Обоснование эффективных схем многогоризонтной отработки калийных руд Старобинского месторождения

Блохин, Сергей Леонидович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Обоснование эффективных схем многогоризонтной отработки калийных руд Старобинского месторождения
ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации по теме "Обоснование эффективных схем многогоризонтной отработки калийных руд Старобинского месторождения"

На правах рукописи

БЛОХИН Сергей Леонидович

ОБОСНОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ СХЕМ МНОГОГОРШОНТНОЙ ОТРАБОТКИ КАЛИЙНЫХ РУД СТАРОБИНСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ

Специальность 25.00.22 - Геотехнология (подземная,

открытая и строительная)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2005

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете).

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор

Ведущая организация - ОАО ВНИИГалургия.

Защита диссертации состоится 27 июня 2005 г. в 15 ч на заседании диссертационного совета Д 212.224.06 при Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете) по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, дом 2, ауд. № 1303.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан 27 мая 2005 г.

Олег Владимирович Ковалев

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Иван Емельянович Долгий,

кандидат технических наук

Дмитрий Владимирович Сидоров

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета д.т.н., профессор

Ж5&

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одним из крупнейших производителей калийных удобрений является РУП ПО "Беларуськалий", включающее четыре рудоуправления, которые ведут разработку Старо-бинского месторождения калийных солей. Они обеспечивают 14+16 % объемов мирового производства.

В условиях Старобинского месторождения накоплен значительный опыт применения различных систем разработки при отработке Второго и Третьего калийных горизонтов. При этом Второй калийный горизонт значительно отработан, а работы на Третьем калийном горизонте "стягиваются" к центру шахтных полей. Около 85-90 % производственных мощностей расположено именно на этом горизонте

На первоначальном этапе эксплуатации месторождения основной являлась камерная система разработки с поддержанием кровли на жестких или податливых целиках. Со второй половины 70 годов началось внедрение систем с обрушением кровли при столбовой подготовке, которые сейчас стали основными и в ближайшие десятилетия, вероятно, останутся таковыми.

В используемых системах разработки проходится до 15 выработок для подготовки двух слоевых лав, что требует оставления междуштрековых и межпанельных целиков значительной суммарной ширины. Такая подготовка выемочных столбов определяет низкое извлечение руды (в среднем около 50н-60 %) и снижение ее качества, поскольку до ~ 20 % добычи обеспечивается из подготовительных забоев, в которых реализуется валовая выемка руды.

Существенный вклад в теорию и практику планирования и ведения очистных работ на калийных рудниках сделан учеными и специалистами- Андрейко С.С., Зубовым В.П., Ковалёвым О.В., Калугиным П А , Красноштейном А Е., Комиссаровой В.К , Лаптевым БВ. Нестеровым МП., Поляниной Г.Д Проскуряковым Н.М., Смычником А.Д , Шалынским Г П и др. В тоже время механизм деформирования и разрушения вмещающих толщ при совмеснюй выемке нескольких горизонтов соляных пластов, особенно на затухающей стадии их отработки, имеет особенности, требующие до-

полнительных исследований, поскольку значимо влияет на технологические параметры добычи руды

Рациональная отработка запасов таких месторождений как Старобинское, требует принятия соответствующих решений не только при выборе экономически целесообразных систем разработки пластов, но и способов подготовки запасов для последующей их выемки. В тоже время - приоритетный - обратный способ подготовки и отработки месторождения обусловливает наличие существенных проблем горно-геомеханического характера при выемке запасов на конечной стадии эксплуатации шахтопластов. Отмеченное, связано с активизацией горного давления в зонах отработки указанных запасов, оконтуренных выработанными пространствами ранее отработанных участков В таких зонах рационализация горнотехнологических параметров добычи может быть достигнута за счёт научно-обоснованного управления горно-геомеханическими процессами, учитывающего взаимовлияние отрабатываемых горизонтов.

В условиях одновременной отработки нескольких горизонтов, особенно на стадии доработки запасов, сформулированы цель и задачи научных исследований, а также направления их прикладного использования.

Цель работы: Эффективное планирование развития фронта очистных работ на базе разработанной методики надёжного прогнозирования геомеханических ситуаций на шахтных полях, особенно на затухающей стадии отработки запасов,.

Идея работы: Стратегия развития фронта очистных работ должна базироваться на оценке геомеханического взаимовлияния отработки горизонтов с учетом анализа полей вертикальных компонентов тензора напряжений.

Основные задачи исследований:

• анализ и теоретическое обобщение (систематизация) характерных горно-геологических условий и технологических параметров отработки Старобинского месторождения;

• анализ проблем, сопровождающих отработку горизонтов и поиск путей повышения эффективности извлечения запасов;

• разработка геомеханической модели взаимодействия ответственных элементов геомеханической системы;

• изучение механизмов горно-геомеханического взаимовлияния отрабатываемых свит пластов калийных солей и определение критериальных параметров, характеризующих выбор рациональных и безопасных схем выемки;

• разработка эффективных пространственно-планировочных решений по отрабо1ке свиты калийносоляных пластов, обеспечивающих минимизацию по!ерь полезного ископаемою при гарашированной безопасности ведения горных работ

Научная новизна:

- установлены функциональные взаимосвязи между параметрами гехнологических схем и интенсивностью геомеханических процессов, которые характеризуются экстремальными (граничными) ситуациями с точки зрения безопасности и стоимости используемых технологий;

- предложены зависимости, позволяющие установить степень концентрации вертикальных напряжений при одно- и многого-ризонтной выемке запасов на различном расстоянии от фронта ведения очистных работе учетом фактора времени;

Основные защищаемые положения.

1. Изменение горного давления на рабочих горизонтах Ста-робинского месторождения зависит от "геометрических параметров" отрабатываемых участков шахтного поля в пространстве (в плане и по разрезу) и времени

2 Методические принципы выбора безопасно-рациональных пространственно-планировочных решений при доизвлечении запасов должны базироваться на оценке "уровня взаимовлияния" отрабатываемых горизонтов с учетом фактора времени и анализе вертикальной компоненты напряжений ау

3. Определение безопасно-рациональных параметров схем отработки, особенно в центральных зонах шахтных полей на стадии затухания добычи сильвинитового сырья, целесообразно производить по разработанному алгоритму оценок горно-геологических и горно-технических факторов, включающем анализ полей Сту.

Методы исследований: Выполнялись анализ и обобщение предшествующих работ, изучались геологические и горнотехнические условия разработки калийных пластов Старобинского

месторождения; использован комплексный метод, включающий аналитические и экспериментальные исследования

Достоверность научных положений и выводов обосновывается представительным объемом проанализированной информации корректностью выполненных численных экспериментальных исследований, качественным соответствием результатов решения горно-г^омеханических задач натурным данным и результатам исследований других авторов.

Практическая значимость работы:

• определены параметры зон повышения (снижения) горного давления на разрабатываемом пласте и на смежных горизонтах, а также оценено изменение данных параметров во времени,

• на базе установленных горно-геомеханических факторов, влияющих на технологические параметры извлечения руды, обоснованы предложения по снижению ее потерь;

• предложены пространственно-планировочные решения по развитию фронтов очистной выемки во времени, позволяющие повысить извлечение полезного компонента.

Разработанные рекомендации приняты к использованию ОАО ВНИИГалургии и РУП ПО "Беларуськалий".

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на ежегодных научных конференциях молодых учёных СПГГИ(ТУ) "Полезные ископаемые России и их освоение" (СПб, 2002, 2003); на 13-й Национальной Зимней школе по механике сплошных сред, Пермь, 2003; на IX Международной выставке молодежных научно-технических проектов ЭКСПО-Наука 2003, проводившейся под эгидой ЮНЕСКО, Москва, 2003; на научном семинаре "Обеспечение качества и конкурентоспособности при коммерциализации продукт научных исследований", СПГПУ, 2003, семинарах кафедры РМПС СПГГИ(ТУ)

Реализация результатов работы. Разработанные рекомендации приняты к использованию ОАО ВНИИГалургии и РУП ПО "'Беларуськалий".

Личный вклад автора. Сформулированы цель и задачи исследований, разработан алгоритм проведения исследований, выпол-

нем анализ полученных результатов исследований, определены параметры пространственно-планировочных решений добычи руды.

Публикации: Основное содержание диссертационной работы изложено в 4 статьях и 3 патентах на изобретение. Материалы диссертации использовались при выполнении хоздоговорных работ и аспирантского гранта Ученого Совета СПГГИ(ТУ) за 2003 год.

