Обоснование технологии выемки природно-техногенных запасов на границе карьеров при комбинированной разработке медноколчеданных месторождений

При комбинированной разработке месторождений в недрах Земли обычно остаются природно-техногенные запасы (до 15−20% от объема приконтурных запасов), не включенные в проект отработки. К ним относятся целики, оставленные на границе карьеров и служащие для разделения открытых и подземных горных работ, поддержания бортов в устойчивом состоянии, выемка которых осложнена высокой нарушенностью массивов, наличием аэродинамических связей очистного пространства с атмосферой карьеров, низкой устойчивостью подработанных бортов карьеров, находящихся в предельном состоянии, и характеризуется повышенными показателями потерь и разубоживания.

Несмотря на накопленный опыт и достаточно большой объем исследований в этой области, технологические схемы выемки целиков и обоснование их параметров, обеспечивающих безопасность работ и полноту использования недр, отсутствуют.

Поэтому изыскание технологии эффективного освоения запасов целиков различного функционального назначения, формируемых на границе открытых и подземных горных работ, сопровождающейся подработкой бортов, находящихся в предельном положении, является весьма актуальной задачей.

Исследования, представленные в диссертации, выполнялись при финансовой поддержке Правительства Российской Федерации в рамках реализации государственных контрактов № 16.515.11.5065 от 30.09.11 г., (научный руководитель, академик РАН К.Н. Трубецкой), № П37 от 30.03.2010 г., мероприятие 1.3.2 «Проведение научных исследований целевыми аспирантами» федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009;2013 годы.

Цель работы — разработка и обоснование параметров эффективных технологических схем выемки природно-техногенных запасов за предельными контурами карьеров при комбинированной разработке месторождений, обеспечивающих безопасность и полноту использования недр.

Идея работы состоит в использовании временной устойчивости подрабатываемых бортов карьеров, которая достигается креплением массива пород, пригрузкой и применением интенсивных технологий выемки для обеспечения безопасности и рационального использования недр.

Объект исследований — целики различного функционального назначения, формируемые на границе карьеров при комбинированной разработке месторождений.

Предмет исследования — состав и параметры технологических схем выемки целиков, формируемых на границе открытых и подземных горных работ.

Основные задачи исследований:

— анализ опыта отработки целиков, оставленных на границе карьеров при комбинированной разработке месторождений;

— обобщение условий формирования целиков, оценка геомеханического состояния прикарьерного массива;

— разработка технологических схем, обеспечивающих безопасность и полноту отработки запасов целиков;

— оценка факторов, влияющих на технологические решения по отработке целиковтехнико-экономическая оценка вариантов и реализация технологических схем освоения целиков, оставленных на границе открытых и подземных горных работ, при комбинированной геотехнологии.

Положения, выносимые на защиту:

1. Классификация технологических схем по состоянию подрабатываемых бортов карьеров, функциональному назначению и местоположению относительно предельного контура карьера обеспечивает возможность выбора предпочтительного варианта отработки в различных горнотехнических и горногеологических условиях.

2. Обоснование состава и параметров технологических схем отработки природно-техногенных запасов на границе карьера следует производить с учетом резерва остаточной устойчивости подрабатываемых бортов карьера интенсивными технологиями добычных работ и комплекса мероприятий, компенсирующих потерю устойчивости с применением тросового крепления и пригрузки прикарьерного массива.

3. Рациональная и безопасная отработка барьерных целиков в бортах и дне карьеров, находящихся в зоне влияния подземных горных работ, состояние которых отличается высокой нарушенностью породных массивов, обеспечивается применением систем подэтажного обрушения с устройством породных отвалов с параметрами, определяемыми по условиям регулируемого обрушения массивов бортов и предупреждения разброса рудной массы при взрывной отбойке.

4. Запасы охранных, поддерживающих целиков в бортах и дне карьеров, не подверженных влиянию подземных горных работ, целесообразно извлекать открытым или открыто — подземным способами при условии проведения комплекса мероприятий по обеспечению устойчивости подрабатываемых массивов пород.

Методы исследований. Использован комплексный подход, включающий анализ строения, свойств и состояния массива породмоделирование геомеханических процессов по отработке природно-техногенных запасов на границе карьераэкономико-математическое моделирование освоения оставленных запасов в целиках, методы обобщения и систематизации результатов промышленной реализации рекомендаций.

Научная новизна заключается в:

— разработана классификация технологических схем освоения запасов различного назначения, формируемых за предельным контуром карьера, основанная на учете особенностей состояния подрабатываемых бортов карьера, строения и расположения относительно контуров карьера для выбора эффективных технологических схем выемки целиков, обеспечивающих безопасность работ и рациональное использование недр;

— выявлены степенные зависимости эксплуатационных затрат на выемку целиков от размеров отрабатываемого участка, параметров буровзрывных работ, площади сечения подготовительно — нарезных выработок для различных способов выемки и горнопроходческого оборудования;

— научно обосновано применение разработанных технологических схем выемки целиков, базирующихся на учете геомеханического состояния массивов целиков и подрабатываемых бортов карьеров, с обеспечением максимальной интенсивности технологических процессов проходческих и добычных работ.

