Обоснование ресурсосберегающих систем разработки сильвинитовых пластов в зонах влияния дизъюнктивных нарушений

Санковский, Александр Андреевич

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Обоснование ресурсосберегающих систем разработки сильвинитовых пластов в зонах влияния дизъюнктивных нарушений
ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации по теме "Обоснование ресурсосберегающих систем разработки сильвинитовых пластов в зонах влияния дизъюнктивных нарушений"

На правах рукописи

САНКОВСКИЙ Александр Андреевич

ОБОСНОВАНИЕ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ РАЗРАБОТКИ СИЛЬВИНИТОВЫХ ПЛАСТОВ В ЗОНАХ ВЛИЯНИЯ ДИЗЪЮНКТИВНЫХ НАРУШЕНИЙ

Специальность 25.00.22- Геотехнология (подземная,

открытая и строительная)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2015

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Ковалев Олег Владимирович

Официальные оппоненты:

Андрейко Сергей Семенович, доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Горный институт Уральского отделения Российской академии наук, лаборатория геотехнологических процессов и рудничной газодинамики, заведующий лабораторией

Мишанов Вячеслав Александрович, кандидат технических наук, ООО «Цеппелин русланд», главный инженер технической поддержки продаж горного оборудования

Ведущая организация - ЗАО «ВНИИ Галургии»

Защита диссертации состоится 01 июля 2015 года в 17 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.224.06 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-линия, д. 2, ауд.1171а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный» и на сайте www.spmi.ru.

Автореферат разослан 30 апреля 2015 года

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ ^Ц^СИДОРОВ диссертационного совета У Дмитрий Владимирович

РОССИЙСКАЯ

ГОСУДАРСТВЕННАЯ БИБЛИОТЕКА

__УО 15_

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследований. Безопасная отработка месторождений калийных солей требует защиты горных выработок от проникновения в них воды и рассолов из вышележащей водонасыщенной толщи пород. Это достигается выбором таких параметров управления состоянием массива горных пород (МГП) при извлечении продуктивных пластов, при которых в верхней части водозащитной толщи (ВЗТ) будет сохраняться необходимая минимальная мощность ненарушенных геологических слоев -предохранительная водозащитная потолочина (ПВП). Особую сложность при обосновании параметров систем разработки вносит наличие в рассматриваемом объеме МГП разрывных тектонических нарушений, опасных по условиям нарушения ВЗТ. При этом аварии, связанные с прорывом вод в подземное пространство соляных рудников, происходили как непосредственно во время отработки запасов, так и в выработанных пространствах, а также на этапе вскрытия или подготовки запасов.

Низкая степень разведанности геологического строения массива (категории запасов С и В), характерная для всех соляных месторождений, вынуждает на этапе проектирования раскраивать шахтное поле с оставлением целиков у разломов с большим запасом. Так, в условиях Старобинского месторождения размер такого целика составляет 500 м (200 м - разломная зона и 300 м -приразломная зона) с каждой стороны геологического нарушения. В тоже время при ведении подготовительных работ проводится доразведка разломной зоны с уточнением ее границ; размер разломной зоны при этом может снизиться с 200 до 30-50 м. Таким образом, вводятся в отработку значительные, ранее не активные, запасы, отработка которых уже подготовленными участками не всегда представляется возможной. Отработка таких участков на завершающем этапе эксплуатации шахтных полей будет требовать поддержания достаточно большого объема подготовительных выработок, а также может быть осложнена за счет изменения механического состояния налегающей толщи пород. Также, отработка приразломных участков позволяет снизить нега-

тивное влияние выработанных пространств обычных участков за счет формирования так называемых «зон смягчения».

Таким образом, обоснование допустимых параметров технологических схем выемки калийных пластов в зонах влияния дизъюнктивных нарушений необходимо проводить с учетом закономерностей изменения деформационных процессов, происходящих в блочном массиве горных пород.

Существенный вклад в теорию и практику планирования и ведения очистных работ, а также исследования проблем управления состоянием массива на калийных рудниках сделан учеными и специалистами: Андрейко С.С., Асановым В.А., Баряхом A.A., Дешковским В.Н., Земсковым А.Н., Зубовым В.П., Калугиным П.А., Ковалёвым О.В., Константиновой С.А., Нестеровым М.П., Пермяковым P.C., Проскуряковым Н.М., Поляниной Г.Д., Смычником А.Д., и др. исследователями.