Структура и объём работы. Диссертационная работа общим объёмом 197 страниц состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 108 источников, двух приложений, включает 70 рисунков и 8 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Основные результаты исследований защищаются в следующих научных положениях:

1. Изменение горного давления на рабочих горизонтах Старобинекого месторождения зависит от "геометрических параметров" отрабатываемых участков шахтного поля в пространстве (в плане и по разрезу) и времени.

В настоящее время наиболее важными задачами для РУП ПО "Беларуськалий" задач являкнся: повышение качества и С1епени извлечения руды из недр. Первая задача практически решена за счет внедрения селективной выемки сильвинита, а вторая требует своего дальнейшего решения. Показатели извлечения на рудниках РУП ПО "Беларуськалий" приведены в таблице 1.

Таблица 1

Потери полезного ископаемого на рудниках РУП ПО

«Беларуськалий» в 2003 г (данные по РУП ПО Беларуськалий)

Рудоуправление Горизонт Потери по полезному ископаемому, %

1 2 3

I РУ II 37-39

III 50-52

II РУ II 48-50

III 50-52

III РУ II 35-38

III 55-58

IV РУ II 25-27

111 60-62

На месторождении внедрены столбовые системы разработки, но используемая подютовка слоевых лав требует оставления значительных запасов в межпанельных и междуштрековых целиках

Так как даже оставление целиков шириной более 100 метров не всегда обеспечивало требуемого состояния участковых штреков и в таких условиях соседние выемочные столбы на практике приходится нарезать через ~ 300 м с планируемой последующей их отработкой камерными системами.

Основными факторами, определяющими эффективность той или иной технологии выемки калийных солей на Старобинском месторождении являются: горно-геологические условия залегания пластов и "активность горно-геомеханических процессов", протекающих в соляном массиве Второй из названных факторов можно охарактеризовать следующими параметрами: величины напряжений (степень концентрации напряжений) в характерных зонах соляного массива (впереди очистного забоя, в надработанном и подработанном массиве); протяженность зон опорного давления (повышенного горного давления); условия, формирующиеся в выработанном пространстве (силы огпора) по мере отхода очистного забоя; степень концентрации напряжений на соседних горизонтах от техногенного возмущения на одном из горизонтов

Потери в межпанельных целиках в последние 15-20 лег неуклонно возрастают, чго не исключает однако аварийных состояний в участковых и панельных выработках. Аварийные ситуации особенно обостряются при отработке значительной части шахтных полей на завершающей стадии работы рудников. Поскольку в условиях рудников принят обратный порядок отработки шахтных полей, то фронг очистных работ "стягивается" к центру (стволам) на всех отрабатываемых горизонтах, что обусловливает наличие существенных проблем горно-геомеханического характера при отработке запасов на конечной стадии эксплуатации шахтопласта. Это связано с а тивизацией горного давления в зонах отработки указанных запасов, оконтуренных выработанными пространствами ранее отработанных участков. В этих зонах рационализация горнотехнологических работ может быть достигнута за счёт научно-обоснованного управления здесь горно-геомеханическими процессами Доработка кондиционных запасов на затухающей стадии ра-

6jTbi рудников будет сопровождаться значительными потерями в целиках различного назначения, ухудшением состояния подготовительных выработок, повышенным риском для капиталовложений. Одной из актуальных задач для рудников ПО «Беларуськалий» является решение вопросов по долгосрочной и среднесрочной стратегии развития фронтов очистных работ в центральных частях шахтных полей, с учеюм взаимовлияния отрабатываемых калийных и каменносолевыч горизонтов. Разработка и внедрение новых про-С1ранс1венно-планировочных решений многогоризонтной отрабо1ки таких месторождений, с геомеханически обоснованными параметрами систем разработки позволит снизить издержки производства, повысить безопасность труда, сократить потери полезного ископаемого более чем на 10 %, и гарантировать большую стабильность работы предприятия, как в финансовом, гак и техническом аспектах.

Решение задачи об установлении степени влияния различных факторов на интенсивность протекания геомеханических процессов в толщах горных пород, вмещающих выработки различного назначения, потребовало рассмотрения условий, формирующих то или иное горно-геомеханическое состояние соляной голщи. Состояние выработок определяется геологическим строением вмещающей толщи и уровнем напряжений в ней. В свою очередь уровень напряжений определяется геометрией выработанных пространств и параметрами систем разработки всех отрабатываемых горизонтов месторождения Для анализа взаиморасположения выработанных пространств на различных горизонтах были составлены планограммы отработки горизонтов с указанием времени отработки участков шачтныч полей Как показал анализ погоризонтных и совмещенных планограмм развития горных рабог (рис 1) они существенно отличаются для всех четырех рудоуправлений (РУ) РУП ПО "Беларуськалий". Так, например на 1 РУ II горизонт отработан практически полностью и основная система разработки горизонта - камерная (более 90 % площади), а на III калийном горизонте (КГ) отрабо1анными являются участки вдоль границ шахтного поля, причем доля столбовых систем разработки намного выше чем на II КГ Третий пласт каменной соли отработан на незначительной плои ади, столбовая система разработки на нем применяется в экспериментальном порядке. На 4 РУ (последний из построенных рудников)

ситуация - обратная: в виду значительных размеров шахтного поля основные работы сосредоточены на небольшом расстоянии от стволов и на обоих горизонтах (II КГ и III КГ) основной является столбовая система разработки.

Рисунок 1. Совмещенная планограмма развития горных работ по трем горизонтам с выделением контура перспективных и анализируемых

площадей

На планограммах развития очистных работ были оконтурены перспективные площади и примыкающие к ним зоны на расстояние -200 м Исключение площадей лежащих за пределами выдетенных зон обусловлено тем, что их влияние на геомеханическое состояние рассматриваемых перспективных участков весьма незначительно Временные диапазоны отработки примыкающих к перспективным участкам зон нанесены на планограммы и разделены на три группы

(до 1980 года, 1980-1990 гг и после 1990 года). Такое деление обусловлено тем, что время деформирования подработанной толщи для характерных литотипов пород Старобинского месторождения дос-гжает 30 лег, а в среднем составляет ~ 20 лет. При этом основная часть оседаний толщи (около 70 %) накапливается в течение первых 10 лет с момента её подработки.

Анализ совмещенной планограммы показал, что зоны влияния очистных пространств на всех трех горизонтах (как на 1 РУ, так и на остальных РУ) в настоящее время совмещены, т.е. находятся друг под другом, что вызывает различные негативные последствия при отработке III калийного горизонта.

2. Методические принципы выбора безопасно-рациональных пространственно-планировочных решений при доизвлечении запасов должны базироваться на оценке "уровня взаимовлияния" отрабатываемых горизонтов с учётом фактора времени и анализе вертикальной компоненты напряжений <ту.

Дальнейшие исследования потребовали построения горно-геомеханической модели (ТГМ) рассматриваемою массива и определения деформационных характеристик слагающих ее элементов. Обобщение данных о физико-механических свойствах соляного массива на площадях Старобинского месторождения производилось с использованием данные различных научно-технических источников. Были проанализированы и обобщены структурные особенности соляною массива от ВЗТ до подстилающей III калийный горизонт соляной толщи; затем оценены и обобщены по выявленным пред-С1авительным литологическим "пачкам" массива их механические характеристики, в том числе и с учётом трещиноватости горных пород. В заключение были рассмотрены условия сдвижения налегающей толщи пород, как фактора определяющего формирование механических свойств горных пород в выработанных пространствах II и III калийных и III каменносолевого горизонтов. Отмеченный фактор рассматривался во взаимосвязи с параметрами систем разработки.

Для рассматриваемых сред достаточно реальными могут служить механические характеристики, отражающие условия их деформирования в "запредельной области" диаграмм "а - е" (или "Р -V") При этом, учитывая достаточно длительный период формиро-

V") При этом, учитывая достаточно длительный период формирования таких сред, "модуль спада" может быть принят равным ~ 4750 МПа (влево от т. В на рис 2).

