CC BY
23
УДК 504.55.054:622(470.6)
СОХРАНЕНИЕ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ОТ РАЗРУШЕНИЯ ПРИ ПОДЗЕМНОЙ ДОБЫЧЕ РУД
Ю. В. Дмитрак, В.И. Голик, Б.В. Дзеранов
Обосновано создание геомеханически сбалансированных породных сред при подземной разработке скальных месторождений за счет феномена самоупрочнения природно и технологически разрушенных пород при обнажении в допустимых пределах. Обозначено направление решения задачи управления состоянием массива путем предупреждения критических напряжений и деформаций в результате разделения шахтного поля на геомеханически стабильные участки с плоской кровлей. Рекомендовано дополнить критерий оптимальности погашения пустот величиной компенсации наносимого окружающей среде ущерба. Сформулировано условие прочности массива на различных стадиях существования геомеханической системы. Предложена новая классификация технологий погашения пустот с учетом феномена заклинивания породных блоков.
Ключевые слова: месторождение, порода, несущая способность, геомеханика, напряжения, деформации, технология.
С увеличением численности населения Земли потребление минерального сырья по большинству показателей увеличивается, что ставит перед горным производством новые задачи интенсификации техноло -гических процессов при сохранении окружающей среды [1 - 4].
При разработке месторождений подземным способом критерием эффективности становится профилактика критических напряжений и деформаций, потому что техногенное вмешательство в недра нарушает геодинамическое равновесие в верхней части литосферы.
Для повышения конкурентоспособности производства при эксплуатации месторождений стремятся применять менее затратные варианты управления массивом: обрушение пород, изоляцию пустот, закладку меньшей прочности и др.
Погашение обрушением вмещающих пород вследствие повышен -ныхпо сравнению с другими технологиями потерь и разубоживания, а также опасности для поверхности в последнее время становится менее распространенным. Изолирование пустот применяют при отработке рудных тел малой и средней мощности без опасности обрушения для земной поверхности. Погашение твердеющей закладочной смесью применяют при разработке мощных крутопадающих рудных тел и при одновременной отработке открытым и подземным способом, а также при необходимости сохранения земной поверхности.
Одним из основных вопросов эксплуатации месторождений полезных ископаемых является приведение отработанных породных массивов в безопасное состояние или погашение образованных выемкой сырья пустот.
12
Состояние последних определяется уровнем напряжений на контуре очистных выработок, который регулируется технологическими средствами, например, путем заполнения пустот твердеющими смесями после доказательства.
Критерием эффективности управления состоянием массива являются приведенные затраты на погашение пустот. Совершенствование способов управления безопасностью горных работ сводится к поиску скрытых резервов управления состоянием рудовмещающего массива, обеспечивающих максимальную безопасность при сокращении затрат на погашение. Одним из направлений поиска является целенаправленное использование свойств рудовмещающего массива [5-7].
Геомеханическая сбалансированность напряженно-деформированных дискретных сред обеспечивается, в том числе, за счет использования остаточной несущей способности природно и технологически разрушенных пород создавать конструкции з структурных отдельностей.
Месторождения металлических руд локализованы в неоднородных массивах, поведение которых определяет экономические и экологические последствия их разработки. В процессе разработки месторождений в его окрестностях возникает зона разрушения, отделяемая от зоны жизнедеятельности разделительной зоной (рис.1).
ЗОНА ВЛИЯНИЯ
1 - зона жизнедеятельности; 2 - разделяющая зона; 3 - месторождение
Перспективы освоения рудных месторождений состоят в комп-лексировании добычи запасов открытыми, подземными и специальными способами добычи, взаимоувязанными во времени и пространстве, с оптимизацией по эколого-экономическим критериям. Целью проекта становится не только прибыль от извлечения запасов месторождения, но и применения таких технологий управления массивом, чтобы совокупный доход от освоения месторождения был максимальным.
Целью управления состоянием рудовмещающего массива является выбор таких решений, которые предохранили его от разрушения, в том числе, за счет направленного создания несущих породных конструкций [810].