Вместе с тем, недостаточно изученными остаются вопросы отработки сильвинитовых пластов в зонах, прилегающих к разрывным нарушениям, и учета влияния закладочных работ на высоту зоны развития водопроводящих трещин.

Цель работы. Разработка методики расчета параметров технологических схем выемки запасов калийных солей, обеспечивающих снижение потерь полезного ископаемого, в зонах влияния разрывных тектонических нарушений большой амплитуды.

Идея работы. Выбор рациональных систем разработки и их параметров при отработке сильвинитовых пластов вблизи разрывных тектонических нарушений, опасных по условиям нарушения водозащитной толщи, необходимо проводить на основе анализа напряженно-деформированного состояния соляного массива и водозащитной толщи.

Основные задачи исследований.

1. Анализ и обобщение характерных горно-геологических и технологических параметров отработки калийных горизонтов на Старобинском месторождении.

2. Анализ известных технологий извлечения в осложненных горно-геологических условиях и возможности их примене-

ния в рассматриваемых условиях.

3. Анализ и выбор методов оценки компонент тензоров напряжений, деформаций и вектора перемещений рассматриваемого массива горных пород.

4. Моделирование полей параметров напряженно-деформированного состояния массива в разломной и приразлом-ной зоне, с учетом обобщенных данных о его структуре и физико-механических свойствах, и оценка взаимовлияния применяемых технологических схем и тектонического нарушения.

5. Изучение механизмов влияния горногеомеханических процессов, протекающих в соляном массиве, на параметры технологических схем извлечения запасов в приразломной зоне и выбор критериев безопасности предлагаемых параметров систем разработки.

6. Разработка методики расчета рациональных параметров систем разработки в приразломной зоне на основе полученных результатов.

7. Оценка технико-экономической эффективности извлечения руды в приразломных зонах на Краснослободском руднике ОАО «Беларуськалий».

Научная новизна:

- теоретически обоснована высота зоны распространения водопроводящих трещин с учетом закладки выработанного пространства для различных систем разработки;

- разработан алгоритм выбора рациональных систем разработки в приразломных зонах с учетом параметров закладочных работ при совместном использовании систем разработки длинными столбами и камерных.

Основные защищаемые положения.

1. При определении параметров систем разработки калийных пластов в зонах влияния дизъюнктивных геологических нарушений необходимо учитывать изменения напряженно-деформированного состояния в зонах взаимного влияния разрывного нарушения и очистных работ на всех этапах отработки запасов.

2. Параметры систем разработки при извлечении калий-

ной руды в зонах влияния дизъюнктивных нарушений зависят от размеров несущих элементов и выработанных пространств, а также от характеристик закладочных массивов и напряженно-деформированного состояния вмещающей толщи пород.

3. Использование разработанного алгоритма выбора рациональных технологических схем извлечения запасов в зонах влияния дизъюнктивного геологического нарушения позволяет снизить потери полезного ископаемого и издержки производства.

Методы исследований. Анализ и обобщение результатов предшествующих работ в области разработки месторождений минеральных солей, экспериментально-аналитическое моделирование полей параметров напряженно-деформированного состояния исследуемого массива, анализ полученных результатов и качественное сопоставление их с натурными данными о напряженно-деформированном состоянии массива горных пород Старо-бинского месторождения.

Достоверность и обоснованность научных положений и результатов подтверждается большим объемом проанализированной информации, корректностью выполненных экспериментально-аналитических исследований и близкой сходимостью их результатов с результатами численного моделирования напряженно-деформированного состояния массива, качественным соответствием полученных результатов с результатами работ других авторов.

Практическая значимость работы.

- Разработаны рекомендации по определению рациональных параметров камерных систем разработки в приразломных зонах высокоамплитудных дизъюнктивных нарушений.

- Разработаны рекомендации по выбору способов управления состоянием массива горных пород в приразломных и раз-ломных зонах в условиях Краснослободского рудника ОАО «Бе-ларуськалий».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на семинарах кафедры РМПИ Горного университета (2013-2014 гг.), 53й международной конференции молодых ученых и специалистов на базе Краковской горно-

металлургической академии (Польша, 2012 г), межвузовском научно-практическом семинаре «Гидрологические и сейсмические риски (наводнения, землетрясения и цунами - риски затопления и разрушения территорий)» (Санкт-Петербург, 2013 г), 65-й Международном Форуме горняков и металлургов на базе ТУ «Фрайбергская горная академия» (Германия, 2014 г).