Рисунок 2 Схема элементов мульды и условий сдвижения поверхности и налегающей толщи в приконтурных тонах "перспективных площадей отработки"

г| - параметр оседаний земной поверхности (г], - в краевой части мульды сдвижения Г|1П,,, в зоне "потных сдвижений") 'АД" - краевая часп, мульды сдвижения, "ВС" - исследуемая зона ВП (ВС = Ь) 01вечаютая "особым" условиям сдвижения г|, ф г]пыч, "ВВ,", "В|С", "С|С" протяженность участков по степени диференциации уплотнения пород в ВП. I -положение земной поверхности до сдвижения пород, 2 - то же, после сдвижения пород, 3 выработанное пространство (отработанные запасы). 4 - неотработанный ("перспективный") участок соляной залежи

В пределах приконтурной зоны шириной "ВС" (ВС = Ь), в соответствии с отмеченной выше пропорциональностью, величины деформационных характеристик (ЕВп и Цви) будут изменяться согласно зависимостям. (ЕШ1~ ^(Ь), р.Вп = £г(Ь)):

Евп = а-Ьь + с; (1)

где а « 3; Ь = 1,1; с ® 2611; диапазон изменения парамефа в приведенной зависимости составляет от ~ 15 м до 500 м Кореляци-

онное отношение для данной зависимости составляет т ~ 0,81 при коэффициенте надежности ц - 4,0;

цвп = с!ехр (ч-Ъ) ; (2)

где с!« 0,356; я «-5'Ю"4; диапазон изменения параметра Ь в приведенной зависимости составляет от ~ 15 м до 500 м. Кореляци-онное отношение для данной зависимости составляет т ~ 0,83 при коэффициенте надежности ц = 4,1.

Данные зависимости построены на базе результатов экспериментов. проведенных на установках Кармана

Обобщение геолого-технологической информации, выполненное для условий отработки соляных горизонтов рудников позволило сформировать геомехано-структурную схему исследуемой области массива, представленную на рисунке 3, которая явилась базой для дальнейшего численного моделирования НДС межгоризонтных толщ соляного массива.

Таким образом, для выбора рациональных технологических параметров при многогоризонтной выемке запасов, в соответствие с разработанной методикой. были обобщены структурно-механические свойства соляного массива и деформационные свойства выработанных пространств, в функции технологических, геометрических и временных параметров, и разработана горно-геомеханическая модель массива. Механические характеристики выделенных межгоризонтных толщ принимались с учётом слоисто-С1и и трещиноват ост и слагающих их пород.

Выполненные исследования их результатов методически реализованы с учетом двух принципиальных направлений определяющих

- и учение НДС на всех гориюнтах в области 1ехногенного впияния длинных очистных забоев, расположенных только на одном из горизонтов,

- изучение НДС на всех горизонтах в области техногенного влияния нескольких длинных очистных забоев, расположенных на смежных горизонтах.

Для решения поставленных задач методом граничных элементов (ГЭ) использовалось решение в постановке плоско-деформированно! о состояния.

Рисунок 3 Пример расчетной схемы, составленной на базе горно-геомеханической модели разработанной для оценки НДС изучаемого массива

Для оценки надёжности полученных результатов численного моделирования производилось сравнение с данными натурных наблюдений. Численное моделирование осуществлялось - одним из вариантов метода граничных элементов - методом разрывных смещений (MPC) Решения выполнялись для наиболее характерных сечений массива горных пород Свойства реального массива (пластичность. грещиноватость) учитывались соответствующим изменением модулей деформаций. В процессе моделирования изменялись геометрические и деформационные параметры выработанных пространств (от нулевых значений до значений соответствующих пол-

ному уплотнению обрушенных пород), количество лав и их взаиморасположение на горизонтах, проводилось моделирование для случаев залегания в кровле Третьего горизонта мощных (до 25 м) прочных мергелей и др

Фрагмент результатов численного эксперимента при столбо-bjh системе разработки, применяемой только на III калийном горизонте приведен на рис. 4.

Рис 4 Графическая интерпретация поля вертикальных напряжений с\

в соляном массиве

Предварительные результаты моделирования НДС соляного массива, в частности показали, что наличие в кровле указанной мергелистой пачки пород не оказывает значимого влияния на распределение напряжений в межгоризотной толще

Обобщение результатов численного моделирования позволило констатировать, что напряженно-деформируемое состояние пород меж! оризотной толщи функционально зависит от пролётов

выработанного пространства, наличия выработанных пространств на смежных горизонтах, а также геометрических и деформационных характеристик находящихся в них обрушенных пород, определяемых по разработанной методике.

3. Определение безопасно-рациональных параметров схем отработки, особенно в центральных зонах шахтных полей на стадии затухания добычи сильвинитового сырья, целесообразно производить по разработанному алгоритму оценок горногеологических и горно-технических факторов, включающем анализ полей (Ту.

В результате экспериментально-аналитических исследований и, в частности, численного моделирования были получены числовые поля напряжений, деформаций и перемещений в исследуемых областях соляного массива для разработанных ГГМ и РС

Компьютерная обработка числовых полей позволила построить графическую интерпретацию всех анализируемых параметров Анализ графического материала показал, что критериальным параметром, наиболее полно отражающим горно-геомеханические условия отработки запасов при их многогоризонтной выемке являются величины вертикальных напряжений (степень концентрации либо разгрузки) в характерных зонах массива (пластах, межгоризонтных толщах) Данный параметр функционально зависит от структуры и свойств вмещающего соляного массива, пролётов выработанных пространств и деформационных характеристик (степени уплотнения) обрушенных пород

Обобщение результатов чиспенного моделирования позволило получить зависимости коэффициента концентрации напряжений, как на отрабатываемом пласте в функции расстояния до кромки ВП (протяженность зон опорного давления - ОД), так и на смежных горизонтах. Указанные зависимости были получены для моментов, соответствующих непосредственной отработке пласта (1-3 месяца после выемки), и для моментов отвечающих 7-9 летнему период} деформирования налегающей толщи (рис. 5)

Обобщение полученных решений и разработанных рекомендаций позволило составить блок-схему (рис 6) выбора рациональных пространственно-планировочных решений как при совместной

отработке ("разрыв" работ на одних и тех же в плане участках шах-юпласта менее 10 лет), так и при раздельной (последовательной) отработке горизонтов, а также для расчёта безопасных параметров применяемых технологических схем.

Рассчитываемые параметры принятых технологий являются исходными данными для проведения технико-экономического сравнения вариантов и принятия решения (в том числе на стадии проектных работ).

Расстояние от проекции кромки ВП, м

Рисунок 5 Зависимость коэффициента концентрации напряжений от

расстояния до проекции кромки выработанною пространства 1 на II калийном горизонте (КГ) при выемке III КГ, 2 - на юризонте III пласта каменной соли (III ПКС) при выемке III КГ, 3 - опорное давление па III КГ 4 на II КГ при выемке III ПКС. 5 - на III КГ при выемке III ПКС 6 - опорное давление на горизонте III ПКС, 7 - на III ПКС при выемке II КГ, 8 - на III КГ при выемке II КГ, 9 - опорное давление при выемке И КГ; 10 - характер концентрации напряжений на кромке III КГ через 10-15 лет после отработки (опорное давление)

Горно-геологические условия отработки запасов

Анализ горно-технической ситуации на шахтопласте (погориэонтные и совмещенная планограммы развития горных работ)

Проектные проработки схем подготовки новых шахтных полей (крыльев, блоков, участков шахтного по-и)

Определение последовательности ("совместно-раздельно") отработки горизонтов

Анализ возможного развития погоризонтыых фронтов очистных работ, "необходимых инвестиций" и показателей "надежности" (стабильности) принимаемых решений

в пространстве

во времени

определенного варианта по направлению развития фронта очистных работ и оценка его "конфигурации"

.......1 Анализ и выбор прогрессивных технологических схем

Камерные Счопбовые Комбинированные

Выбор Выбор

варианта 2 г" варианта 3 ......

Оценка параметров технологических ьдем по известным методикам

Определение степени взаимовлияния гортонто»

Расчет параметров технологических схем для определенного варианта развития фронтов очистных работ на различных горизонтах (с учетом зависимостей рис 3 46-47, __3 49-52, табл 4 1)_

Оценка технологической я экологической безопасности (до известным методикам)

Исключение вариантов, 'нарушающих отраслевые нисгруидои"

Безопасные I

Оценка "безопасных" вариантов

Прогнозная оиенха состояния панельных и участковых штреков, вероятности посадки на "жестко" секций крепи; газодинамические веления, состояние БЗТ

Плановые похаэатели коэффициент извлечения рули, содержании в руде KCl и НО, объем добычи из

подготовительных iWJoee, стоимость аодаержаннд выработок; участковая к обшешюстки себестоимость руды и коыцеетрата.

