способ подземной разработки месторождения твердого полезного ископаемого

Формула изобретения

1. Способ подземной разработки месторождения твердого полезного ископаемого, включающий отработку в пределах выемочного поля полезного ископаемого в первичных камерах, проведение в кровле залежи горных выработок, предназначенных для производства буровых и/или закладочных работ, обуривание из упомянутых выработок скважинами кровли первичных камер, отбойку с использованием этих скважин пород кровли первичных камер с заполнением их отбитой породой, подачу растворов твердеющих материалов в межкусковое пространство отбитой породы и полость, образованную в кровле камеры, и последующую отработку полезного ископаемого вторичных камер после того, как сформированные, по крайней мере, в двух смежных первичных камерах искусственные породо-бетонные опоры приобретут заданную прочность, отличающийся тем, что горные выработки, предназначенные для производства буровых и/или закладочных работ, располагают в кровле залежи над рудными целиками вторичных камер или в рудных целиках вторичных камер, отбойку пород кровли первичных камер производят методом недозаряда скважин, а раствор твердеющих материалов для заполнения межкускового пространства в отбитой породе и полостей, образованных в кровле первичных камер, подают по сбойкам между буро-закладочными выработками и полостями и/или по оставшимся после образования полостей недозаряженным частям скважин, рассредоточенных по длине буро-закладочных выработок и высоте полостей.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что буро-закладочные выработки над рудными целиками вторичных камер располагают на расстоянии от контакта рудной залежи с кровлей по нормам таким образом, чтобы подошва выработки находилась на одном уровне с потолочиной плоскости, высота которой h_п определяется системой уравнений

где h_п - искомая высота полости, м;

- искомый угол наклона стенок полости, град;

m - выемочная мощность рудного тела в данной первичной камере, м;

а - ширина данной первичной камеры, м;

S - ширина буро-закладочной выработки, м;

- задаваемая величина отклонения уровня отбитой породы от уровня контакта рудного тела с кровлей, м, при превышении первым второго имеет положительный знак, при неполном заполнении камеры отбитой породой - отрицательный;

К_р - коэффициент разрыхления пород кровли в результате отбойки.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что из буро-закладочных выработок, расположенных над каждым вторым рудным целиком вторичных камер, скважинами обуривают кровлю двух смежных первичных камер.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что из буро-закладочных выработок, расположенных над каждым рудным целиком вторичных камер, обуривают кровлю двух смежных первичных камер встречными скважинами.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что при ориентировании камер по простиранию наклонной рудной залежи буро-закладочные выработки располагают в рудных целиках вторичных камер, причем скважинами обуривают кровлю первичной камеры, прилегающей к выработке со стороны падения залежи.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горному делу и подземному строительству, направлено на создание более безопасной и экономичной технологии разработки твердых полезных ископаемых подземным способом за счет применения эффективного режима управления деформациями подрабатываемого массива горных пород (его напряженно-деформированным состоянием), надежного поддержания выработок, сокращения затрат на производство работ по закладке выработанного пространства.

Известны способы подземной разработки твердых полезных ископаемых с закладкой выработанного пространства материалами, получаемыми на поверхности и подаваемыми в выработанное пространство механическими, гидравлическим или пневматическим способами, а также пустой породой, получаемой при проходке подготовительных выработок [1, 2]. Недостатки этих способов:

- большие затраты на получение, переработку и доставку в выработанное пространство закладочных материалов, что наряду с необходимостью использования вяжущих компонентов для придания закладочному массиву определенной прочности значительно повышает себестоимость добываемого полезного ископаемого;

- относительно низкая по сравнению с массивом горных пород прочность закладочного массива ограничивает параметры очистных выработок, что снижает производительность очистного забоя при сплошной отработке залежи или же существенно осложняет технологию выемки вторичных камер при двухстадийной отработке;

- вследствие проявления компрессионных свойств закладочного материала невозможно создание полного контакта верхней границы сформированного закладочного массива с кровлей очистной выработки даже при проведении мероприятий по ее дозакладке, что приводит к деформациям и обрушениям подработанного массива горных пород (с нарушением размещаемых здесь закладочных и других вспомогательных выработок), концентрации напряжений в зоне опорного давления при сплошной выемке или неравномерному распределению нагрузок на рудные целики вторичных камер и, как следствие, к опасности проявления горных ударов.