Достоверность научных положений, выводов и результатов обеспечивается представительностью и надежностью исходных данныхиспользованием апробированных методик расчета параметров технологических схем и технико-экономических показателейподтверждается сопоставимостью результатов математического моделирования, аналитических расчетов, лабораторных и натурных исследований, положительными результатами использования рекомендаций в промышленных условиях.

Практическая значимость работы состоит в разработке технологических схем выемки целиков, обосновании их параметров, разработке методики выбора рациональных вариантов, обеспечивающих безопасность, эффективность, полноту и качество извлечения руд, для медноколчеданных месторождений Урала.

Реализация работы. Результаты исследований использованы при составлении рабочих проектов отработки целиков, оставленных на границе карьеров, на медноколчеданных месторождениях Учалинское, Сибайское, Молодежноевнедрены в учебные курсы дисциплин высшего профессионального образования: «Системы разработки», «Технология отработки ценных руд в сложных условиях» по специальностям 130 404.

Подземная разработка месторождений полезных ископаемых" и 130 403 «Открытые горные работы» ФГБОУ ВПО «МГТУ», материалы использованы при выполнении государственных контрактов № 16.515.11.5065 от 30.09.11 г., №П37 от 30.03.2010 г.

Апробация работы. Результаты, основные положения и выводы докладывались на международных научно-технических конференциях: «Неделя горняка — 2009 — 2012 гг.» (Москва) — «Комбинированная геотехнология: комплексное освоение и сохранение недр» (Екатеринбург, Магнитогорск, 2009, 2011 гг.) — на 67, 68, 69 научно-технических конференциях Магнитогорского государственного технического университета, технических советах Учалинского и Гайского ГОКов, Александринской ГМК.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 6 работах, в том числе 3 статьи, в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка из 92 наименований и содержит 155 страниц машинописного текста, 85 рисунков, 17 таблиц.

Выводы по главе.

1. Установлено, что выемку запасов барьерных целиков в бортах и дне карьеров целесообразно проводить с использованием технологических схем, включающих подземные и открыто-подземные системы разработки открытыми в карьер камерами в сочетании с комплексом мероприятий по укреплению подрабатываемых бортов карьера, обеспечивающих требуемый запас устойчивости для заданного срока отработки.

2. Изолирующие целики в бортах карьеров, ввиду малой мощности, высокой нарушенности и повышенной опасности, рекомендуется извлекать массовым обрушением на предварительно оформленные приемные выработки. Целики в донной части карьера, при наличии доступа в выработанное пространство, целесообразно отрабатывать открытым способом.

3. При высокой нарушенности барьерных и поддерживающих целиков в бортах и донной части карьера и полном завершении открытых работ целесообразно выемку данных запасов вести системами подэтажного обрушения с созданием пригрузки из пород вскрыши.

Глава 4. Промышленная апробация технологических схем выемки запасов барьерных целиков.

4.1. Проектные решения и результаты их реализации на медноколчеданных месторождениях Урала.

С использованием приведенных выше результатов исследований по выбору рациональных технологических схем для выемки прибортовых запасов была проведена оценка возможности использования различных вариантов схем, принятых к проектной реализации на ряде Уральских рудников, эксплуатирующих медноколчеданные месторождения:

Учалинское, Молодежное, Сибайское.

По каждому типу целиков прорабатывалось несколько вариантов технологических схем, оптимизировались параметры конструкции технологических процессов, объемы подготовительно-нарезных работ, сроки отработки.

После технической проработки варианты оценивались экономически, для чего определялась себестоимость добычи и показатели использования недр — коэффициенты потерь и разубоживания.

К реализации принимался вариант, обеспечивающий наилучшие экономические показатели и показатели полноты использования недр. Реализация проектных решений осуществлялась путем составления локальных проектов, согласуемых и утверждаемых в установленном порядке.

Учалинское месторождение выклинка. Очистные работы в прибортовой зоне на северном фланге Учалинского карьера осуществляются камерной системой разработки с твердеющей закладкой [75]. Между откосом северного борта карьера и подземными работами оставлен рудный разделительный целик мощностью.

12 м, отработка которого предусмотрена после окончания открытых работ (рис. 4.1). Отработка руды в подэтаже 180−200 м завершена в 1996 году и начата выемка руды подэтажа 200−220 м. Для увеличения рудных площадей в отработке и набора рудником производственной мощности в основании северного борта карьера начата отработка руды с оставлением 40 м разделительного целика в подэтаже 260−300 м камерами шириной до 12 м, с аналогичным порядком отработки на этом фланге. Выемка запасов камер 302 и 30−8 привела к формированию зоны обрушения с выходом воронки обрушения на поверхность откоса карьера 13 января 1999 г. Развитие зоны обрушения было вызвано концентрацией касательных напряжений от деформирующегося при подработке массива борта и спровоцировано наличием в рудной залежи метасоматитовых прослоев и линз кварц-серицит-хлоритового состава.