Анализ технико-экономических показателей технологических схем (включая инвестиционные риски) в выбор рациональных пространственно-_планировочных решений по подготовке (отработке) запасов

Рисунок 6 Алгоритм выбора рациональных пространственно-планировочных решений для конкретных горно-геологических и горно-технических условий

Прогнозная экономическая оценка внедрения результатов выполненных исследований укрупненно может быть проведена на базе анализа одного из основных технологических показателей -коэффициента извлечения полезного ископаемого из недр

Предлагаемые рекомендации позволяют учесть также минимизацию затрат по факторам' изменение объемов горноподготовительных работ, изменение затрат на поддержание подготовительных выработок и др.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация представляет собой законченную научно-исследовательскую работу, в которой предлагается новое решение актуальной научной задачи - разработка научно-обоснованной методики выбора пространственно-планировочных решений и параметров схем многогоризонтной выемки калийных пластов (в том числе на завершающей стадии отработки шахтопластов), имеющей существенное значение при подземной разработке пластовых калийно-соляных месторождений.

Основные научные и практические результаты, сделанные в процессе выполнения работы, заключаются в следующем:

1. Для различных систем разработки при многогоризонтной выемки соляных пласюв разработаны горно-геомеханические модели (и расчетные схемы) взаимодейс!вия техногенного комплекса с вмещающим соляным массивом, используемые для выбора рациональных технологических схем совместной или раздельной (во времени) отработки соляных горизонтов.

2. Изучены механизмы горно-геомеханического взаимовлияния отрабатываемых свит пластов калийных солей и определен критериальный параметр, характеризующие выбор рациональных схем выемки и обеспечение безопасности ведения работ.

3 В качестве критерия определяющего рациональность применения тех или иных пространственно-планировочных решений, принят наиболее информативный параметр НДС МГП отражающий степень концентрации напряжений (либо разгрузки) в налегающей и подстилающей толще, которые вмещают отрабатываемые горизонты. Для различных систем разработки определено взаимовлияние горизонтов друг на друга, включая изменение данного влияния (за-

тухание концентрации и восстановление уровня напряжений в зонах разгрузки) во времени.

4 Разработана методика обоснования рациональных параметров одновременной отработки нескольких соляных горизонтов, в том числе на завершающей стадии отработки запасов шахтопластов

5. Предложен алгоритм решения горно-геомеханических задач учитывающий пространственно-временной фактор изменяющихся геометрических параметров выработанных пространств и деформационных параметров находящихся в них обрушившихся горных пород.

6. Разработаны эффективные схемы рациональной отработки свиты калийносоляных пластов, обеспечивающие минимизацию потерь полезного ископаемого при гарантированной безопасности ведения горных работ.

7. Рекомендуемые схемы выемки Третьего пласта каменной соли, а также Второго и Третьего калийных горизонтов за счет обоснованного выбора ширины целиков и схем охраны выработок позволяют улучшить состояние выемочных штреков, и сократить потери полезного ископаемого в недрах.

8. Экономический эффект от внедрения данной технологии составит до 120 тыс. долларов для одного выемочного столба.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Блохин С.Л. Геомеханическое обоснование безопасных и экономически эффективных схем многогоризонтной отработки калийных месторождений (на примере Старобинского месторождения)/, Мозер С.П //Проблемы машиноведения и машиностроения. Межвузовский сборник СЗГЗТУ, вып. 30, 2003 г., СПб., стр. 54-56

2. Блохин С.Л Разработка и внедрение новых технологий добычи горнохимического сырья, обеспечивающих повышение конкурентоспособности продукции/ Ковалёв О.В. // Материалы тематических семинаров политехнического симпозиума "Молодые ученые-промышленности Северо-Западного региона", СПГПИ, СПб., 2003, стр. 100-104.

3. Блохин С.Л. Экологически и экономически безопасная доработка техногенных запасов сильвинитовых руд Старобинского месторождения / Мозер С.П., Никишин Д.Ю. // Проблемы машино-

ведения и машиностроения Межвузовский сборник СЗГЗТУ, вып. 31, 2003 г, СПб., стр. 72-75.

4 Блохин C.JI. Проблемы доизвлечения пластовых полезных ископаемых подземным способом на стадии затухания проектной мощности предприятия / Мозер С.П, Никишин Д.Ю. // Проблемы машиноведения и машиностроения Межвузовский сборник СЗГЗТУ, вып. 31, 2003 г., стр. 75-77

5 Сиренко Ю.Г. К вопросу о доизвлечении запасов сильви-нитовых руд в условиях Старобинского месторождения / Ковальский F Р , Блохин С JI , Шабунь В И // Научно-технический журнал Горная механика № 1 -2. 2004 г , Минск, стр 24-27

6 Патент № 2242610 РФ, 7 Е 21 С41/16 Способ подготовки выемочных участков / Толстунов С.А., Блохин С Л

№ 2003121277/03; Заявлено 09.07.2003; Опубл. 20.12.2004 Бюл № 35, приоритет 09.07.2003 - 1 е.: ил. УДК 622.831

7 Решение о выдаче патента на изобретение по заявке № 2004106286/03(006756) 7 Е 21 С 41/20 Способ отработки пологих калийных пластов / Блохин С.Л., Ковалев О В., Ковальский Е Р , Тхориков И Ю., Димчина В Л - от 03 03 2004, приоритет от 03 03.2004., УДК 622.831.

8. Решение о выдаче патента на изобретение по заявке № 2004108873/03(009481) 7 Е 21 С 41/16 Способ отработки междупанельных опорных целиков / Толстунов С.А., Блохин С.Л. - от 25.03.2004, приоритет от 03.03.2004, УДК 622.831.

РИЦСПГГИ 25 05 2005 3 257 ТЮОэкз 199106 Санкг-Петербург, 21-я линия, д 2

#13173

РНБ Русский фонд

2006-4 11138

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Блохин, Сергей Леонидович

ВВЕДЕНИЕ.

1. Состояние вопроса.

1.1 Геологическое строение месторождения.

1.2. Характеристика РУП ПО "Беларуськалий", технология отработки запасов и параметры извлечения руды на Старобинском месторождении.

1.3. Обобщение даных о горно-геомеханичсеком состоянии отрабатываемых горизонтов.

1.4 Выводы по 1 главе. Цели и задачи исследований.

2. Анализ и обобщение технологических схем погоризонтной отработки запасов калийных солей.

2.1. Анализ площадей, отработанных различными технологическими схемами, и временных интервалов их отработки на 1РУ при выемке 2го и 3-го калийных горизонтов.

2.2. Обощение данных о физико-механических свойствах соляного массива Старобинского месторождение.

2.3. Рассмотрение условий формирования сил отпора в выработанных пространствах лав.

2.4. Разработка исходных требований к формированию горно-геомеханических моделей отработки запасов.

2.5. Выводы по главе 2.

3. Исследование геомеханических состояний ответственных элементов массива, вмещающего калийно-каменносолевые горизонты.

3.1. Разработка горно-геомеханических моделей (ГГМ) для исследования НДС элементов МГП при характерных технологиях выемки калийной руды.

3.2. Обоснование и выбор методов изучения параметров напряжённо-деформированного состояния (НДС) "ответственных" элементов МГП.

3.3. Исследование геомеханических параметров "ответственных" элементов соляного массива.

3.4. Выводы по главе 3.

4. Оценка геомехано-горнотехнических условий многогоризонтной выемки калийно-каменносолевых запасов.

4.1. Обобщение геомеханических состояний раздельной многогоризонтной отработки калийных пластов.

4.2. Обобщение геомеханических состояний совместной варьируемой отработки калийных и каменносолевых запасов.

4.3. Оценка влияния геомехано-горнотехнических факторов на разработку запасов месторождения в центральных частях шахтных полей.

4.4 Выводы по главе 4.

5. Разработка методики выбора рациональных схем многогоризонтной отработки запасов калийных месторождений.

5.1. Разработка алгоритма оценок горно-геологических и горнотехнических факторов и выбора рациональных пространственно-планировочных решений при многогоризонтной отработке калийных месторождений.

5.2 Технико-экономическая оценка внедрения рациональных схем отработки запасов шахтных полей.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Обоснование эффективных схем многогоризонтной отработки калийных руд Старобинского месторождения"

В настоящее время мировой рынок калийных удобрений характеризуется наличием существенных объемов нереализованной продукции у производителей, а также значительных резервов мощностей. Превышение производственных мощностей над объемами производства в 2000-2203 годах достигало 25-гЗО %, а объемы нереализованной продукции в среднем составляли 15-7-20 % от годового объема продаж.

Одним из крупнейших производителей двуокиси калия является РУП ПО "Беларуськалий" - 14-Я 6% объемов мирового производства, включающее четыре рудоуправления, которые ведут разработку Старобинского месторождения калийных солей.

