по геомеханике вопросы определения параметров конструктивных элементов систем разработки рассмотрены достаточно детально, с глубоким научным анализом физических процессов и поведения эксплуатируемых массивов горных пород. Для конкретных месторождений разра-
ботаны специальные методики и инструкции по расчету прочных размеров целиков и определению устойчивых пролетов камер, в той или иной мере используемые горными инженерами-практиками Северо-Запада России и аналогичные методики, применяемые в странах Скандинавии, Сев. Америки, Южной Африки [3]. Однако в практике проектирования разработки новых месторождений или новых участков (пластов, горизонтов) эксплуатируемых месторождений перманентного использования геомеханических разработок, как правило, нет.
Складывается впечатление, что основной причиной такого относительно медленного внедрения достижений геомеханики в практику проектирования горных предприятий являлось и является на сегодняшний день мнение, что на этапе проектирования возможно лишь оценить, являются ли геомеханиче-ские условия разработки опасными или неопасными по какому-либо расчетному критерию. Есть и другие причины: сложность оценки экономической эффективности проведения геомеханических исследований и получения соответствующей информации для принятия проектных решений; трудность однозначного ответа на вопрос, являются ли изменения условий разработки следствием развития геомеханических процессов в массиве, или же они объясняются изменением горно-геологических условий (вариации которых весьма значительны).
Объем и качество информации
В то же время на различных этапах освоения месторождения объем горно-геологической и геомеха-нической информации количественно и качественно существенно различается, что, соответственно, сказывается на ожидаемых результатах в части прогнозирования и оценки геомеханических условий ведения горных работ, а также на параметрах конструктивных элементов проектируемых и применяемых систем разработки [7, 8].
Аналитический обзор опубликованных литературных данных показывает, что каждому этапу освоения месторождения (региональной разведке, предпроектным инженерно-геологическим изысканиям, эксплуатационной разведке и непосредственно эксплуатации) присущи определенные выполняемые исследования, объем, количество, качество и детальность информации которых позволяет достичь ожидаемого на данном этапе результата. На рис. 1 показана взаимосвязь выполняемых исследований, получаемой информации и ожидаемого результата в части определения параметров конструктивных элементов систем разработки для различных этапов освоения месторождения. Блок-схема позволяет получить общее представление о следующих взаимосвязях информационных потоков.
В процессе региональной разведки выполняемые исследования для указанных целей можно ограничить инженерно-геологическим картированием и геотехническим исследованием керна разведочных скважин. В отдельных случаях возможно дополнительно использование геофизических методов (различные модификации методов гравиразведки, сейсморазведки, электроразведки, магниторазведки)и дешифрирование аэро- и космоснимков [1]. Основ-
ная получаемая информация на этом этапе заключается в определении типа месторождения, типов слагающих его горных пород и руд (или нерудного полезного ископаемого), предварительной характеристике структурной нарушенности и гидрогеологических условий. Эта информация позволяет выполнить лишь укрупненный прогноз геомеханических условий и определить: способ и схемы разработки месторождения.
Предпроектные изыскания могут включать в себя широкий комплекс выполняемых исследований, среди которых для целей технологии и прикладной геомеханики целесообразно выделить детальное инженерно-геологическое картирование и исследования состояния и свойств пород и руд массива. Получаемая информация сводится к оконтуриванию месторождения в пределах балансовых и забалансовых запасов, параметрам физико-механических свойств и деформационно-прочностным характеристикам пород и руд, параметрам исходного напряженного состояния массива. Эта информация позволяет выполнить прогноз геомеханических условий как всего месторождения, так и отдельных крупных его участков, пластов, горизонтов и т.п.; определить класс систем разработки, выбрать (определить) усредненные параметры их конструктивных элементов (прежде всего пролетов очистных выработок и основных опорных целиков).
В процессе эксплуатационной разведки исследования выполняются применительно к участкам, пластам, горизонтам месторождения. Поэтому получаемая информация носит более детальный характер и, соответственно, представлена в большом объеме, а значения отдельных параметров могут варьировать в определенном диапазоне. Эта информация позволяет выполнить прогноз геомеханических условий отдельных участков, пластов, горизонтов месторождения, обосновывать выбор вариантов систем разработки и их параметров.
В процессе непосредственно эксплуатации месторождения объем и качество получаемой горногеологической и геомеханической информации должны позволять выполнение дифференциации месторождения по основным технологическим признакам и геомеханическим факторам. Это позволяет выполнять дифференцированный детальный прогноз геомеханических условий, выбирать оптимальные варианты систем разработки применительно к зонам дифференциации, определять конкретные дифференцированные параметры их конструктивных элементов.
