Результат интеллектуальной деятельности: Способ разработки мощных пологих и наклонных удароопасных рудных месторождений

Изобретение относится к горному делу, а именно к подземной разработке пологих и наклонных месторождений полезных ископаемых и может быть использовано для разработки мощных удароопасных и структурно нарушенных участков горного массива.

Известен способ разработки пологих и наклонных удароопасных рудных месторождений под названием: камерная система разработки с использованием искусственной кровли. Системой разработки предусматривается формирование искусственной кровли путем проходки параллельных заходок первой и второй очереди на контакте с вмещающими породами на уровне кровли залежи. Выработанное пространство заходок закладывают твердеющей смесью. После набора твердеющей смесью нормативной прочности в заложенных заходках вынимают полезное ископаемое под искусственной кровлей камерами первой и второй очередей. Отработка камер второй очереди связана с возможностью, как показала практика, возникновения горных ударов. Это и явилось существенным недостатком данного варианта камерной выемки. (Дробот Б.П. Современное состояние технологии подземной разработки бокситовых месторождений // Известия вузов. Горный журнал. 1993. №10. с. 100-101).

Известен также способ разработки рудных месторождений, включающий проходку в руде на контакте с вмещающими породами параллельных заходок первой очереди и между ними проходку заходок второй очереди, формирование искусственной кровли закладкой выработанного пространства заходок, а выемку полезного ископаемого под искусственной кровлей производят камерами первой и второй очередей, соосными заходкам первой очереди, с формированием боковых контуров выработанного пространства по оси заходок второй очереди. (А.С. № 1346793. Способ разработки рудных месторождений. Авторы: Дробот Б.П., Беркович В.Х., Дик Ю.А., Пиленков Ю.Ю., Бакиновский И.И., Нелаев В.А., Ремпель П.А., и Горев Е.С. - Заявка № 4067430 от 11.05.86,опубликовано 23.10.87. Бюл. № 39).

Недостатком данного способа является низкая эффективность и безопасность разработки месторождения в условиях ударопроявлений в неустойчивых вмещающих породах висячего бока рудного тела.

Задачей заявленного способа является повышение эффективности и безопасности горных работ при создании искусственной кровли и выемке камерных запасов под ней за счет:

- придания искусственной кровле большей устойчивости (прочности) вследствие формирования несущего слоя кровли в виде монолитной сводчатой конструкции и армирования закладочного массива кровли анкерами;

- снижения уровня действующих напряжений в рудном теле вследствие опережающей отработки висячего бока;

- снижения объемов горно-подготовительных работ на единицу продукции вследствие существенного увеличения основных камерных запасов, отрабатываемых под искусственной кровлей;

- исключения затрат на крепление кровли камер, отрабатываемых под искусственной кровлей, и снижения показателя разубоживания руды закладочным материалом при очистной выемке;

- оставления на почве выработок, пройденных на контакте с вмещающими породами на уровне кровли залежи, слоя отбитой руды для смягчения разрушительного воздействия энергии взрыва при скважинной отбойке основных камерных запасов руды.

Поставленная задача обеспечивается тем, что в способе разработки мощных пологих и наклонных удароопасных рудных месторождений с неустойчивыми вмещающими породами, включающим создание искусственной кровли в форме несущего свода путем проходки на контакте с вмещающими породами параллельных разновысоких камер-заходок первой и второй очередей и закладки выработанного пространства камер-заходок твердеющими смесями, выемку полезного ископаемого под созданной искусственной кровлей камерами первой очереди с закладкой выработанного пространства твердеющими смесями, и камерами второй очереди с закладкой выработанного пространства твердеющими смесями, при этом, повышение прочности искусственной кровли достигается армированием закладочного массива анкерами, устанавливаемыми по нормали к почве камер-заходок, толщина кровли несущего свода, представляющего собой слоистую разрезную балку, определяется по принципу расчета монолитной сводчатой конструкции с заданной нагрузкой от давления вышележащих слоев закладки и собственного веса несущего свода, а необходимая прочность несущего свода, как сформированной шарнирной системы, обеспечивается при условии:

где k - коэффициент, характеризующий степень концентрации напряжений, возникающих в несущем своде искусственной кровли;

ξ - коэффициент, учитывающий механические свойства закладки;

k_п - коэффициент пригрузки, зависящий от отношения суммарной мощности вышележащих слоев закладки к толщине свода несущего слоя искусственной кровли (определяется по графику фиг. 2);

γ _н - объёмный вес закладки, т/м³;

l - пролёт камеры, отрабатываемой под искусственной кровлей, м;

h_н - толщина свода несущего слоя искусственной кровли, м;

b – ширина свода несущего слоя, м;

σ_сж. – прочность закладки несущего свода искусственной кровли, МПа;

σ_сж.н - нормативная прочность закладки , МПа.

