способ вскрытия шахтных горизонтов из глубоких карьеров при отработке кимберлитовых месторождений

Формула изобретения

Способ вскрытия шахтных горизонтов из глубоких карьеров при отработке кимберлитовых месторождений, включающий отработку карьера уступами, проходку горизонтальных выработок с уступов, проходку основного и вспомогательных стволов, отличающийся тем, что с уступов карьера через интервалы 30 - 100 м под трассы основного и вспомогательных стволов проходят горизонтальные выработки, которые в районах прохождения стволов расширяют до размеров буровых камер, и в сечениях стволов бурят комплекты глубоких скважин на всю глубину интервала, причем над частью буровых камер оставляют целик, по центру его проходят дучку, а верхнюю часть дучки разделывают в воронку выпуска под все сечение ствола, производят разрушение породы в сечении ствола взрывом зарядов ВВ в скважинах по интервалам, а по мере выпуска породы с транспортировкой через горизонтальные выработки в карьер, производят крепление и армирование стволов, кроме того, на последнем уступе карьера из горизонтальной выработки в районе вспомогательного ствола проходят камеры и монтируют оборудование для проходки вспомогательного слепого ствола, затем осуществляют проходку вспомогательного слепого ствола до первого подземного горизонта и из него проходят сбойку под трассу основного ствола, в районе которого образуют буровую камеру, для разбуривания скважинами сечения основного ствола нижележащего подземного горизонта, а в целике над буровой камерой создают воронку для выпуска породы от проходки основного ствола первого подземного горизонта, при этом породу выдают через сбойку, вспомогательный слепой ствол размещается на днище карьера, после выгрузки породы из основного ствола и его крепления ведут проходку вспомогательного слепого ствола до следующего подземного горизонта, а после выдачи породы от проходки основного ствола и его крепления на последнем подземном горизонте демонтируют оборудование вспомогательного слепого ствола, разрушают целик и монтируют оборудование для эксплуатации вспомогательного ствола на полную глубину.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горному делу, а именно к способам вскрытия рудных тел и проходки шахтных стволов при подземной разработке месторождений, и может быть использовано при переходе от открытой разработки к подземной на глубоких карьерах при разработке кимберлитовых месторождений.

В настоящее время открытые горные работы на Якутских алмазных месторождениях достигли глубины 500 м. Дальнейшая добыча кимберлитовой руды с этих месторождений открытым способом экономически нецелесообразна. Необходим переход на подземные горные работы. Для перехода на подземную добычу целесообразно использовать открытое пространство, образованное карьером для строительства подземного рудника.

Известен способ строительства шахты (см. авт. св. N 1145144, Е 21 D 1/00), включающий вскрытие подготовительных верхних горизонтов одним из центральных сдвоенных стволов, вскрытие нижних горизонтов другими стволами и выдачу породы от проходки каждого ствола по соседнему стволу, причем в пределах верхних горизонтов сооружают капитальный рудоспуск в приствольной части первого ствола с одной разгрузочной камерой в нижней его части, а затем вспомогательный рудоспуск в приствольной части второго ствола в пределах нижних вскрывающих горизонтов.

Недостатком известного способа является сложность выполнения за счет необходимости проходки в приствольной части обоих стволов (в одном основного, а в другом - вспомогательного) рудоспуска и большая трудоемкость транспортировки породы при проходке стволов с использованием дополнительных перегрузочных средств.

Наиболее близким по технической сущности является способ проходки шахтного ствола (см. авт.св. N 1444521, E 21 C 41/00), включающий проведение под стволом горизонтальной выработки, бурение из нее и сверху нисходящих и восстающих встречных скважин, проведение центральной восстающей выработки, причем восстающие скважины взрывают с недозарядом с образованием над горизонтальной выработкой породного целика, который при подходе ствола к горизонтальной выработке разрушают путем взрывания недозаряженных частей восстающих скважин.

Недостатком известного технического решения является невозможность контроля образования породного целика в стволе шахты при использовании недозаряда скважин, не представляется возможность контролировать состояние породного целика в стволе шахты во время эксплуатации, что в совокупности не гарантирует безопасные условия труда под таким целиком. Кроме того, способ не позволяет проходить ствол шахты для спуска самоходного горного оборудования и вести выдачу руды из очистного забоя на поверхность с использованием погрузочно-доставочных машин.