Известен способ разработки твердых полезных ископаемых, основанный на поочередной выемке рудного тела в пределах устойчивой площади обнажения кровли и управлении горным давлением посредством формирования опорных элементов в массиве подработанных горных пород, перемещения их в выработанное пространство и заполнения образовавшейся полости закладочным материалом с заданными компрессионными свойствами [3].

Однако, несмотря на достоинства указанной технологии (потенциально широкая область применения, гибкость режимов управления горным давлением, высокая экономичность), реализация ее сдерживается отсутствием специализированных технических средств оконтуривания породных блоков в подземных условиях.

Известен также способ разработки месторождений полезных ископаемых с формированием опорных конструкций посредством отбойки пород кровли первичной камеры буровзрывным способом с заполнением пустот в отбитой породе и образованной в кровле полости раствором твердеющей закладки [4], являющийся по сути модификацией решения [3], приспособленного к условиям разработки мощного пологого рудного тела с использованием освоенных технологических приемов.

Недостатки этого способа:

- обуривание, заряжание скважин и отбойка пород кровли каждой первичной камеры производится из специально проводимой буро-закладочной выработки, что приводит к увеличению затрат на добычу полезного ископаемого;

- невозможность размещения буро-закладочной выработки в кровле первичной камеры в слабых, неустойчивых породах, при нарушениях потолочины, возможных вследствие скважинной отбойки руды в первичных камерах;

- погашение буро-закладочной выработки в процессе отбойки кровли первичной камеры ограничивает и усложняет условия подачи раствора твердеющей закладки в отбитую породу, исключает возможность использования этой выработки в технологических целях (в частности, для производства дозакладки), а также для контроля за состоянием закладочного массива и проявлениями горного давления;

- работа вблизи уступа отбиваемой потолочины первичной камеры сопряжена с повышенной опасностью.

Задачей изобретения является создание способа подземной разработки, обеспечивающего:

- сокращение удельного объема горно-подготовительных работ при создании искусственной опорной конструкции, возводимой в первичной камере посредством отбойки пород кровли этой камеры и заполнения раствором твердеющей закладки пустот в отбитой породе и полости, образованной над первичной камерой;

- возможность производства работ по закладке и дозакладке пустот в отбитой породе и в полости над первичной камерой в любом месте по длине последней, необходимом по условиям осуществления технологии отбойки пород и удобном по условиям производства закладочных работ;

- возможность предварительного (до начала отработки запасов вторичной камеры) контроля состояния массива горных пород над целиком вторичной камеры, а при необходимости - производство работ по укреплению этого массива (цементированием, смолоинъекцией, анкерованием и т.п.);

- повышение безопасности труда при производстве работ по бурению скважин для отбойки пород кровли первичной камеры и подаче закладочных материалов для заполнения пустот вследствие отказа от расположения буро-закладочной выработки над выработанным пространством первичной камеры и, в частности, от производства работ вблизи уступа отбиваемой потолочины первичной камеры.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в способе подземной разработки месторождения твердого полезного ископаемого, включающем отработку в пределах выемочного поля полезного ископаемого в первичных камерах, проведение в кровле залежи горных выработок, предназначенных для производства буровых и/или закладочных работ, обуривание из упомянутых выработок скважинами кровли первичных камер, отбойку с использованием этих скважин пород кровли первичных камер с заполнением их отбитой породой, подачу растворов твердеющих материалов в межкусковое пространство отбитой породы и полость, образованную в кровле камеры, и последующую отработку полезного ископаемого вторичных камер после того, как сформированные, по крайней мере, в двух смежных первичных камерах искусственные породо-бетонные опоры приобретут заданную прочность, горные выработки, предназначенные для производства буровых и/или закладочных работ, располагают в кровле залежи над рудными целиками вторичных камер или в рудных целиках вторичных камер, отбойку пород кровли первичных камер производят методом недозаряда скважин, а раствор твердеющих материалов для заполнения межкускового пространства в отбитой породе и полостей, образованных в кровле первичных камер, подают по сбойкам между буро-закладочными выработками и полостями и/или по оставшимся после образования полостей недозаряженным частям скважин, рассредоточенных по длине буро-закладочных выработок и высоте полостей.

