На правах рукописи
МИШАНОВ Вячеслав Александрович
ОБОСНОВАНИЕ СХЕМЫ ПОДГОТОВКИ МАЛОМОЩНЫХ
ЗАЛЕЖЕЙ БОГАТЫХ РУД МЕСТОРОЖДЕНИЙ
ТАЛНАХСКОГО РУДНОГО УЗЛА
Специальность 25.00.22 – Геотехнология (подземная,
открытая и строительная)
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Санкт-Петербург - 2013
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Национальном минерально-сырьевом университете «Горный».
Научный руководитель – доктор технических наук, старший научный сотрудник Шабаров Аркадий Николаевич
Официальные оппоненты:
Ковалев Олег Владимирович доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», кафедра разработки месторождений полезных ископаемых, профессор Аршавский Владимир Владимирович кандидат технических наук, ЗАО «Объединенная горностроительная компания», заместитель генерального директора
Ведущая организация – ФГБУН «Институт проблем комплексного освоения недр РАН».
Защита состоится 23 мая 2013 г. в 15 ч 30 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.06 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу:
199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд.1166.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный».
Автореферат разослан 22 апреля 2013 г.
УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ СИДОРОВ
диссертационного совета Дмитрий ВладимировичОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. В настоящее время в горнорудной промышленности происходит интенсивное понижение горных работ и переход в условия отработки месторождений на больших глубинах, что приводит к значительному усложнению горнотехнической обстановки в подземных горных выработках.
Не являются исключением из этой общемировой тенденции и рудники ЗФ ОАО ГМК «Норильский никель», отрабатывающие месторождения Талнахского рудного узла. На сегодняшний день свыше 90% сплошных (богатых) руд Октябрьского и Талнахского месторождений отработано. Оставшиеся запасы руд с высоким содержанием полезных компонентов (Ni, Cu, Co и др.), залегают, в основном, пологими линзами (200) малой мощности (mср=5м) на глубинах от 1400 до 2000 м, суммарный объем богатых залежей на сегодняшний день составляет около 80 млн. тонн.
Все руды и породы Талнахского рудного узла являются опасными по горным ударам с глубины более 700 м. Для повышения безопасности при отработке маломощных пологих залежей богатых руд подготовительные выработки наиболее благоприятно проводить и поддерживать в закладочном массиве, так как он является не удароопасным в отличие от руд и вмещающих пород.
Однако, схема подготовки маломощных залежей с размещением горно-подготовительных выработок в закладочном массиве, не является достаточно обоснованной, так как применяемый на сегодняшний день способ крепления выработок в закладке не эффективен из-за того, что штанги в бортах зачастую оказываются целиком в зоне вывалов и теряют жесткую заделку, что приводит к раскреплению бортов выработки.
Для обоснования схемы подготовки, при которой горноподготовительные выработки располагаются в твердеющей закладке, необходимо обеспечить их устойчивость путем укрепления приконтурной части бортов из закладочного массива металлической арматурой в процессе его возведения.
Следует отметить, что сохранение эксплуатационного состояния горно-подготовительных выработок даст возможность использовать их при разработке залегающих выше медистых и вкрапленных руд, что повысит эффективность их отработки.
Значительный вклад в исследование устойчивости выработок и разработки технологий проведения и поддержания их в эксплуатационном состоянии внесли: С.Г.Авершин, И.И.
Айнбиндер, Б.П. Бадтиев, И.В. Баклашов, Н.С. Булычев, И.Е. Долгий, А.А. Еременко, В.Н.Захаров, В.П.Зубов, Д.Р. Каплунов, О.В. Ковалев, А.А. Козырев, В.Н. Опарин, В.Д. Палий, А.Г. Протосеня, К.В.
Руппенейт, М.А. Розенбаум, И.Ю. Рассказов, А.П. Тапсиев, А.Н.
Шабаров и многие другие.
Однако, на сегодняшний день остаются не достаточно изученными вопросы, связанные с использованием закладочного массива не только для управления кровлей, но и для решения вопроса повышения устойчивости горных выработок в условиях рудников Норильского промышленного района.
Цель работы. Обоснование схемы подготовки маломощных залежей богатых руд месторождений Талнахского рудного узла.
Идея работы. Повышение устойчивости горноподготовительных выработок обеспечивается их проходкой между заблаговременно сформированными бортами из закладочного массива, закрепленного в приконтурной части металлической арматурой.
Основные задачи исследований:
1. Анализ литературных источников и оценка опыта проведения и способов поддержания подготовительных выработок в горногеологических и горнотехнических условиях эксплуатации Норильских рудников.
