Использование свойств дискретных пород для оптимизации процессов погашения выработанного пространства

Погашение выработанного пространства является ответственным этапом эксплуатации месторождения, потому что последствия неправильно выбранного решения откорректировать трудно. Одним из направлений совершенствования технологии погашения является использование породных несущих конструкций с реализацией их механической прочности [1–3].

Концепция погашения выработанного пространства основана на том, что устойчивые во время отработки породы с течением времени обрушаются или до предельного свода равновесия, образованного заклинившимися структурными блоками, или до высоты, определяемой коэффициентом обрушения пород [4–8].

Целью исследования является снижение затрат на погашение за счет использования энергии заклинивания для управления массивом.

Результаты

В геологическом строении скальных месторождений участвуют породы различного возраста. Ведущая роль в структуре и ру-доносности месторождения принадлежит разломам, к которым приурочена рудонос-ность (рис. 1).

Вблизи тектонических разломов трещиноватость увеличивается, достигая максиму-

ма в оперяющих нарушениях и вблизи них (рис. 2).

Вывалы происходят чаще всего при пересечении сопряжений крутых и пологих зон, а также если один из швов тектонического нарушения является стенкой выработки.

Внутри геологического поля можно вы-

делить инженерно-геологические участки (табл. 1).

Соотношение размеров допустимого по устойчивости пролета и пролета свода обрушения становится основным критерием безопасности и еще более значимым при использовании технологий с подработкой пород на большой площади, например с выщелачива-

нием металлов из рудных залежей значительной площади [9–11].

При возникновении свода естествен-

ного равновесия параметры погашаемой вы-

работки определяются в первую очередь раз-

мерами структурного породного блока:

a = d]

f ' R

I kH

\

- ¹

где a – полупролет свода естественного равновесия, м; d 1 – горизонтальный размер элементарного блока пород, м; 10 – коэффициент перевода кг/см² в т/м²; R сж – временное сопротивление пород сжатию, кг/см²; k – коэффициент запаса; Н – глубина расположения пяты от поверхности, м; γ – объемный вес пород, кг/м³.

a                                                     б

Рис. 1. План ( а ) и разрез ( б ) разлома:

1 – зона расслоения; 2 – трещины отрыва; 3 – трещины скола с глинкой трения; 4 – оруденение

Fig. 1. Fault plan ( a ) and cross-section ( b ):

1 – stratification zone; 2 – ruptures; 3 – shear fractures with clay gauge; 4 – mineralization

a                                              б

Рис. 2. Положение рудоносных структур в лежачем боку разлома ( а ) и характер распределения трещин в орте ( б )

Fig. 2. Position of ore-bearing structures in fault footwall ( a ) and the nature of fracture distribution in cross drift ( b )

Таблица 1

Инженерно-геологическая характеристика месторождения Ишимское Geotechnical characteristics of Ishimskoe deposit

Характеристика участка	Объемный вес пород, т/м 3	Прочность пород, кг/см 2	Размер структурного блока , м	Коэффициент ослабления пород
Узлы сопряжений разломов с контактной зоной	2,65	639	0,4×0,4	0,37
Зоны крупных разломов и контактные зоны	2,65	587	0,8×1,6	0,43
Части тектонических блоков между разломом и контактной зоной	2,65	570	I,8×4,0	0,62

ГОРНЫЕ НАУКИ и

MINING SCIENCE AND TECHNOLOGY

Самозаклинивание элементарных блоков пород может произойти, если пролет предельного свода В больше пролета зоны обрушения пород:

B >  2 a.

На рис. 3 и 4 представлена зона обрушения пород для случаев, когда угол наклона очистной выработки больше угла обрушения пород:

a >

90 ° + ф_

B =

2 h

;

m

--+--,

90° + ф sin a tg 2

где α – угол наклона выработки, град; φ – угол внутреннего трения пород, град (45–50°); h – высота выработки, м; m – ширина выработанного пространства, м, h ос – высота свода заклинивания, м.