Сущность способа поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана выемка основных камерных запасов руды под сводом искусственной кровли; на фиг. 2 - представлен график зависимости коэффициента пригрузки k_п от отношения суммарной мощности вышележащих слоев закладки к толщине свода несущего слоя искусственной кровли ∑ h_i / h_н, где кривая 10 характеризует пригрузку, соответствующую силе тяжести максимального количества слоев закладки; кривые 11, 12 и 13 характеризуют пригрузку, соответствующую силе тяжести вышележащих слоев закладки, равных 0,25, 0,5 и 1 от tg β соответственно (где β - угол между нормалью к средней линии свода несущего слоя в рассматриваемом сечении и вертикальной осью).

Прочность искусственной кровли, сформированной закладкой, значительно повышается за счет придания ей формы близкой к своду. Образование свода происходит, в свою очередь, вследствие отработки камер-заходок первой и второй очередей разной высоты, что придает искусственной кровле уступообразный вид, приближающийся по форме к фигуре свода обрушения. Это позволяет исключить из очистного цикла крепление кровли камер, отрабатываемых под искусственной кровлей, и сократить до минимума разубоживание руды закладочным материалом.

Отрицательным моментом в технологии создания искусственной кровли является то, что она получается слоистой. Поскольку закладка большого объема пустот без технологических перерывов практически невозможна, слои, получающиеся между промежутками, когда закладочная смесь в камеры не подается, оказываются несвязанными между собой и при обрушении отслаиваются. Для предотвращения ослабления искусственной кровли за счет ее слоистости (чем тоньше слои и чем их больше, тем менее устойчива кровля) она нуждается в дополнительном укреплении, что возможно на основе применения анкерной крепи или установления металлической арматуры.

Анкеры 4 устанавливают в искусственной кровле 1 до начала ее возведения, т.е. до начала подачи закладки в верхний подсечной слой. Для этого бурят короткие шпуры глубиной 10-15 см, в них устанавливают металлические анкеры длиной 1,5-2,0 м, на другом конце которых закрепляют металлические шайбы размером 15х15см. Чтобы во время подачи закладки штанги оставались в вертикальном положении в верхней части их связывают проволокой. После затвердения закладочного массива анкера оказываются уже установленными в нем, а присоединение металлических шайб к ним препятствует их «сползанию».

В отдельных случаях, когда требуются дополнительные меры, на почве отработанного слоя монтируют металлическую арматуру или наряду с установкой штанг обычной длины 1,8 м устанавливают штанги длиной до 3-4 м. Их располагают по оси камеры на расстоянии 3-5 м одна от другой.

Оставление на почве первичных и вторичных камер-заходок верхнего подсечного слоя навала отбитой руды 5, который забирается при отработке нижних камер, позволяет предотвратить разрушение искусственной кровли взрывными работами. Другим решением вопроса сохранения устойчивости искусственной кровли является недобур скважин на 0,3-0,5 м до закладки или отбойки верхней части руды в камере под искусственной кровлей мелкошпуровым методом.

Выемка руды под искусственной кровлей ведется первичными и вторичными камерами 2 и 3, которые располагают через одну таким образом, чтобы их центральные оси совпадали с осями первичных камер-заходок, проходимых в стадии создания искусственной кровли, а их границы находились на осях вторичных камер-заходок.

Закладка выработанного пространства при создании искусственной кровли осуществляется составами, обеспечивающими нормативную прочность закладочного массива не менее 4 МПа. Этим прочностным характеристикам соответствуют составы закладочных смесей с применением в качестве вяжущего цемента и шлаков металлургического производства.

Расчёты показывают, что толщина искусственной кровли со сводчатым несущим слоем в месте расположения камер-заходок первой очереди при её создании может быть не более 3-х метров, а высота камер-заходок второй очереди больше высоты камер первой очереди на 1/2 суммарной ширины этих камер.

При проведении опытно-промышленных испытаний технологии камерной выемки запасов под искусственной кровлей в условиях шахт АО «СУБР» очистной блок подготавливался к очистной выемке системой панельных штреков 7. После создания искусственной кровли арочной формы отбойка основных камерных запасов блока производилась путем взрывания вееров скважинных зарядов 6, а выпуск, погрузка и доставка отбитой горной массы из камер 8 осуществлялись погрузочно-доставочными машинами с дистанционным управлением 9.

Освоение новой технологии и внедрение ее при отработке рудных тел в удароопасных условиях и неустойчивых вмещающих породах позволило:

- получить высокие технико-экономические показатели, в частности, достичь уровень производительности труда забойного рабочего без учета затрат на закладочные работы порядка 48 т/чел.- смену, получить показатели потерь руды 2 - 3 %, а разубоживания - 5%;

- значительно расширить область применения высокопроизводительной
камерной системы разработки;

- повысить безопасность работ за счет снижения величины действующих напряжений в рудном теле вследствие опережающей отработки висячего бока;

- увеличить объемы основных камерных запасов, снизить удельный объем горно-подготовительных работ и повысить в целом эффективность добычи полезного ископаемого.