2.Проведение шахтных наблюдений в горноподготовительных выработках, пройденных в рудном теле, во вмещающих породах и в закладочном массиве.
3. Проведение компьютерного и физического моделирования параметров схем проведения горно-подготовительных выработок.
4. Разработка технологической схемы проведения горноподготовительных выработок под защитой железобетонной конструкции.
5. Оценка технико-экономических показателей технологии сооружения подготовительных выработок под защитой железобетонной конструкции.
Методы исследований: включали анализ и обобщение сведений, содержащихся в литературных и фондовых источниках, шахтные и лабораторные эксперименты в условиях отработки рудных залежей глубоких рудников Талнахского рудного узла и аналитическую обработку полученных результатов исследований.
- установлена закономерность разрушения бортов горноподготовительных выработок в зависимости от их ориентации относительно осей очистных камер;
- выявлена зависимость несущей способности приконтурной части закладочного массива от конструкции армирующего материала.
Основные защищаемые положения:
1. При системе разработки с закладкой выработанного пространства твердеющими смесями устойчивость бортов горноподготовительных выработок, проводимых по закладочному массиву, увеличивается при их ориентации в направлении, параллельном осям отработанных очистных выработок.
2. Повышение несущей способности приконтурной части закладочного массива в бортах горно-подготовительной выработки, достигается за счет армирования металлической сеткой по замкнутому контуру, что позволяет более чем в 1,5 раза повысить несущую способность приконтурного закладочного массива горноподготовительных выработок.
3. Обеспечение устойчивости центральной горноподготовительной выработки при рудной схеме подготовки маломощных рудных залежей достигается за счет заблаговременного крепления ее бортов путем размещения армирующего материала в смежных с ней заходках на глубину более 0,5 высоты выработки с последующим заполнением твердеющей закладкой.
Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций подтверждается большим объемом шахтных и лабораторных исследований, использованием современного сертифицированного оборудования и вычислительной техники для обработки экспериментальных и теоретических данных, анализа состояния горно-подготовительных выработок проведенных в рудном, породном и закладочном массиве.
Практическое значение работы:
– разработаны параметры схем проведения подготовительных выработок на основе применения твердеющей закладки с различными вариантами арматуры, применяемой при отработке рудных залежей Октябрьского и Талнахского месторождений;
– разработана технология армирования бортов горноподготовительной выработки с учетом ширины зоны вывалов;
– разработаны рекомендации по применению схем проведения, креплению и охране горно-подготовительных выработок, поддерживаемых в закладочном массиве.
Реализация работы:
– результаты исследований используются проектными организациями ООО «Институт «Гипроникель», институт «Норильскпроект» при разработке регламентов и проектов отработки рудных залежей Октябрьского и Талнахского месторождений;
– результаты исследований рекомендованы рудникам ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель» при разработке локальных паспортов проведения подготовительных выработок.
Апробация работы: основные положения работы докладывались и получили положительную оценку на Международной научно-практической конференции «Интехмет» (Санкт-Петербург, 2008 г.), на научных семинарах ООО «Институт Гипроникель», на научно-технической конференции молодых ученых и специалистов ООО «Институт Гипроникель» (Санкт-Петербург, 2010 г.), на Международной научно-практической конференции «Инновационные направления в проектировании годрнодобывающих предприятий»
(Санкт-Петербург, 2010 г.).
Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследований, в проведении шахтных и лабораторных исследований состояния рудного, породного и закладочного массива, физико-механических свойств армированной и не армированной твердеющей закладки, в анализе результатов исследований и выводе научных результатов, в разработке и внедрении рекомендаций по проведению и креплению подготовительных выработок на рудниках ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель».
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 6 научных трудах, из них 5 - в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России. Получен 1 патент на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения общим объемом 168 страниц машинописного текста, содержит 66 рисунков и 17 таблиц, а также список используемой литературы из 93 наименований и 1 приложение.
Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю д.т.н. А.Н. Шабарову за помощь в определении направления исследований, а также сотрудникам Научного центра геомеханики и проблем горного производства за полезные замечания и ценные советы.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В главе 1 приведен анализ горно-геологических и горнотехнических условий разработки Талнахского и Октябрьского месторождений, дана характеристика физико-механических свойств руд, пород и закладочных массивов, обобщены горнотехнические условия ведения горных работ и механизация выемки богатых руд, технологические схемы проведения и способы поддержания горноподготовительных выработок.
В главе 2 описана методика инструментальных шахтных исследований состояния горно-подготовительных выработок, пройденных в различных горнотехнических условиях: в рудном, породном и закладочном массивах. Проанализированы результаты натурных наблюдений.