Управленческие решения принимают после установления закономерностей поведения массивов путем анализа опыта, натурных и лабораторных исследований, моделирования и теоретических обобщений.
Методы расчета геомеханических процессов в массивах с дискретным гравитационно тектонически-структурным полем напряжений с учетом остаточной несущей способности нарушенных пород приведены в трудах А.А. Борисова, Г.Н. Кузнецова, С.В. Ветрова, Н.В. Баклашова, И.М. Петухова, Л.Г. Протосени и др. Методы различаются, в основном, подходом к оценке состояния массива после строительства в нем горной выработки. М. М. Протодьяконов (1933) считал, что на выработку воздействует только масса пород в пределах естественно образующегося свода равновесия высотой, значительно меньшей глубины работ. В. Д. Слесарев (1948) условием устойчивости выработки считал сопротивление разрыву горных пород над выработкой. С. В. Ветров (1975) определял устойчивость прочностью заклинивающихся в пределах шарнирной арки пород [11]. Образованные в нарушенных горными работами породах выработки по характеру реализации возникающих напряжений и соответствующих деформаций могут быть типизированы в рамках табл.1.
В скальных массивах горизонтальные напряжения ослабляются в заполняющем трещины псевдо-пластичном материале, а вертикальные напряжения искажаются действием тектонических нарушений.
Таблица 1
Типизация выработок по устойчивости_
Тип Признак Устойчивость выработок
Первый Деформации пород не превышают предела упругости Устойчивы всегда
Второй Обеспечивается самозаклинивание структурных блоков в несущем слое кровли выработки Средней устойчивости при условии не превышения предельных размеров
Третий Дискретные несвязанные породы без заклинивания в кровле Всегда неустойчивы
По В.И. Голику, разрушение хрупких пород происходит в результате раскрытия тектонических нарушений с образованием жестких блоков с псевдоупругим контактом [12 - 13]:
7
70шах
^ = \ );
аСж = | )
ах ±а <асж =
°закл = \ + dНc);
о
аЖ при Hc = H ^ азакл = | А^Н),
где а - вертикальная составляющая главных напряжений; а2,3 -горизонтальная составляющая главных напряжений, МПа; к - параметр степени искажения напряжения структурно-тектоническими условиями; асж -напряжения в верхнем слое пород, МПа; а± - напряжения в зоне влияния очистных работ, МПа; а - остаточная прочность разупроченных пород, МПа; Z0 - пролет, при котором сохраняется плоская форма обнажения, м; хь...хп - характеристики материала структурных блоков; азакл - прочность сжатию закладочного массива, МПа; В - ширина зоны обрушения; Н -высота зоны обрушения, м; Нс - высота зоны влияния очистных работ, м; Н - высота закладки, м.
Им обосновано условие сбалансированности создаваемой в процессе образования выработок геомеханической системы:
а ± ка1% < а
1 2,3 с
7 0 шах
аСж = | Ж^¿х2..жп)
7 0 шах
а = к I Х(с1Н );
закл упр I ^ V 5 /' О
7
7 0 шах
а = к I Х(с1Н + ^Н );
закл упр I ^ V 5 с /'
В
аЖ при Не = Н ^ а закл = купр | Ж<*Н),
где купр - коэффициент упрочнения массива при объемном сжатии.
В окрестностях горной выработки возникает зона нарушенных пород с минимальной несущей способностью, которую сменяют зоны ослабленных, а затем нетронутых пород (табл. 2) (рис. 2).
Максимальная сохранность массива и горных выработок обеспечивается при минимизации объемов первых двух зон и увеличении доли третей зоны.