Рис. 3. Построение границ области опасных сдвижений в толще пород на разрезах вкрест простирания

Fig. 3. Construction of dangerous displacement area boundaries in rock mass on sections across the strike

Рис. 4. Построение границ области опасных сдвижений в толще пород в вертикальной проекции

Fig. 4. Construction of dangerous displacement area boundaries in rock mass in elevation view

MINING SCIENCE AND TECHNOLOGY

Высота свода самозаклинивания h c :

- при 2 а = В :

a hс =-v

где a – полупролет свода без учета коэффициента запаса k ; v – коэффициент устойчиво-

сти трещиноватых пород:

v = 2

^d 2 ^R с ¹ ж ¹

d R ^{1   ,}

1 сж

d где 2 – соотношение вертикального и гори-d

зонтального размеров структурных блоков

_R 11

пород; ^сж – отношение временного сопро- R _сж

тивления горных пород сжатию R ' в направлении распора свода и в направлении дейст-

вия веса пород.

Если предельный свод пересекает весьма трещиноватые породы, показатели d 2 и R ¹¹

характеризуют породы разломов и зоны их влияния.

- при 2 а >  В в формулах вместо полупролета предельного свода ( а ) подставляется полупролет зоны обрушения пород (0,5 В ):

BB h = —, и h =   .

^с   2 v      ^с 4

Условие сохранения земной поверхности для случая обрушения пород с образованием свода:

H 1 >  h с ,

где H ¹ – расстояние от верхней границы выработанного пространства до выветрелых пород и рыхлых отложений, м.

При несоблюдении условия выработанное пространство закладывается так, чтобы при его уменьшенной высоте обеспечивалось

неравенство:

H ¹ >  h ч =

B

2 v

B d R11 ,

2 сж d R1

1 сж

где h ч – подъем свода при частично заполненном выработанном пространстве, м.

Высота h з , на которую заполняется выработанное пространство:

90 ° +ф

- при а > ——-

,    , Г m dTTRd--?R 11)   90о + Ф h з > h +  --2 H1-2 ^ж tg —-^,

( si^na        d 1 ^R сж )      ²

при отрицательном значении h з закладывать выработанное пространство не нужно;

90 ° +ф - при а < ——^L

h > h +

m

^ sin a

- 4 H¹

^d 2 ^R с ¹ ж ¹ dR ¹

tgαtg

90 ^о + ф

tgα+tg

90 ^о + ф

Если свод естественного равновесия не возникает , высота обрушения определяется коэффициентом разрыхления пород, а зона опасного сдвижения пород - по ВНИМИ (см. рис. 3 и 4).

Если Н' < h ос , то высота массива закладки, при которой сдвижение поверхности не произойдет:

khm tga - H ¹ ( K - 1)( m tga + h sin a)

h з = p , km tga - H ¹ ( K - 1) sin a

где h - полная высота выработанного про-

странства, включая высоту массива закладки ( h з ), м; m - нормальная ширина выработанного пространства, м; α - угол наклона выработанного пространства, град; K р – коэффициент разрыхления; Н ¹ – глубина верхней границы выработанного пространства от вывет-

релых пород и отложений, м:

H ¹ =

khm tgα

( K _p -1)( m tga + h sin a)

Условие устойчивого состояния земной поверхности по ВНИМИ:

H1 > H1 = KYlэкв , где H 1 – глубина устойчивого состояния земной поверхности; K1 – коэффициент, учитывающий прочностные свойства горных пород lэкв – эквивалентный пролет:

MINING SCIENCE AND TECHNOLOGY l экв

Ll ¹

7 ( l + ( i Т),

где L – размер выработанного пространства по простиранию, м; l ¹ – размер горизонтальной поверхности выработанного пространст-

ва вкрест простирания, м.

Результаты исследования согласуются с выводами специалистов России и зарубежья [12–18]. Они могут быть востребованы при разработке месторождений скального и полу-скального типов при добыче твердых полезных ископаемых подземным способом.

Заключение

При подземной разработке месторождений скальных руд построение границ области опасных сдвижений в толще пород на основе использования феномена заклинивания дискретных пород является важным компонентом оптимизации технологий погашения выработанного пространства, обеспечивающим возможность отработки месторождений с получением эколого-экономического эффекта при обеспечении безопасности горных работ.

MINING SCIENCE AND TECHNOLOGY