А также тем, что:

- буро-закладочные выработки над рудными целиками вторичных камер располагают на расстоянии от контакта рудной залежи с кровлей по нормали таким образом, чтобы подошва выработки находилась на одном уровне с потолочиной полости, высота которой h_п определяется системой уравнений:

,

где h_п - искомая высота полости, м;

- искомый угол наклона стенок полости, град;

m - выемочная мощность рудного тела в данной первичной камере, м;

а - ширина данной первичной камеры, м;

S - ширина буро-закладочной выработки, м;

- задаваемая величина отклонения уровня отбитой породы от уровня контакта рудного тела с кровлей, м, при превышении первым второго имеет положительный знак, при неполном заполнении камеры отбитой породой - отрицательный;

К_р - коэффициент разрыхления пород кровли в результате отбойки.

- из буро-закладочных выработок, расположенных над каждым вторым рудным целиком вторичных камер, скважинами обуривают кровлю двух смежных первичных камер;

- из буро-закладочных выработок, расположенных над каждым рудным целиком вторичных камер, обуривают кровлю двух смежных первичных камер встречными скважинами;

- при ориентировании камер по простиранию наклонной рудной залежи буро-закладочные выработки располагают в рудных целиках вторичных камер, причем из каждой выработки скважинами обуривают кровлю первичной камеры, прилегающей к выработке со стороны падения залежи.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием его сущности, изложением основных принципов выбора параметров и порядка реализации способа, сопровождается чертежами, на которых в поперечных сечениях выемочного поля, отрабатываемого двухстадийной системой, изображены:

- на фиг.1 - схема, иллюстрирующая положение элементов системы разработки по предлагаемому способу с односторонней отбойкой пород кровли первичной камеры;

- на фиг.2 - тоже с двухсторонней отбойкой пород кровли первичной камеры встречными скважинами;

- на фиг.3 - схема с расположением буро-закладочной выработки в пределах рудного тела.

Сущность заявленного решения, в отличие от известного, заключается в том, что горные выработки, используемые для бурения и/или закладки в процессе сооружения искусственных породо-бетонных опор, располагают не над первичными камерами, а над целиками вторичных камер или непосредственно в этих целиках. Положение буро-закладочной выработки относительно первичной и вторичных камер определяется выемочной мощностью и углом залегания рудного тела; структурой и прочностными свойствами пород кровли; принятой шириной этих камер; коэффициентом разрыхления пород кровли при отбойке; задаваемой степенью заполнения первичной камеры отбитой породой.

Способ осуществляют следующим образом.

В пределах выемочного поля (панели) наряду с отработкой первичных камер 1 (см. фиг.1) проходят над расположенным между ними рудным целиком 2 (или при определенных условиях в пределах его) горную выработку 3. Обуривают кровлю первичных камер скважинами 4. Заряжают скважины 4 взрывчатым веществом в пределах контура 5 будущей полости в кровле первичной камеры и отбивают породу кровли методом недозаряда. Раздробленная порода кровли над действием собственного веса перемещается в выработанное пространство первичной камеры. В благоприятных условиях (по выемочной мощности и устойчивости кровли) скважины могут быть пробурены и заряжены непосредственно из первичной камеры с использованием при необходимости одного-двух верхних рядов скважин, пробуренных из выработки 3, для оконтуривания верхней границы полости.

В отбитую породу из горной выработки 3 по каналам скважин, расчищенных от забойки, а при необходимости и расширенных, подают раствор твердеющих материалов. Наряду со скважинами подача закладочных материалов может производиться через сбойки, соединяющие буро-закладочную выработку с полостью над первичной камерой (на фиг. не показаны). Применение сбоек существенно упрощает контроль за состоянием возводимого закладочного массива.

