Подэтажная система с искусственными целиками из твердеющей закладки для разработки жил в сложных геомеханических условиях

Решение проблемы управления горным давлением является весьма актуальным для целого ряда подземных рудников и во многом сдерживается из-за недостаточной изученности природы и механизма геомеханических процессов и явлений, возникающих с углублением горных работ в тектонически нарушенных массивах горных пород под влиянием многочисленных природных и техногенных факторов [1–3]. Сложная геомеханическая обстановка складывается при отработке жильных месторождений, которые свойственны именно рудным месторождениям [4–6]. Такие факторы, как структурная неоднородность, сложная геометрия формирующихся выработанных пространств, наличие многочисленных и разнообразных целиков, могут приводить к перераспределению и опасной концентрации напряжений в разрабатываемом рудном массиве и в итоге могут являться дополнительными причинами негативных проявлений горного давления [7–9].

В зависимости от степени устойчивости вмещающих пород и конструктивных особенностей применяемых систем разработки поддержание очистного пространства производят разными способами, имеющими свои достоинства и недостатки, в том числе различные технико-экономические показатели.

Материалы и методы

Анализ технической литературы и практика работы известных крупных горнорудных компаний показывают неоспоримые и очевидные преимущества систем подэтажного обрушения [10–12, 13, 14] как более экономичного и прогрессивного способа разработки. В данной системе разработки проходка подготовительно-нарезных выработок (подэтажные штреки, компенсационные камеры, рудоспуски и др.) приводит к разгрузке массива с перераспределением концентраций напряжений внутри и за пределами выемочной единицы. Создаются безопасные условия для отработки смежных рудных тел и нижележащих горизонтов.

Необходимо отметить, что применение самоходной техники в производственных процессах подземной добычи системой с подэтажным обрушением жильных месторождений открывает новые возможности для совершенствования систем разработки, требует полного изменения существующих технологических схем подготовки (рабочих горизонтов, выемочных единиц и шахты в целом) и выбора их параметров.

Анализ подземных горных работ рудников Зар-митанской золоторудной зоны предопределяет решение в пользу подэтажной отбойки руды скважинами малого диаметра, включающей прогрессивную технологию и механизацию работ с самоходной техникой [15].

Новые ресурсосберегающие технологии с подэтажным обрушением, сочетающие комбинацию разных способов управления горным давлением, позволяющих минимизировать недостатки известных технологий, являются одними из прогрессивных, но малоизученных, область их безопасного и эффективного применения не определена и требует дополнительных исследований.

На основе вышеизложенного для отработки запасов Зармитанской золоторудной зоны рассмотрены и предлагаются два варианта технологических схем подэтажным обрушением с комбинированным способом управления горным массивом (рис. 1 и 2).

Отличительной особенностью первого варианта технологической схемы (см. рис. 1) является комбинированное использование способов поддержания выработанных пространств искусственными целиками многоугольной формы, формируемыми путем закладки твердеющего материала в специально подготовленные гнезда (выработки).

Здесь возможны два варианта схем подготовки – блочная и участковая. Блочную схему целесообразно использовать при отработке коротких по протяженности рудных тел. Выемку запасов при значительной протяженности рудного тела целесообразно осуществлять по участковой схеме.

2021;6(4):252–258

В блочных схемах проводят две фланговые восстающие. Одна из них – рудная –используется в качестве компенсационной камеры, а другая – полевая – в качестве рудоспуска из подэтажей.

В участковых схемах подготовки проходят две восстающие на флангах и одну полевую – в центре блока. При этом фланговые восстающие используются как компенсационные камеры и для отвода отработанной струи воздуха, а центральная восстающая – в качестве рудоспуска из подэтажей обоих флангов – левых и правых.

В участковых схемах предусматривается также проводить сбойки, соединяющие смежные подэтажи между собой, которые необходимы для отвода загрязненного воздуха и выпуска попутной руды из подэтажей. Эти сбойки в дальнейшем – при формировании искусственного целика – будут камерами для заливки твердеющего закладочного материала. Размеры и расстояния между сбойками определяются по нормативному пределу прочности закладочного материала, определяемому в зависимости от горно-геологических и горнотехнических условий.