Недостатком известного технического решения является большая трудоемкость по вскрытию горизонтов для отработки подземными горными работами и большой срок.

Задачей предлагаемого изобретения является сокращение трудоемкости проходки основного и вспомогательных стволов для подготовки к подземному способу добычи и сокращение сроков строительства подземного рудника.

Поставленная задача решается следующим образом. С уступов карьера через интервалы 30-100 м под трассы основного и вспомогательных стволов проходят горизонтальные выработки, которые в районах прохождения стволов расширяют до размеров буровых камер и в сочетании ствола бурят комплекты глубоких скважин на всю глубину (высоту) интервала, причем над частью буровых камер оставляют целик, по центру его проходят дучку, а верхнюю часть дучки разделывают в воронку выпуска под все сечения ствола, производят разрушение породы в сечении ствола взрывом зарядов ВВ в скважинах по интервалам, а по мере выпуска породы через выпускные воронки и транспортировкой через горизонтальные выработки в карьер производят крепления и армирование стволов.

Кроме того, на последнем уступе карьера из горизонтальной выработки в районе вспомогательного ствола проходят камеры и монтируют оборудование для проходки вспомогательного слепого ствола затем осуществляют проходку вспомогательного слепого ствола до первого подземного горизонта (этажа) и из него (вспомогательного слепого ствола) проходят сбойку под трассу основного ствола, в районе которого образуют буровую камеру для разбуривания нижележащего подземного горизонта, а в целике над буровой камерой создают воронку для выпуска породы от проходки основного ствола первого подземного горизонта, при этом породу выдают через сбойку, вспомогательный слепой ствол, размещенный на днище карьера. После выгрузки породы из основного ствола и его крепления ведут проходку вспомогательного слепого ствола до следующего подземного горизонта. А после выдачи породы от проходки основного ствола его крепления на последнем подземном горизонте демонтируют оборудование вспомогательного слепого ствола. Разрушают целик и монтируют оборудование для эксплуатации вспомогательного ствола на полную глубину.

Существенными отличиями предлагаемого способа являются:

- С уступов карьера через интервалы 30-100 м под трассы основного и вспомогательных стволов проходят горизонтальные выработки, которые в районах прохождения стволов расширяют до размеров буровых камер.

Данное техническое решение позволяет, воспользовавшись глубиной карьера и его уступами вскрывать трассы, по которым пройдут основной и вспомогательные стволы.

Основной ствол, по которому идет выдача полезного ископаемого, спуск и подъем оборудования, спуск и подъем людей, прокладка коммуникаций, подача воздуха в подземные горные выработки и т.д.

Вспомогательный ствол в основном служит для выдачи отработанного воздуха, как запасной выход на дневную поверхность и для ряда вспомогательных операций, порой дублирующих основной ствол. Глубины карьеров при разработке якутских кимберлитовых месторождений достигают 500 м. На такой глубине можно организовать около 10 забоев для проходки стволов, что значительно сократит время на проходку.

В настоящее время созданы и освоены промышленностью самоходные комплексы для проходки горизонтальных выработок, состоящие из буровой каретки, самоходных устройств для зарядки шпуров взрывчатым веществом, погрузочно-доставочной машины и самоходного устройства для штангового крепления. Имея такой самоходный проходческий комплекс, используя пространство, образованное открытыми горными работами с ее уступами, можно высокоэффективно провести проходку горизонтальных выработок под трассы основного и вспомогательных стволов в минимально сжатые сроки.

Это позволит обеспечить создание нескольких забоев (экономически целесообразных) по проходке основного и вспомогательных стволов в борту карьера.

Высота интервала определяется по возможностям буровых станков (технической глубины бурения, производительности бурения, точности расположения концов скважин) и экономическим соображениям, учитывая все факторы, в том числе и затраты на проходку горизонтальных выработок.

- В сечении ствола бурят комплект глубоких скважин на всю высоту интервала.

Данное техническое решение позволяет увеличить производительность по проходке стволов за счет применения более производительных буровых станков для глубокого бурения. Кроме того, сокращается количество скважин в комплекте за счет более рационального использования, увеличивается коэффициент использования зарядов в скважинах и КИШ может достигать единицы.

