Подземная разработка рудных месторождений с сохранением земной поверхности

Важные в условиях рыночной экономики показатели качества технологии разработки: потери и разубоживание, а также безопасность для работающих и окружающей среды во многом определяются прочностью природно-техногенной системы «массивы-крепь-поверхность» [1 - 4].

Практикой интенсивной разработки месторождений скальных руд доказано, что сохранность системы зависит от эф- фективности управления процессами развития напряжений и деформаций в ней. Одним из направлений мониторинга напряжений является использование остаточной несущей способности технологически разрушенных пород. На практике оно сводится к обеспечению оптимальных параметров элементов системы технологическими мерами в процессе разработки месторождения.

Обеспечить комплексное совершенствование всех показателей позволяет

МИСиС

появившийся в ряде публикаций конца прошлого века критерий эффективности технологий в виде сохранности рудовмещающих массивов и земной поверхности над ними. Этот критерий является обязательным при разработке месторождений в особо охраняемых районах, например, с развитым земледелием, реками, охраняемыми объектами и т.п. (рис. 1).

Актуальность проблемы охраны земной поверхности увеличивается в настоящее время ввиду предстоящего многим предприятиям перехода с открытого способа разработки на подземный не только по экономическим, но и по экологическим соображениям [5 - 7].

Рис. 1. Схема выемки запасов с сохранением земной поверхности:

1 - поверхность с р. Уруп; 2 - зона влияния выработки; 3 - рудное тело; 4 - закладочный массив;

5 - зона трещиноватости

Цели и задачи

Целью управления состоянием массива горных пород при подземной разработке месторождений становится сохранение земной поверхности от разрушения, особенно в случае гипотетического выхода зоны обрушения пород до уровня приповерхностных наносов. Земная поверхность препятствует смешению опасной для живого вещества зоны подземной разработки с зоной обитания флоры,

Указанная цель достигается решением ряда задач, включающих оценку геомеханического состояния рудовмещающих массивов при комбинированном природно-техногенном воздействии, обеспечение технологической возможности и экономической целесообразности добычи руд в данных условиях и разработку мер профилактики опасного воздействия горных работ на окружающую среду.

фауны, и человека (рис. 2).

Рис. 2. Влияние горных работ на зону жизнедеятельности:

1 - зона жизнедеятельности; 2 - зона разделительная; 3 - зона горных работ

МИСиС

Методы

Для решения поставленных задач производится ретроспективный анализ состояния проблемы, теории и практики управления массивом с сохранением земной поверхности от разрушения, привлекаются результаты выполненных экспериментов и осуществляется научное прогнозирование решения проблемы [8 - 11].

Результаты

Наиболее часто применяемым критерием эффективности технологии добычи руд является величина затрат на 1 м3 погашенных пустот. По этому критерию предпочтительнее выглядит технология с обрушением пород, однако повышенные потери руд и разубоживание вмещающими породами, а также нарушение земной поверхности ограничивают область ее применения при добыче, а высокие затраты при обогатительном и металлургическом переделе удорожают стоимость металлов.

В последнее время методы оценки технологий разработки дополнены критерием сохранения земной поверхности от разрушения, благодаря которому все технологии добычи руд ставятся в равные условия в связи с более полным учетом затрат на добычу.

Способность отделенных от массива пород создавать в определенных случаях устойчивые конструкции доказана теорией и практикой недропользования. Расчеты на основе этого феномена применяют при проектировании разработки пологопадающих месторождений.

Вопросы взаимодействия структурных породных блоков в рамках процессов отделения от массива и дробления, а также управления состоянием рудовмещающего массива рассматривались В.Р. Именитовым, Р.В. Каплуновым, Д.М. Казикаевым, С.В. Ветровым, В.И. Борщ-

Компонийцем, В.П. Влохом, Ф.Ф. Рычик и др. [12, 13].

При разработке скальных месторождений с дискретным с гравитационно-тектоническо-структурным полем устойчивость рудовмещающих породных массивов определяется характером взаимодействия структурных породных блоков.

В зависимости от соотношения знаков и векторов напряжений в рудовмещающем массиве обнаженные горными работами породы сохраняют устойчивость или за счет первичных связей, если деформации не превышают предела упругости, или за счет вторичных связей, возникающих при заклинивании структурных породных блоков, или же не сохраняют устойчивости, если эти связи нарушаются.

Управление состоянием массива назначением безопасных по концентрации напряжений пролетов обнажений выработок доказало свою эффективность при обеспечении устойчивости массивов на площадях выработанного пространства до 6000 м² с величиной пролетов обнажений до 50 м при глубине работ до 600 м в породах с коэффициентом крепости по М.М. Протодьяконову 10...20. Феномен создания устойчивых конструкций из заклинившихся пород проявляется и как негативный фактор, препятствуя их обрушению, когда это технологически необходимо [14 - 16].

