Результат интеллектуальной деятельности: Способ разработки ограниченных в плане крутопадающих рудных тел

Изобретение относится к горному делу, а именно к комбинированной (открыто-подземной) разработке ограниченных в плане крутопадающих рудных тел.

Известен способ разработки обводненных месторождений полезных ископаемых, включающих проведение этажных квершлагов, кольцевых дренажных выработок, бурение дренажных скважин, отработку рудного тела по контуру горизонтальными слоями на всю высоту водоносных горизонтов и последующую выемку руды в центральной части рудного тела системами с обрушением (А.С. № 949185. Способ разработки обводненных месторождений полезных ископаемых. Авторы: Дементьев И.В., Зайцев А.Т., Ильин А.М., Лешков В.Г., Подузов Б.П. - Заявка № 3219475/22-03 от 15.12.80).

Недостатком способа является невысокая интенсивность разработки месторождения из-за раздельной выемки запасов периферийной и центральной частей.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ разработки месторождений полезных ископаемых, включающий определение контура зоны разработки, проведение выработок за контуром зоны разработки, отработку полезного ископаемого по контуру зоны разработки с образованием выработанного пространства, возведение крепи заполнением выработанного пространства твердеющей закладкой, выемку полезного ископаемого внутри крепи и его отгрузку, причем, проведение выработок за контуром зоны разработки осуществляют по спирали сверху вниз (А.С. № 1745931. Способ разработки месторождений полезных ископаемых. Авторы: Беркович В.Х., Дик Ю.А., Зобнин В.И., Подмарев К.Ш., Тарчевский Е.В. - Заявка № 4827141/03 от 07.07.92).

Недостатком данного способа является низкая эффективность разработки месторождения, связанная с необходимостью учета ряда ограничений при выборе конструкции искусственного ограждения.

Задачей заявленного способа является повышение эффективности разработки ограниченных в плане крутопадающих рудных тел с возведением опережающего искусственного ограждения (кольцевой бетонной крепи) за счёт:

- уменьшения толщины ограждения при использовании высокопрочных твердеющих закладочных смесей, что позволит снизить негативное воздействие его веса;

- создания искусственного ограждения переменной толщины, изменяющейся с увеличением глубины отработки запасов месторождения. Это связано с тем, что величины сдвигающих и удерживающих сил (напряжений), воздействующих на ограждение, увеличиваются с глубиной, что даёт возможность увеличивать и мощность (толщину) ограждения постепенно с увеличением глубины разработки;

- возведения искусственного ограждения в виде нескольких изолированных уступов, высота которых зависит от прочности используемой закладки, от углов наклона уступов и толщины ограждения, зависящей, в свою очередь, от соотношения возникающих горизонтальных и вертикальных напряжений (чем выше соотношение горизонтальных и вертикальных напряжений, тем больше должно быть отношение мощности ограждения к его высоте);

- значительного уменьшения объемов вскрышных работ и сокращения площади изымаемых из хозяйственного оборота земель.

Поставленная задача обеспечивается тем, что в способе разработки, включающим установление контура зоны разработки, проведение от земной поверхности спиральной выработки с уклоном, позволяющим использовать самоходное оборудование, и отработку месторождения полезного ископаемого подземным способом по контуру зоны разработки с образованием выработанного пространства, возведение искусственного ограждения (бетонной крепи) путем заполнения выработанного пространства высокопрочной твердеющей закладкой, выемку открытым способом массива полезного ископаемого внутри ограждения после возведения его первого витка в виде нескольких изолированных уступов, наращивание параллельно с выемкой руды следующего витка ограждений, при этом, мощность создаваемого искусственного ограждения должна увеличиваться постепенно одновременно с увеличением глубины разработки, она должна быть достаточной для компенсации вертикальных напряжений, зависящих от углов наклона уступов ограждения, прочности и удельного веса используемой закладки, и соответствовать по величине условию:

m ≥ σ_сж × cos α / γ,

где m - нормальная мощность ограждения, м;

σ_сж - прочность закладки на одноосное сжатие, МПа;

α - угол наклона уступа возводимого ограждения, град.;

γ - удельный вес закладки, кН/м³.