Представляется возможным при использовании комплекта скважин для контурного (гладкого) взрывания получить ровные стенки стволов, что снизит затраты на крепления и поддержания во время эксплуатации. Комплект скважин может включать скважины разного диаметра, например центральную диаметром 300-600 мм, а взрываемые и контурные 50-150 мм. Что также способствует увеличению производительности за счет операции обуривания в интервале.

- Над частью буровых камер оставляют целик, по центру его проходят дучку, и верхнюю ее часть разделывают в воронку выпуска под все сечения ствола.

Данное техническое решение позволяет уменьшить энергоемкость процесса погрузки породы из ствола, шахты за счет использования потенциальной энергии собственного веса породы. Выпуск породы под действием собственного веса ведут через выпускную воронку.

Количество оставляемых целиков для ствола определяется экономическими расчетами, по затратам на образование воронок.

- Производят разрушение породы сечения ствола взрывом зарядов ВВ в скважинах по интервалам.

Данное техническое решение обеспечивает разрушение породы в сечении ствола с использованием скважинных зарядов интервала (отрезка ствола). Могут быть использованы следующие технологии разрушения породы скважинными зарядами.

а) Центральная скважина увеличивается посредством механических расширителей до необходимого диаметра, например 300-600 мм. Затем посредством взрывания одиночных скважин доводится до определенного размера (объем компенсации для взрыва всех оставшихся скважин был не менее 20%), чтобы не было переуплотнения взорванной породы производят взрыв остальных зарядов.

б) Возможен вариант, когда по контуру выработки бурят дополнительные оконтуривающие скважины, взрывные работы ведут по специальной технологии гладкого взрывания.

в) Возможен вариант секционного взрывания скважин на нижнюю обнаженную плоскость с инициированием взрывов зарядов падающими боевиками.

г) Возможен вариант взрывания комплекта скважин одного размера. В комплекте бурят две скважины на небольшом расстоянии. Одну скважину не заряжают, вторую заряженную скважину взрывают секциями и/или на полную длину. Образовавшуюся полость последовательным взрыванием скважин доводят до определенного размера. После чего взрывают весь комплект оставшихся скважин.

Все технологии обеспечивают полное разрушение горной породы в сечении ствола на всей высоте интервала при минимальных затратах на эту операцию, по сравнению с традиционной мелкошпуровой отбойкой при проходке стволов шахт.

- По мере выпуска породы через выпускные воронки производят крепления и армирование стволов.

Данное техническое решение обеспечивает временное крепление ствола шахты разрушенными горными породами. Крепление и армирование ствола ведут со специальной клети. Выпуск породы производят по мере крепления ствола. Способ позволяет иметь любое необходимое отставание постоянной крепи от отбитой породы. Управление процессами согласуется по телефону. Наличие горизонтальных выработок, выходящих на уступы карьера, обеспечивает надежную, естественную вентиляцию.

Способ позволяет вести крепление любыми необходимыми материалами при минимальной трудоемкости процесса.

- Кроме того, на последнем уступе карьера из горизонтальной выработки, в районе вспомогательного ствола, проходят камеры и монтируют оборудование для проходки вспомогательного слепого ствола, затем осуществляют проходку вспомогательного слепого ствола до первого подземного горизонта.

Техническим решением предусматривается для вскрытия горизонтов ниже дна карьера вспомогательным слепым стволом, пройденным по оси вспомогательного ствола. После окончания работ по вскрытию последнего шахтного горизонта оборудование для проходки вспомогательного слепого ствола демонтируется. Разрушают целик во вспомогательном стволе, где были камеры под это оборудование проходки слепого ствола. Производится монтаж оборудования для эксплуатации на полную глубину вспомогательного ствола, что значительно снизит эксплуатационные расходы при подземной отработке месторождения.

Применение вспомогательного слепого ствола позволяет совместить вскрытие первого подземного горизонта одновременно с проходкой и оборудование основного и вспомогательного ствола, проходимых в борту карьера, что значительно ускорит строительство подземного рудника.

