Обоснование параметров самообрушения кимберлитовых руд при их подземной разработке

Узбекова, Алина Рашидовна

Автореферат диссертации по теме "Обоснование параметров самообрушения кимберлитовых руд при их подземной разработке"

На правах рукописи

УЗБЕКОВА Алина Рашидовна

УДК: 622.371/.274.54

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ САМООБРУШЕНИЯ КИМБЕРЛИТОВЫХ РУД ПРИ ИХ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКЕ

Специальность 25.00.22 - "Геотехнология (подземная, открытая и строительная)"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2004

Работа выполнена в Московском государственном горном университете

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ доктор технических наук, профессор Евгений Викторович КУЗЬМИН

доктор технических наук, профессор Макаров Александр Борисович, кандидат технических наук, доцент Галкин Владимир Алексеевич.

ВЕДУЩЕЕ ПРЕДПРИЯТИЕ: ФГУП «ГИПРОЦВЕТМЕТ» (г. Москва)

Защита диссертации состоится 28 декабря 2004г. в 1100 часов на заседании диссертационного совета Д 212.128.03 при Московском государственном горном университете по адресу: 119991, ГСП-1, г. Москва Ленинский проспект, д.6. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Автореферат разослан 26 ноября 2004г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.128.03

кандидат технических наук, доцент

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Высокая интенсивность отработки месторождений полезных ископаемых подземным способом привела за последние десятилетия к необходимости вовлечения в разработку месторождений с низким содержанием полезных компонентов, что также обусловлено внедрением новых технических решений при добыче и обогащении. При этом создается возможность эффективной разработки низкосортных рудных тел или подземной доработки запасов месторождений после отработки их открытым способом.

Экономическая ситуация вынуждает применять технологии с низкой себестоимостью и высокой производственной мощностью. Этим требованиям в большой степени соответствуют при разработке мощных рудных тел системы с самообрушением.

В полной мере это относится и к отработке кимберлитовых месторождений, поскольку строение и геомеханические характеристики горных пород, слагающих рудные тела, благоприятны для применения систем с самообрушением. Важным также является то, что использование при добыче алмазосодержащих руд систем с самообрушением позволяет снизить негативное влияние взрывных работ на кристаллы, поэтому обоснование возможности использования и выбор параметров самообрушения кимберлитовых руд при их подземной разработке является актуальной научной и практической задачей.

Целью диссертационной работы является обоснование принципиальной возможности и параметров самообрушения руды в условиях подземной разработки кимберлитовых месторождений, с обеспечением их эффективной отработки.

Идея работы заключается в определении условий развития процесса самообрушения кимберлитовых руд за счет формирования подсечки

различной конфигурации, с определением ее параметров на основе рейтинговой классификации массива.

Научные положения, разработанные лично соискателем:

- величина гидравлического радиуса обрушения кимберлитовых трубок на месторождениях Якутии изменяется в диапазоне 10-17м, что, с учетом особенностей строения и параметров рудных тел, обеспечивает возможность применения систем с самообрушением;

- форму и варианты формирования подсечки, при которой инициируется процесс самообрушения, необходимо выбирать, учитывая физико-механические свойства кимберлитовых руд и глубину разработки;

- подсечку рудного массива следует осуществлять, развивая горные работы от зон, ослабленных тектоническими нарушениями, а в изотропных массивах - от центра трубки, что позволит интенсифицировать процесс самообрушения и обеспечить концентрацию горных работ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- определены размеры и обоснован диапазон изменения гидравлического радиуса обрушения, на основе чего установлена возможность применения технологий с самообрушением для условий кимберлитовых месторождений Якутии;

- определены методы выбора подсечки и способы ее формирования на минимальных площадях с учетом физико-механических свойств кимберлитовых руд и глубины разработки;

- обоснован порядок развития фронта очистных работ при разработке кимберлитовых трубок системами с самообрушением.

Методы исследований включают анализ и теоретическое обобщение мирового опыта технологических решений при подземной разработке кимберлитовых месторождений системами с самообрушением; использование метода определения параметров систем с самообрушением, позволяющего определять основные факторы, влияющие на процесс разрушения массива, использование стохастического моделирования при

определении показателей извлечения и выборе параметров выпускных выработок; сравнительный технико-экономический анализ систем разработки с обрушением руды и вмещающих пород.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы подтверждаются:

- анализом мирового опыта подземной разработки кимберлитовых месторождений системами с самообрушением;

- результатами анализа статистических и экспериментальных данных и их математической обработкой;

- удовлетворительной сходимостью (75%) результатов теоретических исследований и аналитических расчетов с данными стохастического моделирования.

Научное значение работы заключается в установлении параметров кимберлитовых месторождений, позволяющих определить величину гидравлического радиуса и размеры площади подсечки для инициации самообрушения, установлении порядка отработки кимберлитовых трубок при самообрушении, определении областей эффективного использования различных вариантов технологии подземной разработки.

Практическое значение работы заключается в определении параметров систем разработки с самообрушением применительно к условиям кимберлитовых месторождений Якутии, выборе вариантов формирования подсечек и порядка отработки рудных тел кимберлитового месторождения трубки «Удачная».