В главе 3 изложена методика проведения компьютерного моделирования схем проходки горно-подготовительных выработок и физического моделирования железобетонных конструкций, приведены основные характеристики используемого оборудования и материалов, а также описаны результаты моделирования. Определены параметры армирования приконтурного закладочного массива, повышающие устойчивость выработок.
В главе 4 изложена технология сооружения горноподготовительной выработки под защитой железобетонной конструкции, проведен выбор и обоснование конструкции армированных бортов.
В главе 5 даны практические рекомендации по применению результатов проведенных исследований, оценена техникоэкономическая эффективность применения технологии сооружения подготовительных выработок под защитой железобетонной конструкции.
В заключении приведено обобщение научных и практических результатов выполненных исследований.
Основные научные результаты отражены в следующих защищаемых положениях:
1. При системе разработки с закладкой выработанного пространства твердеющими смесями устойчивость бортов горноподготовительных выработок, проводимых по закладочному массиву, увеличивается при их ориентации в направлении, параллельном осям отработанных очистных выработок.
Как показывают шахтные исследования, процесс разрушения приконтурного массива горно-подготовительных выработок, пройденных по хрупким естественным массивам - по руде и вмещающим породам, характеризуется образованием сводов обрушения (чешуек и пластин) по всему контуру выработки и подобных по форме этому контуру. Характер разрушения выработок, пройденных по закладочному массиву, качественно отличается тем, что деструктивные процессы в приконтурной части происходят преимущественно в бортах выработок, кровля при этом сохраняется практически без разрушений.
Борта выработок в закладочном массиве имеют ярко выраженную слоистую структуру, что является результатом технологии возведения закладочных массивов и влияет на устойчивость выработок.
Механизм разрушения бортов выработки можно представить следующим образом. В первоначальной стадии закладочный массив, вмещающий выработку, работает в режиме нарастающего сопротивления до тех пор, пока закладка не исчерпает свои компрессионные свойства. В дальнейшем увеличение пролета отработки рудной залежи активизирует сдвижение подработанного массива с увеличением нагрузок на краевые части закладочного массива, превышающие сравнительно небольшую прочность закладочного массива.
Как показали исследования, в бортах всех выработок в закладочном массиве прочность его существенно различается по закладочным слоям и разброс по высоте выработки от почвы до кровли составляет от 2,5 до 9,5 МПа.
В горно-подготовительных выработках, проведенных в закладочном массиве перпендикулярно осям отработанных и заложенных очистных камер (рисунок 1), разброс прочности по закладочным слоям существенно отличается в каждой пересекаемой ленте (рисунок 2). В результате борта разрушаются неравномерно, что негативно влияет на устойчивость выработок.
Рисунок 1 – Расположение горно-подготовительных выработок в закладочном массиве отработанных камер перпендикулярно лентам Удаление от почвы выработки, м Рисунок 2 – Экспериментальные исследования изменения прочности закладки в бортах горно-подготовительной выработки, пройденной перпендикулярно лентам В горно-подготовительных выработках, которые ориентированы параллельно осям отработанных и заложенных очистных выработок (рисунок 3), разброс прочности в бортах остается постоянным на всем протяжении выработок, что увеличивает их устойчивость (рисунок 4).
Рисунок Удаление от почвы выработки, м Рисунок 4 – Экспериментальные исследования изменения прочности закладки в бортах горно-подготовительной выработки, пройденной параллельно лентам Вышесказанное подтверждается аналогичными исследованиями проведенными в выработках по их протяженности (рисунок 5), где также был получен разброс значений прочности твердеющей закладки при перпендикулярном расположении в пределах от 2,5 до 8 МПа, а параллельном расположении от 4 до 5 МПа.
Усредненный предел очности Усредненный предел прочности исследования показывают, что для снижения негативного влияния анизотропии закладочного массива и повышения устойчивости горноподготовительных выработок их следует проводить в направлении, параллельном осям отработанных очистных камер.
2. Повышение несущей способности приконтурной части закладочного массива в бортах горно-подготовительной выработки, достигается за счет армирования металлической сеткой по замкнутому контуру, что позволяет более чем в 1,5 раза повысить несущую способность приконтурного закладочного массива горно-подготовительных выработок.
Для исследования влияния элементов армирования на устойчивость бортов закладочного массива в качестве арматуры рассматривалась металлическая сетка (рисунок 6) со следующими параметрами ячеек: ширина (s) и длина (s1), равные 100 мм, диаметр продольной (d) и поперечной (d1) проволоки 5мм. Схема металлической сетки для армирования приведена на рисунке 6.
