ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИИ ПОВТОРНОЙ РАЗРАБОТКИ МЕЖДУКАМЕРНЫХ ЦЕЛИКОВ С ПОЛЕВОЙ ПОДГОТОВКОЙ

FAMILIARIZATION WITH THE PARAMETERS OF THE TECHNOLOGY OF CONVERSION DEVELOPMENT OF INTERNATIONAL STEEL WITH FIELD PREPARATION

Kaysar Konyssov

master's student, Department of Mining and Metallurgy, Zhezkazgan University,

Kazakhstan, Zhezkazgan

Askar Imashev

scientific supervisor, Doctor of Ph.D., Faculty of Mining, Karaganda Technical University,

Kazakhstan, Karaganda

АННОТАЦИЯ

Обоснования оптимальной схемы подготовки и минимально возможной мощности породной потолочины, между почвой очистной камеры и кровлей полевого штрека отдельно в красноцветных породах и в серых песчаниках. Анализ состояния полевого штрека и потолочины между ним и почвой. Проанализировать различия в устойчивости полевых выработок в красноцветных породах и в переслаивающемся массиве из серых песчаников и красноцветов. Провести численное моделирование и натурное наблюдение.

ABSTRACT

Substantiation of the optimal scheme of preparation and the minimum possible capacity of the ore ceiling. between the soil of the treatment chamber and the roof of the field drift, separately in red-colored rocks and in gray sandstones. To analyze the differences in the stability of field workings in red-colored rocks and in the overlapping array of gray sandstones and red-colored rocks. Conduct numerical simulations and field observations.

Ключевые слова: междукамерные целики; повторная разработка, штрек.

Keywords: inter-chamber pillars; re-development; field drift.

В тех случаях, когда повторную разработку МКЦ невозможно вести из открытого вырабо­танного пространства, из-за большой мощности или недостаточной устойчивости МКЦ, извлечение целиков следует вести с полевой подготовкой [1, с. 155]. Характерным примером является повторная разработка на глубине 400-450 м МКЦ в блоках 4-2-2юг-79, которыми отработана узкая лентообразная залежь АС-6-II мощностью до 20 м на гор. м20 м шх.73-75. На большой глубине обеспечение устойчивости полевых выработок, особенно при стремлении минимизировать мощность породной потолочины для снижения разубоживания руды породами почвы, представляла собой весьма актуальную задачу.

Для обоснования оптимальной схемы подготовки и минимально возможной мощности породной потолочины, между почвой очистной камеры и кровлей полевого штрека отдельно в красноцветных породах и в серых песчаниках было проведено численное моделирование напяженно-деформированного состояния массива методом локальных вариаций. На глубине 450 м моделировалась отработка 4-х камер шириной 10 м и высотой 20 м с оставлением между ними 3-х МКЦ шириной 10 м. Толща вмещающих (налегающих и подстилающих) пород представлена переслаиванием серых песчаников и красноцветных пород. В почве залежи моделировался слой серых песчаников или красноцветных пород мощностью 4 и 5 м.

Природное напряженное состояние массива задавалось по данным измерений ИГД им. Д.А. Кунаева методом разгрузки. В 80-х годах было установлено, что в поле шх.73-75 максимальные напряжения =  в массиве действуют горизонтально вдоль простирания флексур с азимутом ~0º с коэффициентом бокового давления . Вкрест флексур боковое давление в массиве характеризуется коэффициентом . Выработанное пространство по залежи АС-6-II в поле шх.73-75 представляет собой вытянутую в северо-западном направлении (азимут 320º) ленту, длиной около 2 км и шириной 80- 130 м. Выбранное расчетное сечение ориентировано вкрест длины залежи. Угол  между расчетной плоскостью и направлением действия в массиве равен 50º. Расчетный коэффициент бокового давления в плоскости модели определен по формуле: 

= _· Sin² + ·Cos² = 3,0.                                                     (1)

Для анализа состояния полевого штрека и потолочины между ним и почвой камеры все результаты будет представлять в окне, показанном на рис. 1. По результатам расчета наблю­даются разрушения в кровле и почве камер.