Как показывает анализ мирового опыта отработки месторождений горнохимического сырья практически все разрабатываемые залежи обладают спецификой, которая в значительной степени определяет не только параметры тех или иных систем разработки, а и принципиальную возможность применения таких систем. Растворимость солей требует обеспечения гарантированной изоляции разрабатываемой залежи от водоносных горизонтов, для предотвращения затопления рудников. В условиях Старобинского месторождения накоплен большой опыт применения различных систем разработки при отработке Второго и Третьего калийных горизонтов. При этом Второй калийный горизонт значительно отработан, а работы на Третьем калийном горизонте, на котором расположено около 85-90 % производственных мощностей, "стягиваются" к центру шахтных полей.

На первоначальном этапе эксплуатации месторождения основной являлась камерная система разработки с поддержанием кровли на жестких или податливых целиках. Со второй половины 70 годов началось внедрение столбовых систем, которые сейчас стали основными системами разработки и в ближайшие десятилетия останутся таковыми. В используемых системах разработки проходится до 15 подготовительных выработок для подготовки двух слоевых лав, что требует оставления межпанельных и междуштрековых целиков значительной суммарной ширины. Такая подготовка выемочных столбов определяет низкое извлечение руды (в среднем около 404-55 %) и снижение ее качества, поскольку до ~ 20 % добычи обеспечивается валовой выемкой руды в подготовительных забоях.

Существенный вклад в теорию и практику планирования и ведения очистных работ на калийных рудниках сделан учеными и специалистами: Андрейко С.С., Зубовым В.П., Ковалёвым О.В., Калугиным П.А., Красноштейном А.Е., Комиссаровой В.К., Лаптевым Б.В., Нестеровым М.П., Поляниной Г.Д. Проскуряковым Н.М., Смычником А.Д., Шалынским Г.П. и др. В тоже время механизм деформирования и разрушения вмещающих толщ при совместной выемке нескольких горизонтов соляных пластов, особенно на затухающей стадии их отработки, имеет особенности, требующие дополнительных исследований, поскольку значимо влияет на технологические параметры добычи руды.

Рациональная отработка запасов таких месторождений как Старобинское, требует принятия соответствующих решений не только при выборе экономически целесообразных систем разработки пластов, но и способов подготовки запасов для последующей их выемки. Приоритетный для месторождения - обратный способ подготовки и отработки месторождения обусловливает наличие существенных проблем горно-геомеханического характера при доработке запасов на конечной стадии эксплуатации шахтопластов. Отмеченное, связано с активизацией горного давления в зонах извлечения указанных запасов, оконтуренных выработанными пространствами. В таких зонах рационализация горнотехнологических параметров добычи может быть достигнута за счёт научно-обоснованного управления здесь горно-геомеханическими процессами, учитывающего взаимовлияние отрабатываемых горизонтов.

Приведённое обобщение условий одновременной отработки нескольких горизонтов, особенно на стадии доработки запасов, позволяют сформулировать, как цели и задачи научных исследований, так и направления их прикладного использования.

Основные задачи исследований:

• разработка геомеханической модели взаимодействия ответственных элементов геомеханической системы;

• разработка эффективных пространственно-планировочных решений по отработке свиты калийносоляных пластов, обеспечивающих минимизацию потерь полезного ископаемого при гарантированной безопасности ведения горных работ.

Научная новизна:

- установлены функциональные взаимосвязи между параметрами технологических схем и интенсивностью геомеханических процессов, которые характеризуются экстремальными (граничными) ситуациями с точки зрения безопасности и стоимости используемых технологий;

- предложены зависимости, позволяющие установить степень концентрации вертикальных напряжений при одно- и многогоризонтной выемке запасов на различном расстоянии от фронта ведения очистных работе учетом фактора времени.

Защищаемые научные положения.

1. Изменение горного давления на рабочих горизонтах Старобинского месторождения зависит от "геометрических параметров" отрабатываемых участков шахтного поля в пространстве (в плане и по разрезу) и времени.

Методы исследований: Выполнялись анализ и обобщение предшествующих работ, изучались геологические и горно-технические условия разработки калийных пластов Старобинского месторождения; использовался комплексный метод, включающий аналитические и экспериментальные исследования.

Достоверность научных положений и выводов обосновывается представительным объемом проанализированной информации, корректностью выполненных численных экспериментальных исследований, качественным соответствием результатов решения горно-геомеханических задач натурным данным и результатам исследований других авторов.

Практическая значимость работы.

• определены параметры зон повышения (снижения) горного давления на разрабатываемом пласте и на смежных горизонтах, а также оценено изменение данных параметров во времени;

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на ежегодных научных конференциях молодых учёных СПГГИ(ТУ) "Полезные ископаемые России и их освоение" (СПб, 2002, 2003); на 13-й Национальной Зимней школе по механике сплошных сред, Пермь, 2003; на IX Международной выставке молодежных научно-технических проектов ЭКСПО-Наука 2003, проводившейся под эгидой ЮНЕСКО, Москва, 2003; на научном семинаре "Обеспечение качества и конкурентоспособности при коммерциализации продукта научных исследований", СПГПУ, 2003; семинарах кафедры РМПС СПГГИ(ТУ).

Реализация результатов работы. Разработанные рекомендации приняты к использованию ОАО ВНИИГалургии и РУП ПО "Беларуськалий".

Личный вклад автора. Сформулированы цель и задачи исследований, разработан алгоритм проведения исследований, выполнен анализ полученных результатов исследований, определены параметры пространственно-планировочных решений добычи руды.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

Заключение Диссертация по теме "Геотехнология(подземная, открытая и строительная)", Блохин, Сергей Леонидович

4.4 Выводы по главе 4

Проведенное моделирование позволило осуществить анализ напряжённо-деформированного состояния массива в зонах отработки запасов полезных ископаемых (в том числе и центральной части шахтного поля рудника 1 РУ) и обобщить принципиальные результаты анализа. Обобщение результатов моделирования позволило предложить ряд графических зависимостей для определения коэффициента концентрации напряжений в зависимости от параметров выемки разрабатываемом и смежных горизонтах. Установленные зависимости позволили сформировать предложения по специфике управления состоянием массива на рассматриваемых площадях отработки запасов солей. Предложения носят общий рекомендательный характер для их использования в проектных проработках ведения горных работ на указанных участках - в основном наиболее "перспективного" III КГ — с целью повышения безопасности их, а, соответственно, и технологичности. Предлагаемые рекомендации носят общий рекомендательный характер по рациональному развитию ФОР, что не исключает необходимости конкретизации решений каких-либо частных горно-геомеханических задач, которые должны решаться в специальном порядке по утвержденным в РУП ПО "Беларуськалий" нормативным документам.

Вцелом, укрупнённо сформулированные предложения касаются следующего:

- порядок отработки оставшихся запасов III КГ может быть принят как в направлении от контура (существующего на "данный" момент), так и в направлении к нему; по геомеханическому (не по технологическому!!!) фактору оба варианта практически одинаковы;

- при принятии к проектным проработкам первого варианта целесообразно учитывать время формирования ВП (время уплотнения в ВП обрушенных пород) и развивать отработку запасов в начале на участках где градиент геомеханических параметров (Кст; протяжённость зоны опорного давления) между ВП и МГП (III КГ) будет наименьшим, т.е. с тех участков, на которых на сегодня выполняется условие Евп —> шах; для этого варианта необходима и специальная проработка условий выемки руды в "собственно центральной части" рассматриваемой площади (оценка и геомеханического и технологического факторов);

- при принятии к проектным проработкам второго варианта (от "центра") геомеханические условия на момент окончания выемки, т.е. при подходе горных работ к существующему контуру "ВП-МКП" также достаточно благоприятны, что следует из возможности увеличения времени "t" существования ВП на контуре запасов; пропорционально "t" изменяется и значение параметра Евп, стремясь к некоторым максимальным значениям; следствием этого процесса является изменение характерных параметров проявлений горного давления в приконтурной части (МГП-ВП) массива в позитивном направлении (снижение величин Кст, протяжённости зон опорного давления и др.); очевидно, что при принятии второго варианта необходимы дополнительные проектные проработки для частичных изменений схем ведения подготовительных работ;

- при проектировании схем отработки оставшихся на III КГ запасов (подготовительные и очистные работы) целесообразно учитывать "геометрию" развития фронта очистных работ (ФОР); предпочтительной - по геомеханическому фактору - будет являться такая форма развития ФОР, при которой очистное пространство (ВП!) опережает некоторую квазипрямолинейную её конфигурацию (т.е. развитие ФОР приближённо по схеме III); интегрально преимущества (в геомеханическом плане) этой схемы развития ФОР отражены параметром К(ау); отметим, что конфигурация ФОР может влиять на формы (вид, интенсивность) проявлений горного давления как в подготовительных, так и в очистных выработках; очевидно, что нет значимых, в практическом аспекте, возражений и в части принятия решений о "формировании" прямолинейной (квазипрямолинейной) формы развития ФОР;

- учёт возможных влияний соляных горизонтов "друг на друга" при "подработке-надработке" оставшихся запасов, целесообразен, в основном, при рассмотрении вопросов охраны проводимых по ним подготовительных выработок, т.к. в целом это взаимовлияние не является определяющим фактором для геомеханических ситуаций при ведении горных работ на горизонтах;

Резюмируя выводы раздела, следует подчеркнуть, что они не исключают применения и иных известных общих горно-технических мер, также отмеченных в настоящем разделе.

5. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ВЫБОРА РАЦИОНАЛЬНЫХ СХЕМ МНОГОГОРИЗОНТНОЙ ОТРАБОТКИ ЗАПАСОВ КАЛИЙНЫХ

МЕСТОРОЖДЕНИЙ

5.1. Разработка алгоритма оценок горно-геологических и горно-технических факторов и выбора рациональных пространственно-планировочных решений при многогоризонтной отработке калийных месторождений

Разработанная методика оценки горно-геологических и горнотехнических ситуаций на шахтных полях рудников РУП ПО "Беларуськалий", (включающая: оценку механических свойств пород слагающих соляной массив и пород находящихся в ВП, построение ГГМ и PC, моделирование НДС межгоризонтных толщ и определение коэффициентов концентрации напряжений, как на разрабатываемом пласте, так и на смежных горизонтах) позволила получить зависимости коэффициентов концентрации напряжений в зависимости от расстояния до кромки ВП (или до проекции кромки ВП на смежные горизонты). Полученные зависимости (в графической или табулированной формах) могут быть использованы при расчете "начального" поля напряжений во вмещающем горные выработки массиве (например, "условной корректировкой" глубины работ) и на этой основе выборе размеров межпанельных и междуштрековых целиков по утвержденным в объединении нормативным документам (например [72] и др.).

Результаты проведенных исследований могут быть использованы в предложенном алгоритме (блок-схеме) выбора рациональных пространственно-планировчоных решений по подготовке (и отработке) участков шахтных полей или при проектных проработках рациональной "раскройки" новых шахтных полей (крыльев, участков). Предложенный алгоритм позволяет учесть (путем определения и дальнейшего использования при расчете параметров технологических схем коэффициентов концентрации напряжений) форму фронта развития очистной выемки, используемые системы разработки и их параметры, степень взаимовлияния горизонтов (в зависимости от расположения выработок в зонах "концентрации" или "разгрузки" от выемки на соседних горизонтах).

В основу реализации алгоритма положен анализ горно-геологических и сложивишихся горно-технических ситуаций на реальных шахтных полях, либо проектная проработка очередности подготовки запасов вновь проектируемых рудников. В алгоритме необходимо предусмотрено рассмотрение очередности ("совместности-раздельности") отработки горизонтов, поскольку на перспектиных глубинах данного месторождения расположение выработок Третьего горизонта в зонах разгрузки от вемки вышележащих горизонтов (причем не исключается и выемка Второго горизонта в "зонах" влияния ВП, расположенных на 3 КГ) можно снизить величины "исходного геостатического поля" на 15-т-30%, что особенно важно при определении рациональных схем охраны подготовительных выработок.

В алгоритме предусматривается оценка "временных параметров существования" зон концентрации (разгрузки) в межгоризонтных тощах и при варианте отработки "соседних выемочных столбов" через большие промежутки времени (когда концентрация напряжений в краевой части массива значительно снизиться) необходимость дополнительных инвестиций на подготовку новых панелей (а соответственно и целесообразность "деконцентрации" горных работ).

Выбор конкретных вариантов развития ФОР позволяет рассчитать параметры планируемых к использованию технологических схем (в том числе и по разработанным в работе зависимостям) и проверить данные параметры по утвержденным в объединении нормативным документам. При обеспечении безопасных параметров конкретных вариантов пространственно-планировочных решений и принятых технологических схем возможно произвести расчет ТЭП рудника (в довольно значительном временном диапазоне) и, на базе сравнения всех возможных вариантов развития ФОР, принять решение о рациональности тех или иных пространственно-планировочных решений по многогоризонтной отработке шахтопластов.

Горно-геологические условия отработки запасов S

Ьй н о ю я ео и о еи S я о. я с я ьг и о о. Е н ьг и о. о. о ^

Анализ горно-технической ситуации на шахтопласте погоризонтные и совмещенная планограммы развития горных работ)

Проектные проработки схем подготовки новых шахтных полей крыльев, блоков, участков шахтного поля)

Определение последовательности ("совместно-раздельно") отработки горизонтов

Анализ возможного развития погоризонтных фронтов очистных работ, "необходимых инвестиций" и показателей "надежности" (стабильности) принимаемых решений в пространстве во времени

Выбор определенного варианта по направлению развития фронта очистных работ и оценка его "конфигурации"

Анализ и выбор прогрессивных технологических схем

Камерные Столбовые Комбинированные

Оценка параметров технологических схем по известным методикам

Определение степени взаимовлияния горизонтов

Расчет параметров технологических схем для определенного варианта развития фронтов очистных работ на различных горизонтах (с учетом зависимостей рис. 3.46-47; 3.49-52; табл. 4.1)

Оценка технологической и экологической безопасности (по известным методикам)

Опасные X

Выбор Выбор варианта 2 варианта 3

Исключение вариантов, 'нарушающих отраслевые инструкции"

Безопасные

Оценка "безопасных" вариантов

Прогнозная оценка состояния панельных и участковых штреков, вероятности посадки на "жестко" секций крепи; газодинамические явления;состояние ВЗТ

Плановые показатели: коэффициент извлечения руды; содержание в руде КС1 и НО; объем добычи из подготовительных забоев; стоимость поддержания выработок; участковая и общешахтная себестоимость руды и концентрата.

Анализ технико-экономических показателей технологических схем (включая инвестиционные риски) и выбор рациональных пространственно-планировочных решений по подготовке (отработке) запасов

Рисунок 5.1. Алгоритм выбора рациональных пространственно-планировочных решений для конкретных горно-геологических и горно-технических условий

5.2 Технико-экономическая оценка внедрения рациональных схем отработки запасов шахтных полей

Технико-экономическая оценка результатов исследований основывается на анализе априори возможных экстремальных (максимум-минимум) ситуаций с точки зрения формирования зон опорного давления на границе выработанного пространства (величины концентрации напряжений или разгрузки и размеры таких зон), и динамики изменения параметров таких зон.

Рассматриваемая граница с выработанным пространством интерпретируется как контур перспективной к отработке части запасов (перспективной части запасов - ПЧЗ) определенного калийного горизонта.

Если априори принять отработку перспективной части запасов столбовой системой разработки на глубине 600 м с длиной панели равной 2 км (в среднем по месторождению длина панели изменяется от 1,5 км до 3 км) то возможны следующие варианты выбора ширины межпанельного целика.

При определении ширины целика по известным методикам во внимание принимается только вид системы разработки граничащей с кромкой ПЧЗ и не учитываются следующие обстоятельства - степень взаимовлияния горизонтов, вид контура фронта очистных работ (прямолинейный-выступающий-внедренный) и время образования выработанного пространства на кромке ПЧЗ.

По утвержденным методикам при самой "сложной" схеме поддержания выработок (кривая 1, рис. 5.2) необходимо оставление межпанельного целика шириной 80 м (при глубине разработки ~ 600 м).

При расчете ширины целика по разработанной методике производится учет взаимовлияния горизонтов и "эффекта" разгрузки перспективной части запасов за счет формирующихся условий в выработанных пространствах на контуре ПЧЗ. Например, для условий ГГМ (PC)-III.l, зона опорного давления (а соответственно ширина целика) приблизительно составляет 60-70 м. Таким образом, по существующим требованиям, при отсутствии учета времени существования ВП и параметра Т (степени уплотнения пород в ВП) нормативная ширина целика на 20 м больше зоны повышенного горного давления.

У. я * s

100

Графики для выбора размеров охранных целиков при поддержании выработок на границе со смежной отрабатываемой панелью л се

Е. я 3

1 L

2Л г / // \JL

400 500

600 700 глубина, м

800 900 1000 фа £>иков на рис

Характеристика условий поддержания подготовительных выработок группа сближенных выработок, включающая панельный, транспортный и конвейерный штреки, разгружающую выработку, выемочный штрек лавы ттгйгп группа сближенных выработок, включающая панельные конвейерный и транспортный штреки, выемочный штрек лавы nto группа сближенных выработок, • включающая панельные транспортный и конвейерный штреки, ' выемочный штрек охраняемый тремя компесацнонными щелями ггпЛ выемочный штрек лавы, охраняемый вертикальной компесаци-онной щелью или же разгружающей выработкой • . * а* О

Рисунок. 5.2. Зависимости для определения размеров целиков на границе с выработанным пространством [72]

На Третьем калийном горизонте извлечение при слоевой столбовой системе разработки составляет около 50 % и при длине панели приблизительно равной 2000 м объем добычи КС1 составит (2,75x2000x20x0,5x2,5= ) 140 тыс. тонн.

