В настоящее время мировой рынок калийных удобрений характеризуется наличием существенных объемов нереализованной продукции у производителей, а также значительных резервов мощностей. Превышение производственных мощностей над объемами производства в 2000;2203 годах достигало 25-гЗО %, а объемы нереализованной продукции в среднем составляли 15−7-20% от годового объема продаж.
Одним из крупнейших производителей двуокиси калия является РУП ПО «Беларуськалий» — 14-Я 6% объемов мирового производства, включающее четыре рудоуправления, которые ведут разработку Старобинского месторождения калийных солей.
Как показывает анализ мирового опыта отработки месторождений горнохимического сырья практически все разрабатываемые залежи обладают спецификой, которая в значительной степени определяет не только параметры тех или иных систем разработки, а и принципиальную возможность применения таких систем. Растворимость солей требует обеспечения гарантированной изоляции разрабатываемой залежи от водоносных горизонтов, для предотвращения затопления рудников. В условиях Старобинского месторождения накоплен большой опыт применения различных систем разработки при отработке Второго и Третьего калийных горизонтов. При этом Второй калийный горизонт значительно отработан, а работы на Третьем калийном горизонте, на котором расположено около 85−90% производственных мощностей, «стягиваются» к центру шахтных полей.
На первоначальном этапе эксплуатации месторождения основной являлась камерная система разработки с поддержанием кровли на жестких или податливых целиках. Со второй половины 70 годов началось внедрение столбовых систем, которые сейчас стали основными системами разработки и в ближайшие десятилетия останутся таковыми. В используемых системах разработки проходится до 15 подготовительных выработок для подготовки двух слоевых лав, что требует оставления межпанельных и междуштрековых целиков значительной суммарной ширины. Такая подготовка выемочных столбов определяет низкое извлечение руды (в среднем около 404−55%) и снижение ее качества, поскольку до ~ 20% добычи обеспечивается валовой выемкой руды в подготовительных забоях.
Существенный вклад в теорию и практику планирования и ведения очистных работ на калийных рудниках сделан учеными и специалистами: Андрейко С. С., Зубовым В. П., Ковалёвым О. В., Калугиным П. А., Красноштейном А. Е., Комиссаровой В. К., Лаптевым Б. В., Нестеровым М. П., Поляниной Г. Д. Проскуряковым Н.М., Смычником А. Д., Шалынским Г. П. и др. В тоже время механизм деформирования и разрушения вмещающих толщ при совместной выемке нескольких горизонтов соляных пластов, особенно на затухающей стадии их отработки, имеет особенности, требующие дополнительных исследований, поскольку значимо влияет на технологические параметры добычи руды.
Рациональная отработка запасов таких месторождений как Старобинское, требует принятия соответствующих решений не только при выборе экономически целесообразных систем разработки пластов, но и способов подготовки запасов для последующей их выемки. Приоритетный для месторождения — обратный способ подготовки и отработки месторождения обусловливает наличие существенных проблем горно-геомеханического характера при доработке запасов на конечной стадии эксплуатации шахтопластов. Отмеченное, связано с активизацией горного давления в зонах извлечения указанных запасов, оконтуренных выработанными пространствами. В таких зонах рационализация горнотехнологических параметров добычи может быть достигнута за счёт научно-обоснованного управления здесь горно-геомеханическими процессами, учитывающего взаимовлияние отрабатываемых горизонтов.
Приведённое обобщение условий одновременной отработки нескольких горизонтов, особенно на стадии доработки запасов, позволяют сформулировать, как цели и задачи научных исследований, так и направления их прикладного использования.
Цель работы: Эффективное планирование развития фронта очистных работ на базе разработанной методики надёжного прогнозирования геомеханических ситуаций на шахтных полях, особенно на затухающей стадии отработки запасов.
Идея работы: Стратегия развития фронта очистных работ должна базироваться на оценке геомеханического взаимовлияния отработки горизонтов с учетом анализа полей вертикальных компонентов тензора напряжений.