Личный вклад автора. Сформулированы цель и задачи исследований; выбраны методики проведения исследований; проанализированы геологические и горнотехнологические условия отработки калийных пластов Старобинского месторождения; проведено численное моделирование нестационарных полей параметров напряженно-деформированного состояния массива, выполнен анализ полученных результатов; обобщены результаты исследований, сформулированы основные научные положения и выводы.

Публикации. Основные результаты исследований изложены в трех печатных работах, две из которых опубликованы в журналах перечня ВАК Минобрнауки РФ.

Структура и объём работы. Диссертационная работа общим объёмом 156 страниц состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 98 источников, 2 приложений, включает 113 рисунков и 5 таблиц.

Автор выражает благодарность научному руководителю д.т.н., проф. Ковалеву О.В., к.т.н. Тхорикову И.Ю., к.т.н., доц. Ковальскому Е.Р., к.т.н. Карпову Г.Н., сотрудникам кафедры разработки месторождений полезных ископаемых Горного университета, а также Жвакиной A.C. и своим родителям за оказанную помощь и поддержку при выполнении исследований и написании диссертационной работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель и идея работы, определены основные задачи исследований, описана научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

Первая глава посвящена анализу горно-геологических и

горнотехнических условий отработки сильвинитовых пластов в пределах Краснослободского участка Старобинского месторождения калийных солей. Обобщены геотехнологические особенности ведения горных работ на Третьем калийном горизонте в зонах влияния дизъюнктивных нарушений.

Вторая глава посвящена созданию горно-геомеханических моделей и расчетных схем для характерных условий отработки запасов, выбору методов оценки параметров напряженно-деформированного состояния (НДС) МГП с учетом влияния геотектонических особенностей строения массива.

В третьей главе приводится обоснование вариантов параметров систем разработки, позволяющих эффективно осуществлять управление состоянием МГП в зонах влияния тектонических нарушений.

Четвертая глава посвящена анализу и созданию алгоритма выбора рациональных и безопасных систем разработки и порядка отработки запасов в приразломных зонах.

Основные результаты исследований отражены в следующих защищаемых положениях:

Старобинское месторождение калийных солей отрабатывается с 60-ых годов прошлого века предприятием ОАО «Бела-руськалий», которое является одним из крупнейших мировых производителей калийных удобрений. Разработка ведется на трех калийных горизонтах пятью рудниками. В настоящее время запасы Второго и Третьего калийных горизонтов (2 к.г. и 3 к.г.) на двух рудниках практически исчерпаны и работы ведутся на Четвертом калийном горизонте и планируется к отработке Первый калийный горизонт. Горно-геологические условия залегания калийных пластов являются сравнительно благоприятными и характеризуются на основных площадях шахтных полей наличием

значительной мощности водозащитной толщи (соляной и глинисто-мергелистой).

Отработка месторождения ведется столбовыми, камерными и комбинированными системами разработки. На начальных этапах (1960-1970 годы) использовались только камерные системы (преимущественно на 2 к.г.), в конце 70-х годов повсеместно были внедрены столбовые системы разработки, которые в настоящее время являются основными (до 95% производственной мощности рудников). Очистная выемка велась на глубинах от 500 до 900 м и в ближайшие десятилетия будет в среднем приближаться к 800-1000 м. В ближайшие пять лет предполагается освоить Петричевское месторождение и Нежинский участок Старо-бинского месторождения. На этих шахтных полях глубина отработки превысит 1200 м.

После 2010 г. были введены в эксплуатацию Березовский и Краснослободской участки Старобинского месторождения, последний из которых характеризуется наиболее сложными условиями отработки запасов, с позиции сохранения необходимой мощности ПВП. Это обусловлено следующими обстоятельствами: сравнительно небольшая мощность ВЗТ (относительно средних по месторождению) и наличие в пределах шахтного поля нескольких серий дизъюнктивных нарушений (амплитудой до 100 м и более), одно из которых (Краснослободский разлом) разделяет шахтное поле на два больших блока.

Для отработки Краснослободского участка необходимо было решить целый ряд задач, среди которых: вскрытие двух основных блоков; разработка технологических схем отработки основных запасов и разработка технологии отработки запасов в приразломных зонах; обеспечение заданного геомеханического состояния краевых частей массива при длительной остановке фронта очистных работ с учетом возможности многогоризонтной отработки. В целом отработка месторождения характеризуется наличием больших потерь в целиках - до 60%. Оценивая потери в целиках различного назначения, следует отметить, что из-за особенностей геологического строения Краснослободского рудника основные потери приходятся именно на целики у разломов.