Возможен вариант подачи в выработанное пространство первичной камеры первоначально раствора твердеющих материалов с последующей отбойкой и погружением в него пород кровли.

В отбитую породу подают раствор более высокой прочности, после твердения которого образуется искусственная породо-бетонная опора 6, предназначенная воспринимать соответствующие вертикальные нагрузки и обеспечивать устойчивость стенок, обнажаемых при отработке вторичных камер.

Полость, образуемую в кровле первичной камеры после отбойки пород, заполняют раствором с меньшим содержанием вяжущих материалов, поскольку создаваемый здесь искусственный массив 7 работает в условиях объемного сжатия и после исчерпания некоторой податливости, снижающей концентрацию напряжений в окружающем массиве горных пород, способен воспринимать высокие нагрузки.

Таким образом, сформированные в двух смежных первичных камерах искусственные опорные конструкции создают благоприятные условия для отработки целика вторичной камеры 2 (по устойчивости ее потолочины): кровля его разгружена от горизонтальных напряжений часто в силу региональной тектоники, имеющих большую величину по сравнению с вертикальными напряжениями; клинообразная форма потолочины вторичной камеры и неровный рельеф поверхностей стенок полостей и, как следствие, отсутствие опасности сдвига по контакту с опорой способствуют сохранению устойчивости этой потолочины.

Кроме того, горная выработка 3 и скважины 4 могут быть использованы при необходимости:

- для укрепления массива потолочины вторичной камеры ее анкерованием (в том числе и с использованием этих скважин), инъектированием цементных растворов, полимерных материалов и т.п.;

- для контроля за усадкой закладочного массива и производства работ по дозакладке;

- для проведения геофизических наблюдений за проявлениями горного давления с целью обоснования рационального порядка и режима отработки и первичных, и вторичных камер.

При горизонтальном залегании рудного тела или пологом падении, когда первичные камеры относительно целика вторичной камеры занимают симметричное положение, буро-закладочную выработку по условиям равномерности распределения напряжений на горизонтальных площадках потолочины вторичной камеры размещают симметрично относительно вертикальной оси симметрии целика таким образом, чтобы ширина массива горных пород на уровне почвы выработки 3 между полостями по верхним их границам (на фиг.1 обозначено буквами АБ) равнялась ширине целика вторичной камеры b.

Тогда расстояние от контакта целика с залежью до почвы буро-закладочной выработки h_в определяется высотой полости h_П , образуемой над первичной камерой, и углом наклона ее стенок .

Исходные и искомые параметры связаны между собой системой уравнений:

,

где h_п - искомая высота полости, м;

- искомый угол наклона стенок полости, град;

m - выемочная мощность рудного тела в данной первичной камере, м;

а - ширина данной первичной камеры, м;

S - ширина буро-закладочной выработки, м;

- задаваемая величина отклонения уровня отбитой породы от уровня контакта рудного тела с кровлей, м, при превышении первым второго имеет положительный знак, при неполном заполнении камеры отбитой породой - отрицательный;

К_р - коэффициент разрыхления пород кровли в результате отбойки.

Пример расчета параметров полости дан для следующих условий: m=10 м, а=15 м, S=4 м, =3 м, К_р=1,25.

Тогда система уравнений принимает вид:

или после преобразования

Подстановкой второго уравнения в первое получаем зависимость

6,5h_п=58,

из которой следует, что высота полости h_п=8,9 м.

Соответственно, угол наклона ее стенок, исходя из зависимости tg =8,9/2=4,45, составляет =77°.

Вариант, когда h_В=h_П , благоприятен для производства работ по закладке на всю высоту полости, так как создается возможность подачи раствора твердеющих материалов в любом месте по длине камеры, в том числе повторной и многократной, сообразуясь с очередностью и объемами отбиваемой породы. Для удобства производства работ и контроля за качеством отбойки и закладки выработка может быть соединена с полостями сбойками или дополнительными скважинами.