Основные задачи исследований:
• анализ и теоретическое обобщение (систематизация) характерных горно-геологических условий и технологических параметров отработки Старобинского месторождения;
• анализ проблем, сопровождающих отработку горизонтов и поиск путей повышения эффективности извлечения запасов;
• разработка геомеханической модели взаимодействия ответственных элементов геомеханической системы;
• изучение механизмов горно-геомеханического взаимовлияния отрабатываемых свит пластов калийных солей и определение критериальных параметров, характеризующих выбор рациональных и безопасных схем выемки;
• разработка эффективных пространственно-планировочных решений по отработке свиты калийносоляных пластов, обеспечивающих минимизацию потерь полезного ископаемого при гарантированной безопасности ведения горных работ.
Научная новизна:
— установлены функциональные взаимосвязи между параметрами технологических схем и интенсивностью геомеханических процессов, которые характеризуются экстремальными (граничными) ситуациями с точки зрения безопасности и стоимости используемых технологий;
— предложены зависимости, позволяющие установить степень концентрации вертикальных напряжений при однои многогоризонтной выемке запасов на различном расстоянии от фронта ведения очистных работе учетом фактора времени.
Защищаемые научные положения.
1. Изменение горного давления на рабочих горизонтах Старобинского месторождения зависит от «геометрических параметров» отрабатываемых участков шахтного поля в пространстве (в плане и по разрезу) и времени.
2. Методические принципы выбора безопасно-рациональных пространственно-планировочных решений при доизвлечении запасов должны базироваться на оценке «уровня взаимовлияния» отрабатываемых горизонтов с учётом фактора времени и анализе вертикальной компоненты напряжений оу.
3. Определение безопасно-рациональных параметров схем отработки, особенно в центральных зонах шахтных полей на стадии затухания добычи сильвинитового сырья, целесообразно производить по разработанному алгоритму оценок горно-геологических и горно-технических факторов, включающем анализ полей cry.
Методы исследований: Выполнялись анализ и обобщение предшествующих работ, изучались геологические и горно-технические условия разработки калийных пластов Старобинского месторожденияиспользовался комплексный метод, включающий аналитические и экспериментальные исследования.
Достоверность научных положений и выводов обосновывается представительным объемом проанализированной информации, корректностью выполненных численных экспериментальных исследований, качественным соответствием результатов решения горно-геомеханических задач натурным данным и результатам исследований других авторов.
Практическая значимость работы.
• определены параметры зон повышения (снижения) горного давления на разрабатываемом пласте и на смежных горизонтах, а также оценено изменение данных параметров во времени;
• на базе установленных горно-геомеханических факторов, влияющих на технологические параметры извлечения руды, обоснованы предложения по снижению ее потерь;
• предложены пространственно-планировочные решения по развитию фронтов очистной выемки во времени, позволяющие повысить извлечение полезного компонента.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на ежегодных научных конференциях молодых учёных СПГГИ (ТУ) «Полезные ископаемые России и их освоение» (СПб, 2002, 2003) — на 13-й Национальной Зимней школе по механике сплошных сред, Пермь, 2003; на IX Международной выставке молодежных научно-технических проектов ЭКСПО-Наука 2003, проводившейся под эгидой ЮНЕСКО, Москва, 2003; на научном семинаре «Обеспечение качества и конкурентоспособности при коммерциализации продукта научных исследований», СПГПУ, 2003; семинарах кафедры РМПС СПГГИ (ТУ).
Реализация результатов работы. Разработанные рекомендации приняты к использованию ОАО ВНИИГалургии и РУП ПО «Беларуськалий» .
Личный вклад автора. Сформулированы цель и задачи исследований, разработан алгоритм проведения исследований, выполнен анализ полученных результатов исследований, определены параметры пространственно-планировочных решений добычи руды.
Публикации: Основное содержание диссертационной работы изложено в 4 статьях и 3 патентах на изобретение. Материалы диссертации использовались при выполнении хоздоговорных работ и аспирантского гранта Ученого Совета СПГГИ (ТУ) за 2003 год.
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.
4.4 Выводы по главе 4.