– Схема металлической сетки для армирования модели В качестве прототипов реальных конструкций принимались следующие физические модели: серия «0» без наличия армирующего материала (рисунок 7 а); серия «А» с арматурой в форме параллельных отрезков металлической сетки (рисунок 7 б).
Конструкция модели серии «Б» в целом повторяет конструкцию серии «А» с параллельной установкой арматуры, но с введением дополнительного оконтуривающего слоя сетки на расстоянии 2 мм от краевой части модели, что имитирует сетку усиленной комбинированной крепи выработок, проходимых по закладке (рисунок 8).
Конструкция модели серии «В» представляет собой модель наиболее насыщенную арматурой, расположенной ортогонально и параллельно к боковым граням модели и оконтуренной приконтурной сеткой, расположенной по периметру модели на расстоянии мм от края (рисунок 9).
Конструкция модели серии «Г» представляет собой сетку цилиндрической формы с диаметром внешнего арматурного контура, соответствующего ширине образцов 100 мм (рисунок 10).
В ходе проведения эксперимента модели нагружались и разрушались на гидравлическом прессе ЦДМ 40. Результаты оценки устойчивости исследуемых моделей приведены на рисунок 11.
Рисунок Анализ полученных результатов показывает, что серии моделей «В», армированных металлической сеткой по замкнутому контуру, обладают наибольшей несущей способностью, превышающей более чем в 1,5 раза несущую способность моделей без использования контурного металлического армирования.
Таким образом, повышение несущей способности приконтурной части закладочного массива в бортах горноподготовительной выработки, достигается за счет армирования металлической сеткой по замкнутому контуру, что позволяет повысить несущую способность приконтурного закладочного массива горно-подготовительных выработок.
3. Обеспечение устойчивости центральной горноподготовительной выработки при рудной схеме подготовки маломощных рудных залежей достигается за счет заблаговременного крепления ее бортов путем размещения армирующего материала в смежных с ней заходках на глубину более 0,5 высоты выработки с последующим заполнением твердеющей закладкой.
Шахтными исследованиями установлено, что глубина вывалов в бортах выработок, пройденных по закладочному массиву может достигать до 0,5 высоты выработки, При высоте типовых горноподготовительных выработок, равной 4,9 – 5,1 м, глубина вывалов составляет до 2,5 м. Применяемые на рудниках анкерные крепи, из-за небольшой длины анкерных стержней (1,7-2,2 м), в таких ситуациях теряют несущую способность, что приводит к раскреплению выработки. Увеличение длины анкерного стержня требует приобретения специальной техники для установки длинных анкеров, что приводит к повышению материальных затрат и негативно отражается на техникоэкономических показателях Норильских рудников.
Предлагаемая технология сооружения горно-подготовительных выработок устраняет эти недостатки и позволяет армировать приконтурный закладочный массив на необходимую глубину 2,5 и более метров. Технология включает следующую последовательность операций: вначале намечается проектный контур центральной подготовительной выработки, а затем смежно с одним из ее проектных бортов проводится очистная камера на всю мощность рудного тела с опережающей разгрузкой рудной залежи скважинами большого диаметра на безопасную глубину L без(рисунок 12).
Рисунок 12 – Проведение 1-ой очистной камеры, смежной с центральной выработкой Далее в пройденной камере устанавливается армирующий материал (рисунок 13) и производится заполнение твердеющей закладкой.
Рисунок 13 – Установка армирующего материала в пройденной 1-ой очистной камере Затем смежно с другим проектным бортом центральной горноподготовительной выработки, аналогичным образом проводится вторая очистная камера (рисунок 14) с последующей установкой в ней арматуры и заполнением закладочной смесью (рисунок 15).
Рисунок 14 – Проведение 2-ой очистной камеры, смежной с центральной выработкой После набора закладочным массивом нормативной прочности борта будущей центральной горно-подготовительной выработки являются сформированными. Заключительным этапом технологии является проходка центральной горно-подготовительной выработки по руде между сформированными бортами (рисунок16).
Рисунок 16 – Конструкция горно-подготовительной выработки, борта которой поддерживаются по предлагаемой технологии Таким образом, заблаговременное формирование бортов центральной горно-подготовительной выработки из твердеющей закладки с установкой армирующего материала на глубину более 0, высоты выработки позволит предотвратить вывалы из бортов и тем самым повысить устойчивость выработки.
Выполненные технико-экономические расчеты показали, что предлагаемая в диссертационной работе технология сооружения выработки в закладочном массиве по приведенным затратам является эффективнее по сравнению с технологией, применяемой в настоящее время на Норильских рудниках, более чем на 20%.
«