По оценке автора они могут достигать 50-90 млн. т только по 3 к.г., что составляет порядка 25% от общих потерь в целиках.

Отработка 3 к.г. Старобинского месторождения ведется, как правило, слоевыми системами разработки длинными очистными забоями. Выемочные столбы подготавливаются пятью-шестью панельными выработками и четырьмя-пятью участковыми. Ширина межпанельных целиков составляет от 50 до 120 м. Слои отрабатываются поочередно верхними, а затем нижними лавами с различным отставанием нижних лав от верхних. Нижние лавы могут располагаться как в разгруженной зоне верхней лавы, так и под панельными целиками по верхнему слою, за счет чего частично погашаются межстолбовые целики.

На шахтном поле Краснослободского рудника используется слоевая система разработки с отработкой IV сильвинитового слоя (с.с.) лавой верхнего слоя, и валовой или селективной выемкой II и III с.с. лавой нижнего слоя. При селективной выемке пропласток галита II-III используется для возведения в выработанном пространстве (ВП) широких бутовых полос при помощи метателей, устанавливаемых в вентиляционном и закладочном штреках лавы.

После вскрытия шахтного поля были выделены прираз-ломные зоны (500 м от плоскости сместителя), и очистная выемка началась на пяти выемочных панелях с учетом нарезки выемочных лав вне пределов приразломных зон.

Запасы в приразломных зонах отнесены к частично извлекаемым потерям, однако отработка таких запасов требует оценки ряда факторов (влияние на региональную безопасность, экономическая выгода и др.) и может быть интерпретирована как экономически целесообразная, так и как убыточная.

В "Правилах по защите рудников от затопления в условиях Старобинского месторождения калийных солей" даны рекомендации по расчету параметров целиков, оставляемых у разлома. Для систем разработки длинными столбами минимальное расстояние остановки фронта очистных работ составляет 150-250 м от разломной зоны в зависимости от вынимаемой мощности. Для камерных систем разработки данное расстояние

составляет 70-120 м в зависимости от коэффициента извлечения. В то же время существующие инструкции рекомендуют проведение специальных исследований для обоснования параметров систем разработки с полной или частичной закладкой выработанного пространства.

В диссертационной работе проведено численное моделирование на базе метода конечных элементов для оценки влияния отработки запасов 3 к.г. на геомеханические процессы в ВЗТ, включающей соленосную толщу и нижнюю часть глинисто-мергелистой толщи (ГМТ). Пример расчетной схемы (РС) представлен на рисунке 1. Варьировались: ориентация разлома, длина лавы (суммарный пролет ВП), параметры бутовых полос, расстояние до нарушения (ширина целика от разломной зоны), параметры камерной системы разработки (пролет ВП и коэффициент извлечения) в краевых зонах. Анализ результатов моделирования позволил установить (в функции перечисленных параметров) изменчивость НДС ответственных элементов массива, т.е. выявить характерные зоны распределения напряжений и деформаций. При моделировании одновременной очистной выемки с двух сторон от нарушения, характер распределения параметров НДС показывает, что при ширине приразломного целика менее 100 м очистная выемка существенно изменяет распределение полей деформаций непосредственно в разломной зоне, что с точки зрения сохранности ВЗТ является недопустимым (рисунок 2).

Как показало численное моделирование, одиночные лавы не оказывают существенного влияния на геомеханические параметры ВЗТ при размере пролета ВП до 300 м даже в долгосрочной перспективе. То есть при отработке запасов через столб существенное изменение состояния ВЗТ (как на верхней границе соляной толщи, так и на верхней границе ГМТ) будет происходить при последующей отработке смежных выемочных столбов.

Наиболее характерные зависимости приведенных вертикальных напряжений (коэффициента концентрации) в прираз-ломной зоне от длин ВП, целиков, закладки, камер и др. представлены на рисунке 3.

Анализ результатов моделирования позволил сформули-

ровать общие подходы к формированию методологии определения границ постоянной остановки очистных работ у нарушений, разработки технологических схем и расчета их параметров. Определяющими этапами являются: типизация систем разработки и их параметров, оценка скоростей опускания подработанной толщи с учетом степени извлечения запасов и объемов закладки ВП в целом.