Проведенное моделирование позволило осуществить анализ напряжённо-деформированного состояния массива в зонах отработки запасов полезных ископаемых (в том числе и центральной части шахтного поля рудника 1 РУ) и обобщить принципиальные результаты анализа. Обобщение результатов моделирования позволило предложить ряд графических зависимостей для определения коэффициента концентрации напряжений в зависимости от параметров выемки разрабатываемом и смежных горизонтах. Установленные зависимости позволили сформировать предложения по специфике управления состоянием массива на рассматриваемых площадях отработки запасов солей. Предложения носят общий рекомендательный характер для их использования в проектных проработках ведения горных работ на указанных участках — в основном наиболее «перспективного» III КГ — с целью повышения безопасности их, а, соответственно, и технологичности. Предлагаемые рекомендации носят общий рекомендательный характер по рациональному развитию ФОР, что не исключает необходимости конкретизации решений каких-либо частных горно-геомеханических задач, которые должны решаться в специальном порядке по утвержденным в РУП ПО «Беларуськалий» нормативным документам.
Вцелом, укрупнённо сформулированные предложения касаются следующего:
— порядок отработки оставшихся запасов III КГ может быть принят как в направлении от контура (существующего на «данный» момент), так и в направлении к немупо геомеханическому (не по технологическому!!!) фактору оба варианта практически одинаковы;
— при принятии к проектным проработкам первого варианта целесообразно учитывать время формирования ВП (время уплотнения в ВП обрушенных пород) и развивать отработку запасов в начале на участках где градиент геомеханических параметров (Кстпротяжённость зоны опорного давления) между ВП и МГП (III КГ) будет наименьшим, т. е. с тех участков, на которых на сегодня выполняется условие Евп —> шахдля этого варианта необходима и специальная проработка условий выемки руды в «собственно центральной части» рассматриваемой площади (оценка и геомеханического и технологического факторов);
— при принятии к проектным проработкам второго варианта (от «центра») геомеханические условия на момент окончания выемки, т. е. при подходе горных работ к существующему контуру «ВП-МКП» также достаточно благоприятны, что следует из возможности увеличения времени «t» существования ВП на контуре запасовпропорционально «t» изменяется и значение параметра Евп, стремясь к некоторым максимальным значениямследствием этого процесса является изменение характерных параметров проявлений горного давления в приконтурной части (МГП-ВП) массива в позитивном направлении (снижение величин Кст, протяжённости зон опорного давления и др.) — очевидно, что при принятии второго варианта необходимы дополнительные проектные проработки для частичных изменений схем ведения подготовительных работ;
— при проектировании схем отработки оставшихся на III КГ запасов (подготовительные и очистные работы) целесообразно учитывать «геометрию» развития фронта очистных работ (ФОР) — предпочтительной — по геомеханическому фактору — будет являться такая форма развития ФОР, при которой очистное пространство (ВП!) опережает некоторую квазипрямолинейную её конфигурацию (т.е. развитие ФОР приближённо по схеме III) — интегрально преимущества (в геомеханическом плане) этой схемы развития ФОР отражены параметром К (ау) — отметим, что конфигурация ФОР может влиять на формы (вид, интенсивность) проявлений горного давления как в подготовительных, так и в очистных выработкахочевидно, что нет значимых, в практическом аспекте, возражений и в части принятия решений о «формировании» прямолинейной (квазипрямолинейной) формы развития ФОР;
— учёт возможных влияний соляных горизонтов «друг на друга» при «подработке-надработке» оставшихся запасов, целесообразен, в основном, при рассмотрении вопросов охраны проводимых по ним подготовительных выработок, т.к. в целом это взаимовлияние не является определяющим фактором для геомеханических ситуаций при ведении горных работ на горизонтах;
Резюмируя выводы раздела, следует подчеркнуть, что они не исключают применения и иных известных общих горно-технических мер, также отмеченных в настоящем разделе.
5. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ВЫБОРА РАЦИОНАЛЬНЫХ СХЕМ МНОГОГОРИЗОНТНОЙ ОТРАБОТКИ ЗАПАСОВ КАЛИЙНЫХ.
