СПОСОБ КОМБИНИРОВАННОЙ (ОТКРЫТО-ПОДЗЕМНОЙ) РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ В ГОРИСТОЙ И ХОЛМИСТОЙ МЕСТНОСТИ

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при разработке месторождений полезных ископаемых комбинированным (открыто-подземным) способом в гористой и холмистой местности.

В настоящее время при комбинированном способе разработки месторождений вначале их отработка ведется, как правило, открытым способом, а затем подземным. В этих условиях для повышения безопасности и эффективности разработки необходимо управление сдвижением и деформациями массива горных пород, позволяющее путем приведения во взаимное соответствие технологических параметров разработки и геомеханического состояния толщи горных пород целенаправленно изменять свойства и состояние массива, обеспечивать развитие процессов деформирования и разрушения в заданных направлениях и объемах.

Известен способ повышения устойчивости бортов карьера и его уступов путем выполаживания бортов, уменьшения высоты или угла наклона откосов уступов [Геомеханика: Учебник для вузов / Под ред. М.Е. Певзнера, М.А. Иофис, В.Н. Попова. - М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2005]. Недостатками этого способа являются: увеличение объемов вскрыши и площадей нарушенных земель, ухудшение экологической обстановки в горнодобывающем регионе, повышение стоимости вскрышных работ и удорожание последующей рекультивации нарушенных территорий.

При разработке месторождений полезных ископаемых в гористой и холмистой местности для вскрытия месторождения приходится также извлекать и перемещать на значительные расстояния большие объемы горных пород, слагающих холмы и горы, расположенные над месторождением. Все это в целом снижает эффективность способа.

Известен также способ повышения устойчивости бортов карьера и его уступов, включающий определение местоположения потенциальных поверхностей скольжения и укрепление контактной прочности пород по этим поверхностям путем сооружения железобетонных свай и шпон, штанг и гибких тросовых связей, защитных и железобетонных подпорных стенок или путем упрочения пород цементацией, смолизацией, силикатизацией и нагнетанием в массив других укрепляющих растворов [Фисенко Г.Л. Устойчивость бортов карьеров и отвалов. - М.: Недра, 1965. - 378 с.].

Среди недостатков описанного способа следует отметить высокую стоимость работ за счет большого расхода дефицитных строительных материалов (цемент, металл, эпоксидные смолы и др.); невысокую надежность, так как укрепление одной потенциальной поверхности скольжения не предотвращает сдвига пород по другой аналогичной поверхности, что представляет угрозу для жизни рабочих, нормальной эксплуатации карьера; низкую технологичность работ, ограничивающую возможность совмещения операций по добыче полезных ископаемых и по бурению скважин для укрепления массива; ухудшение экологической обстановки горнопромышленного района за счет нагнетания в породный массив различных реагентов при химическом закреплении пород; трудность осуществления на плотно застроенных склонах, где не всегда представляется возможность пробурить скважины с необходимой густотой сетки.

Целью настоящего изобретения является существенное снижение объема и стоимости вскрышных работ и их вредного влияния на экологическую среду, повышение устойчивости уступов и бортов карьера, сокращение сроков освоения месторождений и уменьшение потерь полезных ископаемых при разработке месторождений полезных ископаемых комбинированным (открыто-подземным) способом в гористой и холмистой местности.

Указанная цель достигается путем более полного взаимного учета особенностей рельефа местности, их влияния на развитие геомеханических процессов в породном массиве и изменения порядка ведения горных работ по вскрытию и отработке месторождений за счет того, что на первом этапе освоения месторождения под влиянием подземных горных работ происходит выполаживание склонов горы или холма и их потенциальной поверхности скольжения, что существенно повышает устойчивость склонов и бортов карьера, обеспечивая безопасную и эффективную отработку запасов полезного ископаемого в рабочем борту карьера, а на втором этапе освоения месторождения - восстановление естественного профиля указанных склонов, обеспечивающее необходимую устойчивость нерабочего борта карьера.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на Фиг. 1 показана схема вскрытия месторождения для подземной добычи полезного ископаемого под наиболее высокой частью горы или холма с целью дальнейшего выполаживания откосов уступов и бортов карьера, на Фиг. 2 - схема расчета сил, сдвигающих и удерживающих откос от сдвига до подработки (касательные и нормальные составляющие к поверхности скольжения), на Фиг. 3 - схема расчета сил, сдвигающих и удерживающих откос после выполаживания под влиянием подземных горных работ, на Фиг. 4 - совмещенная схема расчета устойчивости откоса карьера и основных параметров сдвижения под влиянием подземных горных работ.

Способ реализуется следующим образом.