2. Параметры систем разработки при извлечении калийной руды в зонах влияния дизъюнктивных нарушений зависят от размеров несущих элементов и выработанных пространств, а также от характеристик закладочных массивов и напряженно-деформированного состояния вмещающей толщи пород.

Действующие методики оценки безопасности подработки ВЗТ основаны на расчете высоты зоны распространения водо-проводящих трещин (ЗРВТ) для оценки мощности ПВП и ее сравнении с минимально допустимой (для Старобинского месторождения - 35 м). Оценочная высота ЗРВТ представлена на рисунке 4 и зависит от системы разработки (камерная или столбовая), коэффициента извлечения руды и основывается на допущении, что целики в течение некоторого (достаточно длительного) времени разрушаются, что приводит к сдвижению кровли на значительных пролетах. Однако при условии длительной устойчивости целиков высота ЗРВТ не может превышать нескольких пролетов кровли, т.е. необходимо рассматривать три возможных варианта камерной выемки для создания зон смягчения в прираз-ломной зоне: первый случай, когда создается пролет ВП с податливыми целиками; второй случай, когда создается пролет ВП с целиками, которые являются жесткими в течение длительного времени (10 лет и более); и третий случай, когда пролет ВП соответствует пролету выемочной камеры.

Результаты моделирования позволили получить распределения деформаций и напряжений, а также коэффициентов концентрации этих параметров при наличии в краевой части лавы податливых или жестких целиков и закладки ВП лав и камер. Коэффициент концентрации может быть использован для оценки

1П нам

Рисунок 1 - Расчетная схема для определения параметров НДС соленосной толщи в разломной и приразломной зонах

Гранима ВЗТ (ГМТ2)

Комплекс пород налегающей толщи Е=19 500 МПа Н=0.35

и»п г

Е=17 500 МПа М=0,35 т=4,1 м

Комплекс пород подстилающей толщи Е=19 500 МПа М=0,35

1 к.г.

Е=17 500 МПа М=0,35 т=4 м

Usee Data ex*

-и.UUIUUU

-О.ОООВ67

-0.000733 -0.000600

-0.000467

-0.000333

-0.000200

-0.000067

0.000067

0.000200

0.000333

0.000467

0.000600

0.000733

1 0.000867

Ш 0.001000

"7 - 1 -Ш^ ■■ ■ i

' g¿Ó.......¿¿¿ ■■"''' .7Í¿........(¿0........5¿0.......-4¿Ó.......-3¿Ó.......-2ÍÓ ' " 1 " ' - lio........¿ ' ' i¿0 ' " 2¿0.......3(So.......4¿0.......«¿O.......¿do.......7(Jd '

Рисунок 2 - Поля горизонтальных деформаций в окрестности дизъюнктивного нарушения при оставлении целика 100 м в каждом крыле

устойчивости (податливости) целиков путем его учета при расчете нагрузки по утвержденным методикам.

систем разработки

Как показал анализ результатов моделирования, наиболее целесообразно в зонах, примыкающих к дизъюнктивным нарушениям, использовать технологические схемы, позволяющие создавать зоны с увеличивающейся податливостью от нарушения к выработанным пространствам лав. На рисунке 5 представлена такая технологическая схема. Основной особенностью представленной технологической схемы является использование закладки не только в лаве, но и в очистных камерах. При этом для закладки очистных камер может использоваться галит от слоевой выемки соседних камер (но при этом выемка должна осуществляться комбайнами избирательного действия с исполнительным органом барабанного типа) или галит из лав при их отработке.

Основными параметрами, требующими обоснования в представленных схемах, являются: ширина податливых целиков, размеры зон различной податливости (зона податливых целиков, зона податливых целиков с закладкой камер, зона жестких целиков) и ширина целика между камерами и разломной зоной (зоной

замещения). Проведенные исследования позволили получить зависимости для расчета приведенной вынимаемой мощности пласта, с учетом закладки ВП, которую необходимо использовать при расчете зоны водопроводящих трещин. Данные параметры зависят от наличия закладки в ВП и от «податливости» краевой части массива. Анализ параметров НДС показал, что наличие в краевой части массива податливых целиков в значительной степени снижает действующие растягивающие деформации и приводит к деформированию налегающей толщи без расслоения, что значительно уменьшает высоту зоны водопроводящих трещин.