Подготовительно-нарезные работы в обоих вариантах включают проходку восстающих, наклонного участкового транспортного съезда (НТС), ортов заездов к НТС и рудоспуску, заездов на участковый НТС и к рудоспуску в концентрационном горизонте. В качестве нарезных проводятся также подэтажные штреки. Высота подэтажей 10–15 м, в зависимости от мощности рудных тел и возможности искривления скважин.

Очистные работы при варианте разработки искусственными целиками многоугольной формы проводятся с отставанием от верхнего подэтажа на 10–12 м.

Работы по возведению искусственных целиков осуществляются одновременно на всех подэтажах в следующем порядке:

• 1.    Производится расширение и образование купола потолочины над подэтажным штреком до требуемого размера путем разбуривания, заряжания и взрывания комплекта шпуров по форме клина. При этом краевые шпуры бурятся под углом не менее 45°.

• 2.    Потолочина над расширенной частью подэтажа с выемкой образуется путем проходки наклонных выработок обычным способом толщиной 2,0 м.

• 3.    У верхушки потолочины для заливки твердеющего материала и создания искусственного целика путем разбуривания, заряжания и взрывания комплекта параллельных шпуров образуется щель.

• 4.    Проводится зачистка основания части подэтажа от посторонних предметов под искусственный целик, осыпанная руда служит стенкой для искусственного целика с забойной стороны.

• 5.    Для образования противоположной стенки для создания искусственного целика производится отсыпка руды с последующим выпуском руды при отработке нижнего подэтажа.

• 6.    Заполнение созданной выработки производится твердеющей закладкой с добавлением в ее состав крупных породных заполнителей.

Основными достоинствами этой системы являются обеспечение надежной безопасности, более прочного материала целика [2, 4], простая организация очистных работ и меньшие материальные затраты по сравнению с системой разработки с закладкой очистного пространства, сравнительно высокие каче-

Рис. 1. Подэтажная система разработки с искусственными целиками многоугольной формы из твердеющей закладки: 1 – заезд к рудоспуску; 2 – подэтажный штрек; 3 – рудоспуск; 4 – открытое выработанное пространство; 5 – отбитая руда;

6 – искусственный целик многоугольной формы; 7 – место заложения очередного целика многоугольной формы;

8 – неотбитая руда; 9 – перегородка из рудной насыпи; 10 – положение выработки (сосуды) для устройства целика на этапе ее строительства; 11 – положение выработки (сосуды) на этапе формирования целика;

12 – положение выработки с перекрытием (рудным насыпом) перед закладкой целика; 13 – обуренные скважины

Fig. 1. Sublevel stoping with artificial consolidating stowing pillars of polygonal shape:

• 1    – crosscut to ore chute; 2 – sublevel drift; 3 – ore chute; 4 – open mined-out space; 5 – muck; 6 – artificial polygonal pillar;

• 7    – place of establishing the next pillar of polygon shape; 8 – intact ore; 9 – ore embankment partition;

• 10 – position of drift at the stage of its construction for pillar establishing; 11 – position of drift at the stage of pillar establishing;

12 – position of drift with overlapping (ore embankment) before pillar establishing; 13 – boreholes https://mst.misis.ru/

2021;6(4):252–258

ственные и количественные показатели добычи руды, широкие возможности применения самоходных машин в производственных процессах и операциях очистных работ.

Основные недостатки этой системы разработки: жесткая связь процессов отбойки руды с операциями сооружения целиков при подходе к линии их формировании, низкий уровень механизации при создании целиков, значительные затраты труда и времени на возведении целиков.

При втором варианте подэтажной системы разработки с искусственными столбчатыми целиками очистные работы и формирование целиков (рис. 2) осуществляются в следующем порядке:

• 1.    Пройденные ранее сбойки, начиная с верхнего подэтажа по направлению от флангов к центральной части участка по очереди заполняются твердеющей закладкой. Такой порядок заполнения можно осуществлять одновременно на последующих нижележащих подэтажах. Здесь необходимо отметить, что процесс по созданию искусственного целика в рассматриваемой схеме не имеет жестких связей с другими процессами нарезных и очистных работ. Поэтому закладочные работы можно, даже нужно, проводить одновременно с проходкой подэтажных штреков с отставанием на одну сбойку, поскольку эффективность твердеющей закладки зависит от времени затвердения до монолитного бетона.