Они обусловлены большим горизонтальным давлением в массиве ( = 3,0). Данные результаты соответствуют проявлениям горного давления, которые наблюдались на практике в ходе отработки залежи: многочисленные отслоения кровли, из-за которых неоднократно приходилось производить ремонт и восстановление анкерной крепи кровли камер. Согласование натурных и расчетных данных свидетельствует о достаточной достоверности моделирования. Полевая подготовка моделировалась в 9 вариантах, в которых варьировались разности пород потолочины (серые песчаники или красноцветы), мощность потолочины (4 м или 5 м), поло­жение полевого штрека относительно камер и целиков (варианты: под центром камеры, под краем камеры, под краем целика, под центром целика).

Рисунок 1. Разрушения массивов (в процентах от полного) после первичной разработки залежи АС-6-II камерно-столбовой системой

На рис. 2 показаны зоны разрушения массивов при различном расположении полевого штрека. Породная потолочина, мощностью 4 м представлена, крепким серым песчаником.

Рисунок 2. Зоны разрушения массивов при расположении полевого штрека: под центром и краем камеры, под краем и центром МКЦ

Полученные результаты показали, что наименьшая устойчивость штрека наблюдается при его расположении под центром камеры, а наибольшая устойчивость – под центром целика. Промежуточное расположение штрека (под краем камеры или целика) обладает промежуточной устойчивостью. Данный результат, на первый взгляд, парадоксален. Изначально предполагалось обратное: под камерой состояние полевого штрека должно было быть благоприятнее, чем под целиком, ведь под камерой нет давления, а под целиком есть. Однако моделирование показало, что в условиях шх.73-75 это не так.

Дело в том, что в поле шх.73-75 действуют высокие тектонические напряжения. Они почти в 5 раз превышают вертикальное давление налегающей толщи. Они зарегистрированы инстру­ментально методом разгрузки. Они проявлялись в виде стреляний в кровле и толчков в почве при проходке штреков вкрест простирания флексур. Они проявлялись при отработке камерных запасов блоков в виде внезапных интенсивных площадных отслоений с кровли камер.

После отработки камер вертикальное давление над и под ними разгружется. Домини­рующим в кровле и почве камер является горизонтальное давление. Поэтому кровля и почва раздавливаются горизонтальными напряжениями в условиях одноосного сжатия.

При проходке полевого штрека под центром камеры, он оказывается в условиях одноосного горизонтального сжатия. При таком нагружении происходит раздавливание его кровли и почвы. Зоны разрушения почвы камеры и кровли штрека под центром камеры соединяются в одну большую зону. Значения критерия разрушения в кровле полевого штрека достигают 70% от предельных [2, с. 143].

При проходке полевого штрека под центром целика, он оказывается в зоне объемного сжатия. Поэтому устойчивость полевого штрека выше. Значения критерия разрушения в кровле полевого штрека не превышают 25% от предельных. Это связано с тем, что максимальная концентрация напряжений max  в кровле полевого штрека в соответствии с известным реше­нием Б. Кирша определяется разностью:

max = 3_гор - _вер,                                                              (2)

_вер, _гор – вертикальные и горизонтальные напряжения в массиве, где ведется проходка штрека.

Под центром камеры вертикальные напряжения разгружены. Поэтому в кровле полевого штрека под камерой максимальные действующие напряжения определяются тройной величиной горизонтального давления. Под центром целика, вертикальное давление в почве определяется нагрузкой на МКЦ. Она может быть сопоставима с горизонтальным давлением. Поэтому максимальные действующие напряжения в кровле полевого штрека под целиком могут быть значительно ниже и достигать двойной величины горизонтального давления. Моделирование других вариантов выявило следующее:

• при увеличении мощности породной потолочины состояние полевого штрека улуч­шается. Особенно при его расположении под центром камеры. Например, в серых песчаниках при мощности потолочины 4 м значения критерия разрушения в кровле штрека достигают 60-75% от предельных, а при мощности 5 м – 30-50%. Т.е. увеличение мощности потолочины всего на 1 м приводит к снижению значений критерия разрушения в 1,5-2,0 раза.
• устойчивость полевого штрека в серых песчаниках выше, чем в красноцветных породах, в которых и объемы зон разрушения и значения критерия разрушения примерно в 1,5 раза выше, чем в потолочине из серых песчаников. Выявленные численным моделированием закономерности проявлений горного давления сопоставлены с фактическим состоянием поле­вых выработок. Проведены массовые обмеры габаритов (ширина-высота) полевых выработок в полях шахт Покро, 55, 57, 45, 65. Параллельно по геолого-маркшейдерской документации устанавливались мощность породной потолочины, ее геологическое строение (тип породы), место промера габаритов полевой выработки (под камерой или под целиком).

