Габараев О.З., Кожиев Х.Х., Хулелидзе К.К., Битаров В.Н.

Технические и технологические вопросы
Ресурсосберегающие технологии
закладки выработанного
пространства при добыче
богатых медно-никелевых руд
О
тработка месторождений Талнаха характеризуется постоянным понижением уровня горных работ и может осложняться возможными проявлениями горного давления в динамических формах, что снижает
эффективность и безопасность выемки полезного ископаемого из недр.
Опыт отработки богатых руд на руднике «Октябрьский» показывает, что
чаще всего горное давление в динамических формах проявлялось в капитальных и подготовительных выработках, расположенных вне зоны влияния очистных работ. Наибольшее число динамических явлений отмечено
в выработках слоевой системы разработки с восходящей выемкой слоев,
а наименьшее – при применении сплошной слоевой системы разработки,
предусматривающей опережающую выемку защитного слоя по верхнему
контакту рудной залежи.
В этих условиях безопасность и эффективность очистной выемки определяется устойчивостью конструктивных элементов и параметров системы
разработки в защитном и основных слоях.
Для выявления оптимального соотношения параметров горных работ
был выполнен комплекс натурных исследований по оценке напряженнодеформированного состояния краевой части рудного массива в зоне опорных нагрузок, характера его изменения в процессе выемки и после выемки
защитного слоя. Исследование напряженного состояния призабойной части рудного массива осуществлялось методом разгрузки с регистрацией
деформации торца выбуриваемого керна фотоупругими датчиками.
Запасы руд отрабатывали сплошной слоевой системой с восходящим порядком выемки слоев. Анализ результатов исследований показал, что максимальные величины нагрузок, обусловленные влиянием фронта очистных
работ, составляют 34 МПа и расположены на расстоянии 23 м от очистной
выемки. На расстоянии 10 м усредненная по скважине величина измеренных напряжений составляет 27 МПа, а на границе с фронтом очистных работ величина вертикальной составляющей не превышает 18 МПа.
Визуальные наблюдения за состоянием контура выработок в течение
всего периода измерений выявили разрушения горных пород в форме шелушения и заколообразования. Площадь очагов разрушений увеличивалась
по мере развития горных работ.
С целью предотвращения возможности возникновения горных ударов
дальнейшую отработку запасов исследуемого участка осуществляли вариантом слоевой системы разработки, предусматривающим опережающую
выемку защитного слоя по верхнему контакту рудной залежи и расположение очистных выработок в надработанном рудном массиве. Результаты измерений деформационного состояния рудного массива методом глубинных
реперов приведены на рис. 1.
Как следует из приведенных графиков, деформирование массива происходит преимущественно в режиме растяжения. Величины относительных
деформаций изменяются в пределах от 0,17 до 6,67∙10-4, и в среднем составляют 3,52∙10-4. Максимальная величина относительной деформации превышает критическое значение, которое для хрупких горных пород составляет
0,5∙10-3. Это свидетельствует о том, что рудный массива деформируется в
№4(14), 2012 г.
Габараев О.З.,
Кожиев Х.Х.,
Хулелидзе К.К.,
Битаров В.Н.
УДК 622.272/.275
Приведены результаты
исследований напряженнодеформированного
состояния
рудовмещающего массива
и параметров технологии
закладки выработанного
пространства при
подземной отработке
сильнонарушенных руд.
Разработаны варианты
сплошной камерной выемки
с опережающей разгрузкой
по кровле рудного тела и
с размещением защитного
слоя из высокомарочной
твердеющей смеси
прочностью не менее
3,5-4 МПа в местах
наибольшей нарушенности
рудовмещающего массива.
Рекомендуемые
технологические
решения обеспечивают
эффективное
управление состоянием
рудовмещающего массива,
ресурсосбережение и
безопасность отработки
мощных пологопадающих
рудных тел, за счет
повышения несущей
способности закладочных
массивов и снижения
затрат на их возведение.
Ключевые слова:
закладка, рудовмещающий
массив, выработанное
пространство, сплошная
камерная выемка.
31
Устойчивое развитие горных территорий
режиме растяжения, который не сопровождается накоплением упругой энергии.