Полезный компонент (К20) составит « 20 тыс тонн, стоимость которого 20 млн. долларов.

Для иных условий при формировании на контуре ПЧЗ условий отраженных на рис.3.20 ширина зоны опорного давления (а следовательно и необходимая ширина целика) более 100 м, что при принятии решения об отработке ПЧЗ в таких условиях приведет к значительным затратам на поддержание горных выработок (при оставлении целика менее 100 м) или потерям в целике (стоимость полезного компонента в потеряных запасах 20 млн. долларов - те же 20 м) и снижению коэффициента извлечения, а соответственно и срока службы предприятия. В таких условиях может быть принято решение о изменении фронта развития очистных работ и "возврату" к данной части запасов шахтного поля через 5-15 лет или изменению наравления развития фронта очистных работ на соседних горизонтах.

Таким образом, в конкретных горно-геологических и горно-технических условиях горного производства необходим обстоятельный геомехано-горнотехнический анализ напряженно-деформированного состояния МГП по разработанной методике и выбор рациональных условий ведения горных работ (подготовка и выемка) на базе обобщения результатов такого анализа (или иначе говоря оценки всех возможных вариантов развития фронта очистных работ на всех рассматриваемых горизонтах).

171

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Для различных систем разработки при многогоризонтной выемки соляных пластов разработаны горно-геомеханические модели (и расчетные схемы) взаимодействия техногенного комплекса с вмещающим соляным массивом, используемые для выбора рациональных технологических схем совместной или раздельной (во времени) отработки соляных горизонтов.

3. В качестве критерия определяющего рациональность применения тех или иных пространственно-планировочных решений, принят наиболее информативный параметр НДС МГП отражающий степень концентрации напряжений (либо разгрузки) в налегающей и подстилающей толще, которые вмещают отрабатываемые горизонты. Для различных систем разработки определено взаимовлияние горизонтов друг на друга, включая изменение данного влияния (затухание концентрации и восстановление уровня напряжений в зонах разгрузки) во времени.

4. Разработана методика обоснования рациональных параметров одновременной отработки нескольких соляных горизонтов, в том числе на завершающей стадии отработки запасов шахтопластов.

173

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Блохин, Сергей Леонидович, Санкт-Петербург

1. Авдохин В.М. Физические процессы производства. М., Недра, 1985.

2. Авчян Г.М. Физические свойства осадочных пород при высоких давлениях. М., Недра, 1972.

3. Агошков М.И. Актуальные проблемы освоения месторождений и использования минерального сырья. М., Недра, 1993.

4. Айзаксон Э. Давление горных пород в шахтах. М., Недра, 1961.

5. Аман И.П., Фикс И.И., Егоров В.П. Расчет напряженного состояния надработанных массивов горных пород по замеренным деформациям угольных пластов при их надработке. Физ-техн. проблемы разраб. полезн. ископ., N 2, 1970.

6. Амусин Б.З. Методы конечных элементов при решении задач горной геомеханики М., Недра, 1975

7. Андрейко С.С., Блюм М.Ф., Земсков А.Н. Проблемы безопасности горных работ на рудниках ПО «Беларуськалий» в условиях газовыделений и газодинамических явлений. Горный журнал, №11-12 1998 г.

8. Ардашев К.А. Методы и приборы для исследования проявления горного давления. М., Недра, 1985

9. Арипова В.Ж. Методы и приборы для исследования проявления горного давления. М., Недра, 1977

10. Артёмов В.Г., Зальцзейлер О.В. О консолидации закладочных материалов из солевых отходов обогатительных фабрик. Сб. "Технология и безопасность горных работ в калийных рудниках", Пермь, 1985.

11. Асатур К.Г. Механика динамического разрушения. М., Недра, 1997

12. Атлури С. Вычислительные методы в механике разрушения. М., Недра, 1985

13. Аунер Г.В. Управление горным давлением на большой глубине. Глюкауф, 1986, №2.

14. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механические процессы в горных массивах. М., Недра, 1986.

15. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механика горных пород. М., Недра, 1975.

16. Барановский В.И. Перераспределение горного давления в толще подрабатываемых и надрабатываемых пород. Вопросы теории внезапных выбросов угля и газа. М., Углетехиздат, 1959.

17. Безопасная выемка угля под водными объектами. М., Недра, 1977.

18. Белов Б.Н. Добыча и переработка калийных солей. М., Недра, 1971

19. Борисов А.А. Механика горных пород и мссивов. М., недра, 1980.

20. Борщ-Компониец В.И. Механика горных пород, массивов и горное давление. М., МГИ, 1968.

21. Бребби К., Уокер С. Применение методов граничных элементов в технике. М., Мир, 1982.

22. Бурчаков А.С., Гринько Н.К., Черняк И.Л. Процессы подземных горных работ. М., Недра, 1982.

23. Бурштейн JI.C. Теория упругости, пластичности и ползучести в горном деле. М., Недра, 1976

24. Былино JI.B., Вагин В.Г. Высокочастотные сейсмические методы выявления и оконтуривания зон геологических осложнений в подземных условиях Старобинского месторождения, Разработка калийных месторождений, Пермь, 1984 г.

25. Былино Л.В., Вагин В.Г., Ахремчик В.Ф. Прогнозирование выбросоопасных структур третьего горизонта Старобинскогоместорождения, Реферат сборника "Калийная промышленность", Москва, НИИТЭХИМ, 1979 г., Вып. №2.

26. Былино JI.B., Ливенский B.C., Поликарпов В.А., Кузьмин А.А., Петухов Д.П. О возможности прогнозирования выбросоопасности калийных пластов термическим способом, Технология и безопасность горных работ в калийных рудниках, Пермь. 1985 г.

27. Ватолин Е.С. Методы и средства контроля состояния и свойств горных пород в массиве. М., Недра, 1989

28. Воларович М.П. Механика горных пород при высоких давлениях. М., Недра, 1979

29. Временная инструкция по выбору способов и параметров разупрочнения основной кровли при столбовой системе разработки на Старобинском месторождении, ПО «Беларуськалий», 1992г.

30. Временная технологическая инструкция по применению столбовой системы разработки на Старобинском калийном месторождении. БФ ВНИИГ, Солигорск, 1987.

31. Галаев Н.З. Управление состоянием массива горных пород при подземной разработке рудных месторождений. М., Недра, 1979

32. Галлагер Р. Метод конечных элементов. М., Недра, 1984

33. Гвирцман Б.Я., Пепеляев Г.П., Лгунов А.С. О положении границ зоны водопроводящих трещин при разработке пологих пластов Кузбасса. В сб.тр.ВНИМИ, Л., 1979, т.113.

34. Геология и петрография калийных солей Белоруссии, Минск, Наука и техника, 1969.

35. Глушихин Ф.П., Кузнецов Г.Н., Шклярский М.Ф, и др. Моделирование в геомеханике. М., Недра, 1991.

36. Головатый И.И., Защита крепи при динамических посадках кровли, тезисы докладов ежегодной научной конференции молодых ученых " Полезные ископаемые России и их освоение", СПбГГИ, 1998 г.

37. Гришко Н.Т., Савостьянов А.В., Марголин В.А. Исследование влияния связи между слоями .толщи пород и их анизотропии навеличину нормальных напряжений. В сб. Разработка месторождений полезных ископаемых. Вып. 27, Киев, Техника, 1971.

38. Губанов В. А. Об опорном давлении на Старобинском месторождении калийных солей, Безопасность труда в промышленности, 1983, №4, с.57-58.

39. Губанов В.А. Результаты исследования зон опорного давления на Старобинском месторождении при различной глубине разработки и ширине охранных целиков между лавами, Реф. инф., Москва, НИИТЭХИМ, 1982, вып.№6, с. 6-8.(Калийная промышленность)

40. Джиноридзе Н.М. Геология калийных солей и их разведка. М., Недра, 1973

41. Долгов П.В., Полянина Г.Д., Земсков А.Н. Методы прогноза и предотвращения газодинамических явлений в калийных рудниках, Алма-Ата, "Наука", 1987 г.