<
о
о
<
о
о
Таблица 2
Типизация нарушенности массивов
Зоны Характер деформирования Прочность массива
Природно- и технологически разрушенные породы Минимальная связь структурных отдельностей между собой Минимальная прочность, неустойчивость выработок
Природно- и технологически ослабленные породы Контактирование структурных отдельностей между собой и образование конструкций при условии не превышения предельных размеров Средняя прочность, средняя устойчивость выработок
Нетронутые породы Взаимодействие структурных отдельностей в условиях объемного сжатия Максимальная прочность, определяемая пределом прочности при сжатии
Состояние скальных массивов описывается условием [14] а ■ Кз = \jmax fx(dXi,dx2.....dx„)^ П,R = j/m'x f ■ x(dh3 + dhn),
1 min 1 min
где а - напряжения в зоне влияния выработок, МПа; Кз - коэффициент корректировки напряжений; lmax, lmin - пролеты обнажения пород, м; х1...хп - технологические, физико-механические и иные характеристики; П - потери руд, доли ед.; R - разубоживание руд породами, доли ед.; h3 - высота закладочно-
Рис. 2. Изменение напряжений в окрестностях выработки: 1 - выработка; 2 - зона максимальных напряжений; 3 - зона минимальных напряжений; 4 - зона нетронутых пород
По устойчивости в зависимости от размеров структурных блоков пород в кровле выработки могут быть типизированы в рамках табл.3.
Таблица 3
Типизация выработок по устойчивости_
Масштаб структурных геологических нарушений Размеры и характер взаимодействия пород Устойчивостьгорныхвыработок
Крупные и средние разломы Блоки превышают размеры выработки, заклинивание пород вне выработки Максимальная независимость от технологических процессов
Мелкиеразломыикрупныетрещины Блоки соизмеримы с размерами выработки, заклинивание пород в кровле выработки Средняяс зависимостью от технологических процессов
Средние и мелкие трещины Мелкие блокибез заклинивания между собой Минимальная всегда
Задачу создания условий, при которых напряжения в элементах системы не сопровождаются критическими деформациями, решают путем разделения шахтного поля на геомеханически сбалансированные участки [15]. Методы определения устойчивости выработок различаются в зависимости от представления о рудовмещающем массиве (табл.4).
Таблица 4
Методы расчета устойчивых пролетов обнажений кровли
Характеристики массива Методы Основные показатели
На основе классической механики На основе прикладной механики
Несущий элемент кровли Гипотеза горного давления
Квазисплошной в гравитационном поле Изотропный Механика сплошной среды Плита или балка Свод давления В.Д. Слесарев, Свод обрушения М.М. Протодьяконо, И.М. Цимбаревич, Н.М. Покровский Свойства пород, анизотропия, структурное ослабление, мощность несущего элемента
анизотропный
Сплошной нарушенный в гравитекто-структурном поле Изотропный Плита или балка с трещинами
анизотропный Система столбов с трещиной
Дискретный с гравитекто-структурным полем Изотропный или анизотропный Механика дискретной среды Плита или балка Зоны обрушений А.А.Борисов, Свободные консоли Г.Н. Кузнецов Структурное ослабление, размеры отдельностей, прочность
В окрестностях горной выработки коэффициент ослабления пород снижается от 0,25...0,35 до 0,04...0,15. Мощность зоны ослабления составляет от 0,5.2,0 м до 5.10 м. Приконтурная зона характеризуется коэффициентом ослабления от 0,04.1,10 до 0,10.0,15, что по сравнению с
ненарушенным массивом означает уменьшение прочности от 1,5...2,5 до 2,5...6,0 раз.
Для безопасности труда и качества добываемых руд важно, чтобы кровля выработок сохраняла плоскую форму. Плоская форма обеспечивается при заклинивании структурных блоков в нижнем слое (рис. 4) [16 - 17]:
Ьпред ~ 2^2
10 д
К 2 7^1 '
где ^ и - соответственно горизонтальный и вертикальный размеры структурных блоков, м; К2 - коэффициент запаса. Коэффициент запаса устойчивости свода
20ЯСЖ Л1
К =
(Ьф + 2^) Н
где Ьф - фактический пролет выработок.