- Из него (вспомогательного слепого ствола) проходят сбойку под трассу основного ствола, в районе которого образуют буровую камеру для разбуривания сечения основного ствола нижележащего подземного горизонта, а в целике, над буровой камерой, создают воронку для выпуска породы от проходки основного ствола первого подземного горизонта, при этом породу выдают через сбойку вспомогательного слепого ствола на днище карьера.

Данное техническое решение обеспечивает проходку основного ствола на первом подземном горизонте с применением глубоких скважин, что значительно снижает трудоемкость проведения ствола и сокращает срок подготовки.

- После выгрузки породы из основного ствола и его крепления ведут проходку вспомогательного слепого ствола и следующего подземного горизонта.

Данное техническое решение позволяет совместить операции выгрузки породы из основного ствола с его креплением и армировкой в этаже первого подземного горизонта. Разрушенную породу в стволе используют как временную крепь, что также снижает трудоемкость крепления ствола.

- А после выдачи породы от проходки основного ствола и его крепления на последнем подземном горизонте демонтируют оборудование вспомогательного слепого ствола, разрушают целик и монтируют оборудование для эксплуатации вспомогательного ствола на полную глубину.

Данное техническое решение позволяет в начале завершить проходку основного ствола на полную глубину высокоэффективными приемами, а затем демонтировать оборудование для углубления вспомогательного ствола с применением технологии для проходки слепого ствола. Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает проходку основного ствола на полную глубину высокоэффективными технологиями, а для вспомогательного ствола только его углубление ниже дна карьера ведется обычными традиционными технологиями, при этом максимально используется пространство глубокого карьера после отработки кимберлитового месторождения. Это значительно снизит стоимость строительства и время перехода на подземные работы.

Сущность предлагаемого технического решения.

В предлагаемом способе максимально используется открытое пространство для проходки стволов в борту карьера.

С уступов борта карьера под трассой основного и вспомогательных стволов проходят горизонтальные выработки через 30-100 м по вертикали. В выработках образуют буровые камеры, из которых бурят комплекты глубоких скважин по всему сечению стволов.

Над частью буровых камер оставляют целик, по центру его проходят дучку, верх которой разделывают в воронку выпуска под все сечение ствола. Зарядами в скважинах разрушают породы по всему сечению стволов по интервалам. По мере выпуска породы через выпускные воронки производят крепления и армировку стволов.

Кроме того, на последнем уступе карьера из горизонтальной выработки в районе вспомогательного ствола проходят камеры и монтируют оборудование для проходки вспомогательного слепого ствола, затем осуществляют проходку вспомогательного слепого ствола до первого подземного горизонта. Из слепого ствола проходят сбойку под трассу основного ствола, в районе которого образуют буровую камеру для разбуривания скважинами сечения основного ствола нижележащего подземного горизонта. В целике над буровой камерой создают воронку для выпуска породы от проходки основного ствола первого подземного горизонта. Породу выдают через сбойку, вспомогательный слепой ствол размещения на днище карьера. После выгрузки породы из основного ствола и его крепления ведут проходку вспомогательного слепого ствола до следующего подземного горизонта. А после выдачи породы от проходки основного ствола и его крепления на последнем подземном горизонте демонтируют оборудование вспомогательного слепого ствола, разрушают целик и монтируют оборудование для эксплуатации вспомогательного ствола на полную глубину.

Данное техническое решение обеспечивает высокую производительность по проходке стволов и сокращает срок строительства подземного рудника после окончания открытых горных работ.

Пример выполнения способа вскрытия шахтных горизонтов из глубоких карьеров при отработке кимберлитовых месторождений показан на фиг. 1-6.

Где на фиг. 1 показана принципиальная схема вскрытия шахтных горизонтов из глубокого карьера при отработке кимберлитового месторождения - вертикальный разрез.

Фиг. 2 - то же узел "а".

Фиг. 3 - пример выполнения буровых камер, выпускных воронок и камеры для проходки слепого ствола.

Фиг. 4 - расположение комплекта скважины в буровой камере.

Фиг. 5 - вариант разбуривания сечения ствола глубокими скважинами из буровых ниш.

Фиг. 6 - принципиальная схема проходки основного и вспомогательных стволов ниже днища карьера.