л'

- и „ __и_„ _ ., ---и

. вмптммы! ЗтишАнныи Кон—ОщншЛ

— штрч лмм шпу плш штрм /имм

и - длина лавы, Ьп - размер зоны с податливыми целиками, Ьж- размер зоны с жесткими целиками, Ьз- ширина бутовой полосы, Вц- ширина целика, Вк- ширина камеры Рисунок 5 - Эскиз предлагаемой технологической схемы отработки запасов приразломной зоны

Расчет приведенной вынимаемой мощности для камерных систем разработки без закладки должен вестись по известным зависимостям, представленных в «Правилах по защите рудников от затопления в условиях Старобинского месторождения калийных солей».

Рааломная зона

Зона отработки с жесткими целиками, к*<0,3

Зона отработки с податливыми целиками. к*=0,5 0.8

вентиляционный

При расчетах приведенной вынимаемой мощности (для оценки развития зон трещинообразования) на границе камерной и столбовой систем разработки с закладкой выработанного пространства (в лаве и в очистных камерах) могут использоваться следующие разработанные зависимости. Для лав с бутовыми полосами (при их ширине более 5 тЛ:

'ЯпрП — ^усадБП + ^упр + анед = кус (тв ~ ^упр — анед) + ^упр + янедэ (О

где: тпрП - приведенная вынимаемая мощность для лав с бутовой

полосой (максимальные опускания пород кровли), м;

тв - вынимаемая мощность пласта, м;

кус - коэффициент усадки бутовых полос, кус = 0,25-0,29;

Апр ~ упругая конвергенция кровли и почвы лавы до момента

закладки ВП, Лупр = 0,04игв;

анед - величина недозакладки, янед= 0,1 м.

Для податливых целиков с закладкой камер:

'ИэфПЦ-З = ДусалПЦ = &изв [&ус (НК - АПЦ ~ аиел) + Ащ + «нед], (2)

где: т,фпц-з - приведенная вынимаемая мощность при разрушенных целиках и усадке закладки (максимальные опускания пород кровли), м; Як - высота камер, м;

Лсадпц - конвергенция кровли и почвы камер в результате разрушения податливых целиков и уплотнения закладки в камерах; ктв - коэффициент извлечения;

кус - коэффициент усадки закладки в камерах, кус = 0,25-0,29.

Д,ц - конвергенция кровли и почвы камер до момента закладки

ВП,

Лред = 0,06шв.

анед - величина недозакладки в камерах, минимальная величина

составляет анед = 0,1 м.

Для жестких целиков с закладкой камер:

МэфЦ-З = Дкц = &изв [*ус Шк - «нед) + Янед]> (3)

где: т,фЦ.3 - приведенная вынимаемая мощность при разрушенных жестких целиках и усадке закладки (максимальные опускания пород кровли), м;

ЛЖц - конвергенция кровли и почвы камер в результате разрушения жестких целиков и уплотнения закладки в камерах.

Для лав с закладкой и камерами в краевой части (для податливых целиков) развитие граничного угла будет иметь место только при условии, что приведенная вынимаемая мощность краевой части меньше приведенной вынимаемой мощности бутовой полосы (когда приведенное уравнение больше нуля), и приведенная вынимаемая мощность для лав с бутовой полосой составит:

И1эфП-ПЦ-3 = ДусадБП — ДусадПЦ = (4)

пр-^Яцед)+^упр+"нед изв [кусШг-Апц-а нед

где: тЭфп-пц-з - приведенная вынимаемая мощность в лаве при наличии закладки и податливых целиков (и заложенных камер) в краевой части (разность максимальных опусканий пород кровли в лаве и в краевой части), м.

Приведенная зависимость требует оценки «податливости» целиков. При этом необходимо различать физический смысл податливости на момент выемки-закладки камер и на момент действия опорного давления лавы. Очевидно, что для первого случая податливость будет оцениваться по утвержденным методикам, а для второго случая (момент прохода лавы) оценку податливости необходимо производить с учетом времени существования таких целиков (от момента выемки-закладки камер до момента прохода лавы) и опорного давления лавы. При этом учет опорного давления лавы можно производить путем введения в известную методику коэффициента концентрации напряжения. Зависимость коэффициента концентрации от расстояния от ВП лавы для различных коэффициентов извлечения и наличия закладки была получена нормированием напряжений на напряжения в нетронутом массиве на такой же глубине и представлена на рисунке 3. При этом переход целиков в запредельное состояние будет означать,

что на границе «лава-камеры» не будет «жесткой опоры», а, следовательно, не будет формироваться граничный угол, а ЗРВТ будет определяться эффективной вынимаемой мощностью камерной системы разработки.