Реализация работы. По результатам исследований выявлена возможность применения системы с самообрушением и установлены ее параметры для условий кимберлитовой трубки «Удачная», что рекомендовано к практическому использованию АК «АЛ РОСА».

Апробация работы. Основное содержание работы и ее отдельные положения докладывались и получили одобрение на научных студенческих конференциях (2002-2003гг) и конференциях в рамках «Неделя горняка»

(2003-2004гг.), научных семинарах кафедры «Технология, механизация и организация подземной разработки рудных месторождений» MГГУ (20032004гг.).

Публикации. По результатам выполненной диссертационной работы опубликовано 6 статей.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, содержит 74 рисунка, 32 таблицы и список использованной литературы из 92 наименований.

Общее содержание работы

Переход к подземному способу отработки кимберлитовых трубок Якутии вызвал множество вопросов о возможных системах разработки, приемлемых для дальнейшей отработки запасов. Неоднозначность ситуации при выборе систем подземной разработки кимберлитовых месторождений объясняется отсутствием опыта отработки кимберлитовых руд, суровыми климатическими и сложными гидрогеологическими условиями ведения горных работ.

Как показывает анализ опыта разработки кимберлитовых трубок, переход к подземной разработке, осуществляемый, как правило, после завершения открытых горных работ, связан с необходимостью выбора систем разработки, параметров и технологии добычных работ: от того, как правильно они выбраны, зависит эффективность работы предприятий.

При подземной разработке кимберлитовых трубок приемлемы системы разработки с обрушением руды и вмещающих пород и искусственным поддержанием очистного пространства.

Системы с обрушением позволяют изменять в большом диапазоне параметры и производительность рудника в зависимости от складывающихся горнотехнических условий, отличаются низкими затратами на производство очистных работ. За рубежом при разработке кимберлитовых руд на первом этапе используются такие системы, как подэтажное обрушение, этажное принудительное обрушение, система с открытым

очистным пространством и другие. В дальнейшем, как правило, осуществляется переход к системе с самообрушением, которая отличается высокой производительностью, минимальными показателями себестоимости добычи и, самое главное, сохранностью кристаллов, снижая степень их разрушения при добыче, что существенно повышает их качество.

Эффективность применения систем с самообрушением очевидна, их внедрение позволило вести подземную разработку месторождений с очень низким содержанием полезного компонента, этим объясняется их повсеместное внедрение на рудниках ЮАР. Рудник Коффифонтейн, отрабатывающий кимберлитовую трубку с низким содержанием алмазов, на протяжении своей более чем столетней истории несколько раз закрывался как нерентабельный и перепродавался разным компаниям. После перехода к системе этажного самообрушения с фронтально-торцевым выпуском рудник относится к рентабельным и имеет устойчивую перспективу.

Исследования в области применения систем с принудительным обрушением и самообрушением руд и вмещающих пород в разные периоды проводили известные ученые: В.Р.Именитов, Д.Р. Каплунов, Е.В. Кузьмин, В.В.Куликов, Г.М. Малахов, З.А. Терпогосов,Д. Лобшир и другие.

В области геомеханических исследований процессов при подработке горных массивов известны работы Д.М. Казикаева, А.Б. Макарова, В.И. Борщ-Компонейца, М.В. Рыльниковой и других ученых.

Учитывая суровые климатические условия Якутии, необходимо четко контролировать и проектировать параметры рассматриваемой системы, принимая также во внимание такие характеристики, как смерзаемость, слеживаемость отбитой руды и наличие агрессивных подземных вод.

Процесс самообрушения зависит от ряда факторов, влияющих на обрушаемость, дробимость и показатели извлечения при выпуске, главными являются площадь и форма подсечки. При этом необходимо комплексное решение ряда задач, связанных с определением возможности самообрушения массива, выбора формы подсечки, режимов выпуска с учетом их влияния на

извлечение руды и относительной себестоимости добычи, параметров расположения выпускных выработок для увеличения показателей извлечения.

Решение таких вопросов в производственных условиях затруднено, так как увидеть процессы в обрушенных рудах и породах невозможно. В основу выбора параметров элементов системы с самообрушением положена методика профессора Д. Лобшира. Стохастическое моделирование позволяет выявить геометрические параметры выпускных выработок, влияющие на показатели извлечения при самообрушении. Поэтому в качестве методов исследования приняты анализ и теоретическое обобщение накопленного опыта применения систем с самообрушением при подземной разработке и стохастическое моделирование при вычислении показателей извлечения, сравнительный технико-экономический анализ систем разработки.

Для определения возможности использования технологий с самообрушением следует рассмотреть условия, при которых массив еще устойчив, рассчитать площадь обнажения, необходимую для инициации обрушения, принимая во внимание, что площадь рудного тела должна быть больше минимальной расчетной площади подсечки.

Возможность применения систем с самообрушением зависит от физико-механических свойств пород, трещиноватости массива и параметров рудных тел. Свойства горных массивов достаточно разнообразны, и для определения их устойчивости или обрушаемости в мировой практике используются классификации, в которых физико-механические и геомеханические характеристики массивов систематизированы и сведены к общему числовому рейтинговому показателю.