При малых размерах структурных блоков высота обрушения определяется коэффициентом разрыхления пород
К, =
к V'
(Кр - 1)5Й
где ИоС - высота зоны опасных сдвижений, м; V - объем пустот, м ; -площадь выработанного пространства в плане, м ; Кр - коэффициент разрыхления пород; К - коэффициент, равный 1,5.
с
б
2
п
Рис. 4. Схема сохранения плоской кровли при возникновении шарнирной
арки из заклинившихся пород: А, В, С - шарниры; Ь0 - пролет выработки; Н - высота выработки; Нс - высота свода естественного равновесия; й2 - вертикальный размер
структурного блока пород в кровле
При обрушении с образованием свода земная поверхность не разрушается при условии
Н >На = Не
где Н - расстояние от верхней границы выработки до границы выветренных пород и отложений, м.
При сравнении вариантов погашения руд допускается системная ошибка: в качестве критерия эффективности погашения принимают приведенную себестоимость погашения. При этом наиболее выгодным оказывается обрушение пород с разрушением земной поверхности, потерей и снижением качества сырья. Действительная ценность отвлекаемых у сельского хозяйства земель не равна стоимости компенсации. Стоимость же теряемых металлов изменяется с конъюнктурой и может увеличиваться многократно.
Поэтому применяемый показатель целесообразно дополнить величиной наносимого ущерба окружающей среде и затрат на реабилитацию живого вещества в зоне влияния горных работ. Технико-экономическая и эколого-социальная эффективность технологий определяется успехом регулирования уровня напряжений и вовлечения в производство новых материалов для приготовления закладочных смесей [18, 19].
Выводы
1. Геомеханическая сбалансированность дискретных породных сред обеспечивается за счет остаточной несущей способности природно и технологически разрушенных пород и корректируется технологией разработки.
2. Задача профилактики критических напряжений и соответствующих им деформаций решается разделением шахтного поля на геомеханически сбалансированные участки с плоской кровлей, в пределах которых могут быть применены минимизированные по затратам технологии
3. Критерий оптимальности погашения целесообразно дополнить величиной компенсации наносимого горными работами ущерба окружающей среде.
Список литературы
1. Разоренов Ю.И., Голик В.И., Куликов М.М. Экономика и менеджмент горной промышленности: учеб. пособие для вузов/ ЮжноРоссийский гос. технический ун-т (Новочеркасский политехнический ин-т). Новочеркасск, 2010. 251 с.
2. Голик В.И. Природоохранные технологии разработки рудных месторождений. М.: ИНФРА, 2014. 192 с.
3. Вагин В.С., Голик В.И. Проблемы использования природных ресурсов южного федерального округа: учеб. пособие для вузов/ Владикавказ, 2005. 192 с.
4. Parker H. M. Reconciliation principles for the mining industry // Mining Techn. 2012. Vol. 121(3). P. 160-176.
5. Пагиев К.Х., Голик В.И., Габараев О.З. Наукоемкие технологии добычи и переработки руд // Северо-Кавказский горно-металлургический институт (Государственный технологический университет). Владикавказ, 1998. 571 с.
6. Голик В.И., Разоренов Ю.И. Проектирование горных предприятий// Новочеркасск. 2007. 262 с.
7. Голик В.И., Брюховецкий О.С., Габараев О.З. Технологии освоения месторождений урановых руд: учеб. пособие для вузов / Российский гос. геологоразведочный ун-т им. Серго Орджоникидзе. М., 2007. 131 c.
8. Голик В.И. Природоохранные технологии разработки рудных месторождений. М.: ИНФРА, 2014. 192 c.
9. Голик В.И., Хадонов З.М., Габараев О.З. Управление технологическими комплексами и экономическая эффективность разработки рудных месторождений// Владикавказ, 2001. 391 c.
10. Ляшенко В.И., Голик В.И. Научные основы геомеханического мониторинга состояния горного массива при подземной разработке месторождений сложной структуры // Цветная металлургия. 2004. № 10. С. 2.
11. Ветров С.В. Допустимые размеры обнажений горных пород при подземной разработке руд//М. Наука. 1975.