Извлечение запасов в приразломных зонах следует начинать в заключительные периоды отработки шахтного поля (в период затухания производственной мощности). Подготовка и очистная выемка запасов Краснослободского шахтного поля значительно отличается от всех остальных шахтных полей. Это обусловлено тем, что подготовленный фронт очистных работ на 3 к.г. (после выхода на производственную мощность) рассчитан на 10-15 лет, что требует в настоящее время вскрытия и подготовки северо-западного блока. Подготовка данного блока потребует минимум 2-3 лет, а в комплексе со вскрытием - 5-7 лет. Данный блок должен быть полностью отработан (включая при-разломные зоны) до отработки нижнего блока, поскольку вскрывающие выработки и выработки главных направлений охраняются целиками значительной ширины. Первоочередной отработки требует и вышележащий 2 к.г.

Как показывают наблюдения за скоростью опускания подработанной толщи, она значительно различается для столбовых и камерных систем разработки. Это объясняется наличием значительных выработанных пространств в первом случае и развитием зон расслоения (или «плавных прогибов») от разрабатываемого пласта до поверхности. Обычно процесс опускания поверхности практически заканчивается через 1-2 года (до 90% от вынимаемой мощности пласта). Для камерных систем разработки скорости опускания подработанной толщи могут начинать увеличиваться через десять и более лет и затухать в течение 3-5 лет. Это объясняется тем, что процесс сдвижения начинается только при наличии значительных подработанных площадей и разруше-

нии (пластическим деформированием) междукамерных и межблоковых целиков. При повторной подработке соляной толщи (верхние и нижние лавы 3 к.г.) интенсивность процесса сдвижения определяется временем опережения верхних лав относительно нижних. При незначительном времени опережения (порядка одного месяца) процесс сдвижения незначительно отличается от варианта с отработкой столба единовременно на полную мощность. При времени опережения более года процесс сдвижения при повторной отработке происходит более мощными блоками со скоростью, на порядок превышающей скорость смещения при первичной подработке. Зачастую такие сдвижения сопровождаются повышенными нагрузками на секции крепи, вплоть до посадки секций «нажестко». Это обусловлено формированием в кровле при первичном сдвижении мощных блоков, не связанных друг с другом, которые начинают перемещаться после их подработки по всей длине ВП. Мощность таких блоков может достигать сотни метров и более.

Отработка приразломных зон основывается на детальной разведке таких зон и установлении доли запасов, которые могут быть отработаны основными технологическими схемами, и той части запасов, для которых необходимо дополнительно обосновывать безопасные параметры технологических схем. Поскольку «первичные» размеры приразломных и разломных зон весьма значительны и жестко регламентируются (суммарно 500 м), то в дальнейшем они обязательно подлежат уточнению путем проходки разведочных выработок и переутвеждению. В пределах разломных зон можно выделить три основные зоны: первая - это «зона непосредственного замещения соляных пород»; вторая зона - это «зона мелких дизъюнктивных или пликативных» нарушений (с определенной частотой на 10 м); третья - это «зона перехода от разломной зоны к приразломной», данная зона характеризуется обычными параметрами залегания пласта или незначительно измененными.

Основными параметрами требующими обоснования являются: размер целика между разломной зоной и очистными камерами; размер (пролет) зоны «жесткого смягчения» и параметры

X и я

-в-

-е©

4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5

у = 3,3568х-0,218 Я2 = 0,969

у = 3,5205х-0,223 Я2 = 0,9678

у = 6,7029х-0,355 Я2 = 0,9516

у = 6,9611х-0,36 Я2 = 0,9536

40 60 80

Расстояние от выработанного пространства лавы, м

100

■Лава с бутовой полосой и камеры Лава без полосы и камеры ■ Степенная (Лава с бутовой полосой и камеры) - Степенная (Лава без полосы и камеры)

•Лава без камер и полосы ■Лава с бутовой полосой

■ Степенная (Лава без камер и полосы)

■ Степенная (Лава с бутовой полосой)

120

Рисунок 3 - Зависимость коэффициента концентрации в функции расстояния от краевой части выработанного пространства лавы при различных комбинациях систем разработки и закладки выработанного пространства

