Способ извлечения запасов полезного ископаемого из целиков

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при выемке полезного ископаемого из целиков, оставленных при ведении горных работ подземным способом.

Известен способ отработки междукамерных целиков системами разработки с обрушением руды и вмещающих пород, включающий послойную отбойку и выпуск отбитой руды через воронки на откаточный горизонт. При этом образуют компенсационную камеру с оставлением опорных целиков по двум его боковым сторонам, затем отбивают слой руды над потолочиной компенсационной камеры и после выпуска отбитой руды обивают слой такой же мощности от нижней части опорных целиков с последующим выпуском отбитой руды [Авторское свидетельство СССР №569712 «Способ разработки рудных месторождений», 1977 г.].

Недостатками способа являются значительные засорение и потери руды вследствие смешения ее с породой в момент взрыва, а также в связи со сложностью выпуска рудной массы, находящейся на лежачем боку залежи.

Известен способ отработки целиков, включающий проходку подготовительно-нарезных выработок в почве панели, закладку выработанного пространства закладочным материалом, бурение скважин в целиках с последующим размещением в них зарядов ВВ и их взрыванием, выпуск руды на подготовительные выработки. При этом с целью снижения разубоживания горной массы, повышения безопасности горных работ и эксплуатации объектов на земной поверхности подготовительно-нарезные выработки проходят в породах почвы после гидрозакладки выработанного пространства хвостами обогащения и удаления из них жидкой фракции, и после разрушения целиков под выпуском разрушенной горной массы образуют у кровли выработанного пространства технологические пространства, а основную часть разрушенной горной массы выпускают равномерно в направлении от центра панели к ее флангам после заполнения закладкой образованных технологических пространств и усадки закладки [Авторское свидетельство СССР №1266989 «Способ отработки целиков», 1980].

Недостатком данного способа является низкая эффективность горных работ, что связано с повышением затрат на производство дополнительных подготовительных выработок и полной закладкой выработанного пространства, с одной стороны, а с другой стороны - заниженными объемами добываемой руды.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ отработки междукамерного целика, включающий массовое обрушение вмещающих пород на днище камер с воронками выпуска, бурение и взрывание скважин в массиве междукамерного целика, обрушение запасов руды целика и выпуск отбитой руды под защитой естественного перекрытия, при этом центральную часть массива междукамерного целика обрушают и магазинируют внутри образованной П-образной пространственной конструкции, которую формируют из ограждающих целиков со стороны смежных выработанных пространств и потолочины, после отрезки П-образной конструкции от пород висячего и лежачего боков производят ее перемещение по вертикали путем послойной отбойки руды ограждающих целиков и выпуска ранее замагазинированной руды, предотвращение засорения руды при отбойке ножек П-образной конструкции достигается ранее образованными рудными сопряжениями с основанием междукамерного целика [Патент РФ №2010972 «Способ отработки междукамерного целика», 1994 г. (прототип)].

К недостаткам данного способа относят большие потери, а также трудности в управлении устойчивостью образующихся выработанных пространств.

Целью изобретения является повышение эффективности горных работ при извлечении запасов из оставленных при подземной добыче междукамерных и барьерных целиков, а также снижение потерь полезного ископаемого за счет формирования свода в горизонтальном сечении и использования сил сжатия целика в горизонтальном направлении вместо его растяжения.

Указанная цель достигается повышением устойчивости целиков за счет создания выработанного пространства (камер) цилиндрической формы - круглого в горизонтальном сечении.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на Фиг. 1 изображен столбчатый целик, на Фиг. 2 - его горизонтальное сечение, на Фиг. 3 - созданное выработанное пространство в целике, на Фиг. 4 - его горизонтальное сечение.

Способ реализуется следующим образом.

При подземной разработке месторождений полезных ископаемых вскрытие оставленных ленточных целиков осуществляют из выработок, пройденных в кровле целиков. Затем в ленточных целиках в нисходящем порядке создают камеры цилиндрической формы. При этом повышение несущей способности происходит за счет действия сил бокового распора. Кроме того, при оценке действующих напряжений, испытываемых целиками, учитывают расположение ленточных целиков в шахтном поле.

Главное напряжение в вертикальном направлении определяется весом пород вышележащей толщи и плотностью (объемным весом) покрывающих пород (Фиг. 1):

где γ_i - объемный вес i-го слоя пород, т/м³;

h_i - мощность i-го слоя, м;

Н - глубина рассматриваемой точки от дневной поверхности, м;

k_н - коэффициент неоднородности распределения напряжение вблизи горной выработки; в зоне повышенного горного давления k_н=2; в зоне разгрузки k_н=0,5.

Так, в случае расположения ленточных целиков в зоне повышенного горного давления (как правило, это барьерные целики), действующие напряжения в 4 раза выше напряжений в целиках, расположенных в зоне разгрузки (междукамерные целики).

Каждый элементарный объем под действием вертикального гравитационного напряжения σ₁ будет испытывать деформации сжатия в вертикальном и деформации растяжения в горизонтальных направлениях (Фиг. 1, 2). Однако последним препятствует реакция окружающих пород, в результате чего возникают горизонтальные сжимающие напряжения σ₂ и σ₃, численно равные

σ₂=σ₃=ξσ₁,

где ξ - коэффициент бокового давления (коэффициент бокового отпора), показывающий, какую часть вертикальной нагрузки, действующей в рассматриваемой точке массива, составляют силы или напряжения, действующие в вертикальной плоскости.

При нагружении целики испытывают сжатие вдоль вертикальной оси - σ₁, при этом возникают силы бокового отпора, σ₂ и σ₃, которые разрушают целик, то есть реализуются растягивающие силы вместо сил сжатия. Это приводит к разрушению оставленного целика, поскольку сопротивление горных пород растяжению в несколько раз меньше, чем сжатию.

Принимая свойства горного массива, состоящего из структурных единиц с определенной степенью связности, свойства некоторой условной сыпучей среды, образующийся свод естественного равновесия приобретает устойчивую форму. При этом нагрузка от вышележащей части массива горных пород не передается внутрь этого свода.

Для повышения несущей способности выработанному пространству придают форму свода в горизонтальном сечении (Фиг. 3, 4). При этом массив испытывает горизонтальные сжимающие силы σ₂ и σ₃, образуется так называемый некоторый свод естественного равновесия в плане, обеспечивающий устойчивое состояние горной конструкции. При этом целик сохраняет свою несущую способность и обеспечивается требуемый уровень полноты его отработки.

Отбойку и выпуск отбитой руды осуществляют на откаточный горизонт. Возможно применение системы с закладкой выработанного пространства.

Схема расположения цилиндрических камер принимается в соответствии с обеспечением несущей способности и полноты отработки целика.

При этом должно обеспечиваться условие устойчивости выработанного пространства, исходя из соотношения:

σ₁<σ_сж,

где σ_сж - временное сопротивление горных пород сжатию, МПа.

Таким образом, способ извлечения запасов полезного ископаемого из целиков при подземной разработке месторождений полезных ископаемых включает надработку оставленных целиков подготовительными нарезными выработками, отбойку и выпуск отбитой руды на откаточный горизонт, при этом выработанному пространству придают цилиндрическую форму для повышения несущей способности массива горных пород и расположенных в нем выработок за счет использования сил сжатия целика в горизонтальном направлении вместо его растяжения.

Способ позволяет повысить эффективность горных работ при извлечении запасов из оставленных при подземной добыче междукамерных и барьерных целиков, а также снизить потери полезного ископаемого за счет использования сил сжатия целика в горизонтальном направлении вместо его растяжения.