Сущность способа поясняется чертежами, где на фиг. 1 - представлена технология возведения искусственного ограждения (кольцевой бетонной крепи), где 1 - спиральный съезд, 2 - камеры первой очереди, 3 - камеры второй очереди, 4 - буро-доставочные выработки, 5 - взрывные скважины, 6 - твердеющая закладка;

на фиг. 2 - показано изменение коэффициента запаса устойчивости бетонной крепи в зависимости от угла наклона уступа ограждения и его толщины, где график а) соответствует углу наклона уступа 50 град., а график б) - углу наклона уступа 70 град., а кривые 7, 8 и 9 - толщине крепи соответственно 10 м, 20 м и 30 м.;

на фиг. 3 - показана предлагаемая конструкция искусственного ограждения в виде нескольких изолированных уступов;

на фиг. 4 - представлен вариант комбинированного способа отработки Шемурского месторождения с крутыми нерабочими бортами, а

на фиг. 5 - представлен вариант комбинированного способа отработки Ново-Шемурского месторождения, где 10 - проектный контур карьера, 11 - новый контур карьера, 12 - наклонный съезд, 13 - кольцевая бетонная крепь.

Отработку ограниченного в плане крутопадающего рудного тела начинают с установления контура зоны разработки, за этим контуром проходят сверху вниз спиральную выработку 1 (фиг. 1). Параллельно спиральной выработке по контуру зоны разработки формируют выработанное пространство для сооружения искусственного ограждения (кольцевой бетонной крепи) путем последовательной отработки подземным способом камер первой 2 и второй 3 очередей. Для этого из спиральной выработки проходят буро-доставочные выработки 4, из которых разбуривают скважинами 5 и взрывают камерные запасы. Отбитую горную массу самоходным оборудованием вывозят по спиральной выработке на поверхность. После завершения выемки запасов и зачистки почвы отработанных камер их закладывают твердеющей смесью 6. Камеры второй очереди отрабатывают после достижения твердеющей закладкой нормативной прочности.

Проветривание подготовительно-нарезных выработок осуществляют по нагнетательной схеме с подачей воздушной струи по вентиляционным скважинам, пробуренным с поверхности. После сооружения одного витка бетонной крепи приступают к отработке запасов внутри ограждения открытым способом. Параллельно с этими работами ведут наращивание следующего витка бетонной крепи. Таким образом, удается интенсивно отрабатывать, ограниченное в плане, крутопадающее рудное тело благодаря непрерывной выемке запасов руды в центральной и периферийной частях.

Кроме описанного выше этажно-камерного варианта системы разработки при возведении искусственного ограждения в виде кольцевой бетонной крепи можно применять и систему разработки нисходящими горизонтальными слоями с закладкой. Выбор системы разработки зависит от свойств вмещающих пород и их устойчивости.

Необходимо отметить, что работа искусственного ограждения (кольцевой бетонной крепи) имеет существенное отличие от работы подпорных стенок любого типа, так как твердеющая закладочная смесь, используемая для создания ограждения, обеспечивает идеальный контакт бетонной крепи с вмещающими породами, что исключает опрокидывание искусственного ограждения.

Для более точной оценки влияния пригрузки искусственным ограждением на устойчивость бортов карьера была выполнена серия расчетов по специальной методике В.Г. Зотеева путем построения поверхностей скольжения при расчете ограждающих дамб. Расчеты велись для уступов, имеющих угол откоса 50° и 70°. Глубина карьера в обоих вариантах составляла 200 м. Угол внутреннего трения массива и сцепление в нем были приняты равными соответственно 26° и 0,6 МПа, а плотность массива - 2,75 т/м³. Высота искусственного ограждения в расчетах менялась от 0 до 200 м с шагом 20 м. Толщина (нормальная мощность) бетонной крепи принималась одинаковой по всей высоте ограждения. При этом для каждой высоты ограждения просчитывался коэффициент запаса устойчивости при разной толщине крепи, которая принималась равной 10, 20 и 30 м. Результаты расчетов в виде графиков зависимости запаса устойчивости от высоты и мощности искусственного ограждения приведены на фиг. 2. Анализ графиков позволяет заключить, что по мере увеличения высоты искусственного ограждения величина коэффициента запаса устойчивости снижается по нелинейному закону, причем, это снижение происходит при различной толщине бетонной крепи. Выпуклый характер графиков и расхождение ветвей, соответствующих различной толщине ограждения, свидетельствуют о том, что интенсивность снижения устойчивости растет с увеличением высоты и толщины ограждения. При возрастании угла наклона борта уступа снижение коэффициента запаса при сооружении ограждения по всей высоте обнажения может достигать 12% и более.