МЕСТОРОЖДЕНИЙ.
5.1. Разработка алгоритма оценок горно-геологических и горно-технических факторов и выбора рациональных пространственно-планировочных решений при многогоризонтной отработке калийных месторождений.
Разработанная методика оценки горно-геологических и горнотехнических ситуаций на шахтных полях рудников РУП ПО «Беларуськалий», (включающая: оценку механических свойств пород слагающих соляной массив и пород находящихся в ВП, построение ГГМ и PC, моделирование НДС межгоризонтных толщ и определение коэффициентов концентрации напряжений, как на разрабатываемом пласте, так и на смежных горизонтах) позволила получить зависимости коэффициентов концентрации напряжений в зависимости от расстояния до кромки ВП (или до проекции кромки ВП на смежные горизонты). Полученные зависимости (в графической или табулированной формах) могут быть использованы при расчете «начального» поля напряжений во вмещающем горные выработки массиве (например, «условной корректировкой» глубины работ) и на этой основе выборе размеров межпанельных и междуштрековых целиков по утвержденным в объединении нормативным документам (например [72] и др.).
Результаты проведенных исследований могут быть использованы в предложенном алгоритме (блок-схеме) выбора рациональных пространственно-планировчоных решений по подготовке (и отработке) участков шахтных полей или при проектных проработках рациональной «раскройки» новых шахтных полей (крыльев, участков). Предложенный алгоритм позволяет учесть (путем определения и дальнейшего использования при расчете параметров технологических схем коэффициентов концентрации напряжений) форму фронта развития очистной выемки, используемые системы разработки и их параметры, степень взаимовлияния горизонтов (в зависимости от расположения выработок в зонах «концентрации» или «разгрузки» от выемки на соседних горизонтах).
В основу реализации алгоритма положен анализ горно-геологических и сложивишихся горно-технических ситуаций на реальных шахтных полях, либо проектная проработка очередности подготовки запасов вновь проектируемых рудников. В алгоритме необходимо предусмотрено рассмотрение очередности («совместности-раздельности») отработки горизонтов, поскольку на перспектиных глубинах данного месторождения расположение выработок Третьего горизонта в зонах разгрузки от вемки вышележащих горизонтов (причем не исключается и выемка Второго горизонта в «зонах» влияния ВП, расположенных на 3 КГ) можно снизить величины «исходного геостатического поля» на 15-т-30%, что особенно важно при определении рациональных схем охраны подготовительных выработок.
В алгоритме предусматривается оценка «временных параметров существования» зон концентрации (разгрузки) в межгоризонтных тощах и при варианте отработки «соседних выемочных столбов» через большие промежутки времени (когда концентрация напряжений в краевой части массива значительно снизиться) необходимость дополнительных инвестиций на подготовку новых панелей (а соответственно и целесообразность «деконцентрации» горных работ).
Выбор конкретных вариантов развития ФОР позволяет рассчитать параметры планируемых к использованию технологических схем (в том числе и по разработанным в работе зависимостям) и проверить данные параметры по утвержденным в объединении нормативным документам. При обеспечении безопасных параметров конкретных вариантов пространственно-планировочных решений и принятых технологических схем возможно произвести расчет ТЭП рудника (в довольно значительном временном диапазоне) и, на базе сравнения всех возможных вариантов развития ФОР, принять решение о рациональности тех или иных пространственно-планировочных решений по многогоризонтной отработке шахтопластов.
Горно-геологические условия отработки запасов S.
Ьй н о ю я ео и о еи S я о. я с я ьг и о о. Е н ьг и о. о. о ^.
Анализ горно-технической ситуации на шахтопласте погоризонтные и совмещенная планограммы развития горных работ).
Проектные проработки схем подготовки новых шахтных полей крыльев, блоков, участков шахтного поля).
Определение последовательности («совместно-раздельно») отработки горизонтов.
Анализ возможного развития погоризонтных фронтов очистных работ, «необходимых инвестиций» и показателей «надежности» (стабильности) принимаемых решений в пространстве во времени.