Одновременно с вскрышными работами в карьере ведутся работы по вскрытию месторождения для подземной добычи полезного ископаемого под наиболее высокой частью горы или холма. Под влиянием подземных горных работ происходит выполаживание откосов уступов и бортов карьера, что значительно повышает их устойчивость. При этом выполаживается и потенциальная поверхность скольжения, что еще больше повышает устойчивость массива горных пород, слагающих гору или холм, за счет увеличения сил, удерживающих оползневой клин от сползания, и уменьшения сил, сдвигающих его.

В качестве критерия устойчивости борта карьера принимается угол наклона склона горы или холма, который сформировался в течение длительного времени под интегральным влиянием строения и свойств массива горных пород, климатических условий и других особенностей осваиваемой территории. Поэтому подземные горные работы в зоне влияния на борт карьера ведутся в два этапа. На первом этапе эти работы ведут к выполаживанию борта карьера, обеспечивающему безопасную и эффективную отработку месторождения открытым способом. На втором этапе, после завершения работ открытым способом вблизи борта карьера, производится отработка оставшихся запасов подземным способом. При этом нерабочий борт карьера принимает положение, примерно параллельное склону горы или холма, существовавшему до начала ведения горных работ. Эта цель достигается следующим образом:

Из точки в основании склона горы или холма (Фиг. 4), где заканчивается кривизна и начинается прямолинейная часть склона, т.е. где склон пересекается горизонтальной поверхностью, проводится линия в сторону залежи полезного ископаемого под граничным углом до пересечения ее с залежью. Полученная точка пересечения принимается за границу между открытыми и подземными горными работами на первом этапе их осуществления. Рассчитываются и наносятся на вертикальный разрез ожидаемые сдвижения от подземных горных работ. Вычитанием полученных величин оседаний из контура склона до подработки получается его контур после подработки. Как видно из Фиг. 4, верхняя половина склона под влиянием подземных горных работ стала более пологой, а весь склон более устойчивым.

После этого продолжают работу в карьере, сохраняя приданному ему устойчивость борта, или полностью переходят на подземную добычу полезного ископаемого, или повторяют цикл перечисленных выше операций по комбинированной разработке месторождения. Повышение устойчивости достигается за счет выполаживания бортов карьера и склонов горы или холма, за счет поворота векторов в сторону массива и за счет уменьшения нагрузки на потенциальную поверхность скольжения. Таким образом, рекомендованный способ позволяет значительно снизить объемы и стоимость вскрышных работ и их вредное влияние на экологическую среду, повысить устойчивость уступов и бортов карьера, сократить сроки освоения месторождений и уменьшить потери полезных ископаемых.

Пример. На Фиг. 1 в масштабе 1:2000 изображено вертикальное сечение борта карьера, земной поверхности и пласта, разрабатываемого подземным способом. Для определения устойчивости откоса разобьем оползневой массив вертикальными линиями на 8 блоков шириной 30 м каждая. Высоту блоков условно примем за их вес и разложим на касательные и нормальные составляющие поверхности скольжения. Все отрезки нормальных и касательных составляющих, измеренные в миллиметрах, суммируем отдельно, а суммы умножаем на масштаб векторов T_i и N_i, который равен:

где а - ширина блоков;

y - объемный вес пород (в нашем случае y=2,5 т/м³);

Μ - знаменатель масштаба, в котором построен чертеж, т.е. М=2000;

М′ - знаменатель масштаба, в котором построены вектора в нашем случае Μ′=2.

Измеряем длину расчетной поверхности L и составляем отношение:

где f_тр - коэффициент внутреннего трения пород по расчетной поверхности скольжения L (в нашем случае f_тр=0,55); k - сила сцепления, приходящаяся на единицу площади этой поверхности (в данных условиях k=5 т/м²).

В рассматриваемом примере:

значения сил (фиг. 1), удерживающих массив от сползания:

значения сил, сдвигающих массив:

(в миллиметрах, без учета влияния подземных горных работ), L=310 м.

Отсюда

В первом случае (фиг. 1):

что свидетельствует о неустойчивом (предельном) состоянии породного массива

Во втором случае (фиг. 2) откос сформирован влиянием подземной разработки, значения сил (фиг. 3), удерживающих массив от сползания:

значения сил, сдвигающих массив:

(в миллиметрах, с учетом влияния подземных горных работ), L=310 м.

Отсюда

Таким образом, способ позволяет значительно снизить объемы и стоимость вскрышных работ и их вредное влияние на экологическую среду, повысить устойчивость уступов и бортов карьера, сократить сроки освоения месторождений и уменьшить потери полезных ископаемых.