Создаваемое искусственное ограждение имеет ограничение по высоте, определяемое прочностью используемой закладки, углом наклона и толщиной возводимого ограждения, а также величиной и соотношением первоначальных напряжений (чем выше соотношение горизонтальных и вертикальных напряжений, тем больше должно быть отношение толщины ограждения к ее высоте). Для того чтобы в принципе снять это ограничение, искусственное ограждение необходимо возводить в виде нескольких изолированных уступов (фиг. 3). Каждый из уступов может иметь свой наклон и толщину в соответствие с инженерно-геологическими характеристиками породного массива. Так как опорой каждой из частей ограждения будет являться более жесткий и прочный массив, то зоны концентрации напряжений будут разделены в пространстве. Кроме того, предлагаемая технология позволяет увеличить фронт работ по созданию искусственного ограждения, поскольку возведение ограждения на каждом из уступов может выполняться независимо от других. Однако при выборе конструкции искусственного ограждения необходимо учитывать очевидное ограничение, связанное с прочностью твердеющей закладки: вертикальные напряжения, вызываемые весом ограждения, не должны превышать прочность бетона на одноосное сжатие, составляющую обычно 3-5 МПа.

Пример конкретного применения способа разработки

Основные положения предлагаемой технологии были использованы при проектировании отработки Шемурского и Ново-Шемурского месторождений медно-колчеданных руд, расположенных на восточном склоне Северного Урала. Находясь в 2÷5 км от заповедника «Денежкин Камень», они имеют слабую перспективу разработки традиционным способом в виду большой экологической опасности. Предлагаемая технология отработки - с минимальным нарушением недр - делает её весьма перспективной.

Рудная зона Шемурского месторождения имеет мощность в северных и центральных частях до 200 м. Угол падения рудной залежи достигает 50°. Центральная часть месторождения выходит на поверхность. Вредные примеси в рудах представлены свинцом, мышьяком, сурьмой и фтором. Балансовые запасы медных руд категории С1 + С2 составляют 5,1 млн т.

Проект отработки Шемурского месторождения выполнен традиционным способом. Параметры карьера: глубина - 120 м, длина по простиранию - 630 м, ширина - 370 м. Объём добычи горной массы - 10720 тыс. м³, в том числе вскрыша - 8920 тыс. м³. Средний коэффициент вскрыши - 1,7 м³/т. Производительность карьера по руде - 800 тыс. т/год. Срок существования карьера - 8,5 лет.

После сравнения различных параметров искусственного ограждения (кольцевой бетонной крепи) наиболее оптимальной оказалась кольцевая крепь с верхней отметкой 750 м и наружным диаметром по верху 100 м, наружным диаметром по низу 50 м (отметка 620 м), высотой 120 м и толщиной 14 м (фиг.4).

Технология возведения кольцевой крепи позволяет иметь одновременно в работе семь камер. К началу открытых горных работ внутри ограждения должны быть готовы, как минимум, два витка кольцевой крепи, т.е. необходимо отработать подземным способом 14 камер, для чего потребуется 3 года.

Аналогичным вариантом предлагается отработать и Ново-Шемурское месторождение. Альтернативным проектному варианту является комбинированный вариант отработки, при котором центральная часть месторождения выше горизонта 240 м отрабатывается карьером до глубины 190 м. Объем горной массы составит 31,0 млн м³. Юго-Восточный участок месторождения ниже отметки 200 м отрабатывается по новой технологии (фиг. 5). Причем, календарный график подготовки, строительства и эксплуатации рудника составлен таким образом, что за время отработки карьера (до абсолютной отметки 200 м) будет сооружено подземным способом ограждение до отметки 50 м. Параметры ограждения примерно такие же, как и при отработке Шемурского месторождения.

Затраты на возведение кольцевой бетонной крепи включают стоимость проходки наклонного съезда и подземной отработки камер с последующей закладкой их твердеющим материалом. Основные технико-экономические показатели отработки Шермурского и Ново-Шемурского месторождений с использованием предлагаемой открыто-подземной технологии разработки в сравнении с проектными традиционными вариантами приведены в таблице.

Таблица 1. Сравнение технико-экономических показателей отработки Шемурского и Ново-Шемурского месторождений

Из таблицы следует, что при разработке месторождений по новой технологии объемы выемки горной массы в 5-8 раз меньше, чем при традиционной. Это происходит за счет снижения объемов вскрышных работ, что, в свою очередь, сводит к минимуму нарушение земель, затраты на добычные работы и решает многие экологические проблемы горного производства.

Проведенные исследования и предпроектные проработки по оценке экономической эффективности предлагаемого открыто-подземного способа разработки показали, что предложенная технология позволяет резко снизить затраты на добычу полезных ископаемых, сократить ущерб, наносимый горными работами окружающей среде и повысить интенсивность отработки месторождения.