Выбор определенного варианта по направлению развития фронта очистных работ и оценка его «конфигурации» .
Анализ и выбор прогрессивных технологических схем.
Камерные Столбовые Комбинированные.
Оценка параметров технологических схем по известным методикам.
Определение степени взаимовлияния горизонтов.
Расчет параметров технологических схем для определенного варианта развития фронтов очистных работ на различных горизонтах (с учетом зависимостей рис. 3.46−47- 3.49−52- табл. 4.1).
Оценка технологической и экологической безопасности (по известным методикам).
Опасные X.
Выбор Выбор варианта 2 варианта 3.
Исключение вариантов, 'нарушающих отраслевые инструкции" .
Безопасные.
Оценка «безопасных» вариантов.
Прогнозная оценка состояния панельных и участковых штреков, вероятности посадки на «жестко» секций крепигазодинамические явления-состояние ВЗТ.
Плановые показатели: коэффициент извлечения рудысодержание в руде КС1 и НОобъем добычи из подготовительных забоевстоимость поддержания выработокучастковая и общешахтная себестоимость руды и концентрата.
Анализ технико-экономических показателей технологических схем (включая инвестиционные риски) и выбор рациональных пространственно-планировочных решений по подготовке (отработке) запасов.
Рисунок 5.1. Алгоритм выбора рациональных пространственно-планировочных решений для конкретных горно-геологических и горно-технических условий.
5.2 Технико-экономическая оценка внедрения рациональных схем отработки запасов шахтных полей.
Технико-экономическая оценка результатов исследований основывается на анализе априори возможных экстремальных (максимум-минимум) ситуаций с точки зрения формирования зон опорного давления на границе выработанного пространства (величины концентрации напряжений или разгрузки и размеры таких зон), и динамики изменения параметров таких зон.
Рассматриваемая граница с выработанным пространством интерпретируется как контур перспективной к отработке части запасов (перспективной части запасов — ПЧЗ) определенного калийного горизонта.
Если априори принять отработку перспективной части запасов столбовой системой разработки на глубине 600 м с длиной панели равной 2 км (в среднем по месторождению длина панели изменяется от 1,5 км до 3 км) то возможны следующие варианты выбора ширины межпанельного целика.
При определении ширины целика по известным методикам во внимание принимается только вид системы разработки граничащей с кромкой ПЧЗ и не учитываются следующие обстоятельства — степень взаимовлияния горизонтов, вид контура фронта очистных работ (прямолинейный-выступающий-внедренный) и время образования выработанного пространства на кромке ПЧЗ.
По утвержденным методикам при самой «сложной» схеме поддержания выработок (кривая 1, рис. 5.2) необходимо оставление межпанельного целика шириной 80 м (при глубине разработки ~ 600 м).
При расчете ширины целика по разработанной методике производится учет взаимовлияния горизонтов и «эффекта» разгрузки перспективной части запасов за счет формирующихся условий в выработанных пространствах на контуре ПЧЗ. Например, для условий ГГМ (PC)-III.l, зона опорного давления (а соответственно ширина целика) приблизительно составляет 60−70 м. Таким образом, по существующим требованиям, при отсутствии учета времени существования ВП и параметра Т (степени уплотнения пород в ВП) нормативная ширина целика на 20 м больше зоны повышенного горного давления.
У. я * s.
Графики для выбора размеров охранных целиков при поддержании выработок на границе со смежной отрабатываемой панелью л се.
Е. я 3.
1 L.
2Л г / // JL.
400 500.
600 700 глубина, м.
800 900 1000 фа £>иков на рис.
Характеристика условий поддержания подготовительных выработок группа сближенных выработок, включающая панельный, транспортный и конвейерный штреки, разгружающую выработку, выемочный штрек лавы ттгйгп группа сближенных выработок, включающая панельные конвейерный и транспортный штреки, выемочный штрек лавы nto группа сближенных выработок, • включающая панельные транспортный и конвейерный штреки, ' выемочный штрек охраняемый тремя компесацнонными щелями ггпЛ выемочный штрек лавы, охраняемый вертикальной компесаци-онной щелью или же разгружающей выработкой •. * а* О.