12. Голик В.И., Полухин О.Н. Природоохранные геотехнологии в горном деле. Белгород, 2013. 284 с.
13. Бесцементная закладка на горных предприятиях/ В.И. Ляшенко, В.Н. Коваленко, В.И. Голик, О.З. Габараев // Москва, 1992. 94 с.
14. Ляшенко В.И., Голик В.И. Научные основы геомеханического мониторинга состояния горного массива при подземной разработке месторождений сложной структуры // Цветная металлургия. 2004. № 10. С. 2.
15. Комащенко В.И., Васильев П.В., Масленников С.А. Технологиям подземной разработки месторождений КМА - надежную сырьевую основу// Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2016. Вып. 2. С. 101-114.
16. The effective essof combining thes tages of ore fields development /V. Golik, V. Komaschenko, V. Morkun, Z. Khasheva // Metallurgical and Mining Industry. 2015. Т. 7. № 5. С. 401-405.
17. Экологические проблемы разработки рудных месторождений КМА/ В.И. Голик, О.Н. Полухин, А.Н. Петин, В.И. Комащенко // Горный журнал. 2013. № 4. С. 91-94.
18. Шестаков В.А., Разоренов Ю.И., Габараев О.З. Управление качеством продукции на горных предприятиях: учеб. пособие. Новочеркасск, 2001. 262 с.
19. Способ разработки крутопадающих рудных залежей малой и средней мощности системой подэтажного обрушения с гибкими разделяющими перекрытиями: пат. 2301334 РФ; заявл. 28.12.2004.
Дмитрак Юрий Витальевич, д-р техн. наук, проф., ректор, v.i.golik@,mail.ru, Россия, Владикавказ, Северо-Кавказский государственный технологический университет,
Голик Владимир Иванович, д-р техн. наук, проф., v.i.golik@,mail.ru, Россия, Владикавказ, Северо-Кавказский государственный технологический университет,
Дзеранов Борис Витальевич, канд. геол. мин. наук, доц. v. i. golik@,mail. ru, Россия, Владикавказ, Северо-Кавказский государственный технологический университет
THE PRESERVA TION OF THE EARTH'S SURFACE FROM DESTRUCTION A T UNDERGROUND MINING OF ORES
V. V. Dmitrak, V.I. Golik, B. V. Dzeranov
The creation of geomechanical balanced rock environments for underground mining of rock deposits is substantiated due to the phenomenon of self-hardening of natural and technologically destroyed rocks when exposed within acceptable limits. The direction of the solution of the problem of controlling the state of the array is indicated by preventing critical stresses and strains as a result of dividing the mine field into geomechanical stable sections with a flat roof. It is recommended to supplement the criterion of the optimality of the void repayment by the amount of compensation for damage to the environment. The condition for the strength of the array at various stages of the existence of the geomechanical system is formulated. A new classification of voiding technologies is proposed, taking into account the phenomenon of jamming of rock blocks.
Key words: deposit, rock, bearing capacity, geomechanics, stresses, strains, technology.
Dmitrak Yuryi Vitalievich, doctor of technical sciences, professor, Rector, v.i.golika mail. ru, Russia, Vladikavkaz, North-Caucasian State Technological University,
Golik Vladimir Ivanovich, doctor of technical sciences, professor, v. i. golik@,mail. ru, Russia, Vladikavkaz, North-Caucasian State Technological University,
Dzeranov Boris Vitalievich, candidate of geology-mineral sciences, docent, v. i. golik@,mail. ru, Russia, Vladikavkaz, North-Caucasian State Technological University
Reference
1. Razorenov Ju.I., Golik V.I., Kulikov M.M. Jekonomika i menedzhment gornoj promyshlennosti: ucheb. posobie dlja vuzov/ Juzhno-Rossijskij gos. tehnicheskij un-t (Novocherkasskij politehnicheskij in-t). Novocherkassk, 2010. 251 s.
2. Golik V.I. Prirodoohrannye tehnologii razrabotki rudnyh mestorozhdenij // M. INFRA. Ser. Vysshee obrazovanie: Bakalavriat, 2014. 192 c.