Взаимосвязи информационных потоков
По мере освоения месторождения, от начального этапа до эксплуатации, достоверность и надежность определения параметров основных конструктивных элементов (пролет, целик) возрастают за счет увеличения надежности, количества и качества дифференцированного объема горно-геологической информации, увеличения возможности использования большего числа методов, в том числе методов, основанных на использовании более объективной информации о массиве горных пород [3] (см. рис. 1).
БЛОК-СХЕМА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМ РАЗРАБОТКИ
НА РАЗЛИЧНЫХ ЭТАПАХ ОСВОЕНИЯ МЕСТОРОЖДЕНИЯ
Этапы освоения Основная горно-геологическая Метод определения Параметры кон-
месторождения информация структивных эле-
ментов
Эксплуатационная разведка
Эксплуатация
месторождения
Контуры месторождения Физико-механические свойства пород и руд месторождения
Деформационно-прочностные характеристики Исходное напряженное состояние
Контуры участков (пластов) месторождения Физико-механические свойства пород и руд участков (пластов) месторождения
Деформационно-прочностные характеристики руд и пород участков Характер изменчивости исходного напряженного состояния по участкам (пластам)
Дифференцированная по участкам (пластам) Дифференцированные физико-механические свойства руд и пород участков (пластов) месторождения Дифференцированные дефо рмационно-прочностные характеристики руд и пород участков Напряженно-деформированное состояние основных конструктивных элементов и пород вмещающего массива
Экспертных оценок Аналогий
Определение пролета:
В. Риттера, .В. Слесарева Определение целика:
Л.Д. Шевяков, М. Прото дьяконов, М. Стаматиу, ВНИМИ(1966, 972,1981) ГоИ (1975)
І
Экспертных оценок Определение пролета:
В. Риттера, В. Слесарева,
А. Мусина, Г. Кузнецова, Г. Фисенко, ВНИМИ (1972 г.), ЮАС, НГИ,
Терцаги
Определение целика: Л.
Шевякова, М. Протодья конова, М.Стаматиу, Ю.Мо дестова, ВНИМИ(1966,1972 1981г.), ГоИ (1975г.), ИП-КОН (1978.)
Эмпирические и полуэмпи-рические методы (Г.Бергер, Ривкин, Цариковский)_______
Экспертных оценок Определение пролета:
В. Риттера, В. Слесарева, А. Мусина, Г. Кузнецова, Г. Фисенко, ВНИМИ (1972г.), ЮАС, НГИ, ИПКОН, Терцаги Определение целика:
Л. Шевякова, М. Протодья-конова, М. Стаматиу, Ю. Модестова, ВНИМИ (1966, 1972, 1981г), ГоИ (1975г.), ИПКОН (1978г.), ВНИМИ (с учетом опасности горных ударов, 1983 г.) Эмпирические и полуэмпи-рические методы (Г. Бергер, И. Ривкин, В. Цариковский)
Усредненные параметры для месторождения в целом
1 Г
Параметры конструктивных элементов систем разработки для участков, пластов, горизонтов
Детали і ные по' диффе ции п констр элемен тем ра: їирован- условиям ренциа- араметры уктивных тов сис- зработки
Рис. 1
Так, на первоначальном этапе могут быть использованы фактически только методы экспертных оценок и аналогий, что позволяет иметь только приближенные значения параметров конструктивных элементов. На этапе предпроектных инженерно-геологических изысканий увеличение объема необходимой исходной информации позволяет привлечь более широкий круг методов, в частности, для расчета параметров опорных целиков. Результаты эксплуатационной разведки позволяют при определении параметров основных конструктивных элементов использовать практически весь арсенал имеющихся (и отвечающих данным горногеологическим условиям) методов (методик, расчетных формул). В процессе эксплуатации месторождения, когда объем информации постоянно возрастает и есть возможность дифференцировать ее по основным факторам (геологическим, геомеханическим, технологическим) в привязке к пространству: к шахтным полям, участкам, пластам, горизонтам, технологическим зонам и т.п. Это позволяет определять параметры конструктивных элементов и применять более гибкие технологические схемы для конкретных условий дифференцированных (районированных) участков. Более того, в случае необходимости возможны оперативные корректировки параметров с точки зрения повышения безопасности и экономической эффективности извлечения руд (полезного ископаемого) из недр.
Изложенный выше подход позволяет иметь наглядное представление, какая горно-геологическая и гео-механическая информация должна быть использована на соответствующем этапе освоения месторождения, а также ориентироваться на соответствующий ожидаемый результат (оценка геомеханических условий и уровень принятия технических решений). В идеальном случае принятие технологических решений с учетом ограничений по геомеханике и с применениями необходимого объема геомеханических расчетов, позволяет уверенно решать задачи перспективного и текущего планирования горных работ и, в том числе, управления горным давлением. В качестве примеров решения таких задач можно привести разработку в Горном институте КНЦ РАН технологических регламентов на проектирование систем разработки Ёовозерского месторождения [9, 10].