Применение классификаций горных массивов по критериям их устойчивости насчитывает более 100 лет. Первые классификации были описательными и предназначались для выбора вида крепления. Затем по мере накопления опыта для более универсального подхода были предложены рейтинговые классификации, представляющие собой количественную оценку

устойчивости массивов- Дальнейшее развитие классификаций происходило не только в направлении выбора крепления выработок, в том числе и очистных, но и для определения устойчивости пролетов обнажений камер, а затем и параметров систем с обрушением на основе эмпирических данных (рис.1).

Проф. Д. Лобширом разработан «горный рейтинг массива горных пород» (MRMR). Классификация основывается на рейтинговой системе проф. 3. Бенявского (RMR), но в нее были внесены дополнительные параметры влияния давления нетронутого массива и привнесенного давления, влияния взрывных работ и выветривания. Схема к определению рейтингового показателя массива на основе этой геомеханической классификации показана на рис. 2.

Рис. 2. Алгоритм к определению рейтингового показателя по классификации проф. Д. Лобшира MRMR.

На основе физического моделирования и анализа опыта применения систем с обрушением проф. Д. Лобширом разработана методика определения параметров систем с самообрушением, исходя из результатов рейтинговых показателей массивов. Методика является общепринятой во многих странах и успешно используется уже более 25 лет.

Основным показателем обрушаемости массива является «гидравлический радиус», определяемый как отношение площади обнажения

пород к его периметру, при которых начинается процесс его естественного обрушения.

На основе больших объемов эмпирических данных проф. Д. Лобширом построен график зависимости величины гидравлического радиуса от показателя МЯМЯ, с делением массивов горных пород на области обрушаемые, переходные и устойчивые (рис.5).

Подсечку необходимой площади реально сразу создать невозможно, она создается постепенно при поэтапном обрушении участков массива с частичным выпуском руды. При этом самообрушение прекращается из-за образования устойчивых сводов (рис.3).

1 • 1 2

1111 1111

У//////////А Х//////////Л

3 4. .

Иш У// /Ь^^Щ/ /// ШшлЩ^

"IIХ/Ш//////Л н ЫУШ/ШУЫ/Р:ц

"II [Щ| V'

Рис. 3 Этапы процесса самообрушения: 1 - проведение отрезной щели; 2 - формирование подсечки для инициации самообрушения; 3 - достижение величины гидравлического радиуса; 4 - разрушение свода естественного равновесия, обрушение достигает поверхности.

При достижении подсечкой величины гидравлического радиуса последующий развивающийся процесс обрушения достигает поверхности. Данный эффект обусловлен тем, что обрушение происходит за пределами свода естественного равновесия, высота которого зависит от физико-механических свойств массива. Когда обрушение достигает поверхности, происходит интенсивное обрушение и дальнейшего заклинивания пород не происходит. При одной и той же величине гидравлического радиуса подработки массива обрушение доходит до поверхности независимо от высоты этажа при определенных геомеханических свойствах массива (рис.4.).

1500 -:-

1250 --------

2

7,5 10 12,5 15 17,5

Гидравлический радиус подработки массива при гидравлическом радиусе обрушения

16м, м

при глубине заложения подсечки 250 м —•— при глубине заложения подсечки 500 м при глубине заложения подсечки 750 м —к— при глубине заложения подсечки 1000 м

Рис.4. Зависимость высоты свода заклинивания от величины гидравлического радиуса подработки массива и глубины заложения горизонта подсечки.

Анализ горногеологических условий кимберлитовых месторождений Якутии показал возможность применения систем с самообрушением для большинства из них. Этому благоприятствует строение и текстура рудных массивов, представленных сильно-трещиноватыми брекчиевидными породами с хорошими показателями обрушаемости. Гидравлический радиус обрушения для условий кимберлитовых месторождений находится в пределах от 9,8 до 16,7м (рис.5).

Гидравлические радиусы обрушениядля трубок: "Мир"(1), "Айхал"(2), "Удачная"(3)

Рис.5. Диапазон изменения гидравлических радиусов в условиях кимберлитовых руд Якутии

Размеры в плане и конфигурация рудных тел на различных горизонтах месторождения позволяют создавать достаточную площадь обнажения для инициации процесса естественного разрушения массива.

Площади рудных тел намного больше необходимых для достижения величины гидравлического радиуса, в пределах которого возможно развитие

самообрушения массива. В табл. 1 представлены результаты расчетов по выявлению возможности применения технологии с самообрушением руды в условиях основных трубок АК «АЛРОСА».

Таблица 1.

Гидравлические радиусы обрушения и размеры рудных тел

Рудное тело (интервалы абсолютных отметок) МЯМК Н13о, м Размеры р.т. по осям, м Возможность применения системы

Трубка «Мир»

-280м и выше 24-29.4 9.8-12 310 х130 46,4 +

-500/-280м 24-29 4 9 8-12 370 х120 34,7 +

-700/-500м 24-29,4 -9,8-12 400 х 60 21,4 .. .

-900/-700М 24-29,4 9,8-12 400 х 30 13,9 +

Трубка «Айхал»

Юго-западное (+230/+150М) 32,6 12,9 173 х 22 12,1

Северо-ьосто шое (+230/+150м) « ?А 327.x'40" 22 9 Ф^ШФШШШ

Юго-западное (+150/0м) 36,5 14,4 151 х 24 11,94 ■

Северо-восточное (+150/0м) ' , Гф «РЯЧШ ,144 * -- ■ р 290 х 20 15,8 * +

Юго-западное (0/-100м) 33,2 13,2 118 х 14 8,9 -

Северо-восточное (западный столб) (ОМООм) 33,2 13,2 166 х 30 13,05 +/-

Северо-восточное (восточный столб) (0/-100М) 33,2 13,2 84 Х22 11,2 -

Трубка «Удачная»

Западное (-290/-690М) " 30 5 ' 12,5 0 270 51,4 +

Западное (-59р/-1р80м)< 35,15 И* 0110 27,4 +

Восточное (-290/-590М) ¿6 5 15 0 250 • 56 +

Восточное (-590/-10!50м) 41,8 "16,7 180 x 280 52,3 «+ »

На примере трубки «Удачная» показана возможность применения системы с самообрушением руды в различных вариантах. Сечение и конфигурация рудных тел на различных горизонтах месторождения позволяют создавать достаточную площадь обнажения для инициации процесса естественного обрушения массива.

Гидравлический радиус определяется как отношение площади подсечки к ее периметру, соответственно при различных ее формах необходимо обнажать разные площади подсечки. Таким образом, при круглой форме подсечки, диаметр подсечки, а при квадратной - ширина подсечки, равны 4 линейным величинам гидравлического радиуса (рис.6).

Учитывая, что процесс самообрушения начинается при достижении подсечкой величины гидравлического радиуса, была определена площадь подсечки в зависимости от ее формы в плане.

Снижение давления на выработки происходит в процессе обрушения, включая стадию выпуска вследствие перераспределения напряжений в массиве. Таким образом, можно заключить, что для снижения опорного давления необходимо в наиболее короткие сроки создать подсечку с площадью, превышающей площадь, образуемую гидравлическим радиусом.

Для быстрого инициирования самообрушеиия необходимо правильно выбрать форму подсечки в плане. Наиболее оптимальными являются круглая и квадратная формы, поскольку при этом при минимальной площади обнажения возможно достижение величины гидравлического радиуса.

апщрсечщ, М

□подсечки = 4 ИЯ

Величина

Рис. 6. Параметры подсечки и их соотношение с величиной гидравлического радиуса HR

Формировать подсечку следует в зонах, ослабленных тектоническими нарушениями, либо проводить разработку от центра трубки к ее флангам, интенсифицируя процесс самообрушения.

В результате исследований, выполненных с использованием методики проф. Д. Лобшира, можно заключить, что кимберлиты Западного рудного тела и Восточного рудного тела (гор. -290/-590м) трубки «Удачная» будут обладать хорошей фрагментацией, диаметром 0,1-2,0 м, с низким выходом негабаритов, в то время как массив Восточного тела (гор. -590/-1080м) будет иметь среднюю дробимость, диаметром кусков 0,4-5,0 м, вследствие более высокой крепости руды и меньшей трещиноватости.

Применение систем разработки с самообрушением возможно в двух вариантах - с донным и торцевым выпуском.

1. Система с самообрушением руды и донным выпускомрудноймассы:

Данный вариант характеризуется высокими показателями извлечения за

счет возможности осуществления равномерного площадного выпуска. Однако необходимо формирование воронок на определенной площади одновременно или с некоторым отставанием от проведения подсечки рудного блока и лишь после этого можно осуществлять выпуск. Кроме того, при донном выпуске изрезанность блока выше, а крепление выработок намного сложнее, чем при торцевом выпуске, и необходимость поддерживать доставочные выработки долгое время соответственно увеличивает затраты на добычу.

2. Система с самообрушением руды при торцевом выпуске рудной массы:

В данном варианте подсечка производится непосредственно из буродоставочных выработок с установкой временных пунктов выпуска. Возможно также расширение фронта работ и осуществление выпуска руды, с одновременным проведением нарезных работ в другой части рудного тела. При порядке отработки от центра к флангам возможна также и одновременная доработка запасов вышележащего горизонта. Одним из существенных недостатков варианта является линейный последовательный

выпуск, в ходе которого показатели извлечения ниже, чем при донном выпуске.

Вследствие того, что кимберлиты Западного рудного тела более неустойчивы, чем массив Восточного рудного тела, для отработки его запасов предпочтительно использовать систему с самообрушением с торцевым выпуском из-за большой динамичности продвижения фронта очистных работ, что исключает необходимость поддержания выпускных выработок при отработке этажа на большей площади и формирования воронок в условиях повышенной трещиноватости. Для Восточного рудного тела в связи с большей устойчивостью массива возможно применение системы с самообрушением и донным выпуском руды.

Выбор вариантов систем для условий трубки «Удачная» также производился на основе определения удельных затрат на тонну добываемой рудной массы для условий Западного и Восточного рудных тел (рис.7).

Рис. 7. Выбор варианта системы при отработке одного этажа системой с самообрушением для трубки «Удачная»

а) в условиях Западного рудного тела; б - в условиях Восточного рудного тела.

Подсечка является одним из основных процессов при применении систем с самообрушением, поэтому необходимо критически подходить к выбору ее основных параметров.

Исходя из анализа опыта систем с самообрушением, можно утверждать, что трудности в ходе формирования подсечки, приводили к повреждению горизонта выпуска, потерям и повреждениям крепи доставочных выработок.

Основной целью подсечки является создание необходимой площади обнажения для инициации процесса естественного обрушения массива. Тем не менее, при создании подсечки необходимой площади образуются области высоких напряжений на ее границах, поэтому вторым аспектом при обосновании параметров подсечки является минимизация разрушающих воздействий на горизонты выпуска и доставки.

Имеется 3 вида подсечки по способу их формирования: веерными скважинами; плоская подсечка шпурами; узкая зубчатая подсечка шпурами.

В табл. 2 показаны рекомендуемые области применения подсечек в

различных горно-геологических условиях.

Таблица 2

_Основные варианты подсечек н области их применения_

Вариант Преимущества Недостатки Рекомендации

Подсечка веерными скважинами 1. можно формировать как в варианте с отдельным горизонтом подсечки, так и путем пересечения воронок 2. легко адаптировать после применения системы подэтажного обрушения 1. оставление целиков при недобурах или потеря скважин в сильнотрещиноватых неустойчивых массивах Рекомендуется применять везде, кроме глубоких горизонтов в сильнотрещиноватых породах

Плоская узкая подсечка 1. быстрый темп формированния подсечки 2. меньшие потери шпуров 3. снижение негативного разрушающего воздействия на горизонты выпуска и доставки 1. трудности при бурении и потери шпуров 2. образование целиков 3.трудности в уборке взорванной рудной массы Рекомендуется на больших глубинах в породах средней устойчивости

Узкая зубчатая подсечка 1. легче убирать руду из наклонной части подсечки 2. лучшее разрушение массива (концентрация напряжений в местах сопряжений) 1. проблемы с уборкой в горизонтальной части подсечки 2. концентрация напряжений Рекомендуется применять на больших глубинах в породах различной устойчивости, в т.ч. и сильнотрещиноватых

На основе рассмотренных вариантов подсечек и рекомендуемых областей их применения для условий Восточного рудного тела при применении системы с самообрушением при донном выпуске руды рекомендуется формировать узкую подсечку зубчатой формы (рис.8(а)). В условиях системы с самообрушением с торцевым выпуском рудной массы подсечка осуществляется непосредственно с буродоставочных выработок.

Расстояние между пунктами выпуска определяется на основе прогнозных данных о дробимости руды и теории взаимодействия пунктов выпуска. При выборе расстояния между пунктами выпуска необходимо исходить из условия небольшого пересечения эллипсоидов выпуска соседних пунктов для возможности их взаимодействия и обеспечения приемлемых показателей извлечения. Для условий Восточного рудного тела трубки «Удачная» при использовании для доставки обрушенной руды ПДМ длина заездов составляет около 15 метров, расстояние между зонами выпуска варьируется в пределах 18-24м. Среднее расстояние между доставочными выработками - 30м (рис.8 (б)).

Рейтинг массива Западного рудного тела трубки «Удачная» в отметках выше гор. -580м соответствует 4 классу геомеханической классификации. Основными факторами при выборе сечения выработок являются габариты предполагаемого к использованию оборудования; сечение выработок составит 5х4м.

Для условий Западного рудного тела расстояние между пунктами выпуска руды в среднем составляет 16-18м, для того чтобы обеспечить достаточное взаимодействие между раздробленными кусками руды. Взаимодействие зон выпуска проявляется при величине в 1,5 диаметра изолированных зон выпуска, расстояние между пунктами выпуска в буродоставочной выработке будет составлять 28-30м. Принимая это во внимание, на трех горизонтах доставки проводятся выработки 5,0м шириной, 4м высотой с расстоянием 16м по центру. Пункты выпуска в каждой выработке устанавливаются с интервалом 28м.

а)

б)

доставочный орт

пункт выпуска

Рис.8. Параметры зубчатой подсечки (а) и выпускных выработок (б) в условиях Восточного рудного тела трубки «Удачная».

По результатам стохастического моделирования выпуска руды оптимальное расстояние между смежными выпускными выработками при заданной фрагментации составляет 16-18м, что соответствует параметрам, выбранным по методике проф. Д.Лобшира (рис.9 (а)).

Также была получена зависимость показателей извлечения от расположения смежных буровыпускных выработок по вертикали (рис.9) (б)). Минимальные потери и разубоживание характерны для расстояния 10-14м.

Расстояние между выпускными выработками, м

б)

50 40"

Расстояние между выпускными выработками по вертикали, м Рис. 9. Зависимость показателей извлечения от расположения выработок на горизонтах выпуска: а - по горизонтали; б - по вертикали.

На трех доставочных горизонтах для выпуска руды создаются специальные пункты выпуска, по которым обрушенная руда выпускается с

торца и доставляется с помощью ПДМ. Расположение этих пунктов выпуска в плане производится через определенный интервал на первом и третьем горизонтах и со смещением и тем же интервалом - на втором. Такое шахматное расположение способствует более полному извлечению рудной массы и взаимодействию эллипсоидов выпуска.

На третьем горизонте устанавливаются постоянные пункты выпуска длиной 2-4м с усиленным креплением металлическими арками в бетонных оболочках, тросами.

На первом и втором горизонтах устанавливаются пункты выпуска, которые подрываются после отработки на первых стадиях добычных работ.

Крепление доставочных выработок осуществляется анкерами, сеткой и стальными стяжками. Зацементированные стальные тросы, устанавливаются дополнительно по мере необходимости, в основном в местах сопряжений.

Крепление пунктов выпуска в условиях Западного рудного тела трубки «Удачная» осуществляется путем установки тросов и арочной крепи в бетонной оболочке. Длина пунктов выпуска составит 2-3 м.

Вследствие низкой устойчивости зон контактов рудных тел с вмещающими породами протяженностью 15-30м необходимо применять усиленное крепление. Обычно в зонах смятия устанавливают арочное крепление, однако из-за высокой трещиноватости и водопритоков необходимо дополнительно усиливать их бетоном.

Системы разработки с самообрушением характеризуются низкими затратами на добычу руды и высокой производительностью.

Производственная мощность рудника ограничивается лишь интенсивностью выпуска, производительностью и количеством применяемого оборудования. При темпе выпуска 250-З00мм/сут. и заданном количестве оборудования на доставке (14 ПДМ типа CAT R2800) можно достичь проектной мощности в 2,8 - 3,4млн.т.

В качестве критерия оценки экономической эффективности применения систем с самообрушением для условий трубки «Удачная» выбрана ставка дохода, определяемая процентным отношением среднегодовой чистой прибыли к произведенным капитальным затратам, поскольку данный критерий показывает отдачу от вложенных средств.

При этом рассматривались 4 варианта систем: система с подэтажным обрушением, этажным принудительным обрушением, самообрушением в вариантах с донным и торцевым выпуском применительно к условиям трубки «Удачная».

На рис. 10. показана сравнительная диаграмма по вариантам рассмотренных систем. Расчеты показали, что рекомендуемые системы характеризуются расчетной ставкой дохода, на 20-30% выше по сравнению с величиной ставки для систем с принудительным обрушением. При этом в расчетах не учитывался дополнительный эффект улучшения качества кристаллов.

40

Этажное обрушение Подэтажное Этажное Этажное

с донным выпуском обрушение самообрушение самообрушение

(донный выпуск) (торцевой выпуск)

И Западное рудное тело В Восточное рудное тело

Рис. 10. Экономическая эффективность применения систем с самообрушением по критерию ставки дохода для условий трубки «Удачная».

Заключение

Диссертация является законченной научно-исследовательской работой, в которой решена актуальная проблема обоснования возможности использования и выбора параметров систем с самообрушением кимберлитовых руд при их подземной разработке.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. В результате проведенного анализа условий залегания и физических свойств кимберлитовых руд алмазоносных трубок Якутии установлено, что они по своим геомеханическим характеристикам пригодны для их отработки системами с самообрушением.

2. Установлены параметры геомеханических свойств массива, позволяющие определить величину гидравлического радиуса обрушения кимберлитовых руд в условиях месторождений Якутии.

3. Выбрана методика определения параметров систем с самообрушением на основе эмпирических данных рейтинговой классификации, охватывающей необходимый набор характеристик массива для определения размеров подсечки, в пределах которой будет развиваться обрушение.

4. Для условий кимберлитовых месторождений Якутии доказана возможность применения систем с самообрушением для большинства из них. Установлено, что гидравлический радиус обрушения для этих условий находится в пределах 9,8 - 16,7м.

5. Рекомендован порядок отработки кимберлитовых трубок при самообрушении, установлено, что формировать подсечку следует от зон, ослабленных тектоническими нарушениями, либо проводить разработку от центра трубки на оба ее фланга, интенсифицируя этим процесс самообрушения.

6. Определены параметры систем с самообрушением для условий трубки «Удачная» в вариантах с донным выпуском руды для Восточного рудного тела и при торцевом выпуске рудной массы для Западного рудного тела.

7. По результатам стохастического моделирования выпуска определено оптимальное расстояние между выпускными выработками при заданной величине фрагментации.

8. Величина ставки дохода от предлагаемых вариантов систем с самообрушением составляет 36-37,5%; что при сравнении со ставками дохода для систем с принудительным обрушением технология с самообрушением на 22-30% выше, даже без учета эффекта сохранности кристаллов.

Основные положения диссертации опубликованы в 6 научных работах:

1. Бреденханн X., Кузьмина И.Е., Узбекова А.Р. Применение систем с самообрушением при отработке кимберлитовых трубок. - ГИАБ, №1,2003г,с.220.

2. Кузьмин Е.В., Узбекова А.Р. Опыт использования классификаций массивов горных пород в зарубежной практике. - ГИАБ, №3, 2003г, с.94.

3. Бреденханн X., Кузьмин Е.В., Узбекова А.Р. Фронтальное самообрушение на руднике Коффифонтейн. - ГИАБ, №3, 2003г, с.96.

4. Кузьмин Е.В., Узбекова А.Р. Рейтинговые классификации массивов горных пород: предпосылки создания, развитие и области применения. - ГИАБ, №4, 2004г, с.201.

5. Зенько Д.К., Узбекова А.Р. Основные факторы, влияющие на устойчивость массивов в критериях Бенявского (КМЯ) и Бартона (9). - ГИАБ, №6, 2004г, с.273.

6. Узбекова А.Р. Методика определения параметров систем с самообрушением. - ГИАБ, №6, 2004г, с.338.

Подписано в печать 25 .11 .2004. Формат 60x90/16 Объем 1 п.л. Тираж 100 экз. Заказ 847

Типография МГГУ. Ленинский пр., 6

»24 4 Ь г

362

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Узбекова, Алина Рашидовна

Введение.

1. Состояние изученности вопроса. Задачи и методы исследований.

1 Л. Горно-геологические условия применения систем разработки с самообрушением руды.

1.2. Анализ опыта применениия систем с самообрушением при подземной добыче кимберлитовых руд.

1.3. Задачи и методы исследований.

2. Аналитические исследования в области определения основных факторов, влияющих на устойчивость массива и возможность его самообрушения

2.1. Оценки устойчивости и обрушаемости массивов на основе рейтинговых классификаций.

2.2. Основные действующие рейтинговые классификации массивов горных пород и область их применения.

2.3. Методика определения обрушаемости массивов и параметров систем с самообрушением.

2.4. Проведение исследований по установлению параметров самообрушения кимберлитовых руд.

Выводы по главе.

3. Обоснование параметров самообрушения в условиях месторождений Якутии.

Горногеологические условия кимберлитовой трубки «удачная.

Рейтинговая оценка массива кимберлитовой трубки «удачная» и вмещающих пород

Определение параметров подсечки по рейтинговым показателям массивов.

3.4. Процесс естественного разрушения массива и его инициирование.

Определение минимальной площади подсечки для инициации процесса самообрушения

Выводы по главе.

4. Определение основных параметров систем с самообрушением.

4.1. Варианты систем с самообрушением.

Выбор типов и технологии созданияподсечки.

Определение необходимого расстояния между пунктами выпуска с учетом взаимодействия эллипсоидов выпуска.

Согласование очистных работ и влияние данных факторов на показатели извлечения

Крепление подготовительных, нарезных выработок, а также выработок в зонах контакта.

4.5. Смерзаемостъ и наличие водопритоков в условиях кимберлитовых руд Якутии 142 Экономическая оценка применения систем в условиях месторождения трубки

Удачная».

Выводы по главе.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Обоснование параметров самообрушения кимберлитовых руд при их подземной разработке"

Актуальность темы. Высокая интенсивность отработки месторождений полезных ископаемых подземным способом привела за последние десятилетия к необходимости вовлечения в разработку месторождений с низким содержанием полезных компонентов, что также обусловлено внедрением новых технических решений при добыче и обогащении. При этом создается возможность эффективной разработки низкосортных рудных тел или подземной доработки запасов месторождений после отработки их открытым способом.

Экономическая ситуация вынуждает применять технологии с низкой себестоимостью и высокой производственной мощностью. Этим требованиям в большой степени соответствуют при разработке мощных рудных тел системы с самообрушением.

В полной мере это относится и к отработке кимберлитовых месторождений, поскольку строение и геомеханические характеристики горных пород, слагающих рудные тела, благоприятны для применения систем с самообрушением. Важным также является то, что использование при добыче алмазосодержащих руд систем с самообрушением позволяет снизить негативное влияние взрывных работ на кристаллы, поэтому обоснование возможности использования и выбор параметров самообрушения кимберлитовых руд при их подземной разработке является актуальной научной и практической задачей.

Целью диссертационной работы является обоснование принципиальной возможности и параметров самообрушения руды в условиях подземной разработки кимберлитовых месторождений, с обеспечением их эффективной отработки.

Идея работы заключается в определении условий развития процесса самообрушения кимберлитовых руд за счет формирования подсечки различной конфигурации, с определением ее параметров на основе рейтинговой классификации массива.

Научные положения, разработанные лично соискателем:

- величина гидравлического радиуса обрушения кимберлитовых трубок на месторождениях Якутии изменяется в диапазоне 10-17м, что, с учетом особенностей строения и параметров рудных тел, обеспечивает возможность применения систем с самообрушением;

- форму и варианты формирования подсечки, при которой инициируется процесс самообрушения, необходимо выбирать, учитывая физико-механические свойства кимберлитовых руд и глубину разработки;

- подсечку рудного массива следует осуществлять, развивая горные работы от зон, ослабленных тектоническими нарушениями, а в изотропных массивах — от центра трубки, что позволит интенсифицировать процесс самообрушения и обеспечить концентрацию горных работ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- определены размеры и обоснован диапазон изменения гидравлического радиуса обрушения, на основе чего установлена возможность применения технологий с самообрушением для условий кимберлитовых месторождений Якутии;

- определены методы выбора подсечки и способы ее формирования на минимальных площадях с учетом физико-механических свойств кимберлитовых руд и глубины разработки;

- обоснован порядок развития фронта очистных работ при разработке кимберлитовых трубок системами с самообрушением.