Установлено, что максимальные величины деформаций сжатия испытывает участок массива, расположенный на расстоянии 16 – 26 м впереди границы защитного слоя. При расстояниях менее 10 м
отмечался устойчивый процесс объемного расширения массива, продолжающийся до полной надработки участка измерений. Максимальные величины
деформаций, значительно превышающие величину
деформаций упругого восстановления, получены на
расстоянии 18 – 24 м позади фронта очистной выемки. Эти деформации являются результатом совместного влияния опережающей выемки защитного слоя
и развития очистных работ в основных слоях, осуществляемых параллельно с защитной выемкой.
Точка максимума опорных нагрузок, являющаяся
условной границей между предельной и упругой зо-
нами, располагается на расстоянии до 24 м от фронта горных работ.
Исследования показали, что опережающая выемка защитного слоя по верхнему контакту рудного тела в сплошном порядке обеспечивает безопасность очистной выемки по фактору проявления горных ударов, а соблюдение величины опережения защитной выемки, определяемой расчетным методом,
– устойчивость конструктивных элементов систем
разработки.
Исследования деформационных свойств твердеющей закладки были проведены исследования
на установке длительного неравнокомпонентного
сжатия. Испытания проводили на образцах цилиндрах, изготовленных из раствора, взятого на сливе
смесителя с расходом цемента 80 кг/м3. Для сравнительной оценки особенностей деформирования
закладочного массива при объемном сжатии были
Рис. 1. Графики деформирования рудного массива в районе панелей 6-8.
32
№4(14), 2012 г.
Технические и технологические вопросы
определены деформации закладки под нагрузкой на
одноосное сжатие.
Результаты
определения
деформационных
свойств твердеющей закладки при различных условиях нагружения показали, что при погашении выработанного пространства твердеющей закладкой,
массив начинает работать как несущий конструктивный элемент геомеханической системы и находится в условиях объемного сжатия. Относительные
деформации закладочного массива в этих условиях
в 1,7 – 3 раза ниже, чем при одноосном сжатии и составляют 0,33 – 3,05%.
Исследования показали, что величина упрочнения закладочного массива определяется условиями
объемно-напряженного состояния рудовмещающего
массива, коррелирует с параметрами погашения выработанного пространства и описывается полиномиальными уравнениями регрессии:
kynp=0,7735+0,018814·Т+0,035038·С+0,010478·Hs
+0,005645·L–6,0265·10-5Т2-1,8668·10-5*Н2–1,7912·104*
L+4,435·10-5T·С-9,1·10-5T·Hs+8,871·10-5C·Hs.
где: Т – сроки твердения, сут.; С – расход вяжущего, %; Hs – высота массива из закладки, м; L – длина
закладочного массива, м.
Эффективность работы в условиях объемного
сжатия зависит от соотношения пригрузки массива
породами и бокового подпора стенок искусственного
массива. Работа, затрачиваемая на деформирование
нарушенных пород при традиционных технологиях,
расходуется на упрочнение искусственного массива
при создании условий для объемного сжатия.
Вариант слоевой системы разработки с комбинированным порядком выемки слоев с опережающей
разгрузкой по кровле в сплошном порядке. Сущность
данного варианта, расширяющего область применения комбинированного порядка выемки слоев при отработке сильнонарушенных руд, показана на рис. 2.
По мощности рудное тело разделяют на слои 3
мощностью 3,5 – 4 м. Очистную выемку ведут вертикальными столбами (лентами) 2 слоями снизу
вверх с заполнением выработанного пространства
твердеющими смесями и оставлением технологического пространства. С целью повышения устойчивости кровли очистных слоев, оформленных в зоне
сильной нарушенности в третьем снизу слое на контакте закладочного массива проходят опережающую
выработку 5 и закладывают ее твердеющей смесью.
Таким образом, формируют сейсмозащитный выступ. В каждом втором слое после нижнего выступа также формируют сейсмозащитные выступы 6.
Если нижний выступ формируют в третьем слое, то
остальные формируют в пятом, седьмом и так далее
слоях. Выступ 6 создают на высоту, равную мощности очистного слоя, и на такую ширину, чтобы
он преграждал прямой путь сейсмическим волнам,
возникающим при отбойке запасов очистных слоев
к торцовой части 7 рудного уступа 8, находящегося
выше выступа 6.