• 2.    Очистные работы начинают из верхнего подэтажа одновременно в двух флангах по направлению к центру участка. Опережение очистных работ в верхнем подэтаже от нижних и последующих подэтажей должно быть не менее 10–12 м.

Отбойку руды осуществляют с помощью комплекта веерных скважин. Скважины бурят самоходными буровыми машинами. При взрывании часть отбитой руды остается в подошве подэтажных штреков, а другая часть падает по выработанному пространству вниз.

Основными достоинствами этой системы являются обеспечение безопасности, простая организация очистных работ и возведения искусственных целиков, низкий уровень трудовых и материальных затрат, по сравнению с системами разработки с закладкой очистного пространства, сравнительно высокие качественные и количественные показатели добычи руды, возможность гибкого перехода от одной схемы к другой. Отличительной чертой данной схемы по сравнению с первым вариантом является практическая независимость процесса закладки от процессов нарезных и очистных работ. Это позволяет вести закладочные работы одновременно с проходкой подэтажных штреков, продлевая при этом время затвердевания закладочного материала и повышая прочность целика.

Основные недостатки этой системы: высокий расход твердеющего материала и значительные затраты времени и труда на возведение целиков.

В обоих рассматриваемых вариантах доставку отбитой руды из каждого подэтажа до рудоспуска предполагается осуществлять автономно, что исключает необходимость создания откаточного горизонта.

Все операции по возведению искусственных целиков в изложенных технологических схемах выполняются преимущественно с помощью самоходной техники, имеющейся на рудниках Зармитанской золоторудной зоны.

Рис. 2. Подэтажная система разработки с искусственными столбчатыми целиками:

1 – подэтажный штрек; 2 – заезд к рудоспуску; 3 – столбчатый искусственный целик; 4 – обуренные скважины для образования компенсационной камеры; 5 – выработанное открытое пространство; 6 – отбитая руда; 7 – неотбитая руда, 8 – рудоспуск; 9 – перегородка из рудной насыпи; 10 – положения выработки для устройства столбчатого целика на этапе ее формирования; 11 – положения выработки на этапе формирования столбчатого целика; 12 – положения выработки с перекрытием (рудным насыпом) перед закладкой столбчатого целика

• Fig. 2. Sublevel stoping with artificial columnar pillars:

• 1    – sublevel drift; 2 – crosscut to ore chute; 3 – artificial columnar pillar; 4 – boreholes for compensation stope formation;

5 – open mined-out space; 6 – muck; 7 – intact ore; 8 – ore chute; 9 – ore embankment partition;

• 10    – position of drift at the stage of its construction for pillar establishing; 11 – position of drift at the stage of pillar establishing;

12 – position of drift with overlapping (ore embankment) before pillar establishing https://mst.misis.ru/

2021;6(4):252–258

Заключение

Таким образом, на примере Зармитанской золоторудной зоны для безопасной и полной отработки запасов руды в слабоустойчивых массивах и зонах концентрации напряжений предлагаются варианты подэтажной системы разработки с искусственными опорными удерживающими целиками из твердеющей закладки многоугольной и столбчатой формы.

Безопасные условия и полнота отработки в предлагаемых вариантах достигаются путем использования комплекса подготовительно-нарезных выработок подэтажной системы разработки в качестве отрезных щелей для снятия и перераспределения напряжения в массиве горных пород и с магазини- рованием отбитой руды в комбинации с искусственными опорными удерживающими целиками из твердеющей закладки.

Искуственные опорные удерживающие целики из твердеющей закладки обеспечивают поддержание вмещающих пород камеры в устойчивом состоянии, позволяющем сократить отслоение боковых пород и вторичное разубоживание, снизить давление вмещающих пород на замагазинированную руду и улучшить условия выпуска. Целики принимают на себя сжимающие/растягивающие напряжения, предотвращают их концентрации и создают безопасные условия отработки смежных и нижележаших горизонтов.

2021;6(4):252–258

2021;6(4):252–258