Верхняя часть кимберлитовой трубки 1 (фиг. 1) отработана карьером 2 уступами 3. Для проходки основного 4 и вспомогательного 5 стволов с уступами 3 проходят ряд горизонтальных выработок 6 через интервалы (по вертикали) 30-100 м. Величины интервала определяются возможностями буровых станков для бурения глубоких скважин диаметром 50-150 мм, экономическими соображениями и удобствами проходки их на борту карьера. Горизонтальные выработки 6 проходят под трассы основного 4 и вспомогательного 5 стволов.

В данном примере основной 4 и вспомогательный 5 стволы находятся на одной промплощадке. Для вскрытия трасс в данном примере проходит одна горизонтальная выработка 6 (фиг. 2).

В районе каждого из стволов 4 и 5 горизонтальная выработка 6 разделывается в буровые камеры 7 и 8. Причем буровые камеры 7 и 8 могут отличаться размерами в зависимости от сечения основного 4 и вспомогательных 5 стволов.

В буровых камерах 7, 8 размещаются буровые станки для бурения глубоких скважин 9 диаметром 50-150 мм глубиной до 100 м. Скважины 9 могут буриться как вверх так и вниз. На фиг. 3 и 4 показан пример осуществления проходки вспомогательного ствола 5. Основной ствол может отличаться только сечением.

Над частью буровых камер 8 могут оставляться целики 10, в центральной части которых проходит дучка 11. Верх дучки 11 разделывается в воронку выпуска 12 под все сечения ствола 5. Расстояние между выпускными воронками 12 в основном определяется удобством размещения пустых пород от проходки ствола в отработанном карьере 2.

Разрушенные породы в интервалах, где нет выпускных воронок, перепускаются по стволу.

Разрушение породы в сечении ствола интервала производится размещением зарядов ВВ и взрывания в комплекте скважин.

На фиг. 4 приведен пример размещения скважин в сечении ствола.

В центральной части расположена скважина 13 увеличенного диаметра 300-600 мм, вокруг нее расположены два ряда вспомогательных скважин 9, а по контуру ствола оконтуривающие скважины 14 по технологии гладкого взрывания, половина из этих скважин не заряжается для получения гладких стенок.

Кроме того, возможен вариант дробления горных пород в сечении, например, основного ствола 4 (фиг. 5) с ограниченной длиной глубоких скважин до 20-30 м при высоте интервала (этажа) 80-100 м (между горизонтальными выработками 6). Между буровыми камерами 7 (расстояние между которыми 80-100 м) пробуривается скважина 190 мм, которая в последующем расширяется специальными расширителями до размеров вертикального восстающего 15 диаметром 1500 мм и более. Из вертикального восстающего 15 через 20-30 м образуют буровые рассечки 16. Из буровых рассечек 16 производится разбуривание сечения ствола комплектами скважин. Данный вариант обеспечивает точную проходку ствола шахты, уменьшает переборы породы со стенок вертикального ствола. Он может быть использован как для проходки основного 4 и вспомогательного стволов.

На последнем уступе - днище карьера 17 проходят горизонтальную выработку 18 (фиг. 1, 6) и образуют камеры 19 для размещения оборудования по технологии проходки слепого ствола. Над камерами 19 в стволе оставляют целик 20. Проходят вспомогательный слепой ствол 21 для вскрытия подземных шахтных горизонтов 22, 23, 24 ниже днища карьера 17 (фиг. 1). В камерах 19 монтируют оборудование для проходки вспомогательного слепого ствола 21.

Известными техническими приемами ведут проходку вспомогательного слепого ствола 21 до первого подземного горизонта 22. Из вспомогательного слепого ствола 21 проходят сбойку 23 под трассу основного ствола 4, в районе которого образуют буровую камеру 24, создают воронку 25 для выпуска породы от проходки основного ствола 4 до первого подземного горизонта 22. Породу транспортируют по сбойке 23, поднимают подъемной машиной слепого ствола, а затем через горизонтальную выработку 18 выдают и размещают на днище карьера 17. При выгрузке породы одновременно производят крепления и армировку основного ствола 4 на этом этаже. Затем проходят слепой ствол 21 до следующего горизонта 23, проходят сбойку на этом горизонте и операции повторяются до последнего горизонта 24.

После выдачи породы от проходки крепления и армировки основного ствола 4 на горизонте 24 демонтируют оборудование вспомогательного слепого ствола в камерах 19.