Несущая способность разрушенных пород проявляется сначала при дифференциации, а затем консолидации структурных отдельностей пород под влиянием напряжений. Условия упрочнения пород в горном производстве создаются практически всегда, но чаще всего не используются, что не позволяет реализовать возможный положительный эффект. Условием образования конструкции из структурных породных блоков является

МИСиС

их заклинивание за счет бокового распора. Жесткость создаваемой конструкции зависит от знака и величины природных и техногенных напряжений.

Управление прочностью конструкций возможно при таких технологиче- ских параметрах, при которых жесткость обеспечивается за счет остаточных прочности пород и напряжений бокового распора, создаваемых путем оптимизации величины пролетов и прочности твердеющих смесей:

ост

° ст '° r

° C, =’

L

0max j fx(dxx, dx^

^{L 0}min

L ⁰max , ^dx n ) ^° кр = j fx ^dh u );

ост ост + m о r

L

0max

= j fx ( dx_x, dx^

L ⁰min

L ⁰max , ^dx n ) ^° кр = j ^dx ( ^dh u )■ 0

Управление сбалансированностью массива с сохранением земной поверхности обеспечивается разделением рудного поля на участки, для которых удовлетворяется условие соответствия пролетов обнажения и возникающих от этого напряжений в породах кровли, а внутри участков - обеспечение плоской кровли выработок (рис. 3).

Рис. 3. Схема к разделению массива на участки: L _пред., L ф , L _о – соответственно пролеты свода естественного равновесия, фактический и плоской кровли; H – глубина работ; h _c – высота предельного пролета свода естественного равновесия; h ₁ – высота нового свода

Разделение месторождения на безопасные участки позволяет при его разработке применить технологии с меньшими затратами, например, с изоляцией или закладкой твердеющими смесями пониженной прочности [17].

Лучшие условия создаются в том случае, когда размеры рудных целиков превышают размер структурного блока пород не менее чем в 5 раз, а ширина превышает высоту не менее чем в 4 раза. Если целики в пределах погашаемого участка имеют различную жесткость, то слабые целики перераспределяют давление на более жесткие целики, что способствует выравниванию напряжений в пределах участков.

№3

МИСиС

Условие предельного равновесия целика, пригруженного конструкцией из структурных породных блоков, по С.В. Ветрову:

Snk пж = SKKcOsaа, ц ф сж з св где Sц - площадь целика; kф - коэффициент формы; осж - предел прочности руд на сжатие; S - площадь пригружающих целик пород; kз - коэффициент запаса; hсв - высота свода естественного равновесия; а - угол наклона выработки.

Для однородных трещиноватых пород устойчивость кровли определяется возможностью возникновения свода естественного равновесия. Если структурные породные блоки смещаются в выработанное пространство, а кровля принимает форму свода, происходит повышенное разубоживание руды, что может служить причиной дискредитации технологии [18, 19].

Методы расчета устойчивых пролетов обнажений кровли различаются в зависимости от вида полей напряжений и используемых гипотез (табл. 1).

Таблица 1

Методы расчета устойчивых пролетов обнажений кровли

Характеристика массива, поля напряжения	Методы
	Геомеханические (классическая механика)	Инженерные (прикладная механика)
		Несущий элемент	Гипотеза
Квазисплошной, гравитационное	Механика сплошной среды; вероятностностатистические методы	Сплошная порода	Своды Слесарева, Протодьяконова, Цимбаре-вича, Покровского, Орлова, Квапила и др.
		Плита или балка
Квазисплошной, гравитационно-тектоническо-структурное		Несплошная порода
		Несплошная плита или балка
		Несплошная система столбов
Дискретный с гра витационно-тектонически-структурным полем напряжений	Механика дискретной среды; вероятностностатистические методы	Плита или балка	Зоны обрушений Борисова, консоли Кузнецова
		Система столбов
		Шарнирная арка	Своды Ветрова

Плоская форма кровли образуется при условии заклинивания пород в нижнем слое:

L

пред

= 2 d₂

10 R

сж

V ^k 2 Y d 1 ’

где L пред - предельный по условию образования свода пролет, м; R _сж – сопротивление сжатию, т/м², d 1 и d 2 – соответственно горизонтальный и вертикальный размеры структурных блоков, м: k 2 – коэффициент запаса.