Л.

Рисунок 4.1 — Отработка барьерного целика в дне карьера.

Опыт отработки прикарьерных запасов на ряде отечественных и зарубежных рудников показывает, что одновременная подработка рудного массива сверху и снизу, даже при заполнении выработанных пространств твердеющей закладкой, приводит к резкому ухудшению геомеханической обстановки на участке, выражающейся в возникновении локальных зон концентраций сжимающих и растягивающих напряжений, ослаблении межблоковых связей, развитии новых систем трещин.

Запасы целика в Южной части Учалинского месторождения, гор

340 м.

Запасы Южной выклинки месторождения являются неотъемлемой частью Южного фланга Учалинского месторождения, и располагаются в южном борту Учалинского карьера выше горизонта 340 метров.

В настоящее время часть запасов Южной выклинки месторождения в отметках горизонтов 300 — 340 метров (камеры 34 — 1ю, 34 — 2ю и 34 — Зю) уже отработана.

Учитывая всё уменьшающиеся рудные площади на месторождении, назрел вопрос включения в отработку ранее оставленных на границе с карьерным пространством запасов Южной выклинки выше горизонта 340 метров.

Расчет устойчивости производился методом алгебраического сложения сил, основанным на сложении удерживающих и сдвигающих сил по потенциальной поверхности скольжения. При этом учитывалось, что сцепление в подработанном массиве, в зоне сдвижения уменьшается в 1,5 раза.

Все расчёты проводились на основе документации (графика и физико-механические характеристики массивов руды, закладки и вмещающих пород), представленной Учалинским ГОКом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе изложены научно обоснованные технологические решения актуальной научно-практической задачи по отработке природно-техногенных запасов, оставленных на границе открытых и подземных горных работ. Исследованием горнотехнических особенностей и специфики залегания данного вида запасов, моделированием процесса выемки и апробацией разработанных технологических схем доказана возможность и целесообразность их освоения, что способствует повышению безопасности, эффективности и полноты использования недр.

Основные научные результаты, практические выводы и рекомендации заключаются в следующем:

1. Анализом состояния и опыта отработки природно — техногенных запасов при комбинированном способе разработке крутопадающих месторождений, представленных в виде целиков различного функционального назначения (барьерные, охранные, поддерживающие, изолирующие), формируемых на границе открытых и подземных горных работ, установлено, что на технологию выемки оказывает влияние большое число факторов — геологических, технологических, геомеханических. Несмотря на то, что данные запасы характеризуются высокой степенью нарушенности, сложностью строения, технологическими трудностями вовлечения в разработку, геометрические параметры, объем и качество полезного ископаемого позволяют рассматривать их как участки, перспективные для выемки.

2. Разработаны типовые технологические схемы освоения запасов целиков на границе открытых и подземных горных работ, учитывающие их функциональное назначение, место расположения, особенности конструктивного оформления, состояние карьерного пространства и подрабатываемых массивов бортов, проведено их технико-экономическое сравнение на примере медноколчеданных месторождений, установлена область рационального применения. Наличие типовых технологических схем позволяет обоснованно выбирать эффективные варианты выемки для конкретных горно-геологических условий.

3. Представлена классификация технологических схем освоения запасов целиков, оставленных на предельном контуре карьеров при открытоподземном способе разработки, в которой в качестве основного и дополнительного классификационных признаков приняты: состояние подрабатываемых при выемки целиков бортов, карьерного пространства, способ управления состоянием массива, что позволяет при выборе технологически учесть основные влияющие факторы.

4. Установлено, что выемку запасов барьерных целиков в бортах и дне карьеров целесообразно проводить с использованием технологических схем, включающих подземные и открыто-подземные системы разработки открытыми в карьер камерами в сочетании с комплексом мероприятий по укреплению подрабатываемых бортов карьера, обеспечивающих требуемый запас устойчивости для заданного срока отработки.

5. Изолирующие целики в бортах карьеров, ввиду малой мощности, высокой нарушенности и повышенной опасности, рекомендуется извлекать массовым обрушением на предварительно оформленные приемные выработки. Целики в донной части карьера, при наличии доступа в выработанное пространство, целесообразно отрабатывать открытым способом.

6. При высокой нарушенности барьерных и поддерживающих целиков в бортах и донной части карьера и полном завершении открытых работ целесообразно выемку данных запасов вести системами подэтажного обрушения с созданием пригрузки из пород вскрыши.

7. Расчетный экономический эффект при внедрении на месторождении Молодежное технологических схем отработки барьерного целика с использованием открытых в карьер камер составил 21,4 млн руб., системы с обрушением — 17,1 млн руб. в ценах 2011 г.