Доразведка и уточнение размеров разломной зоны

Расчет параметров податливых целиков с учетом времени отработки камеры

Расчет диапазонов высоты

ЗВТ при различных параметрах извлечения по утвержденной методике

Выбор и обоснование параметров технологических схем

Расчет безопасного пролета камер согласно инструкциям

1 >

Выбор оборудования

Увеличение ширины податливого целика на 5%

Расчет параметров жестких целиков

Выбор технологии и объемов закладки для камер и лавы

Расчет ЗРВТ для зоны с бутовой полосой и закладкой камер с податливыми целиками (формула 4). Оценка безопасности полученных параметров.

Безопасно

НЕ безопасно

Расчет ЗРВТ для камерной системы разработки с податливыми целиками и ■закладкой (формула 2). Оценка безопасности полученных параметров.

Оценка податливости целиков в зоне опорного давления с учетом закладки

1 -

Расчет ЗРВТ для лавы с бутовой полосой (формула 1). Оценка безопасности полученных параметров.

Расчет ЗРВТ для камерной системы разработки с жесткими целиками и закладкой (формула 3). Оценка безопасности полученных параметров.

Безопасно

Расчет ТЭП СР длинными столбами

Оценка времени отработки запасов приразломной зоны

Расчет ТЭП камерной системы разработки

Рисунок 6 - Алгоритм разработки рациональных технологических схем отработки приразломных зон

с учетом закладки выработанных пространств

камер и целиков; размер (пролет) зоны «мягкого смягчения» (податливых целиков) и параметры камер и целиков; размер (пролет) зоны закладки (как при камерной СР так и при столбовой СР).

Следовательно, выбор рациональных технологических схем для приразломных зон, обеспечивающих региональную безопасность выемки запасов, должен быть реализован в соответствии с алгоритмом, представленным на рисунке 6.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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

1. На базе обобщения опыта применения систем разработки длинными столбами и камерных систем обоснована рациональность применения вторых в приразломных зонах высокоамплитудных дизъюнктивных нарушений в условиях Красносло-бодского рудника ОАО «Беларуськалий».

2. На базе моделирования горногеомеханических процессов установлены закономерности изменения параметров НДС ВЗТ в окрестности тектонического нарушения на разных этапах отработки сильвинитовых пластов на участках, примыкающих к приразломным зонам, и непосредственно в приразломной зоне.

3. Установлена степень влияния предлагаемых параметров камерных систем разработки в приразломных зонах на деформации массива непосредственно в разломной зоне.

4. Предложены критерии для расчета параметров камерных систем разработки в приразломных зонах с точки зрения длительного сохранения более устойчивого состояния ВЗТ в краевых частях мульд сдвижения и в разломных зонах.

5. Предложены инженерные зависимости для расчета коэффициента извлечения при применении камерных систем разработки в приразломных зонах в функции деформаций зоны ВЗТ в непосредственной окрестности нарушения.

6. Разработан алгоритм расчета параметров технологических схем извлечения с применением камерных систем разработки в приразломных зонах, позволяющих снизить высоту зоны

водопроводящих трещин и негативное влияние очистных работ в разломной зоне.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Санковский, А.А.Оценка параметров напряженно-деформированного состояния массива в окрестности очистных камер / А.А. Санковский, Е.Р. Ковальский // Записки Горного института: современные проблемы геотехнологии, безопасности и геоэкологииС. 63-66.

2. Ковалев, О.В. Алгоритм решения горно-геомеханических задач для условий отработки запасов нижних горизонтов калийных месторождений / О.В. Ковалев, С.П. Мозер, И.Ю. Тхориков, Е.Р. Ковальский, А.А. Санковский // Записки Горного института: современные проблемы геотехнологии, безопасности и геоэкологии - СПб, 2014. - Том 207. - С. 60-63.

3. Sankovsky, А.А. Geologically complicated zones of the Starobinsky minefield classification according to plausible mining methods / A.A. Sankovsky // Scientific reports on resource issues: innovation in mineral resource value chains. - Freiberg: TU Bergakademie Freiberg, 2014. -V. 1. -P. 87-89.

РИЦ Горного университета. 28.04.2015. 3.374. Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

2012478152

Информация о работе

Санковский, Александр Андреевич
кандидата технических наук
Санкт-Петербург, 2015
ВАК 25.00.22

Автореферат

Похожие работы