Метод дифференцированного определения
Разработан методический подход к дифференцированному определению надежных, с точки зрения обеспечения их устойчивости и технологической целесообразности, значений параметров конструктивных элементов систем разработки, который заключается в следующем (рис. 2).
1. На основе геологической и геомеханической информации формируется база исходных данных, объПм и детальность которых зависит, прежде всего, от степени изученности горно-геологических и геомеханических условий конкретного месторождения.
2. Выполняется анализ всей совокупности исходных данных (базы данных) и на этой основе разрабатываются геомеханические ограничения на выбор класса систем разработки.
3. Осуществляется выбор класса методик определения (расчета) основных конструктивных элементов проектируемых и рассматриваемых систем разработки
и предварительный отбор методик, применимых для усредненных данных исходных условий.
4. Выполняется расчет (определение) пролета очистных выработок по минимальным, средним и максимальным значениям исходных данных. В целях установления граничных значений определяются минимальный, средний и максимальный пролет очистных выработок.
5. Выполняется расчет (определение) параметров основных целиков для минимальных, средних и максимальных значений исходных данных. В целях установления граничных значений определяются минимальный, средний и максимальный размер основных целиков.
6. Перечисленные выше пять этапов разработанной методики должны применяться на стадиях ТЭО и ТЭР освоения месторождений полезных ископаемых.
7. Выполняется районирование шахтного поля на технологические зоны по основным геологическим и геомеханическим факторам, включающим в себя: напряженность, удароопасность и структурную нару-шенность пород, а также геометрические параметры залегания месторождения, технологических схем и систем разработки (размер технологической зоны выбирается в зависимости от горно-геологических условий и конструкции систем , которые могут реализовать на практике сочетания этих различий).
8. На основе разработанного методического подхода, на данном этапе определяются наиболее вероятные сочетания факторов (данных), имеющих место на конкретном рассматриваемом условно-единичном участке шахтного поля, т.е. применяется дифференцированный подход к использованию необходимых значений горно-геологических и геомеханических факторов.
9. Осуществляется выбор методик, область применения которых наиболее удовлетворяет принятым условиям наиболее вероятных сочетаний факторов [3]. Для использования в дальнейших расчетах должны быть приняты только те методики, которые позволяют учитывать специфику горно-геологических условий данного участка (пласта, слоя, линзы и т.п.) месторождения. Например, для условий Ёовозерского месторождения такими методиками, по нашему мнению, могут являться методики ЮАС, НГИ, ВНИМИ, ГоИ КНЦ РАН [3].
10. По выбранным методикам выполняется расчет устойчивых пролетов очистных выработок для благоприятных, средних и неблагоприятных горногеологических условий для каждой выделенной зоны. Результаты расчетов приводятся в сводной таблице и в виде картосхемы изолиний значений.
11. Выполняются расчеты параметров основных целиков по методикам, которые также будут удовлетворять вышеперечисленным условиям для каждой выделенной зоны для благоприятных, средних и неблагоприятных горно-геологических условий. Результаты расчетов также сводятся в таблицу и приводятся в виде картосхем изолиний значений.
12. Надежность определения параметров конструктивных элементов систем разработки подтверждается оценкой условий их работы на основе аналитических расчетов и полупромышленных испытаний.
13. Выполняется технико-экономическая оценка принятых параметров систем разработки, основной частью которых является оценка потенциальных потерь запасов руды в целиках.
14. Принимается управленческое решение о принятии конкретных дифференцированных параметров рассматриваемых (проектируемых, принимаемых) систем разработки для выделенных зон (пластов, линз, участков) месторождения. На этой основе выполняется техническое проектирование систем разработки.
Разработанный методический подход использован при обосновании и расчете параметров систем разработки на рудниках «Карнасурт» и «Умбозеро» ОАО «Ло-возерская горная компания», разработке регламентов на проектирование, и использован институтом Гиред-мет при разработке соответствующих проектов.
Выводы:
1. На основе анализа объПма и качества горногеологической и геомеханической информации предложен алгоритм выбора методов определения параметров конструктивных элементов систем разработки и оценки ожидаемого результата для основных этапов освоения месторождений (региональная разведка, предпроектные инженерно-геологические изыскания, эксплуатационная разведка, эксплуатация месторождения).
2. Разработана методика дифференцированного определения безопасных и технологически приемлемых параметров конструктивных элементов систем разработки месторождений, заключающаяся в том, что на различных стадиях освоения месторождений параметры конструктивных элементов определяются на основе наиболее вероятных сочетаний горногеологических и геомеханических факторов.