Анализ фактических материалов велся по двум параметрам:

• по соотношению ширины выработки a к ее высоте h. Данный параметр a/h характеризует форму разрушения выработки. В проходке соотношение габаритов выработки равно a/h ~ 1. Если происходит разрушение бортов выработки, то увеличивается ее ширина, поэтому соотношение a/h становится существенно больше 1. Если обрушается кровля выработки, тогда a/h  1. Т.е. отклонение соотношения a/h от 1 в любую сторону характеризует проблемы с устойчивостью полевой выработки;
• по площади поперечного сечения выработки, которая в первом приближении определялась, как a·h. Данный параметр характеризует масштаб разрушения. Среднее проектное сечение выработки можно принять порядка 22 м². Если фактическое значение a·h значительно превышает проектное, то это говорит об интенсивных разрушениях и кровли и бортов выработки.

Фактические сечения полевых выработок, в основном, находятся в пределах 22-26 м². Статистически значимой разницы в площадях сечений выработок под камерами и под целиками не обнаружено. Этот вывод не подтверждает результаты численного моделирования, но и не опровергает их. Т.к. условия численного моделирования (большая глубина, большое горизонтальное давление) и геомеханические условия фактических выработок существенно различные [3, с. 4].

Вторым шагом анализировалось состояние полевых выработок в зависимости от мощности породной потолочины. Результаты представлены на рис. 3. Полученные результаты весьма красноречиво показывают резкое ухудшение состояния полевых выработок при уменьшении мощности породной потолочины. При малых мощностях потолочины (менее 7 м), форма сечения выработки a/h имеет самый большой разброс: от 0,7 (вывалы из кровли) до 2,5 (отслоения с бортов). С увеличением мощности потолочины форма сечения статистически приближается к проектному соотношению a/h  1.

Рисунок 3. Зависимости формы a/h (слева) и площади a· h (справа) сечения полевых выработок от мощности породной потолочины

Аналогичную тенденцию показывает также параметр a·h – площадь сечения полевой выработки. При малой мощности потолочины достаточно часто наблюдаются большие сечения выработок, превышающие средние проектные в 2,0-2,5 раза. Это характеризует интенсивность их разрушения. При увеличении мощности потолочины фактические сечения полевых выработок приближаются к проектным. Это означает, что устойчивость выработок становится выше.

На третьем этапе анализировались различия в устойчивости полевых выработок в красноцветных породах и в переслаивающемся массиве из серых песчаников и красноцветов. К сожалению, случаи, когда породная потолочина представлена только серым песчаником, достаточно редки. В 310 точках замеров габаритов полевых выработок породная потолочины была представлена:

• только красноцветными породами – в 137 точках;
• переслаиванием серых песчаников и красноцветов – в 165 точках;
• только серыми песчаниками - всего в 8 точках.

Проведенный анализ показал, что нет статистически значимых различий в устойчивости полевых выработок в красноцветных и переслаивающихся массивах.

По результатам численного моделирования и натурных наблюдений сделаны следующие выводы:

• в условиях действия в массиве высоких тектонических напряжений, полевые штрека целесообразно размещать под МКЦ; в этом случае они обладают наибольшей устойчивостью; наименьшая – наблюдается при их расположении под центром камеры;
• в районах, где тектонические напряжения разгружены обрушениями налегающей толщи, расположение полевых штреков не лимитируется горным давлением
• моделированием и анализом натурных данных установлен факт снижения устойчивости полевых выработок при уменьшении мощности породной потолочины до почвы выработанного пространства;
• минимально допустимые мощности породной потолочины от кровли полевого штрека до почвы выработанного пространства составляют: в серых песчаниках – 4 м; в красноцветных породах (алевролиты, аргиллиты) и переслаивающейся толще пород – 5 м.

Список литературы:

1. Смирнов В.И., Тихонов А.И. Обжиг медных руд и концентратов. Свердловск: Металлургиздат, 1958. – 283 с.
2. Кузьмин Е.В., Узбекова А.Р. Самообрушение руды при подземной добыче. – Москва: Изд. МГГУ, 2006, 284 с.
3. Медведев А.С. и др. Особенности электрохимических реакций, сопровождающих хлорирующий обжиг сульфидных медных концентратов // Изв.Вузов. Цветная металлургия, 2012. - №3. – С. 3-6.