42. Ершов J1.B. Введение в механику горных пород. М., Недра, 1976.

43. Жуков В.В. Динамическое деформирование и разрушение массива горных пород. М., Недра, 1979

44. Земсков А.Н., Андрейко С.С. Отечественный и зарубежный опыт борьбы с природными опасностями на горно-химических предприятиях, Минск, БелНИИНТИ, 1988 г.

45. Зильбершмидт В.Г., Полянина Г.Д. и др. Технология подземной разработки калийных руд. М., Недра, 1977, с. 175-180.

46. Зубов В.П., Калугин П.А. Организационно-техническое обеспечение эффективной отработки пластов при динамических обрушениях пород кровли. Тезисы докладов научно-методической конференции "Уголь в XXI веке", СПб, 2000.

47. Иванов А.А. и др. Вопросы геологии соляных месторождений, JI., ВСЕГЕИ, 1961.

48. Калугин П.А. Технологическое обеспечение эффективной отработки соляных пластов с трудноуправляемыми породами кровли / автореферат диссертации на соискание степени кандидата технических наук. СПб., СПГГИ(ТУ), 2001.

49. Касаткин Б.С. и др. Экспериментальные методы исследования деформаций и напряжений. Киев, Наукова думка, 1981.

50. Кириченко А.С., Сиренко Ю.Г. Прогнозирования выбросоопасности породы калийных пластов", Безопасность труда в промышленности, №1, Москва, 1991 г.

51. Кириченко А.С., Сиренко Ю.Г., Калугин П.А. Способ прогнозирования выбросоопасности соляных пород". А.с. №1541396 (СССР), БИ №5, 1990 г.

52. Ковалев О.В. Былино JI.B., Ливенский B.C. Особенности безопасной разоаботки калийных месторождений, Минск, "Полымя". 1982 г.

53. Комиссаров С.Н. Управление массивом горных пород вокруг очистных выработок. Москва, Недра, 1983г.

54. Коршунов А.Н., Буянич Т.Д., Леконцев Ю.М. Влияние силовых параметров механизированной крепи на взаимодействие ее с кровлей Уголь. 1990, №10

55. Крауч С., Старфилд А. Методы граничных элементов в механике твердого тела. М., изд. Мир, 1987.

56. Круз Т., Риццо Ф. Метод граничных интегральных уравнений (вычислительные аспекты и приложения в механике), М., Мир, 1978.

57. Кудрявцев А.А. Повышение эффективности отработки Третьего калийного горизонта при выемке пласта на полную мощность / Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, СПб, 2001.

58. Кузнецов Г.Н. Моделирование проявлений горного давления. JL, Недра, 1968.

59. Кузнецов Г.Н., Ардашев К.А., Филатов Н.А. и др. // Методы и средства решения задач горной геомеханики. М., Недра, 1987.

60. Курлаев А.Р. Напряженно-деформированное состояние вокруг торца цилиндрической выработки при всестороннем сжатии вдали от него. ИМП АН СССР, №158, 1980.

61. Лабасс А. Давление и сдвижение пород. М., Углетехиздат, 1957.

62. Ломтадзе В.Д. Инженерная геология, Л., "Недра", 1984г., 511с.

63. Медведев И.И., Полянина Г.Д. Газовыделения на калийных рудниках, Москва, "недра", 1974 г.

64. Никитин В.Д., Крылов М.И., Мереденко М.И. и др. Разработка пологих и наклонных пластов. М., Недра, 1976.

65. Оглоблин Д.Н. и др. Изучение на моделях из эквивалентных материалов сдвижения горных пород и земной поверхности при выемке свиты пологопадающих пластов. Сборник трудов ВНИМИ. т. 44, 1962.

66. Пермяков Р.С., Ковалёв О.В., Пинский B.JI. и др. Справочник по разработке соляных месторождений, М., Недра, 1986.

67. Пермяков Р.С., Проскуряков Н.М. Внезапные выбросы соли и газа, Л. Недра, 1972.

68. Петухов И.М., Линьков A.M., Сидоров B.C. и др. Теория защитных пластов. М., Недра, 1976.

69. Правила безопасности в угольных и сланцевых шахтах. М., Недра, 1986.

70. Проскуряков Н. М. Внезапные выбросы угля и газа в калийных рудниках. М., Недра, 1980, 264 с.

71. Проскуряков Н.М. Управление состоянием массива горных пород, М., Недра, 1991.

72. Проскуряков Н.М., Ковалев О.В., Мещеряков В.В. Управление газодинамическими процессами в пластах калийных руд, Москва, "Недра". 1988 г.

73. Проскуряков Н.М., Пермяков Р.С., Черников А.К. 'Физико-механические свойства соляных пород, Л., Недра, 1973.

74. Проскуряков Н.М., Фомина В.Д., Рожков В.А. Газодинамические явления на Солигорских калийных рудниках, Минск, "Полымя", 1974 г.

75. Рац М.В., Чернышев С.Н. Трещиноватость и свойства трещиноватых горных пород. М., Недра, 1970.

76. Руппенейт К.В. Деформируемость трещиноватых массивов горных пород. М., Недра, 1975.

77. Руппенейт К.В. Некоторые вопросы механики горных пород. М., Углетехиздат, 1954.

78. Сиренко Ю.Г., Головатый И.И., Защита механизированной крепи очистных забоев при динамических посадках кровли, научно-техн. ж-л "Народное хозяйство республики Коми" т.7 №1, Сыктывкар-Воркута-Ухта, 1998г.

79. Сиренко Ю.Г., Горшков А.В. Влияние горно-геологических условий разработки на динамику обрушений кровли при слоевой выемке калийных пластов, Записки СПГГИ, том №139, "Подземная разработка пластовых месторождений", С-Пб, 1994г.

80. Сорокин В. А., Петровский Б. И., Николаев Ю. Н. и др. Слоевая выемка Третьего пласта на Старобинском месторождении // Промышленное освоение Старобинского месторождения калийных солей / Ленинград, ВНИИГ, 1986,

81. Специальные мероприятия по безопасному ведению работ на рудниках ПО "Беларуськалий" в условиях газового режима, Ленинград, ВНИИГ, 1983 г.

82. Ставрогин А.Н., Георгиевский B.C. Каталог механических свойств горных пород, изд. 2-е, Л., ВНИМИ, 1972.

83. Степанов К.А. Угловые параметры сдвижения на Солигорских калийных рудниках. "Механика горных пород при разработке месторождений природных солей", Л., Тр. ВНИИГ, в. 67, 1974.

84. Техника экспериментального определения напряжений в осадочных породах. / Под ред. Шемякина Е.И. Новосибирск: Наука, 1975, 150

85. Технологические схемы очистной выемки калийных пластов Старобинского месторождения столбовой системой разработки. БФ ВНИИГ, Солигорск, 1984, -23 с.

86. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости. М., Наука, 1975.

87. Томчин Л.И., Смычник А.Д. Опыт разработки Старобинского месторождения шахтным способом. Горный журнал, 1998, №11-12.

88. Турчанинов И.А., Иофэ М.А., Каспарьян Э.В. Основы механики горных пород. JL, Недра, 1968.

89. Фисенко Г.Л. Предельное состояние горных пород вокруг выработок. М., Недра, 1976.

90. Фомина В.Д., Лупинович Ю.И., Кислик В.З. К вопросу о трещиноватости калийных горизонтов Старобинского месторождения, ДАН БССР, т. 9, №7, 1965.

91. Хорин В.Н., Клорикьян С.Х., Соколов А.Н. и др. Машины и оборудования для угольных шахт. М., Недра, 1987.

92. Христианович С.А. Механика сплошной среды. М., Недра, 1981.

93. Цимбаревич П.М. Механика горных пород. М., Углетехиздат, 1948.

94. Черняк И.Л., Ярунин С.Я. Управление состоянием массива горных пород. М., Недра, 1995.

95. Шиман М.И. Предотвращение затопления калийных рудников. М., Недра, 1992.

96. Ягодкин Г.И. Прочность и деформируемость горных пород в процессе их нагружения. М., Недра, 1971.

97. Якоби О. Практика управления горным давлением. М., Недра, 1987.

98. Mendelson A. Plasticity: theory and applickation, Macmillan, N.J., 1968.

99. Rizzo F.J. The boundary-integral equation method: a modern computational procedure in applied mechanics, The American Society of Mechanical Engineers, 1995.

Информация о работе

Блохин, Сергей Леонидович
кандидата технических наук
Санкт-Петербург, 2005
ВАК 25.00.22

Диссертация

Обоснование эффективных схем многогоризонтной отработки калийных руд Старобинского месторождения - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы