Обоснование параметров технологии отработки пологих медноколчеданных месторождений с обрушением руды и вмещающих пород

Мажитов, Артур Маратович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Обоснование параметров технологии отработки пологих медноколчеданных месторождений с обрушением руды и вмещающих пород
ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации по теме "Обоснование параметров технологии отработки пологих медноколчеданных месторождений с обрушением руды и вмещающих пород"

МАЖИТОВ АРТУР МАРАТОВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИИ ОТРАБОТКИ ПОЛОГИХ МЕДНОКОЛЧЕДАННЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ С ОБРУШЕНИЕМ РУДЫ И ВМЕЩАЮЩИХ ПОРОД

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

I 4 окг ш

Магнитогорск - 2013

005535530

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Мещеряков Эдуард Юрьевич

Официальные оппоненты: Зубков Альберт Васильевич

доктор технических наук, профессор ИГД УрО РАН, главный научный сотрудник

Гордеев Алексей Иванович кандидат технических наук, Русская медная компания, директор по перспективному развитию горно-обогатительного производства

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Уральский государственный

горный университет» (УГТУ), г. Екатеринбург

Защита состоится 30 октября 2013 г. в 1400 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.111.02 при ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» по адресу: 455000, Челябинская обл., г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, малый актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».

Автореферат разослан «28» сентября 2013 г.

Ученый секретарь 4>,

диссертационного совета ^

доктор технических наук Ъ- ^^

_„Л-—г" Корнилов Сергей Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Рудные залежи пологого залегания составляют значительную часть запасов медноколчеданных месторождений Южного Урала (Узельгинское, Чебачье, Октябрьское, Молодежное) и отличаются изменчивыми в пространстве горногеологическими и горнотехническими условиями разработки: мощностью рудного тела, содержанием полезных компонентов, степенью пожароопасное™, устойчивостью и крепостью руд и пород.

В настоящее время при подземной добыче медноколчеданных руд наибольшее распространение получила технология с применением камерной системы разработки с твердеющей закладкой. Несомненным ее достоинством является полнота извлечения руд при обеспечении сохранности земной поверхности. Основным недостатком вышеуказанной системы разработки является высокий уровень ресурсоемкости добычи, поэтому применение ее на участках с низким содержанием полезного компонента приводит к снижению экономической эффективности освоения недр. В связи с этим возникает вопрос оценки возможности применения систем с обрушением руды и вмещающих пород, характеризующихся низкой себестоимостью и высокой интенсивностью работ, для отработки пологих залежей, представленных бедными рудами, однако при применении систем разработки с обрушением существенно снижаются показатели использования недр. Улучшить показатели извлечения возможно за счет обоснования порядка отработки запасов, изыскания режима выпуска руды под обрушенными породами, управления состоянием подработанных пород.

Поэтому обоснование параметров технологии отработки пологих медноколчеданных залежей с обрушением руды и вмещающих пород представляет актуальную научную задачу.

В связи с этим целью работы является обоснование параметров технологии отработки пологих медноколчеданных залежей малоценных руд с обрушением руды и вмещающих пород, обеспечивающей экономическую эффективность отработки месторождений.

Идея работы заключается в использовании технологии добычи с площадно-торцевым выпуском руды и управляемым обрушением налегающих пород, характеризующуюся низкими затратами на управление горным давлением и высокими показателями извлечения

Объект_исследования - пологие медноколчеданные

месторождения.

Предмет исследования - процессы очистной выемки.

Задачи исследований:

- анализ и обобщение опыта разработки пологих медноколчеданных месторождений системами различных классов и оценка факторов,

определяющих условия применения нескольких способов поддержания очистного пространства;

- обоснование способов подготовки при отработке пологих залежей системами с обрушением руды и вмещающих пород, обеспечивающих возможность сочетания систем разработки разных классов;

- исследование процесса выпуска рудной массы под обрушенными породами и определение зависимости показателей извлечения от

параметров технологии;

- исследование напряженно-деформированного состояния массива (НДС) горных пород при отработке пологой залежи системой с обрушением руды и вмещающих пород;

- обоснование параметров технологии отработки пологих залежей с обрушением руды и вмещающих пород; технико-экономическая оценка рекомендаций.

Методы исследований: анализ и обобщение практики разработки пологозалегающих рудных тел; физическое моделирование выпуска руды; математическое моделирование напряженно-деформированного состояния массива методом конечных элементов; аналитические исследования; методы математической статистики и технико-экономического анализа.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Эффективность освоения пологих залежей медноколчеданных месторождений обеспечивается за счет применения технологии добычи с площадно-торцевым выпуском руды и управляемым обрушением налегающих пород при геомеханически обоснованном порядке отработки участка.

2. Клиновой порядок развития фронта очистных работ и площадно-торцевой выпуск руды обеспечивают временную устойчивость кровли призабойных секций, увеличенное (2-3) количество точек выпуска, достижение высоких показателей извлечения чистой руды, коэффициентов потерь и разубоживания.

3. При трех точках выпуска рудной массы из секции и наличии бокового контакта с обрушенными породами максимальные показатели извлечения достигаются при первоначальном выпуске из центрального отверстия до 30% от объема рудной массы и последующем равномерно-последовательном из боковых отверстий до момента достижения предельного содержания металла в дозе выпуска.

4. Временная устойчивость кровли призабойных секций и управляемое обрушение налегающих пород при освоении пологой рудной залежи обеспечивается клинообразным фронтом развития горных работ, ориентированным перпендикулярно направлению действия максимальной компоненты тектонических сил.

исследований, использованием метода математического моделирования напряженно-деформированного состояния массива методом конечных элементов в объемной постановке задачи, сопоставимостью результатов исследований с практическими данными.

Научная новизна.

1. Установлены зависимости показателей извлечения от геометрических параметров технологии при отработке пологой залежи системой разработки с площадно-торцевым выпуском руды и управляемым обрушением кровли.

2. Установлена зависимость ширины барьерного целика, применяемого при смене технологии разработки пологой медноколчеданной залежи с обрушением руды и вмещающих пород на технологию с закладкой выработанного пространства, от глубины разработки (Н = 200-4000 м), мощности рудного тела (Ь = 10-50 м) и протяженности зоны обрушения (В = 50-130 м).

3. Разработан алгоритм выбора рациональных систем разработки и обоснования параметров технологии при освоении пологой залежи системой разработки с обрушением руды и вмещающих пород и площадно-торцевым выпуском руды с учетом распределения содержания полезных компонентов в границах рудного тела.

Личный вклад автора состоит в: формулировании цели и задач исследований; анализе и обобщении опыта отработки медноколчеданных залежей; разработке методик лабораторных экспериментов и подготовке необходимого оборудования; непосредственном проведении лабораторных исследований; разработке математической модели НДС массива пород методом конечных элементов; статистической обработке полученных результатов; определении конструктивных параметров технологии; расчете технико-экономических показателей технологии.

Практическая значимость работы заключается в том, что параметры технологии с площадно-торцевым выпуском руды и управляемым обрушением налегающих пород, обоснованные в результате исследований, и алгоритм выбора рациональных систем разработки позволяют повысить эффективность освоения пологих медноколчеданных месторождений. Материалы диссертации использованы при выполнении научно-исследовательской работы «Научное сопровождение горных работ при отработке Камаганского месторождения» и в качестве рекомендаций для отработки медноколчеданного месторождения «Чебачье».

Международной конференции: «Комбинированная геотехнология: теория и практика реализации полного цикла комплексного освоения недр» (г. Магнитогорск, МГТУ, 2011г.); 5 Всероссийской молодежной научно-практической конференции (с участием иностранных ученых) «Проблемы недропользования» (г. Екатеринбург, ИГД УрО РАН, 2011г.); 69 и 70 Межрегиональной научно-технической конференции «Актуальные проблемы современной науки, техники и образования» (г. Магнитогорск,

МГТУ, 2011-2012гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 2 статьи в научных журналах, рекомендованных ВАК России.

Объем и структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 92 наименований, изложенных на 140 страницах машинописного текста, содержит 75 рисунков, 13 таблиц, 3 приложения.

Автор выражает искреннюю признательность и благодарность научному руководителю к.т.н. Э.Ю. Мещерякову, а также д.т.н. В.Н. Калмыкову и сотрудникам кафедры ПРМПИ МГТУ за научные консультации и ценные замечания при выполнении и обсуждении результатов исследований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Пологие рудные тела медноколчеданных месторождений обладают общими признаками: линзообразная форма; краевые части залежей представлены вкрапленными рудами, особенностью которых является низкие содержания меди - 0,5-1% и серы до 10-18%; преобладание тектонических напряжений над напряжениями от налегающей толщи пород. Как правило, отработку медноколчеданных руд осуществляют вариантами камерной и камерно-целиковой системы разработки с твердеющей закладкой в условиях непостоянства горно-геологических и горнотехнических характеристик: мощности рудного тела, содержания полезного компонента, устойчивости и крепости руд и пород.

Вопросу выбора и обоснования подземной физико-технической геотехнологии отработки рудных месторождений в различных горногеологических и горнотехнических условиях посвящены труды многих ученых: М.И. Агошкова, И.И. Айнбиндера, O.A. Байконурова, Д.М. Бронникова, В.И. Борщ-Компониеца, Ю.В. Волкова, Ю.В. Демидова, A.A. Еременко, В.А. Еременко, Н.Х. Загирова, Н.Ф. Замесова, A.B. Зубкова, В.Р. Именитова, Р.П. Каплунова, Д.Р. Каплунова, В.Н. Калмыкова, М.В. Курленя, М.В. Рыльниковой, И.В. Соколова, A.M. Фрейдина и др.

В результате анализа опыта отработки пологих месторождений установлено, что залежи с относительно низким содержанием полезного компонента целесообразно отрабатывать системами разработки с обрушением руды и вмещающих пород. Однако возникают вопросы по

поддержанию полноты извлечения и качества добываемых руд на уровне технологии добычи с твердеющей закладкой, совмещению на одном горизонте различных схем подготовки, геомеханического взаимовлияния зон рудного, искусственного массива и обрушенных пород. Все это предопределяет необходимость комплекса исследований по конструированию системы разработки для условий отработки пологих рудных тел, оценке качественных и количественных показателей извлечения, комплексной геомеханической и технико-экономической оценке технологии добычи с обрушением руд.

Проведенный анализ опыта применения систем с обрушением руды и вмещающих пород показал, что существенными достоинствами обладает технология подэтажного обрушения с площадно-торцевым выпуском рудной массы, которая разработана для условий отработки крутопадающих железорудных залежей (Фрейдин A.M., Неверов С.А.). Преимуществами данной технологии являются: рост показателей полноты и качества извлечения запасов за счет одновременного выпуска руды по площади и с торца отбиваемого слоя; безопасные условия труда для горнорабочих за счет применения общешахтного проветривания очистных забоев.

В результате геотехнологического конструирования системы разработки для условий отработки пологих рудных тел с использованием принципа площадно-торцевого выпуска руды, предложена следующая технология отработки запасов (рис. 1).

Весь комплекс подготовительно-нарезных работ выполняется в пределах одного горизонта выпуска 1. На границе выемочного участка проходится доставочный орт 2, который сбивается с вентиляционным горизонтом 3 восстающим 4. Из доставочного орта 2 проходятся буро-доставочные штреки 5, разделяющие рудное тело на панели 6. Ширина панели при этом выбирается равной расстоянию между буро-доставочными штреками 5. Далее из доставочных штреков 5 под углом 45-^60° проходятся погрузочные заезды 7 к центру отбиваемой секции 8. В качестве буровых выработок служат буро-доставочные штреки 5, из которых бурятся веера скважин 9.

Отработка рудных панелей 6 осуществляется секциями 8, имеющими форму параллелепипеда и состоящими из нескольких слоев 10, определяемых расстоянием между веерами скважин 9. Очистные забои проветриваются за счет общешахтной депрессии и вентиляторов местного проветривания путем подачи свежего воздуха через доставочный орт 2 и доставочные штреки 5 с последующим выбросом отработанного воздуха на вентиляционный горизонт по восстающему 4.

Особенностью реализуемой схемы подготовки добычного участка является возможность перехода к применению камерной системы разработки с твердеющей закладкой 11.

Б-Б

В-В

1-горизонт выпуска

2-доставочный орт

3-вентиляционный горизонт

4-восстающий

5-доставочный штрек

6-граница панели

7-погрузочные заезды

8-граница секции

9-веера скважин

10-отбиваемые слои

11-камера, заполненная твердеющей закладкой

Рис. 1. Технология разработки с обрушением руд и вмещающих пород и площадно-торцевым выпуском руды для условий отработки участков пологих медноколчеданных залежей

Комплекс механизации очистных работ при отработке пологой рудной залежи с обрушением руды и вмещающих пород и площадно-торцевым выпуском руды предполагает применение самоходного оборудования. В результате оценки технологических возможностей оборудования, получившего распространение на уральских рудниках, к применению рекомендован комплекс механизации очистных работ, включающий: ПДМ TOR0500, автосамосвал Sandvik-417, буровую установку SOLO 7-ЮС. При этом ширина доставочной выработки принимается исходя из размеров доставочного оборудования и составляет 4,0 м.

В границах одного выемочного участка технология может быть реализована при следующих схемах развития фронта горных работ (рис. 2), каждая из которых имеет характерные особенности с точки зрения

управления горным давлением, интенсивности очистных работ, количества и местоположения выпускных выработок в каждой секции.

Рис. 3. Лабораторный стенд для моделирования площадно-торцевого выпуска рудной массы (а), выпуск под временной кровлей (б) и выпуск под обрушенными налегающими породами (в)

Исследования проводились при соблюдении геометрического и динамического подобия конструктивных элементов, гранулометрического состава и равенства углов внутреннего трения и трения о стенки в модели и натуре.

Рис. 2. Принципиальные схемы развития фронта горных работ с применением технологии с площадно-торцевым выпуском руды в условиях отработки пологих рудных тел: 1 - прямолинейная, 2 - камерно-целиковая, 3 - диагональная, 4 - клинообразная, 5 - обратный «клин»

Выбор рациональной схемы сопряжен с необходимостью проведения исследований в областях управления горным давлением и качеством рудной массы

Для моделирования выпуска рудной массы был изготовлен универсальный лабораторный стенд (рис. 3), позволяющий производить исследования выпуска руды в масштабе 1:100. Стенд представляет собой каркас, изготовленный из прозрачного оргстекла, размерами 40x40 см и высотой 100 см. Он позволяет имитировать отработку секции и выпуск руды по площадно-торцевой схеме. В модели предусмотрена возможность варьирования толщины (В) и высоты (Н) слоя, а также количества выпускных выработок (п=1-3).

Выпуск осуществлялся из секции, имеющей форму параллелепипеда, с изменением его ширины (толщины) и высоты. Ширина принималась равной 8, 10 и 12 м с учетом диаметра потока руды при торцевом выпуске из буро-доставочных выработок шириной 4 м. Высота принималась равной 15, 20 и 30 м. Количество точек выпуска руды из секции 1, 2 и 3. Моделировались условия выпуска руды из секции как при горизонтальном контакте с породой, так и при боковом, при временной устойчивости кровли над отрабатываемой секцией.

Исследования показали, что площадно-торцевой выпуск руды под обрушенными породами обеспечивает повышение показателей выпуска в сравнении с традиционным торцевым выпуском. В частности, извлечение чистой руды при двух и трех точках выпуска увеличивается на 12-13% и 24-25% соответственно, разубоживание снижается на 32-34 и 39-41%, потери - на 31-33 и 36-38% (рис. 4а).

а) __________________________________г...... 9. •......

' 70.0

й 50.0

" 40-0

ё 30.0

!» 20.0

г 10.0

Показатели извлечения

^ Количество выработок выпуска

П Показатели извлечения

Схема развития фронта горных работ

Рис. 4. Зависимости показателей извлечения руды: а) от количества точек выпуска из секции; б) от применяемой схемы развития фронта горных

работ

Для изучения влияния режима выпуска на показатели извлечения было произведено моделирование процесса выпуска руды под обрушенными налегающими породами одинаковыми дозами с торцов доставочного штрека и боковых погрузочных заездов, в соотношении -соответственно 1:1, 2:1, 3:1 и 1:2 (табл. 1). Наилучшие показатели извлечения достигнуты при выпуске руды в соотношении 1:1, что объясняется одинаковыми зонами влияния выпускных выработок на выпуск рудной массы секции, имеющей правильную форму параллелепипеда, и равномерным опусканием контакта «руда - порода» при выпуске до 70% рудной массы.

По результатам моделирования выпуска руды из секции под временной кровлей и боковым контактом с обрушенными породами установлено, что потери руды находятся практически на одном уровне как и при выпуске под обрушенными породами, а разубоживание снижается

на 5-8%. Извлечение чистой руды до начала разубоживания увеличивается на 10-12%.

Табл. 1. Влияние режима выпуска на показатели извлечения

Показатели извлечения Варианты равномерно-последовательного режима выпуска

1:1 2:1 3:1 1:2

Потери, % 7,7-7,9 8,5-8,7 9,4-9,6 7,8-8,1

Разубоживание, % 11,6-11,8 12,4-12,8 13,5-14,1 11,7-12,0

Определено, что рациональным режимом выпуска является первоочередной выпуск с торца доставочного штрека до 30% рудной массы, до момента вывала пород с бокового контакта, и последующим равномерно-последовательным выпуском из боковых погрузочных заездов до момента достижения предельного содержания металла в дозе выпуска. При этом достигаются максимально возможные показатели извлечения по секции (С>ч =69,0%; П = 7,8%; Я = 11,7%).

Оценка влияния схем развития фронта горных работ на показатели извлечения при отработке блока проведена с помощью имитационного моделирования отработки участка (блока) размерами 100x100x20 м, состоящего из 10 панелей по 10 секций. Сущность имитационного моделирования состояла в определении количества секций с различными условиями выпуска и, соответственно, показателями извлечения, в зависимости от применяемого порядка развития фронта горных работ и определении средних значений показателей извлечения по блоку.

Установлено, что наилучшие показатели извлечения при отработке участка (блока) обеспечиваются при клинообразном фронте развития горных работ. При этом извлечение чистой руды по блоку составляет 60,9%, разубоживание - 13% и потери - 8,2% (рис. 46). Вышеуказанные значения достигаются за счет опережающей отработки центральной секции, из которой выпуск руды осуществляется с трех выпускных выработок (торца доставочного штрека и двух боковых погрузочных заездов), при этом остальные секции в блоке имеют по две выпускных выработки.

С целью оценки влияния очередности и порядка развития фронта горных работ на геомеханическое состояние горного массива в зоне разработки, проведено математическое моделирование напряженно-деформированного состояния (НДС) участка недр. Исследование геомеханического состояния горного массива осуществлялось с помощью программного комплекса «РЕМУ» (ИГД УрО РАН).

Моделировалось НДС фрагмента литосферы размерами 600x600x300м с отработкой пологой рудной залежи с изменяемой мощностью от 15 до 30м технологией разработки с обрушением, с твердеющей закладкой выработанного пространства и с совмещением способов управления состоянием очистного пространства при глубине

разработки от 500 до 1000м, величине тектонических сил от Т=0 до Т=2уН и различной ориентации преобладающей компоненты Т.

Установлено, что под действием тектонических сил, в несколько раз превышающих вертикальное давление, параметры зоны концентрации и максимальная величина напряжений зависят от взаимной ориентации направлений развития фронта горных работ и максимальной тектонической составляющей напряжений. Так, повышенные тектонические напряжения в массиве (Т=2уН), действующие перпендикулярно вектору развития фронта горных работ (рис. 5-1), приводят к формированию зон концентрации сжимающих напряжений в краевых участках залежи на границах погашенного выработанного пространства. При развитии фронта горных работ в направлении действия наибольших горизонтальных напряжений, зона концентрации напряжений образуется на фронте опережающей секции (рис. 5-2). Максимальные сжимающие напряжения в зоне концентрации более чем в 3 раза превышают напряжения в нетронутом массиве и достигают 50 МПа при ведении горных работ по направлению преобладающих тектонических сил и 40 МПа - вкрест простирания (при глубине отработки 500м и мощности залежи 20м).

С увеличением глубины горных работ с 500 до 1000м уровень сжимающих напряжений в зонах концентрации возрастает в 2-2,5 раза, а изменение мощности залежи с 15 до 30м приводит к росту сжимающих напряжений в среднем на 10-12%.

Рис. 5. Изолинии максимальных нормальных напряжений при клиновом порядке отработки под действием горизонтальных сил

Результаты моделирования НДС массива при различных схемах развития фронта горных работ показали, что только клиновая форма фронта работ, особенно в сочетании с действием наибольшей компоненты тектонических напряжений ортогонально направлению развития разработки, обеспечивает временную устойчивость породной кровли на

призабойных участках. При обнажении кровли секций напряжения в породах сжимающие (рис. 6а), при отбойке руд в следующей секции, напряжения резко снижаются с формированием зон растяжения, что приводит к самообрушению кровли. Развитие горных работ по прямолинейной схеме приводит к снижению сжимающих напряжений в кровле практически по всему фронту очистных работ и не обеспечивает устойчивости налегающих пород на время выпуска руды из призабойных секций (рис. 66).

I , 45

| 40

= 1,35 Я 5 с ь I 5 50

I « 5 25

ьм

1 !у/1

Длина фронта очистных работ, м

■~Ф~Мзкснадзльные нэпряжения-Эгап'1

Н8К Минимальные нзпрямення-Этэп!

Максимальные напряжения-Этап 2

-•^—Минимальные напряжения-Этзп2

¿1

I ¥ 50

Я * С

2 Л

5 £ ? 3 I 1 О

3: ^ ж с 10

\ —|

о в М 55 «■ " 5С

Максимальные напряжения-Этап 1

-«-Минимальные напряжения-3тап1

^Максимальные напряжения-Зтзп2

Минимальные нэпряжения-3тап2

Длина фронта очистных работ, м

Этап 1

Фронт очистных

Рис. 6. Максимальные о, и минимальные о3 нормальные напряжения при отработке участка рудного тела клинообразным (а) и прямолинейным (б) фронтами горных работ

При рассмотрении условий перехода с одного способа управления горным давлением на другой при отработке участков пологой залежи установлено, что рациональной схемой является первоначальная разработка участков ценных руд с применением систем с закладкой выработанного пространства, с последующим переходом к технологии с обрушением руд и вмещающих пород. Переход от систем с закладкой к системам с обрушением руды и вмещающих пород требует оставление барьерного целика на границе участков ведения горных работ.

По результатам математического моделирования НДС в условиях Т=2уН, действующей по направлению вкрест простирания вектора развития фронта горных работ, построены графики зависимости ширины барьерного целика а от глубины разработки Я (рис. 7а), длины участка по

простиранию В (рис. 76) и мощности рудного тела (высоты целика) к (рис. 7в).

а ; о |

s»о I.......h4......1.......!......+......t.....t: t 1

^ I J^Jr* ¿30.0 f.....................-..............v.....

1)00»^ —äOM э !5C

и i.„.L...i„i_4_4......UM м *.......I......*......' ' ' ......i

200 300 400 500 600 700 800 SC« 1000 50 CO 70 80 90 100 110 120 130

Глубина разработки H,» Ширина участка В, т

-V-2K м -«-500 м ~M0D0M

Рис. 7. Зависимости ширины барьерного целика от глубины разработки Н (В=100м) (а), длины участка по простиранию В (Н=500м) (б) и мощности рудного тела h (В=100м) (в)

Множественная аппроксимация данных позволила вывести уравнение для нахождения ширины барьерного целика между участками ведения горных работ при освоении пологой залежи (физико-механические свойства руд и пород принимались усреднено по месторождениям Уральского региона):

а = 0,007й°'33(£Я)0'66, при Rz=0,9.

Определение границ применения технологии с обрушением руд и вмещающих пород и площадно-торцевым выпуском по содержанию полезного компонента производилось с помощью экономико-математического моделирования отработки пологого рудного тела, основанного на критериях получения максимальной прибыли и минимальной себестоимости:

П =Ц - У С„ -> тах ,

х -* I -Ч изв1 / j gy '

Ус

С = ±=!—SL min,

' V,

где H,3B - извлекаемая ценность 1 т погашенных запасов, руб/т; ZCg -сумммарные удельные затраты на добычу и переработку, руб/т; Vi -балансовые запасы, т.

Исследования проводились для следующих систем разработки участков пологого рудного тела: камерная система разработки с твердеющей закладкой; система разработки с обрушением руд и вмещающих пород (с учетом профилактического заиливания) с традиционным торцевым выпуском руды и площадно-торцевым выпуском руды с управляемым обрушением пород (рис. 8).

В 50.0 5 45.0

с 400 SäS°

HS-I5M j25J>

JlSi -+-30М 3 ю.0 5D

10 15 20 2S 30 35 4( 45 50 Мошность рудного тела h, м

4000.00

Рис. 8. Зависимость удельной прибыли от содержания полезного компонента в руде

Анализ графика показывает, что применение системы разработки с обрушением и торцевым выпуском руды, по сравнению с системами разработки с закладкой, экономически целесообразно при содержании полезного компонента до 0,9%. Технология площадно-торцевого выпуска руды под обрушенными породами позволяет расширить область применения класса систем разработки с обрушением до содержания 1,2% полезного компонента в руде.

По результатам исследований предложен алгоритм действий по освоению пологой залежи разными классами систем разработки на отдельных участках рудного тела (рис. 9). В представленном алгоритме выбор системы разработки основывается на определении удельной прибыли с учетом экономического ущерба от потерь и разубоживания. Расчет прибыли производится для каждого выделенного участка с одинаковым средним содержанием полезного компонента. Выделение технологических участков по содержанию полезных компонентов в алгоритме основывается на построении блочной модели в программном комплексе БТЖРАС. Методы геостатистической интерполяции позволяют рассчитать количественные или качественные параметры на основе геологоразведочных данных.

Горно-геологические характеристики

Построение модели залежи в программе Ниграс"

Выделение технологических участков рудного тем по содержанию полезного »оппонента (си. рис. 8)

Блок выбора системы разработки для каждого выделенного участка

Расчет прибыли (Пзакл) при системе разработки сзакладкой выработанного пространства

Расчет прибыли (Пест) при системе разработки с естественнымподдержанием очистного пространства

Ркчет прибили (Побр) при смети рюрабопм С илоащно-горцыни итускоч руды

Рис. 9. Алгоритм выбора рациональных систем разработки и обоснования

параметров технологии при освоении пологой залежи системой разработки с обрушением руд и вмещающих пород и площадно-торцевым выпуском руды с учетом распределения содержания полезных компонентов в границах рудного тела

Расчеты показали, что применение системы разработки с обрушением и площадно-торцевым выпуском руды для условий отработки восточного участка рудного тела №2 медноколчеданного месторождения «Чебачье» позволяет снизить блоковую себестоимость добычи на 12 и 54% в сравнении с обрушением и торцевым выпуском руд и системой с твердеющей закладкой, соответственно (табл. 2). Прибыль от отработки участка составляет 707,6 млн. руб., что на 15 и 25% выше прибыли при применении вышеуказанных вариантов систем разработки.

Табл. 2. Сравнительная технико-экономическая оценка вариантов систем

Система разработки с площадно-торцевым выпуском рудый управляемым обрушением пород(Р1) Разница в показателях

Показатели Ед. изм. Система разработки с обрушением и торцевым выпуском руды (Р2) Система разработки с твердеюще й закладкой (РЗ) Р1-Р2 Р1-РЗ

1. Балансовые запасы руды т 340200 - -

2. Среднее содержание основных полезных компонентов меди цинка % % 1,89 2,55 - -

3. Потери руды при добыче % 7,8 15 5 -7,2 2,8

4. Разубоживание РУДЫ % 12,6 25 10 -12,4 2,6

5. Запасы товарной РУДЫ тыс.т 352,45 385,56 359,1 -33,1 -6,64

6. Содержание полезных компонентов в запасах товарной РУДЫ меди цинка % % 1,63 2,23 1,42 2,17 1,79 2,42 0,21 0,06 -0,16 -0,19

7. Производительность труда забойного рабочего мЗ/чел-см 12,6 14,9 17,1 -2,3 -4,5

8. Товарная ценность 1т руды руб/т 2434,3 2088,93 2506,71 345,37 -72,41

9. Блоковая себестоимость добычи 1т руды руб/т 426,64 485,4 912,04 -58,76 -485,4

10. Прибыль с 1т _руды руб/т 2007,66 1603,53 1594,67 404,13 412,99

11. Прибыль с отработки участка млн. руб. 707,6 618,2 572,6 89,4 135,0

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, являющейся завершенной научно-квалификационной работой, дано решение актуальной научной задачи, заключающейся в разработке и научном обосновании параметров технологии отработки участков пологих медноколчеданных залежей с площадно-торцевым выпуском руд и управляемым обрушением вмещающих пород, имеющей важное значение для науки и практики горнорудной промышленности.

Основные научные результаты, практические выводы и рекомендации:

1. Установлено, что для выемки запасов пологих медноколчеданных залежей, отличающихся относительно низким содержанием полезного компонента, целесообразно использовать технологию добычи с площадно-торцевым выпуском руды и управляемым обрушением налегающих пород, характеризующуюся низкими затратами на управление горным давлением и высокими показателями извлечения.

2. Разработана технология отработки пологих рудных тел с площадно-торцевым выпуском руды и управляемым обрушением налегающих пород, особенностью которой является универсальная схема подготовки блока, обеспечивающая возможность применения в его границах технологий разработки как с применением закладки выработанного пространства, так и с обрушением руд и вмещающих пород.

3. Определен рациональный порядок развития фронта горных работ на добычном участке при применении технологии с площадно-торцевым выпуском руды - клиновой, обеспечивающий временную устойчивость кровли призабойных секций и увеличенное (2-3) количество точек выпуска, что в совокупности, при соблюдении обоснованного режима выпуска, способствует достижению извлечения чистой руды <3, до 60%, коэффициентов потерь П не более 8% и разубоживания Я - 13,0%.

4. Установлен рациональный режим выпуска из секций, имеющих доставочные выработки с трех сторон, в условиях истечения руды под временно устойчивой кровлей: 1) выпуск из центральното отверстия (торца доставочного штрека) до 30% от объема рудной массы; 2) равномерно-последовательный выпуск из боковых отверстий (торцов погрузочных заездов) до момента достижения предельного содержания металла в дозе выпуска. Режим выпуска обеспечивает максимально возможные для выемочного участка (секции) показатели извлечения (С, до 69,0%; П не более 8%; И. не более 12%).

5. Обоснованы порядок отработки секций, форма фронта очистных работ и направление его развития перпендикулярно действию наибольшей тектонической составляющей, что обеспечивает стабилизацию

напряженно-деформированного состояния в призабойном массиве кровли, устойчивость последней на срок выемочных работ и самообрушение налегающих пород при буровзрывных работах в следующих секциях панели.

6. Установлены зависимости ширины барьерного целика, применяемого при переходе от технологии разработки пологой медноколчеданной залежи с обрушением руд и вмещающих пород на технологию с закладкой выработанного пространства, от глубины разработки (Н = 200-1000 м), мощности рудного тела (h = 10-50 м) и протяженности зоны обрушения (В = 50-130 м)

7. Разработан алгоритм выбора рациональных систем разработки и обоснования параметров технологии при освоении пологой залежи системой разработки с обрушением руды и вмещающих пород и площадно-торцевым выпуском руды с учетом распределения содержания полезных компонентов в границах рудного тела.

8. Рекомендованы следующие параметры технологии с площадно-торцевым выпуском руды и управляемым обрушением пород: клиновой порядок развития фронта очистных работ; последовательность отработки секций в границах «клина»; ширина секции 10 м; ширина доставочного штрека и погрузочных заездов 4 м; режим выпуска рудной массы из секций; комплекс оборудования очистных работ: ПДМ TORO-500, автосамосвал Sandvik-417, буровая установка SOLO 7-ЮС.

9. Технико-экономическая оценка показала, что применение технологии с площадно-торцевым выпуском руды и управляемым обрушением вмещающих пород для условий отработки восточного участка рудного тела №2 медноколчеданного месторождения «Чебачье» позволяет снизить блоковую себестоимость добычи на 12 и 54% по сравнению с себестоимостью добычи, соответственно, с применением систем разработки с обрушением и торцевым выпуском руд и камерной с твердеющей закладкой.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих

работах

В изданиях, рекомендованных ВАК России

1. Мажитов, А.М. Исследование эффективности адаптивного варианта системы подэтажного обрушения с площадно-торцевым выпуском для условий отработки пологих залежей / А.М. Мажитов, Э.Ю. Мещеряков // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова, №2, 2013. - С. 5-8.

2. Мажитов A.M. Оценка геомеханического состояния горного массива при отработке пологой залежи медноколчеданных руд с обрушением налегающих пород и площадно-торцевым выпуском руды / А.М. Мажитов, Э.Ю. Мещеряков // Горный информационно-

аналитический бюллетень (научно-технический журнал), №8, 2013. Проблемы проектирования технологии подземной и комбинированной разработки рудных месторождений. - С. 81-89.

В прочих изданиях

3. Мажитов, A.M. Геомеханическая оценка формы фронта развития горных работ при разработке с обрушением руд пологой залежи средней мощности / A.M. Мажитов, Э.Ю. Мещеряков // Комбинированная геотехнология: теория и практика реализации полного цикла комплексного освоения недр: труды международной научно-технической конференции, г. Магнитогорск, 2011: Сб. трудов. - Магнитогорск: МГТУ,

2011.-С. 148-153. .

4. Мажитов, A.M. Обоснование технологии подэтажного обрушения для условий отработки локальных участков пологих медноколчеданных залежей средней мощности / A.M. Мажитов // Комбинированная геотехнология: масштабы добычи и качество сырья при комплексном освоении месторождений: материалы международной научно-технической конференции, г. Магнитогорск, 2013: - Сб. тезисов. -Магнитогорск: МГТУ, 2013. - С. 81-82.

5. Мажитов, A.M. Совершенствование системы разработки с обрушением в условиях пологопадающих рудных залежей / Э.Ю. Мещеряков, A.M. Мажитов, P.P. Лутфуллин // Комплексное освоение месторождений полезных ископаемых: Сб. научных трудов. -Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова,

2012.-С. 91-94.

6. Мажитов, А.М. Опыт проектирования и применения систем подземной разработки различных классов в границах одного месторождения / A.M. Мажитов, Э.Ю. Мещеряков // Проблемы недропользования: Материалы V Всероссийской молодежной научно-практической конференции (с участием иностранных ученых) 8-11 февраля 2011г./ИГД УрО РАН. -Екатеринбург: УрО РАН, 2011. - С. 163-166.

7. Мажитов, А.М. Совершенствование варианта системы разработки подэтажного обрушения с площадно-торцевым выпуском рудной массы / Э.Ю. Мещеряков, А.М. Мажитов // Комбинированная геотехнология: теория и практика реализации - полного цикла комплексного освоения недр: материалы международной научно-технической конференции, г. Магнитогорск, 2011: Сб. тезисов. -Магнитогорск: МГТУ, 2011. - С. 75-77.

8. Мажитов, А.М. Создание адаптивного варианта камерной системы подземной разработки руд / Э.Ю. Мещеряков, A.M. Мажитов // Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики - 6-я Международная Конференция по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики. Материалы конференции: ТулГУ, Тула, 2010, Том 1 - С. 170174.

Подписано в печать 27.09.2013 Формат 60x84/16. Бумага тип. №1.

Плоская печать. Усл.печ.л. 1,00. Тираж 100 экз. Заказ 553

455000, Магнитогорск, пр. Ленина, 38 Полиграфический участок ФГБОУ ВПО «МГТУ»

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Мажитов, Артур Маратович, Магнитогорск

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

На правах рукописи

04201364419 МАЖИТОВ АРТУР МАРАТОВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИИ ОТРАБОТКИ

ПОЛОГИХ МЕДНОКОЛЧЕДАННЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ С

ОБРУШЕНИЕМ РУДЫ И ВМЕЩАЮЩИХ ПОРОД

Специальность: 25.00.22 — Геотехнология (подземная, открытая и строительная)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доцент, канд. техн. наук Э.Ю. Мещеряков

Магнитогорск 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................4

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ................................................................................................9

1.1. Горно-геологическая и горнотехническая характеристика Уральских медноколчеданных месторождений, представленных пологими рудными залежами...................................................................................................................9

1.2. Анализ геологических, горнотехнических и геомеханических факторов, определяющих условия дифференцированного применения систем разработки..............................................................................................................13

1.3. Опыт совместного применения систем разработки с обрушением руды и вмещающих пород и систем разработки с иными способами поддержания очистного пространства........................................................................................18

1.4. Анализ технологии подземной разработки рудных месторождений с обрушением руды и торцевым выпуском...........................................................24

1.5. Задачи и методы исследований.....................................................................30

Глава 2. ИЗЫСКАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ОТРАБОТКИ ПОЛОГИХ ЗАЛЕЖЕЙ С ОБРУШЕНИЕМ РУДЫ И ВМЕЩАЮЩИХ ПОРОД.......32

2.1. Оценка области применения систем с обрушением руды и вмещающих пород при разработке пологих медноколчеданных залежей............................32

2.2. Конструирование варианта системы разработки с обрушением руды и вмещающих пород для условий отработки пологих медноколчеданных месторождений......................................................................................................39

2.3. Обоснование комплекса механизации горнопроходческих и очистных работ........................................................................................................................41

2.4. Определение рациональных схем развития фронта горных в пределах выемочного участка при площадно-торцевой схеме подготовки пологого рудного тела...........................................................................................................49

2.5. Обоснование порядка применения способов поддержания очистного пространства..........................................................................................................54

ВЫВОДЫ..............................................................................................................57

Глава 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЫПУСКА РУДНОЙ МАССЫ ПОД ОБРУШЕННЫМИ ПОРОДАМИ....................................................................59

3.1. Постановка методики исследований площадно-торцевого выпуска рудной массы под обрушенными породами.......................................................59

3.2. Определение параметров системы разработки и режима выпуска по результатам моделирования истечения рудной массы.....................................63

3.3. Определение показателей извлечения при выпуске руды в секции под защитой временно устойчивой кровли...............................................................72

3.4. Оценка влияния схем развития горных работ на показатели очистной выемки....................................................................................................................75

ВЫВОДЫ..............................................................................................................77

Глава 4. ГЕОМЕХАНИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СИСТЕМЫ

РАЗРАБОТКИ................................................................................................78

4.1. Обоснование методики исследований.........................................................78

4.2. Результаты моделирования напряженно-деформированного состояния массива методом конечных элементов...............................................................81

4.3. Оценка напряженно-деформированного состояния массива при применении систем разработки различных классов в пределах одного рудного тела...........................................................................................................86

4.4.Выбор рационального порядка ведения горных работ на основе выполненной геомеханической оценки..............................................................93

ВЫВОДЫ............................................................................................................106

Глава 5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПРЕДЛАГАЕМЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ........................................................!.... 107

5.1. Факторный анализ определения границ применения систем разработки с обрушением руд и вмещающих пород..............................................................107

5.2. Разработка экономико-математической модели для определения границ применения способов поддержания очистного пространства.......................109

5.3. Расчет технико-экономических показателей системы разработки с площадно-торцевым выпуском в условиях пологих медноколчеданных месторождений....................................................................................................115

ВЫВОДЫ............................................................................................................124

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................................125

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК..........................................................128

ПРИЛОЖЕНИЯ.................................................................................................137

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Рудные залежи пологого залегания составляют значительную часть запасов медноколчеданных месторождений Южного Урала (Узельгинское, Чебачье, Октябрьское, Молодежное) и отличаются изменчивыми в пространстве горно-геологическими и горнотехническими условиями разработки: мощностью рудного тела, содержанием полезных компонентов, степенью пожароопасности, устойчивостью и крепостью руд и пород.

В связи с этим целью работы является обоснование параметров

технологии отработки пологих медноколчеданных залежей малоценных руд с обрушением руды и вмещающих пород, обеспечивающей экономическую эффективность отработки месторождений.

Объект исследования - пологие медноколчеданные месторождения.

Предмет исследования — процессы очистной выемки.

Задачи исследований:

- анализ и обобщение опыта разработки пологих медноколчеданных месторождений системами различных классов и оценка факторов, определяющих условия применения нескольких способов поддержания

> 1 , I

очистного пространства;

- исследование процесса выпуска рудной массы под обрушенными породами и определение зависимости показателей извлечения от параметров технологии;

массива методом конечных элементов; аналитические исследования; методы математической статистики и технико-экономического анализа.

у > '

Основные положения, выносимые на защиту:

Достоверность научных положений обеспечивается обобщением предыдущих научных исследований, надежностью и представительностью исходных данных, представительным объемом лабораторных исследований, использованием метода математического моделирования напряженно-деформированного состояния массива методом конечных элементов в

объемной постановке задачи, сопоставимостью результатов исследований с практическими данными.

Научная новизна.

2. Установлена зависимость ширины барьерного целика, применяемого при смене технологии разработки пологой медноколчеданной залежи с обрушением руды и вмещающих пород на технологию с закладкой выработанного пространства, от глубины разработки (Н = 20СН1000 м), мощности рудного тела (Ъ = 10+50 м) и протяженности зоны обрушения (В = 50-130 м).

эффективность освоения пологих медноколчеданных месторождений. Материалы диссертации использованы при выполнении научно-исследовательской работы «Научное сопровождение горных работ при отработке Камаганского месторождения» и в качестве рекомендаций для отработки медноколчеданного месторождения «Чебачье».

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на семинарах кафедры ПРМПИ МГТУ им. Г.И. Носова; 6 Международной Конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (г. Тула, Тульский государственный университет, 2010г.); Международном научном симпозиуме «Неделя горняка» (г. Москва, 2011-2013гг.); 6 Международной конференции: «Комбинированная геотехнология: теория и практика реализации полного цикла комплексного освоения недр» (г. Магнитогорск, МГТУ, 2011г.); 5 Всероссийской молодежной научно-практической конференции (с участием иностранных ученых) «Проблемы недропользования» (г. Екатеринбург, ИГД УрО РАН, 2011г.); 69 и 70 Межрегиональной научно-технической конференции «Актуальные проблемы современной науки, техники и образования» (г. Магнитогорск, МГТУ, 20112012гг.).

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Горно-геологическая и горнотехническая характеристика Уральских медноколчеданных месторождений, представленных

пологими рудными залежами

Рудные тела медноколчеданных месторождений Урала являются одним из основных источников добычи меди, цинка и серы для нужд отечественной промышленности. Медноколчеданные месторождения, как правило, представлены линзообразными залежами, зачастую пологого залегания, переменной средней и выше средней мощности. Отработка таких залежей определяет технический уровень эксплуатации месторождений и объем добычи.

Пологие рудные тела встречаются на ряде месторождений, таких как Узельгинское, Чебачье, Октябрьское, Молодежное, Сибайское, Камаганское и другие.

Месторождение «Чебачье» представлено в основном двумя рудными телами, не имеющими выхода на дневную поверхность и рядом сопровождающих их мелких рудных тел. Все рудные тела месторождения, в которых сосредоточены балансовые запасы, расположены в одном (верхнем) рудоносном горизонте, образованном зоной контакта пологозалегающих крыльев субвулканических тел кислого состава.

Общая протяжённость рудной зоны, вытянутой в северо-восточном направлении по азимуту 10°, составляет 1200м при ширине до 580м.

В структурном плане положение рудного горизонта определено зоной контакта субвулканических тел; висячий бок слагают крупнокварцевые андезит-дацитовые порфиры, образующие ассиметричное седлоподобное тело, лежачий — мелкокварцевые порфиры западного крыла субвулкана Чебачий. Собственно рудовмещающими являются обломочные породы, представленные

эксплозивными брекчиями и слоистыми туфами.

Контакты руд с вмещающими породами со стороны висячего бока резкие. В лежачем боку, а также в местах выклинивания рудных тел, как по простиранию, так и по падению, наблюдается постепенный переход от сплошных руд во вкрапленники, сопровождаемые ореолом постепенно затухающей прожилковой и рассеянной сульфидной минерализации (в основном пирита) с содержанием серы от 1 до 18%. Интенсивность сульфидной минерализации по мере удаления от рудных тел затухает.

В целом вкрапленные руды пользуются меньшим развитием и составляют 30% от общего количества запасов руд. Все руды на месторождении представлены первичными разностями, зоны окисления руд отсутствуют [68].

Рудные тела месторождения, залегающие на глубинах от 248 до 432м от поверхности, характеризуются наличием раздувов и пережимов. Поверхности кровли и подошвы извилистые, представляют собой чередования прогибов и подъёмов, на отдельных участках ровные. Месторождение «Чебачье» по сложности инженерно-геологических условий разработки относится к месторождениям средней сложности.

Узельгинское медно-колчеданное месторождение залегает среди сложно дифференцированного вулканогенного комплекса пород. Вмещающие породы слагают: вулканогенные толщи андезит-базальтового состава, туфогенно-кремнистые отложения, известняки, породы субвулканической серии кислой рудовмещающей толщи - липоритовые порфиры, анд�

Информация о работе

Мажитов, Артур Маратович
кандидата технических наук
Магнитогорск, 2013
ВАК 25.00.22

Диссертация

Обоснование параметров технологии отработки пологих медноколчеданных месторождений с обрушением руды и вмещающих пород - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Обоснование параметров технологии отработки пологих медноколчеданных месторождений с обрушением руды и вмещающих пород - тема автореферата по наукам о земле, скачайте бесплатно автореферат диссертации

Похожие работы