Устойчивость кровли зависит от того, какая часть рудопроводящего шва вскрыта выработкой: породы основной или отслаивающейся непосредственной кровли. Допустимый пролет плоской формы определяется из условия равенст-

ва моментов силы пород под сводом и сил распора дифференцированно для типов кровли.

Для основной кровли (рис. 4):

q = ² - L o h ; h = A; q = A ;

3  2 ^{о о} 2 V       2 V

M = А_ ;

^q   18 V

M_T = T ⁵ d

T ₂

^ сж = R ‘ж сж     сж

10 R 1

I =---— — d •

R 2 ^ос

ос

10 R ж - 5 d_oc сж     ос

18 K

= R _с ^пж при V о = 1;

10 R d ²

сж ос

^L о = ^ К

N  K 2 Y

.

Для непосредственной кровли:

L / w Лл LL d qH =  dy; Ma = —dy— = н 2        qн   2    48

МИСиС

T = 1⁰ ? с ^ж 1 _d ;

K 3 ^н2

M_T = T 2 d

T      ₃   н 2

10 К_сж . 10 d _H^: сж      н

18 K

,

M_T = T d

T            н 2

10 ^ ■ 5 d сж

L о = 1,48 d н₂³

18 K

10 R сж

н

;

L =298dH зн

10 R сж

\ K 2 Y ^d

\ K 2 Y d

.

Для сохранения плоского пролета в породах непосредственной кровли высоту конструкции увеличивают сшиванием пород анкерами, что позволяет увеличить момент силы распора и предупредить обрушение в пределах свода:

L          L LL q =  dy; Ma = — dy 3 = —;

н 2        qн    2    48

10 R 2

T =     сж— d ;

K 3 ^н2

Условие сохранения земной поверхности от разрушения горными работами:

H‘>hа=h с, где H' - расстояние от верхней границы выработки до выветренных пород и рыхлых отложений, м.

Безопасность земной поверхности адекватно повышается при подпоре несущего слоя пород твердеющей смесью (рис. 5).

Рис. 5. Условие гарантированной безопасности земной поверхности: а – открытое выработанное пространство; б – заложенное твердеющей смесью выработанное пространство;

1 – свод заклинивания пород; 2 – несущий слой; 3 – твердеющая смесь

Наличие зон дробления и расслан-цевания провоцирует обрушение рудовмещающего массива с выходом на земную поверхность. Условие, при котором выход зоны на поверхность исключается:

5 5 р sin а

Н >--------, mн где Н' - расстояние от выработанного пространства до выветренных пород и рыхлых отложений поверхности, м; S – площадь выработанного пространства на разрезе вкрест простирания, м2; ан - угол падения разрывного нарушения, градус; m – мощность разрывного нарушения с зоной дробления и рассланце-вания, м.

Стадия погашения выработанного пространства отличается тем, что последствия горных работ для земной поверхности скорректировать нельзя, как это можно сделать при очистной выемке [20, 21]. Классификация способов погашения с сохранением земной поверхности представлена в табл. 2.

МИСиС

Таблица 2

Способы погашения пустот с сохранением земной поверхности

Классы	Группы	Варианты	Условия применения
С изоляцией	Без разделения на пролеты		Малой и средней мощности рудные тела с образованием сводов
	С  разделением  на пролеты	Естественными массивами Искусственными массивами
С закладкой	Твердеющими  сме сями	Очень прочная Прочная	Без ограничений
		Малопрочная	Образование сводов
	Сыпучими  продук тами	Сухая гидравлическая	Соответствие массы пригрузки и компрессионных свойств смесей
Комбинированные	Изоляция  и  твер деющая закладка	Очень прочная Прочная Малопрочная	В зависимости от условий образования систем
	Изоляция и сыпучая закладка	Подаваемая извне Полученная обрушением
	Хвосты выщелачивания и твердеющие смеси	Прочная Малопрочная

Примером сохранения земной поверхности является практика разработки Ишимского месторождения (Северный Казахстан) с объемом пустот 2 млн м3 без закладки.

Использование геомеханических факторов при добыче металлических руд является пока еще недостаточно используемым фактором повышения качества добываемых руд для обеспечения конкурентоспособности горных предприятий [22 - 24].

Заключение

• 1.    Развитие ресурсосберегающих и природоохранных тенденций в горном производстве способствует более полному использованию геомеханических факторов при оценке экологоэкономической эффективности добычи минерального сырья.

• 2.    Показатели эффективности подземной разработки месторождений адекватно зависят от целенаправленного использования свойств рудовмещающих массивов.

• 3.    Сохранность земной поверхности от разрушения является резервом повышения качества добываемых руд при дос-

• тижении экономического благополучия в условиях рынка.