Рис. 2. Способ выемки сильнонарушенных руд:
1 – рудное тело; 2 – выемочная лента; 3 – очистной слой; 4 – закладочный массив; 5, 6 – сейсмозащитный выступ;
7 – торцовая часть рудного уступа; 8 – рудный уступ; 9 – очистной слой; 10 – разрезной штрек; 11 – отбитый
закладочный массив.
№4(14), 2012 г.
33
Устойчивое развитие горных территорий
После создания выступов приступают к очистной
выемке слоев. По почве рудного тела по обычной
технологии на уровне нижнего слоя проходят разрезной штрек 10. Из разрезного штрека обуривают
и отбивают в один прием первый и второй очистные
слои. В результате формируется очистная выработка 9, кровлей которой вскрывают нижний выступ.
В этом случае кровля очистной выработки лишь
частично представлена потенциально опасной по
обрушениям рудой. Остальная часть кровли представлена закладочным материалом выступа. Сокращением поверхности рудной кровли очистной
выработки повышают ее устойчивость как за счет
расклинивающего эффекта закладки, так и за счет
снижения сейсмического воздействия.
После отбойки и отгрузки руды из очистного слоя
9, имеющего объем двух слоев, из выработанного
пространства обуривают нижний выступ и отбивают
его выработанное пространство очистного слоя 9.
Этим восстанавливают контуры опережающей выработки 5. Сразу после этого осуществляют закладку
выработанного пространства первых двух нижних
слоев, в котором находится отбитая ранее закладка
11, до уровня почвы опережающей выработки 5, т.е.
контур опережающей выработки сохраняют незаложенным, формируя тем самым технологическое
пространство. После затвердевания закладки из образованной полости обуривают и отбивают в один
прием запасы руды до уровня следующей опережающей выработки 6. Дальнейшие работы в ленте ведут в той же технологической последовательности.
При этом допускается совмещение отбойки запасов
нижнего слоя с проходкой опережающих выработок
6. Важным условием является то, чтобы при отбойке любого из очистных слоев от этого взрыва была
защищена вся торцовая часть 7 рудного уступа 8 на
всей мощности рудного тела.
Расширение области применения варианта слоевой системы разработки достигается: увеличением
податливости защитного слоя; приданием наклона
рудной стенки очистного слоя в сторону нетронутого массива под углом 65 – 700; заоткоски боков
очистного слоя согласно углу падения нарушения
с отбойкой зоны дробления; оформлением очистного слоя за границами разрывного нарушения или
оставления слоя руды мощностью не менее 3 м с
последующей его отработкой очистными слоями
смежной ленты.
Сведения об авторах:
Габараев Олег Знаурович,
д.т.н., проф., заведующий кафедрой
технологии разработки месторождений, проректор по безотрывным
формам обучения и связям со стратегическими партнерами СКГМИ
(ГТУ), лауреат премии Министерства
цветной металлургии СССР, заслуженный деятель науки РСО-А, заслуженный работник Высшей школы РФ, член Академии
горных наук РФ, председатель диссертационного совета
Д 212.246.02. Имеет 5 изобретений, 196 печатных трудов,
в том числе 12 монографий.
Главные направления научной деятельности: технология подземной разработки месторождений полезных ископаемых, геомеханика, неразрушающие методы контроля состояния горного массива.
Тел.: (8672) 407-105 (служ.)
e-mail: [email protected]
Хулелидзе Казбек Константинович, профессор, доктор технических наук, член-корреспондент
МАНЭБ, заслуженный работник образования РСО-А, заведующий кафедрой «Безопасность жизнедеятельности» СКГМИ (ГТУ).
Автор более 130 научных статей и
монографий.
Адрес: РСО-А, 362025, г. Владикавказ, ул. Николаева, 44.
34
Кожиев Хамби Хадзимурзович, декан горно-геологического факультета СКГМИ (ГТУ), доктор технических наук, профессор.
Адрес: РСО-А, 362025, г. Владикавказ, ул. Николаева, 44.
Битаров Виталий Николаевич, аспирант, ассистент кафедры
«Технология разработки месторождений» СКГМИ (ГТУ).
Имеет 5 опубликованных работ.
Область научных интересов: подземная разработка месторождений полезных ископаемых, управление состоянием горного массива.
Адрес: РСО-А, 362025, г. Владикавказ, ул. Николаева, 44.
№4(14), 2012 г.