Рисунок. 5.2. Зависимости для определения размеров целиков на границе с выработанным пространством [72].
На Третьем калийном горизонте извлечение при слоевой столбовой системе разработки составляет около 50% и при длине панели приблизительно равной 2000 м объем добычи КС1 составит (2,75×2000×20×0,5×2,5=) 140 тыс. тонн.
Полезный компонент (К20) составит «20 тыс тонн, стоимость которого 20 млн. долларов.
Для иных условий при формировании на контуре ПЧЗ условий отраженных на рис. 3.20 ширина зоны опорного давления (а следовательно и необходимая ширина целика) более 100 м, что при принятии решения об отработке ПЧЗ в таких условиях приведет к значительным затратам на поддержание горных выработок (при оставлении целика менее 100 м) или потерям в целике (стоимость полезного компонента в потеряных запасах 20 млн. долларов — те же 20 м) и снижению коэффициента извлечения, а соответственно и срока службы предприятия. В таких условиях может быть принято решение о изменении фронта развития очистных работ и «возврату» к данной части запасов шахтного поля через 5−15 лет или изменению наравления развития фронта очистных работ на соседних горизонтах.
Таким образом, в конкретных горно-геологических и горно-технических условиях горного производства необходим обстоятельный геомехано-горнотехнический анализ напряженно-деформированного состояния МГП по разработанной методике и выбор рациональных условий ведения горных работ (подготовка и выемка) на базе обобщения результатов такого анализа (или иначе говоря оценки всех возможных вариантов развития фронта очистных работ на всех рассматриваемых горизонтах).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Диссертация представляет собой законченную научно-исследовательскую работу, в которой предлагается новое решение актуальной научной задачи — разработка научно-обоснованной методики выбора пространственно-планировочных решений и параметров схем многогоризонтной выемки калийных пластов (в том числе на завершающей стадии отработки шахтопластов), имеющей существенное значение при подземной разработке пластовых калийно-соляных месторождений.
Основные научные и практические результаты, сделанные в процессе выполнения работы, заключаются в следующем:
1. Для различных систем разработки при многогоризонтной выемки соляных пластов разработаны горно-геомеханические модели (и расчетные схемы) взаимодействия техногенного комплекса с вмещающим соляным массивом, используемые для выбора рациональных технологических схем совместной или раздельной (во времени) отработки соляных горизонтов.
2. Изучены механизмы горно-геомеханического взаимовлияния отрабатываемых свит пластов калийных солей и определен критериальный параметр, характеризующие выбор рациональных схем выемки и обеспечение безопасности ведения работ.
3. В качестве критерия определяющего рациональность применения тех или иных пространственно-планировочных решений, принят наиболее информативный параметр НДС МГП отражающий степень концентрации напряжений (либо разгрузки) в налегающей и подстилающей толще, которые вмещают отрабатываемые горизонты. Для различных систем разработки определено взаимовлияние горизонтов друг на друга, включая изменение данного влияния (затухание концентрации и восстановление уровня напряжений в зонах разгрузки) во времени.
4. Разработана методика обоснования рациональных параметров одновременной отработки нескольких соляных горизонтов, в том числе на завершающей стадии отработки запасов шахтопластов.
5. Предложен алгоритм решения горно-геомеханических задач учитывающий пространственно-временной фактор изменяющихся геометрических параметров выработанных пространств и деформационных параметров находящихся в них обрушившихся горных пород.
6. Разработаны эффективные схемы рациональной отработки свиты калийносоляных пластов, обеспечивающие минимизацию потерь полезного ископаемого при гарантированной безопасности ведения горных работ.
7. Рекомендуемые схемы выемки Третьего пласта каменной соли, а также Второго и Третьего калийных горизонтов за счет обоснованного выбора ширины целиков и схем охраны выработок позволяют улучшить состояние выемочных штреков, и сократить потери полезного ископаемого в недрах.
8. Экономический эффект от внедрения данной технологии составит до 120 тыс. долларов для одного выемочного столба.