• на стадиях ТЭО, ТЭР -для месторождения в целом и рассматриваемых шахтных полей;
• на стадиях проектирования - для отдельных пластов, линз, участков в пределах районирования по
геомеханическим факторам и технологическим ограничениям.
Заключение
Уровень современных знаний об условиях работы конструктивных элементов систем разработки рудных месторождений, геодинамической обстановке в районе ведения горных работ; развитии геомеханических процессов, предопределяет необходимость максимально возможного учета всех влияющих на принимаемые технологические решения факторов. Так, для условий разработки рудных месторождений Кольского полуострова необходимо учитывать (или усилить внимание) дополнительно: структурную нарушенность пород и массива, влияние всей совокупности имеющихся и планируемых горных выработок, в т.ч. при различных вариантах отработки рудных пластов в свите, динамики (в т.ч. стадийности) ведения работ, сейсмическое воздействие, назначение и время службы конструктивного элемента, исходное напряженно-деформированное состояние массива, удароопасность пород, неравномерность напряженного состояния по сечениям (объемам) конструктивных элементов. Для условий разработки сложноструктурных (в частности слюдяных) месторождений этот перечень необходимо дополнить анизотропностью массива и собственно пород (кристаллов сырья и т.п.).
Применительно к отработке рудных месторождений Кольского полуострова необходимо отметить следующее. На сегодняшний день наиболее полно вопросы определения устойчивых пролетов камер, параметров конструктивных элементов,, технологических схем и управления горным давлением во взаимоувязке с общей горнотехнической ситуацией и геомеханической обстановкой месторождения, рассмотрены и решаются для условий редкометалльного Ёовозерского месторождения и апатитовых Хибинских месторождений.
1. Методические рекомендации по изучению напряженно-деформированного состояния горных пород на различных стадиях геологоразведочного процесса. М.: изд. ВНИИгео-информсистем, 1987. -116 с.
2. Bieniavski Z.T. Rock Mechanic Design in Mining and Tunneling. Rotterdam/Boston: A.A. Balkema, 1984, 272 p.
3. Калашник H.A., Бессонов И.И, Калашник A.И. Определение пролетов очистных выработок и размеров целиков. Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 2000. - 85 с.
4. Единые правила безопасности при разработке рудных, нерудных и россыпных месторождений подземным способом. М.: Недра, 1977. - 223 с.
5. Нормы технологического про-
ектирования горнодобывающих предприятий черной металлургии с подземным способом разработки. Л.: изд. инст-та Гипроруда Минчермета СССР, 1986. - 133 с.
6. Правила технической эксплуатации рудников, приисков и шахт, разрабатывающих месторождения цветных, редких и драгоценных металлов. М.: Недра, 1980. - 109 с.
7. Совершенствование технологии подземной разработки маломощных рудных месторождений Кольского полуострова /И.И. Бессонов, В.Н. Боборыкин, А.И. Калашник и др. -Апатиты.: изд. Кольского научного центра АН СССР, 1989. - 156 с.
8. Выбор современной технологии очистной выемки тонких пологих
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
рудных залежей на основе учета геомеханических факторов /И.И. Бессонов, В.Н. Боборыкин, А.И. Калашник //Горный журнал, 1990. □ 3, с. 23-26.
9. Заключение по корректировке проекта систем разработки на руднике «Карнасурт» /Горный институт КНЦ РАН; Руководители А.А. Козырев, И.И. Бессонов. - Апатиты, 1999. 94 с.
10. Регламент по корректировке проекта систем разработки на руднике «Умбозеро» ОАО »Севредмет» /Сост. И.И. Бессонов, А.А. Козырев, А.И. Калашник, А.А. Леонтьев, В.Г. Едигарьев, А.В. Ловчиков и др., Апа-титы-Ревда, 2000. 149 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Бессонов Игорь Иванович - доктор технических наук, Горный институт КНЦ РАН. Калашник Надежда Анатольевна — Горный институт КНЦ РАН.
Файл: БЕССОНОВ
Каталог: G:\По работе в универе\2002\Папки 2002\GIAB12-0
Шаблон: C:YUsers\Таня\AppData\Roaming\Micшsoft\ШаблоныYNoImaLdotm
Заголовок: Разработка слюдяных и редкометалльных месторождений Кольского ре-
гиона, ведется в сложных горно-геологических условиях Содержание:
Автор: Alexandre Katalov
Ключевые слова:
Заметки:
Дата создания:
Число сохранений:
Дата сохранения:
Сохранил:
Полное время правки:
Дата печати:
При последней печати страниц: слов:
знаков:
10.11.2002 16:41:00 18
11.11.2002 13:49:00 Alexandre Katalov 52 мин.
02.12.2008 23:27:00 6
3 578 (прибл.)
20 400 (прибл.)