При h_В >h_П увеличивается объем бурения и усложняется технология формирования полости.

Вариант реализации способа при h _В<h_П связан с необходимостью подачи раствора закладочных материалов в полость под напором, а также в случаях допустимости частичной закладки полости по ее высоте или же отбойки пород кровли с погружением в раствор. Тогда в выработанное пространство камеры сначала подают раствор закладочной смеси, а вслед за этим производят отбойку пород. Последняя, погружаясь, вытесняет раствор, обеспечивая тем самым заполнение и пустот, и полости. При необходимости регулирование процессов подачи раствора и отбойки пород осуществляют с применением замедлителей схватывания раствора.

Предлагаемый способ разработки месторождения с сооружением искусственных породо-бетонных опор с применением выработок, располагаемых над целиком вторичных камер, обладает возможностями трансформации схем расположения этих выработок и проведения буровзрывных и закладочных работ с учетом горно-технических условий выемочного поля.

В частности, при сооружении опор в первичных камерах повышенной ширины отбойка пород кровли может быть осуществлена системой встречных скважин, пробуренных из выработок, расположенных над целиками смежных вторичных камер (см. фиг.2). В этом случае увеличение объема горно-подготовительных работ может быть компенсировано повышением качества сооружения опорных конструкций и более благоприятными условиями отработки вторичных камер.

При наклонном залегании рудного тела, когда камеры располагают по линии простирания, отбойку пород кровли первичных камер осуществляют скважинами, пробуренными из выработок, расположенных выше по восстанию в рудных целиках вторичных камер (см. фиг.3). Причем основная группа скважин обеспечивает отбойку пород кровли первичной камеры, расположенной по падению. Единичные скважины могут быть использованы для более надежной отбойки пород кровли камеры, расположенной по восстанию. Проведение выработок по руде обеспечивает более высокую экономичность ведения горных работ за счет реализации попутной добычи.

Предлагаемый способ разработки месторождения твердого полезного ископаемого с управлением горным давлением искусственными породо-бетонными конструкциями, сооружаемыми посредством отбойки пород кровли первичных камер и подачи раствора твердеющих материалов в пустоты отбитой породы и образованную полость посредством буро-закладочных выработок, располагаемых над рудными целиками вторичных камер или непосредственно в этих целиках, по сравнению с известным способом разработки обеспечивает:

- снижение затрат на горно-подготовительные работы за счет сокращения числа проводимых буро-закладочных выработок;

- повышение экономичности горных работ за счет попутной добычи руды при заложении буро-закладочных выработок в рудных целиках вторичных камер;

- сохранность буро-закладочных выработок на весь период сооружения породо-бетонной опоры, что расширяет технологические возможности способа по регулированию фронта буровзрывных и закладочных работ;

- возможность использования буро-закладочных выработок для контроля за состоянием кровли и осуществления процессов ее укрепления;

- возможность использования буро-закладочных выработок на стадии отработки вторичных камер, в частности, для отбойки руды и проветривания камер;

- повышение безопасности труда при производстве буровзрывных и закладочных работ, поскольку последние осуществляют из выработок, изолированных от потенциально опасных выработанных пространств.

Использование изложенного способа только за счет сокращения объемов потребляемых растворов закладочных материалов и снижения удельного расхода вяжущих компонентов на их приготовление позволит снизить затраты на 1 т добычи руды по очистному забою на 30-50%.

Источники информации

1. Хомяков В.Н. Зарубежный опыт закладки на рудниках. М.: Недра, 1984, 224 с.

2. Чабдарова Ю.И., Букин А.Н., Жужгов Ю.В. и др. Управление горным давлением. Системы разработки с твердеющей закладкой на Джезказганском месторождении. Алма-Ата: Наука, 1988, 100 с.

3. А.с. №1397607. Способ управления горным давлением. Автор: В.В.Жуков.

4. Жуков В.В., Юн Р.Б., Урумов В.А. Промышленные испытания новой технологии закладки камер. Горн. ж. 1996, №1-2, с.99-101.