Известными приемами разрушают целик 20 и удаляют породу через горизонтальную выработку 18, складируя ее днище карьера 17.

Проводят монтаж оборудования вспомогательного ствола для обеспечения эксплуатации его на полную глубину.

Осуществление предлагаемого способа вскрытия шахтных горизонтов из глубоких карьеров при отработке кимберлитовых месторождений ведут следующим образом.

С уступов 3 (фиг. 1) борта карьера 1 под трассы основного 4 и вспомогательного 5 стволов проходят горизонтальные выработки 6 через интервалы (по высоте) 30-100 м.

В горизонтальных выработках 6 образуют буровые камеры 7, 8 под осями основного 4 и вспомогательного 5 стволов. Над частью буровых камер 7, 8 (фиг. 3) оставляют целик 10, по центру каждого проходят дучку 11. Верхнюю часть дучки 11 разделывают в воронку выпуска 12 под всем сечением ствола. Из буровых камер 7 и 8 буровыми станками бурят комплекты глубоких скважин 9, 13, 14 (фиг.4).

Для получения надежного взрывания комплекта центральную скважину 13 расширяют до 300-600 мм специальными механическими расширителями.

Для обеспечения ровных стенок ведут гладкое контурное взрывание, для чего увеличивают количество скважин 19 на контуре сечения ствола, и во время взрывания комплекта зарядов половину из них не заряжают и не взрывают.

Кроме того, для получения точного оконтуривания сечения ствола шахты уменьшают длину скважин до 20-30 м путем уменьшения интервала по высоте между горизонтальными выработками 6 или по специальной технологии. При большом интервале, например 80-100 между буровыми камерами 8 (или 7), по центру сечения ствола бурят скважину 190 мм, которую механическими расширителями доводят до диаметра 1500 мм и более, образуя вертикальный восстающий 15, восстающий 15 через 20-30 м проходит буровые ниши 16. Из буровых ниш 16 обуривают комплекты скважин для размещения ВВ. Современные буровые машины позволяют бурить нисходящие скважины длиной 50 м с точностью 0,2-0,5 м. При длине скважин 20-30 м точность бурения значительно возрастает.

Разрушение породы в сечении стволов ведут размещением зарядов в комплектах скважин известными технологиями.

Выпуск породы производят через дучки 11 и выпускные воронки 12 питателями (не показаны) или погрузочно-доставочными машинами. Во время выпуска породы производят крепление стволов шахт и армировку, причем разрушенную породу в стволе используют как временное крепление, т.е. выпуск ведут с наблюдением за перемещением контакта.

Одновременно с проходкой стволов шахт в борту карьера эти же стволы углубляют для вскрытия шахтных горизонтов 22, 23, 24, для чего с днища карьера 17 в последнем уступе проходят горизонтальную выработку 18 (фиг. 1, 3). В районе вспомогательного ствола 5 по центру закладывают проходку слепого ствола 21. Проходят камеры 19 для размещения оборудования по технологии проходки слепых стволов. Над камерами 21 оставляют целик 20.

Известными техническими приемами ведут проходку вспомогательного слепого ствола 21 (фиг. 6) до первого подземного горизонта 22.

Из вспомогательного слепого ствола 21 проходят сбойку 23 под трассу основного ствола 4, в районе которого образуют буровую камеру 24, создают воронку 25 для выпуска породы от проходки основного ствола 4 до первого подземного горизонта 22. Породу транспортируют по сбойке 23, поднимают подъемной слепого ствола, а затем через горизонтальную выработку 18 выдают и размещают на днище карьера 17.

При выгрузке породы одновременно производят крепление и армировку основного ствола 4 на этом этаже. Затем проходят слепой ствол 21 до следующего горизонта 23, проходят сбойку на этом горизонте и операции повторяются до последнего горизонта, например горизонта 24.

После выдачи породы от проходки, крепления и армировки основного ствола на горизонте 24 демонтируют оборудование вспомогательного слепого ствола в камерах 19.

Известными приемами разрушают целик 20, удаляют породу через горизонтальную выработку 18, складируя ее на днище карьера 17.

Производят монтаж оборудования вспомогательного ствола 5 для обеспечения эксплуатации его на полную глубину, то есть с поверхности до горизонта 24.