3. Vagin V.S., Golik V.I. Problemy ispol'zovanija prirodnyh resursov juzhnogo federal'nogo okruga: ucheb. posobie dlja vuzov/ Vladikavkaz, 2005. 192 s.
4. Parker H. M. Reconciliation principles for the mining industry // Mining Techn.
2012. Vol. 121(3). P. 160-176.
5. Pagiev K.H., Golik V.I., Gabaraev O.Z. Naukoemkie tehnologii dobychi i pererabotki rud // Severo-Kavkazskij gorno-metallurgicheskij institut (Gosudarstvennyj tehnologicheskij universitet). Vladikavkaz, 1998. 571 s.
6. Golik V.I., Razorenov Ju.I. Proektirovanie gornyh predprijatij// Novocherkassk. 2007. 262 s.
7.Golik V.I., Brjuhoveckij O.S., Gabaraev O.Z. Tehnologii osvoenija mestorozhdenij uranovyh rud: ucheb. posobie dlja vuzov / Rossijskij gos. geologorazvedochnyj un-t im. Sergo Ordzhonikidze. Moskva. 2007. 131 c.
8. Golik V.I. Prirodoohrannye tehnologii razrabotki rudnyh mestorozhdenij // M. INFRA. Ser. Vysshee obrazovanie. Bakalavriat. 2014. 192 c.
9. Golik V.I., Hadonov Z.M., Gabaraev O.Z. Upravlenie tehnologicheskimi kompleksami i jekonomicheskaja jeffektivnost' razrabotki rudnyh mestorozhdenij// Vladikavkaz, 2001. 391 c.
10. Ljashenko V.I., Golik V.I. Nauchnye osnovy geomehanicheskogo monitoringa sostojanija gornogo massiva pri podzemnoj razrabotke mestorozhdenij slozhnoj struktury // Cvetnaja metallurgija, 2004. № 10. S. 2.
11. Vetrov S.V. Dopustimye razmery obnazhenij gornyh porod pri podzemnoj razrabotke rud//M. Nauka. 1975.
12. Golik V.I., Poluhin O.N. Prirodoohrannye geotehnologii v gornom dele// Belgorod.
2013. 284 s.
13. Bescementnaja zakladka na gornyh predprijatijah/ V.I. Ljashenko, V.N. Kovalenko, V.I. Golik, O.Z. Gabaraev // Moskva, 1992. 94 s.
14. Ljashenko V.I., Golik V.I. Nauchnye osnovy geomehanicheskogo monitoringa sostojanija gornogo massiva pri podzemnoj razrabotke mestorozhdenij slozhnoj struktury // Cvetnaja metallurgija, 2004. № 10. S. 2.
15. Komashhenko V.I., Vasil'ev P.V., Maslennikov S.A. Tehnologijam podzemnoj razrabotki mestorozhdenij KMA - nadezhnuju syr'evuju osnovu// Izvestija Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Nauki o Zemle. 2016. Vyp. 2. S. 101-114.
16. The effective essof combining thes tages of ore fields development /V. Golik, V. Komaschenko, V. Morkun, Z. Khasheva // Metallurgical and Mining Industry. 2015. T. 7. № 5. S. 401-405.
17. Jekologicheskie problemy razrabotki rudnyh mestorozhdenij KMA/ V.I. Golik, O.N. Poluhin, A.N. Petin, V.I. Komashhenko // Gornyj zhurnal. 2013. № 4. S. 91 -94.
18. Shestakov V.A., Razorenov Ju.I., Gabaraev O.Z. Upravlenie kachestvom produkcii na gornyh predprijatijah: ucheb. posobie/ Novocherkassk. 2001. 262 s.
19. Sposob razrabotki krutopadajushhih rudnyh zalezhej maloj i srednej moshhnosti sistemoj podjetazhnogo obrushenija s gibkimi razdeljajushhimi perekrytijami: pat. 2301334 RF; zajavl. 28.12.2004.