Методы исследований включают анализ и теоретическое обобщение мирового опыта технологических решений при подземной разработке кимберлитовых месторождений системами с самообрушением; использование метода определения параметров систем с самообрушением, позволяющего определять основные факторы, влияющие на процесс разрушения массива, использование стохастического моделирования при определении показателей извлечения и выборе параметров выпускных выработок; сравнительный технико-экономический анализ систем разработки с обрушением руды и вмещающих пород.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы подтверждаются:

- анализом мирового опыта подземной разработки кимберлитовых месторождений системами с самообрушением;

- результатами анализа статистических и экспериментальных данных и их математической обработкой;

- удовлетворительной сходимостью (75%) результатов теоретических исследований и аналитических расчетов с данными стохастического моделирования.

Научное значение работы заключается в установлении параметров кимберлитовых месторождений, позволяющих определить величину гидравлического радиуса и размеры площади подсечки для инициации самообрушения, установлении порядка отработки кимберлитовых трубок при самообрушении, определении областей эффективного использования различных вариантов технологии подземной разработки.

Практическое значение работы заключается в определении параметров систем разработки с самообрушением применительно к условиям кимберлитовых месторождений Якутии, выборе вариантов формирования подсечек и порядка отработки рудных тел кимберлитового месторождения трубки «Удачная».

Реализация работы. По результатам исследований выявлена возможность применения системы с самообрушением и установлены ее параметры для условий кимберлитовой трубки «Удачная», что рекомендовано к практическому использованию АК «АЛРОСА».

Апробация работы. Основное содержание работы и ее отдельные положения докладывались и получили одобрение на научных студенческих конференциях (2002-2003гг) и конференциях в рамках «Неделя горняка» (2003-2004гг.), научных семинарах кафедры «Технология, механизация и организация подземной разработки рудных месторождений» МГГУ (20032004гг.).

Публикации. По результатам выполненной диссертационной работы опубликовано 6 статей.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, содержит 74 рисунка, 32 таблицы и список литературы из 92 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Геотехнология(подземная, открытая и строительная)", Узбекова, Алина Рашидовна

Выводы по главе

1. Вследствие того, что кимберлиты Западного рудного тела более неустойчивые, чем массив Восточного рудного тела, для отработки его запасов предпочтительно использовать систему с самообрушением с торцевым выпуском из-за большой динамичности продвижения фронта очистных работ, что исключает необходимость поддержания выпускных выработок при отработке этажа на большей площади и формирования воронок в условиях повышенной трещиноватости. Для Восточного рудного тела в связи с большей устойчивостью массива возможно применение системы с самообрушением и донным выпуском руды.

2. На основе рассмотренных вариантов подсечек и рекомендуемых областей их применения для условий Восточного рудного тела при применении системы с самообрушением при донном выпуске руды, рекомендуется формировать узкую подсечку зубчатой формы. В условиях системы с самообрушением с торцевым выпуском рудной массы, подсечка осуществляется непосредственно с буродоставочных выработок.

3. Для условий Восточного рудного тела трубки «Удачная» при использовании для доставки обрушенной породы ПДМ, длина заездов составляет около 15 метров, расстояние между зонами выпуска варьируется в пределах 18-24м. Расстояние между доставочными выработками - 30м. Для условий Западного рудного тела расстояния между пунктами выпуска руды в среднем 16-18м, для того чтобы обеспечить достаточное взаимодействие между раздробленными кусками руды. Расстояние между пунктами выпуска в буродоставочной выработке будет составлять 28-30м.

4. По результатам стохастического моделирования выпуска руды расстояние между выпускными выработками при заданной фрагментации составляет 16-18м, что соответствует параметрам, выбранным по методике проф. Д.Лобшира. Получена зависимость от расположения выработок по вертикали. Минимальные потери и разубоживание характерны для расстояния 10-14м.

5. Обнаженные кимберлитовые поверхности должны покрываться водозащитным герметиком. Для усиления крепления можно использовать набрызгбетон, армированный металлическими фибрами. 1

6. Смерзаемости пород будет препятствовать динамичность процесса выпуска, т.к. горная масса будет находиться в движении и встряхиваться при внедрении в нее ковша ПДМ и подача теплого воздуха для поддержания на горизонте выпуска плюсовой температуры.

7. Водопритоки из зоны очистной выемки, в случае их присутствия

Г ' ликвидируются посредством перепуска на нижележащие этажные выработки с последующей перекачкой по трубам на дренажный горизонт и выдачей на поверхность. Доставочные выработки необходимо проводить с уклоном к вмещающим породам 5-6°/00> что будет способствовать отводу подземных вод из зоны очистной выемки. ч I

8. Величина ставки дохода от предлагаемых вариантов технологии с самообрушением составляет 36-37,5%; что на 22-30% выше по сравнению со ставками дохода для систем с принудительным, без учета эффекта сохранности кристаллов.

Заключение

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой содержится решение задачи обоснования параметров систем и создания условий для применения технологий с самообрушением кимберлитовых руд при их подземной разработке, имеющей существенное значение для развития подземной геотехнологии.

Основные научные и практические результаты работы состоят в следующем: