Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование режимов стадийной отработки очистных блоков системами с самообрушением руды

ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации по теме "Обоснование режимов стадийной отработки очистных блоков системами с самообрушением руды"

На правах рукописи

904687270

Обоснование режимов стадийной отработки очистных блоков системами с самообрушением руды

Специальность 25.00.22 - «Геотехнология (подземная, открытая и строительная)»

Автореферат диссертации соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2010

2 6 АВГ 2010

004607270

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Московский государственный горный университет» на кафедре «Технология подземной разработки рудных и нерудных месторождений» (ТПР МГТУ).

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Кузьмин Евгений Викторович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Кузнецов Юрий Николаевич

кандидат технических наук Галкин Владимир Александрович

Ведущая организация:

ОАО «ВНШШпромтехнология»

Защита диссертации состоится «8» сентября 2010 г. в 15— часов на заседании диссертационного совета Д 212.128.05 при Московском государственном горном университете в аудитории Г-418 по адресу: 119991, Москва, Ленинский проспект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета.

Автореферат разослан « 0% » О$ 20 /79г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. При выборе эффективной технологии подземной разработки рудных месторождений требования к ним состоят в обеспечении высокой производительности рудников на очистной выемке при низких издержках на ведение горных работ. Этим требованиям отвечают технологии на основе систем разработки с массовым обрушением руды и вмещающих пород. Из них наиболее дешевой является группа систем с самообрушением руды, в которых из технологической цепочки выведены дорогостоящие производственные процессы по массовой отбойке руды, включающие дополнительные подготовительно-нарезные выработки, бурение скважин, использование ВВ, бурового оборудования, расходы на поддержание выработок. В различных условиях удельный вес отбойки составляет от 25 до 60% себестоимости подземной добычи. Для сравнения, при системах с закладкой затраты на поддержание рабочего пространства составляют 30-50% себестоимости добычи.

Ввиду весьма низких затрат данная технология может конкурировать по себестоимости и производительности с открытыми горными работами и подземным выщелачиванием.

Самообрушение руды - это процесс отделения кусков руды от массива в кровле подсечного пространства определенной площади. Обрушение руды происходит под действием собственного веса отдельностей рудного массива и веса налегающих пород. По условиям применения системы разработки с самообрушением руды приемлемы при отработке мощных залежей, рудных тел средней мощности с крутым падением, при добыче различных типов руд, обладающих развитой трещиноватостью.

Функционально связанные стадии очистной выемки определяют весь комплекс процессов добычи, контроля и управления отработкой блоков, начиная от этапа подготовки и нарезки блока, создания подсечки, включая стадии формирования, развития свода обрушения, и массового выпуска руды при полной выемке запасов.

Работа направлена на изыскание путей реализации преимуществ, преодоление сложностей использования систем с самообрушением, таких, как обрушение в крупных кусках, неуправляемость развития обрушения, опасность воздушных ударов, сдерживающих их широкое распространение.

Технологический комплекс процессов при разработке месторождений системами с самообрушением должен состоять; из функционально связанных стадий. ведения очистных работ, с наличием оперативной информации между данными мониторинга параметров обрушения и контролем объемов выпуска руды из воронок на горизонте доставки.

Проведенный анализ показал, что обоснование режимов стадийной отработки очистных блоков в технологии подземной разработки мощных месторождений системами с самообрушением руды, обеспечивающей высокую производительность горных предприятий при низкой-себестоимости добычи, является актуальной научной и практической задачей.

Целью диссертации является обоснование режимов функционально связанных стадий очистной выемки с самообрушением руды для отработки блоков с высокой интенсивностью, получения необходимой кусковатости руды на выпуске, обеспечивающих полноту извлечения и низкую себестоимость добычи полезных ископаемых.

Идея работы: эффективность технолог® с самообрушением руды может быть обеспечена выполнением технологических процессов в соответствии со стадиями отработки очистных блоков при заданных режимах в пространстве всего выемочного участка.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Отработка блоков системами с самообрушением руды состоит из трех функционально связанных стадий: формирования кровли камер подсечки, развития процесса обрушения до поверхности и массового выпуска руды; изучение стадий очистной выемки возможно с помощью моделирования параметров обрушения и выпуска руды.

2. При моделировании технологических параметров процесса самообрушения коэффициент разрыхления руды уменьшается по гиперболической зависимости, а отношение полупролета камеры подсечки к высоте кровли находится в экспоненциальной зависимости от времени виброуплотнения.

3. Повышение эффективности очистной выемки достигается путем управления процессом самообрушения на основе получаемой информации о размерах полости между кровлей и навалом руды без проведения отсечных выработок; этим исключается опасность воздушных ударов, оседания рудного массива по всей площади блока.

Научная новизна работы состоит в следующем:

•установлено, что технологический процесс отработки блока системами с самообрушением руды состоит из трех стадий: формирования кровли камер подсечки, развития обрушения до поверхности и массового выпуска руды;

•установлена целесообразность использования метода физического моделирования параметров вьщуска руды и формирования кровли камер подсечки: коэффициент разрыхления руды в модели находится в гиперболической зависимости, а отношение предельного полупролета кровли подсечки к высоте - в экспоненциальной зависимости от времени виброуплотнения материала;

•разработана методйка расчета режимов неравномерного выпуска руды в стадии формирования кровли, основанная на необходимости создания свода определенной формы, для обрушения руды в мелких кусках, в соответствии с требованиями технологии ведения подземных горных работ;

• разработана методика определения размеров полости между кровлей свода и навалом руды в зоне обрушения на основе сквашшных измерений, позволяющая интенсивно вести очистную выемку, предотвращать опасность воздушных ударов, задержек процесса самообрушения, оседания рудного массива по всей площади блока.

Методы исследований включают анализ и обобщение ранее выполненных исследований и данных практики подземной разработки месторождений системами с самообрушением руды, физическое моделирование, сравнительный технико-экономический анализ, синтез технических решений по формированию системы оперативного управления режимами самообрушения руды в очистном блоке на всех стадиях отработки.

Обоснованность и достоверность результатов подтверждаются анализом опыта ведущих горнодобывающих компаний по подземной разработке месторождений с самообрушением руды, результатами моделирования выпуска уплотненных руд, удовлетворительной сходимостью (80%) результатов экспериментов с производственными данными подземных рудников, отрабатывающих месторождения с аналогичными свойствами руд.

Научное значение работы состоит в новом представлении модели технологического процесса очистной выемки при самообрушении, состоящей из трех функционально связанных стадий отработки блока: формирования кровли камеры подсечки, развития обрушения до поверхности и массового выпуска руды; установлении целесообразности использования физического моделирования выпуска уплотненной руды для определения параметров кровли зоны обрушения на базе полученных зависимостей коэффициента разрыхления материала модели, отношения полупролета камеры подсечки к высоте сводчатой кровли от времени виброуплотнения.

Практическое значение диссертации состоит в разработке технических рекомендаций по стадийной отработке блоков в определенных режимах для обеспечения полноты извлечения при добыче руды системами с самообрушением, оперативного управления и контроля параметров обрушения руды в очистном блоке на основе скважинных измерений размеров полости между кровлей и навалом руды, предотвращения опасности воздушных ударов при развитии свода обрушения.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Разработанные в диссертации технологические решения по режимам стадийной отработки очистных блоков при самообрушении переданы акционерной компании "ЛЛРОСА" для реализации при составлении проекта подземной разработки кимберлитовой трубки "Удачная".

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научных симпозиумах "Неделя горняка" - (Москва, 2008-2010гг.), 10-й международной конференции "Экология и развитие общества", (Санкт-Петербург, 2007г.), 1-м Уральском международном экологическом конгрессе "Экологическая безопасность горнопромышленных регионов", (Екатеринбург, 2007г.), семинарах кафедры ТПР МП У (2008-2010 гг.)

Публикации. Основные результаты выполненных исследований опубликованы в 11 научных работах.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 4 глав и заключения; содержит 46 рисунков 16 таблиц и список использованных источников из 124 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Анализ опыта подземной разработки мощных рудных месторождений показывает, что наибольшее развитие в ведущих горнодобывающих странах за последние 30 лет получили системы разработки с самообрушением руды. Они являются самыми низкозатратными, высокопроизводительными, позволяющими автоматизировать наиболее тяжелые процессы подземной добычи.

Компании, накопившие большой опыт применения данных систем разработки, ведут в настоящее время подземную добычу руды с себестоимостью 5-7 долл./т при годовой производительности от 2 до 16 млн. т.

Достоинства систем разработки с самообрушением руды отмечались академиком М. И. Агошковым еще в 1949 году. Им были отмечены возможности этих систем достичь высокой производительности на выпуске и доставке при небольших затратах на подготовку и нарезку блоков. Изучению условий устойчивости выработок в горных породах и перехода в состояние обрушения посвятили труды проф. М.М.Протодъяконов, проф. В.Д. Слесарев, проф. Р.П.Каллунов, проф. П.МЛДимбаревич, проф. К.В. Руппенейт, акад.АН УССР А.Н.Динник, ахад АН УССР Г.М.Малахов, чл.-корр.РАН Д.Р.Каплунов, проф. В.Р.Именитов, проф. В.В.Куликов и многие другие ведущие ученые.

Характерной чертой систем с самообрушением является то, что добыча руды ведется без буровзрывных работ на очистной выемке. Это является особенно важным фактором при разработке кимберлитовых месторождений, так как важнейшим условием здесь является сохранность кристаллов алмазов при добыче. Внедрение технологий с самообрушением руды позволило компании Де Бирс (ЮАР) вдвое повысить качество и соответственно цену добываемых алмазов.

На основании проведенного в работе анализа в диссертации сформулированы следующие задачи исследований:

1. Определение параметров сводов обрушения, при которых создаются условия для развития в массиве растягивающих напряжений, что обеспечит обрушение руды в мелких кусках, без создания отсечных зон по границам блоков.

2. Установление режимов выпуска руды из воронок й траншей для создания свода самообрушения необходимой формы в начальной стадии отработки блока.

3. Разработка методов контроля и управления развитием свода самообрушения для поддержания интенсивности, увеличения производительности отработки очистных блоков, предотвращения опасности воздушных ударов на стадии развития свода обрушения.

4. Установление режимов интенсивной отработки очистных блоков с самообрушением руды и составление планограммы выпуска руды для наиболее полного извлечения полезных компонентов, минимизации потерь и разубоживания руды на стадии полной отработки блока. .

В настоящее время используются следующие основные варианты систем разработки: этажного самообрушения с донным выпуском, этажного самообрушения с фронтально-торцевым выпуском, этажного панельного самообрушения (рис. 1).

Рис.1. Используемые варианты систем этажного самообрушения: а) с донным выпуском, б) с фронтально-торцевым выпуском, в) панельное самообрушение

При отработке очистных блоков системами с самообрушением технологические процессы подготовки находятся в следующей последовательности:

• проведение выработок основания блока на горизонте выпуска и доставки,

• создание подсечки - свободного горизонтального пространства определенной большой площади над воронками или траншеями, для развития процесса самообрушения руды,

• создание выпускных воронок или траншей, соединяющих горизонты подсечки и доставки.

В исследованиях параметров технологии с самообрущением одним из основных вопросов является установление размеров подсечки — горизонтального обнажения, начиная с которого развиваются процессы самообрушения, стадии отработки блоков. В практике применения систем с самообрушением используются разнообразные по конструкции и технологии создания виды подсечки, в зависимости от условий отработки блока. Основными являются подсечки двух видов - плоская и зубчатая. Плоская подсечка создается буровзрывным способом со шпуровой отбойкой. Зубчатая подсечка создается с помощью скважинной отбойки, облегчает начальную стадию самообрушения руды, все работы полностью механизированы. Зубчатые подсечки могут создаваться самостоятельно либо одновременно с воронками выпуска руды.

Обоснованию необходимых размеров, форм подсечки и методам ее определения посвящено большое число исследований. Проф. Д. Лобшером (ЮАР) предложен метод определения гидравлического радиуса (1/4 диаметра) подсечки на основе анализа статистических данных рудников и рейтинговой классификации горных пород. В качестве показателя обрушаемости массива взят разработанный на основе классификации горных пород проф. З.Т. Бенявского интегральный показатель MRMR (Mining Rock Massif Raiting),

который учитывает несколько параметров трещиноватого массива пропорционально степени их влияния и выражается суммой баллов, соответствующей определенному гидравлическому радиусу. В ведущих горнодобывающих странах в настоящее время этот метод является основным для определения необходимых размеров подсечки при разработке мощных месторождений системами с самообрушением. В работе ширина подсечки определяется также по данному методу.

Проф. С.Л. Шашуриным проведены измерения напряжений в кровле камер подсечки при подготовке к самообрушению очистных блоков (Никитовский рудник). В результате в зонах, прилегающих к контуру кровли, установлено наличие растягивающих напряжений. Если подсечку создать определенной сводчатой формы, то благодаря возникающим растягивающим напряжениям руда начинает обрушаться в мелких кусках, процесс самопроизвольного обрушения потолочины развивается вверх, пока не достигнет поверхности, как правило, дщ карьера. В основании блока - уже сыпучая, представленная кусками-отдельностями руда выпускается через воронки на горизонт доставки и далее транспортируется к местам дробления.

В диссертации поставлена задача установить необходимое соотношение между шириной подсечки и высотой кровли обрушения для получения мелкокусковой руды при развитии процесса самообрушения. Поставленная задача решалась с помощью метода физического моделирования выпуска

РУДЫ- .

В 70-е годы 20-ш столетия, с развитием высокопроизводительных технологий в нашей стране было выполнено большое число исследований с использованием метода физического моделирования выпуска отбитой руды из очистных блоков. Им посвятили свои труды акад. Г.М. Малахов, проф. Р.П. Каплунов, проф. А.В.Будько, проф. В.Р. Именитов, чл.-корр. РАН Д.Р. Каплунов, проф. В.В. Куликов, проф. Н.Г. Дубынин, проф. С.ВЛЗетров, проф. Е.В.Кузьмин, проф. М.Л.Жигалов, проф. В.Ф.Абрамов и многие другие ученые.'

Моделирование выпуска отбитой руды базируется на предложенном проф. В.Р. Именитовым функциональном подобии, сущность которого заключается в том, что для обеспечения условий подобия модели натуре в данном случае невозможно выполнить все условия подобия - геометрическое, динамическое и кинематическое. Достаточно, если выполняется подобие по главным параметрам. В моделировании выпуска руды - это обеспечение подобия форм и объемов фигур выпуска и разрыхления.

Использовать в качестве модели рудный или какой-либо другой массив с трещиноватостью, подобной натурной, оказалось невозможным по двум причинам:

• силы зацепления между шероховатыми поверхностями кусков -отдельностей уменьшаются в модели пропорционально квадрату их линейного размера, а вес кусков - пропорционально кубу линейного размера. Поэтому после создания подсечки в модели обрушения кусков руды из кровли свода не

происходит: имея существенно меньший вес они удерживаются зацеплением с соседними кусками руды;

• большая группа мелких и средних кусков руды, в пересчете на модель с масштабом 1:200, становится песчинками размером менее 1мм. Между пылеватыми частицами проявляются электростатические силы, препятствующие истечению руды из модели, и силы, молекулярно связывающие пылеватые частицы и искажающие процесс выпуска руды.

В качестве аналога трещиноватого массива при моделировании взята отбитая руда (натурный материал) с низким коэффициентом разрыхления без наличия пылеватых. Критерием подобия принято равенство в модели и натуре отношения величины полупролета обнажения к высоте кровли. Для обоснования данного критерия использован метод функционального подобия.

Эксперименты, проведенные на модели масштабом 1:200, заключались в подборе руды, виброуплотнении ее и образовании в уплотненной руде подсечки - горизонтального обнажения в донной части, последовательно увеличивающейся в размерах.

Чл.-корр. РАН Д.Р. Каплуновым выдвинуто предложение относительного физического моделирования выпуска руды, которое состоит в том, что, зная основные закономерности выпуска руды одного типа и зная несколько характерных зависимостей, можно- экстраполировать результаты на иные условия, гранулометрические составы, степени уплотнения.

Каждому типу руд, принятому грансоставу, степени уплотнения и размеру подсечки соответствует свой предельный контур естественного равновесия при обнажении. Превысив определенную предельную ширину обнажения, свод естественного равновесия разрушается, начинается процесс самообрушения, который достигает поверхности. Предельная ширина обнажения принята шириной подсечки для самообрушения.

Уплотнение материала модели создавалось путем вибрации и пригрузки с использованием двух электровибраторов ВГ-116-1, мощностью 2кВт, с выносными эксцентриковыми виброагрегатами, которые жестко крепились к металлической раме модели.

Задачами исследования параметров самообрушения руды являлось установление зависимостей между временем виброуплотнения и коэффициентом разрыхления руды, отношением предельного полупролета подсечки к высоте кровли при различных размерах обнажения.

В качестве материала модели взят железистый кварцит. Руда, засыпаемая в модель, имела в первой серии экспериментов гранулометрический состав: 02мм - 5%, 2-6мм - 12%, 6-10мм - 20%, 10-14мм - 25%, 14-18мм - 20%, 18-24 -12%, 24-30мм - 6%. Начальная высота руды в модели - 650мм. Вес руды, загруженной в модель - 364кг. Объемная плотность руды в массиве - 3,4 г/см3.

Исходный коэффициент разрыхления руды в модели Кр=1,55. Эксперименты проведены тремя сериями, в первой - для виброуплотнения использовался один вибратор, во второй - использовалось два вибратора, в третьей - два вибратора, из материала модели удалены частицы размерами 0-Змм. Время виброуплотнения - 10, 15,20,25 мин.

Отбитая руда теряет свойства сыпучей среды при коэффициенте разрыхления, начиная с Кр=1,32 и ниже. В модели при использовании виброуплотнения получена укладка кусков руды с коэффициентом разрыхления, при котором руда уже не является сыпучей из-за увеличенного зацепления между кусками - отдельностями (рис.2).

Путем последовательного увеличения ширины обнажения фиксировалась ее предельная ширина (рис.3), после которой свод обрушается и развивается до поверхности.

В результате проведенных опытов было установлено, что с увеличением крупных фракций в материале модели кривизна свода самообрушения уменьшается, предельный устойчивый свод создается при большей ширине обнажения, что больше соответствует натурным данным. При моделировании параметров самообрушения в третьей серии использовалась руда без мелких фракций, из материала модели удалялись фракции 0 -Змм.

Тв,мин

Рис. 2. Уплотнение руды во времени при вибрационном воздействии: 1 — первая серия, 2 — вторая серия, 3 - третья серия

Рис. 3.

В результате проведенных опытов были определены размеры предельных контуров, ширины обнажения, их отношения в зависимости от времени виброуплотнения (табл.1, рис.4). Наиболее близкими к натурным данным оказались результаты третьей серии опытов, поэтому в дальнейшем, при моделировании с различными типами руд, из модели удалялись фракции 0-Змм.

С увеличением времени вибрации укладка руды в модели становится более плотной. Отношение предельного полупролета обнажения к высоте контура в опытах 3 серии, наиболее близких по результатам к натуре, находится в пределах 1,3-1,68 (табл.1, рис.4).

Таблица 1

Параметры предельного контура, ширины обнажения, их отношение при уплотнении руды_____________

Время вибро- уплотиения, мин Коэффициент разрыхления, Кв Ширина обнажения, мм Высота кровли, мм Отношение, а/ /ъ

Серия №1

10 1,40 90 80

15 1,34 90 60 0,75

20 1,27 120 69 0,87

25 1,24 120 63 0,95

Серия № 2

10 1,26 120 59 1,01

15 1,23 150 60 1,25

20 1,21 180 64 1,40

25 1,18 210 71 1,48

Серия № 3

10 1,30 120 46 1,3

15 1,27 150 55 1,35

!20 1,25 180 59 1,52

25 1,21 210 62 1,68

Образование сводчатого контура при создании обнажения

ТВ, мин

Рис.4. Изменение отношения предельного полупролета подсечки к высоте свода от времени вибрации: 1-первая серия, 2-вторая серия, 3-третья серия

Из полученных зависимостей следует, что с увеличением времени вибрации коэффициент разрыхления уменьшается, характер зависимости -гиперболический. Величина отношения предельного полупролета подсечки к высоте свода находится в экспоненциальной зависимости от времени вибрации.

Далее были проведены опыты по установлению параметров самообрушения для разных типов руд по размерам и форме кусков. При моделировании использовался различный материал и были выделены три группы:

1 - мелкокусковая руда (фракция 3-8мм составляет до 65%), с близкими размерами кусков по осям, форма - округлые, руда средней прочности,

2 - среднекусковая руда с соотношением размеров по осям - до 2,0, руда средней и высокой прочности,

3 - руда среднекусковая и крупнокусковая, непропорциональные размеры по осям, руда средней и высокой прочности.

Данные моделирования для третьего типа руд для примера приведены в табл. 2.

Результаты моделирования показали, что отношение полупролета обнажения к высоте свода находится в пределах 1,05 -1,67.

Данные моделирования параметров самообрушения с различными типами руд позволили построить номограмму для определения высоты сводов предельного равновесия при известных размерах обнажения с учетом формы и размеров кусков (рис.5).

Номограмма позволяет установить отношение предельного полупролета подсечки к высоте кровли, и при известном полупролете подсечки - высоту кровли, которую требуется создать на первой стадии выпуска для обрушения руды в мелких кусках.

Таблица 2.

Определение параметров кровли свода самообрушения при различной подсечке и времени уплотенеиия, для третьего типа руд.

N Ширина обнаж.,см Вес выпущ. руды, г Выс. свода обруш. см Отнош. полупрол.к высоте св. Угол конт. с неподв. рудой,0

Время виброуплотнения Юмин, усадка руды 7см

1 3,0

2 6,0 1480 5,0 0,6 55

3 9,0 2600 5,5 ' 0,82 65

4 12,0 2870 5.7 1,05 60

Обрушение свода

Время виб роуплотнения 15 мин, усадка руды 9см

1 3,0

2 6,0 1280 2Д 1,36 50

3 9,0 2130 3,0 1,5 55

4 12,0 2780 4Д 1,46 60

5 15,0 3250 5,1 1,47 60

Обрушение свода

Время виброуплотнения 20 мин, усадка руды 10см

1 3,0

2 6,0 1020 2,0 1,5 45

3 9,0 1470 3,2 1,4 50

4 12,0 2240 4,0 1,5 50

5 15,0 2580 4,6 1,63 60

6 18,0 2920 5,5 1,64 60

Обрушение свода

Время виброуплотнения 25 мин, усадка руды 11 см

1 3,0

2 6,0

3 9,0 1170 2,7 1,67 45

4 12,0 1530 3,7 1,62 50

5 15,0 2250 4,5 1,67 60

6 18,0 2520 5,4 1,67 60

7 21,0 2980 63 1,67 60

Обрушение свода

Результаты, полученные при моделировании, хорошо согласуются с производственными данными. На руднике им. К.Либкнехта в Криворожском бассейне, также на руднике Никитовского ртутного комбината в очистных блоках, отрабатываемых системами с самообрушением руды, среднее отношение предельного полупролета подсечки к высоте свода составляло величину 1,16 - 1,66. Для рудников Элъ-Тениенте, Нортспаркс, Хендерсон это соотношение составляет 1,18-1,67.

к V

/ / л

... * -/ - ГГ V -; -

<< * г г - "7 >> -■г.

1 и • 1

"1 I 1 ; .. ¡С 1 л 1 )|2

-4, 1.4, >- 1 и 1, ) "гГ и т

! | ^ ;

1 1 ч ■1 1

I Г ■ 1

« • •'г ч!

■1 1 ! ■К 1.

- - * ьц - Ь\

"Г ; ^ №

И И \1

■ ■ . 1- ж V

*

: > 1 1

1

) , 1. -и

.г .■1 а Цп . I 1

I

а, м

Рис. 5. Номограмма для определения отношения величины полупролета обнажения к высоте свода; 1 - мелкокусковая руда (фракция 3-8 мм составляет 65%) с близкими размерами кусков по осям, форма кусков - пропорциональная, руда низкой и средней крепости, 2 - среднекусковая руда с соотношением размеров по осям - до 2,0, руда средней прочности, 3-руда среднекусковая и крупнокусковая, непропорциональные размеры по осям, руда средней прочности

На руднике им. Розы Люксембург Криворожского бассейна ширина подсечки в блоках составляла 42-5 Ом, на шахте "Большевик" - 45-55м, на шахте "Гигант" - 5 0-5 5м, на шахте "Центральная" - 40-46м. На Никитовском месторождении ртути ширина подсечки при системе этажного самообрушения составляла 40м, т.е. предельная ширина подсечки в модели (табл.1), после которой начинается самообрушение, близка к натурным размерам.

Технологический комплекс процессов при отработке блоков системами с самообрушением состоит из трех последовательных стадий ведения очистных работ.

На первой стадии отработки для развития процесса самообрушения с мелкой кусковатостью руды необходимо создать сводчатую форму контура обрушения. Развитие обрушения с требуемой кусковатостью руды формируется при создании сводчатой формы контура с тем соотношением полупролета подсечки к высоте, которое определено для данного типа руд с помощью номограммы.

Первая стадия отработки блока заключается в установлении формы контура обрушения с требуемым соотношением полупролета подсечки к его высоте. Далее, по мере развития процесса самообрушения, это соотношение необходимо по возможности сохранять, т.к. при этом в приконтурной зоне

развиваются растягивающие напряжения, обеспечивающие мелкую кусковатость руды при обрушении.

Методика определения режима выпуска руды из каждой воронки на первой стадии отработки заключается в следующем. Для образования сводчатого контура выпуск руды начинается из центральных воронок. Далее, постепенно, с увеличением высоты купола вовлекаются в выпуск промежуточные воронки, далее - фланговые воронки, но в меньшем объеме, и так до полного формирования необходимого сводчатого контура.

Режимы и объемы выпуска, различные для центральных и фланговых воронок, определяются расчетным путем. Для основания блока, состоящего из 6 воронок диаметром по 18м, шириной подсечки 108м, при создании сводчатого контура самообрушения необходимо начать выпуск руды из центральных двух воронок, затем вести выпуск равными порциями из четырех воронок, и затем - равными порциями - из 6 воронок (рис.6).

Чтобы получить требуемую форму контура с отношением полупролета к высоте, например, a/h = 1,66 (определяется по номограмме), объемы столбов руды, находящихся над каждой воронкой, должны быть такими, чтобы обеспечить формирование полости, которая заполняется при очередном обрушении руды, с достижением необходимой сводчатой формы контура самообрушения.

Для рассматриваемых условий объемы столбов руды над воронками должны определяться по формуле:

V = D3Kp(h-4)M3

и быть следующими: в двух центральных воронках - по 12189м3 руды, промежуточных воронках - по 7698м? руды, фланговых воронках - по 3421м3 руды. Излишняя рудная масса объемом Vi=4D2Kp должна быть выпущена из каждой воронки.

vvwvv

* 180 м3 - из каждой воронки

Рис.6. Формирование контура самообрушения, определение режимов и объемов выпуска руды Одним из основных требований безопасности при самообрушении является следующее: высота полости между кровлей и поверхностью навала обрушенной руды не должна превышать 4 - 5 м, чтобы избежать воздушных ударов при падении кусков руды. Вместе с тем навал обрушенной руды не

должен подпирать кровлю рудного массива, так как это приводит к торможению процесса самообрушения. Поэтому указанные объемы - столбы разрыхленной руды сразу не выпускаются.

Выпуск руды производится по определенному режиму: малыми порциями, в сутки выпускается 150-180м3 рудной массы, что при плотности руды 2,55т/м3 составляет 380 - 400т - так, чтобы имелся воздушный зазор между сводом и навалом руды и его высота не была опасной. Для начальной стадии, в первые 36 суток, во избежание ударных нагрузок на воронки основания блока, скорость опускания обрушенной руды должна составлять не более 170мм в сутки, что равно выпуску руды по 110т в сутки.

Следуя изложенной методике, можно при соблюдении заданных режимов неравномерно - последовательного выпуска сформировать сводчатый контур зоны обрушения с необходимым соотношением полупролета камеры подсечки к высоте кровли, - на первой стадии отработки блока.

Вторая стадия отработки блока - развитие процесса обрушения до поверхности - заключается в том, что самообрушение, начавшееся формированием сводчатого контура, продолжается, переходит на более высокие горизонты рудных запасов, достигает верхней границы рудного тела, и развивается до контакта с дном карьера. Если сверху находятся налегающие породы, то в процесс обрушения вовлекаются породы, и так процесс продолжается до выхода на поверхность, с образованием провала. При этом на второй стадии режим выпуска следующий: из каждой воронки в основании блока выпускается одинаковое количество руды, ограниченное, в среднем не более чем по 400т в сутки. Такой ограниченный темп выпуска диктуется интенсивностью естественного самообрушения руды.

Регулирование процесса самообрушения на второй стадии может производиться путем выпуска из воронок разных объемов руды. При необходимости интенсифицировать самообрушение на одном го флангов контура (что делается при панельном самообрушении) - на данном участке ведется более интенсивный выпуск руды из воронок на горизонте доставки. Этим увеличивается площадь свободного пространства, - идет процесс отделения кусков руды от кровли, тогда как на других участках контура самообрушение тормозится подпором обрушенной руды.

В 2004 г. на руднике Нортспаркс (Австралия) в блоке с панельным самообрушением, шириной подсечки 152м с одной стороны свода оказались недостаточно трещиноватые руды, произошла задержка обрушения, которая вызвала образование пустого пространства больших размеров. Информации о задержке не было, руда из воронок продолжала выпускаться, и ее практически не осталось над воронками.

Рудный слой из кровли свода обрушился целиковым пластом на воронки по большой площади, чем был вызван воздушный удар, массы воздуха вытеснили руду из воронок, рудовоздушная масса двигалась по выработкам с высокой скоростью. Был причинен существенный ущерб руднику, машины и оборудование вышли из строя, имелись человеческие жертвы. Данный участок впоследствии был обурен скважинами, было проведено гидрорасчленение

массива, наведены дополнительные трещины, что обеспечило последующее интенсивное обрушение.

Измерения состояния массива в кровле сводов подсечных камер Никитовского рудника, выполненные проф. С.Л.Шашуриным, показали, что высота точки, где величина растягивающих напряжений превышает напряжения на отрыв, при ширине камеры 30м составляет 7,7м от контура свода, при ширине камеры 40м - 9,5м, при ширине камеры 50м - 12,5м. Это означает, что высота одновременных обрушений может превышать необходимую по требованиям безопасности высоту кровли над навалом руды в 5м и подпирать кровлю, разрыхляясь при обрушении. Высоты полости не достаточно для разрыхления обрушающегося слоя, при наличии подпора руда не будет обрушаться.

В этой связи требуются технические решения по оперативному управлению процессами обрушения и выпуска руды для безопасного и эффективного ведения горных работ на второй стадии. Успешная отработка очистных блоков с высокими показателями извлечения станет возможной при наличии оперативной связи между данными мониторинга размеров полости между кровлей, навалом обрушенной руды и контроля объемов выпуска руды из воронок на горизонте доставки.

В диссертации разработаны методы контроля состояния зоны обрушения, позволяющие устанавливать размеры полости между кровлей и навалом обрушенной руды, чтобы избежать опасности воздушного удара.

Первый метод контроля состоит в том, что в период создания подсечки, в рудном теле с верхнего горизонта или с дневной поверхности бурят вертикальные скважины до контакта с камерой подсечки (сверху вниз) либо скважины бурят из камеры подсечки (снизу вверх). В скважинах через 5-8м размещают специальные неразрушаемые маркеры «Smart Tag» - металлические шары диаметром 20см. с постоянным слабо излучающим радиосигналом. Система создана компанией «Metso Minerals» для слежения за массивом при разработке месторождений и контроля складских запасов добытого сырья.

Каждый маркер дает информацию о его положении в пространстве, а считывающее устройство регистрирует их положение в пространстве рудного массива. Когда свод обрушения достигает уровня определенного маркера и он обрушается на навал руды, его координаты изменяются. Считывающее устройство определяет новое место расположения маркера, длину перемещения по вертикали и горизонтали. По этим данным можно определить высоту воздушного зазора между сводом и навалом руды, принять меры в случае опасной ситуации. Данный метод дает укрупненную картину процесса самообрушения, т.к. расстояния между скважинами достаточно велики.

Второй метод контроля и управления состоянием свода, навала руды и размеров пространства между ними состоит в следующем. В рудном теле сверху (с поверхности или верхнего горизонта) над подсечкой бурят вертикальную центральную скважину и дополнительные - на расстоянии, равном гидравлическому радиусу подсечки, - от центральной скважины. Через

эти скважины в зону обрушения периодически опускают лазерную рулетку (рис. 7).

Рис.7. Схема контроля размеров полости, состояния навала руды и свода обрушения для выявления опасности воздушных ударов или препятствия самообрушению; 1 - зона подсечки, 2 - воронкн выпуска, 3 - навал руды, 4 - рудное тело, 5 - центральная скважина, 6 - кровля свода самообрушения, 7,8 - дополнительные скважины,

9 - шаговый микродвигатель,

10 - лазерная рулетка, 11 - кабель,

12 - спускоподъемный механизм,

13 - привод, 14 - корпус, 15 - фиксатор,

16 - концентрические окружности,

17 - блок первичных преобразований,

18 - блок построения поверхности навала руды, 19 - блок анализа состояния зоны самообрушения, 20 - пункт управления очистной выемкой

С помощью лазерной рулетки через каждую скважину сканируется поверхность навала обрушенной руды и кровли свода самообрушения. По полученным параметрам измерения выявляют участки риска воздушных ударов и зоны смыкания навала с кровлей свода самообрушения. Сведения о возможности воздушного удара поступают в пункт управления очистной выемкой для команды по прекращению выпуска руды из воронок, находящихся под этим участком. Сведения о смыкании навала руды и свода обрушения поступают туда же для команды по интенсификации выпуска руды из воронок, находящихся под таким участком.

Количество дополнительных скважин, величину шага вращения микродвигателя и угол наклона лазерной рулетки в вертикальной плоскости выбирают из необходимой точности получения данных.

Система анализа состояния зоны самообрушения включает блок определения участков полости, в которых расстояние по вертикали от навала руды до кровли свода равно или превышает 5м, и блок, фиксирующий участки, где этот размер менее 1м (рис. 8).

Эти участки полости являются соответственно участками риска возникновения воздушного удара и возможного смыкания навала руды с кровлей свода, препятствующего процессу самообрушения. Обработку сигналов осуществляют с помощью компьютера, а построение поверхностей навала руды и кровли свода - по программе «SURFER».

Рис. 8. Блок обработки данных, получаемых от лазерной рулетки

При наличии сверху налегающих пород управляющие действия -увеличение (уменьшение) объемов выпуска из воронок - могут повлиять на состояние контакта руды с налегающими породами и соответственно на величину разубоживания. По данным исследований на руднике Финч, допустимым считается искривление контакта руды с налегающими породами, вызванное неравномерным режимом выпуска из воронок, до угла наклона контакта 40° к горизонтали.

Выбор интенсивности выпуска руды из каждой воронки принимается на основании данных скважинных измерений размеров полости между кровлей и навалом руды. Объемы выпуска определяются расчетами, чтобы пространство между сводом и навалом руды было не более 4-5м и не менее 1м.

Рекомендуемые технологические меры по выбору режимов отработки очистных блоков на второй стадии с использованием данных скважинных измерений позволяют считать, что при управляемом самообрушении может быть получена мелкая и средняя кусковатость руды на выпуске, с малым процентом негабаритных кусков.

Третья стадия отработки блоков — стадия массового выпуска руды из блоков, начинается после того, как свод обрушения достигнет поверхности. Планограмма отработки очистных блоков - это режим выпуска руды из каждого выпускного отверстия. Составление планограммы выпуска руды производится для каждого конкретного очистного блока самостоятельно, т.к. каждый блок имеет свои размеры в плане, свое число выпускных воронок и свои граничные условия. Если блоки являются внутренними и граничат с участками рудных блоков, то режим выпуска из таких воронок - равномерно-последовательный. Если воронки граничат с вмещающими пустыми породами, то режим выпуска из пограничных воронок производится со специальной корректировкой.

Составление планограммы заключается в том, чтобы обеспечить максимальное извлечение руды при минимальных потерях и разубоживании пустой породой. Это обеспечивается следующими требованиями режимов выпуска:

• на горизонте доставки ведется интенсивный равномерно-последовательный выпуск руды из всех воронок до момента, когда контакт руды с налегающими породами опустится до высоты, равной высоте касающихся эллипсоидов, что характеризуется появлением в воронках первых кусков пустой породы;

• из всех выпускных воронок, являющихся внутренними, равномерно-последовательный выпуск продолжается до предельного разубоживания в дозе выпуска, после чего выпуск руды прекращается;

• из выпускных воронок, контактных с обрушенными боковыми породами, выпуск руды следует вести до разубоживания в дозе выпуска, меньшего предельного разубоживания в дозе на 10%, т.к. на контакте эллипсоид выпуска отклоняется в сторону разрыхленных пород, что увеличивает потери и разубоживание;

• из выпускных воронок, граничащих с рудным массивом, выпуск руды вести до предельного разубоживания в дозе;

• из выпускных воронок, граничащих с породным массивом, выпуск руды вести до предельного разубоживания в дозе.

Если иметь в виду, что запасы блоков, рекомендуемые к отработке системами с самообрушением, находятся в пределах, начиная от 0,6млн.т до 2,0 млн.т и более, высота отрабатываемого блока в рудном теле - в пределах от 100 -до 550м, то при сравнительно ( с закладкой) высоких абсолютных потерях и разубоживании относительные потери и разубоживание оказываются значительно меньшими, чем при системах с принудительным обрушением.

Таким образом, исходя из функционального признака деления на стадии всего процесса отработки блоков в определенных режимах, в диссертации получейо, что отработка очистного блока делится на три стадии:

1. Формирование сводчатого контура кровли самообрушения, которое обеспечивается установлением режимов и объемов выпуска руды из воронок в зоне подсечки: центральных, промежуточных, фланговых, в первой стадии отработки блока. Этим достигается необходимая сводчатая форма кровли зоны обрушения.

2. Развитие процесса самообрушения с использованием управления и контроля обрушения до верхней границы блока. На этой стадии происходит переход запасов руды в очистном блоке из состояния массива в состояние разрыхленной среды.

3. Полная отработка запасов блока, установление планограммы выпуска руды из всех воронок, обеспечивающей высокое извлечение руды, минимальные потери и разубоживание.

Сравнительная технико - экономическая оценка выполненных в диссертации разработок сделана по натуральным показателям - извлечению, потерям, разубоживанию и ставке дохода, определяемой как процентное отношение чистой прибыли к произведенным затратам.

Для рассмотрения взято 2 варианта систем: система с этажным принудительным обрушением и система с этажным самообрушением и донным выпуском, применительно к условиям Западного рудного тела трубки «Удачная» АК «АЛРОСА». Расчеты показали, что ставка дохода для систем с этажным принудительным обрушением составляет 28%, тогда как при этажном самообрушении она составляет 34%, что является увеличением ставки дохода на относительные 21,4%. Экономическая эффективность применения систем с самообрушением складывается из следующих показателей: получение прибыли за счет возможности раннего (на 1,0-1,5 года) ввода очистного блока в стадию интенсивной отработки, сокращение издержек за счет снижения коэффициента подготовки пропорционально увеличению высоты отрабатываемого блока, увеличение прибыли за счет снижения ущерба от потерь и разубоживания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научной квалификационной работой, в которой содержится решение задачи обоснования режимов стадийной отработки очистных блоков системами с самообрушением руды, выполненной на основе моделирования параметров процесса самообрушения, имеющей важное научное и практическое значение для повышения эффективности подземной разработки рудных месторождений.

Основные научные и практические результаты, полученные лично автором:

1. Технологический процесс отработки очистных блоков состоит из трех функционально связанных стадий с присущими им режимами выпуска руды:

• формирование сводчатого контура самообрушения, которое обеспечивается специальным режимом выпуска различных объемов руды из воронок в первой стадии отработки блока;

• развитие процесса самообрушения с осуществлением контроля и управления размерами полости в зоне обрушения, позволяющих поддерживать интенсивность обрушения, предотвращать опасность воздушных ударов, замедления обрушения, оседания рудного блока целиком без разрушения;

• полная отработка запасов блока, на основе разработанной планограммы выпуска руды из траншей и воронок, обеспечивающей высокое извлечение руды и минимальное разубоживание.

2. При моделировании выпуска уплотненных руд установлено, что применение виброуплотнения позволяет рассматривать дробленую руду как аналог трещиноватого массива в исследованиях технологических параметров систем разработки с самообрушением руды.

3. В результате моделирования установлено, что коэффициент разрыхления руды находится в гиперболической зависимости, а отношение

полупролета подсечки к высоте сводчатой кровли зоны обрушения - в экспоненциальной зависимости от времени виброуплотнения.

4. Разработана номограмма по определению необходимого соотношения между полупролетом подсечки и высотой сводчатой кровли обрушения для нескольких типов кусковатых руд, чем обеспечивается требуемая мелкая фрагментация обрушающихся руд. .

5. Разработана методика расчета режимов неравномерно -последовательного выпуска руды из траншей и воронок основания блока в первой стадии отработки для формирования сводчатой кровли, получения необходимого отношения величины полупролета подсечки к его высоте.

6. Разработана методика контроля и управления размерами полости между кровлей свода обрушения и навалом руды, обеспечивающая необходимые режимы выпуска руды из траншей и воронок, интенсивность и полноту извлечения запасов, предотвращение опасности воздушных ударов и замедления процесса самообрушения.

7. Разработана планограмма массового выпуска руды из блока на стадии интенсивной отработки, характеризующаяся соблюдением режима равномерно-последовательного выпуска и учетом искривления контакта с обрушенными вмещающими породами при управляющих воздействиях.

8. Экономический эффект для условий разработки трубки «Удачная» АК «АЛРОСА» формируется получением прибыли за счет возможности раннего ввода очистного блока в стадию интенсивной отработки, сокращением издержек за счет снижения коэффициента подготовки пропорционально увеличению высоты блока, повышением извлечения руды из блоков.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Издания, рекомендованные ВАК Минобрнауки России:

1. Кузьмин Е,В., Баранов A.B. Принципы исследования систем разработки месторождений с самообрушением руды методом физического моделирования. - Горный журнал. - 2009г.- №12.- С. 21 - 23.

2. Баранов A.B. Разработка планограммы выпуска руды- при отработке месторождений системами с самообрушением. - Горный информационно-аналитический бюллетень.-2009.- № 12,- С.22-25.

3. Кузьмин Е.В., Баранов A.B. Управляемое самообрушение руды при подземной добыче.- Горный информационно-аналитический бюллетень.- 2006.-№6.-С.9-15.

4. Кузьмин Е.В., Баранов A.B. Установление параметров свода обрушения при разработке месторождений системами с самообрушением. - Горный информационно-аналитический бюллетень,- 2008.- №9.- С. 232-235.

5. Кузьмин Е.В., Баранов A.B. Освоение автоматически управляемых комплексов при добыче кимберлитовых руд. Труды научного симпозиума "Неделя горняка- 2010", М., МГГУ.- 2010.- С.355-361.

6. Баранов A.B. Выбор эффективной технологии на выпуске и доставке руды в системах с самообрушением. - Горный информационно-аналитический бюллетень.-2010.- № 7.- С.24-27.

7. Кузьмин Е.В., Баранов A.B. Способ разработки рудных месторождений с самообрушением и выпуском обрушенной руды. Заявка №2010113264 от 07.04.2010 на выдачу патента на изобретение.

8. Кузьмин Е.В., Баранов A.B., Махрачев А.Ф. Обеспечение безопасных условий применения систем разработки с самообрушением руды/ 1-й Уральский международный экологический конгресс// Экологическая безопасность горнопромышленных регионов, т.1. - Екатеринбург: 2007.- С. 323-329.

9. Баранов A.B., Богданов В.Б., Иванов В.Г. Восстановление машиностроительного потенциала российской горнодобывающей промышленности / 1-й Уральский международный экологический конгресс //Экологическая безопасность горнопромышленных регионов, т. 1. -Екатеринбург: 2007.- С. 281 -283.

10. Кузьмин Е.В., Баранов A.B. Развитие безопасных и экологически чистых технологий подземной разработки полезных ископаемых/ Труды 10-й международной конференции// Экология и развитие общества, - Санкт-Петербург: 2007г.- С. 174-176.

11. Кузьмин Е.В., Баранов A.B. Современная концепция развития технологии подземной разработки рудных месторождений. Труды научного симпозиума "Неделя горняка - 2009", М., МГГУ.- 2009.- С. 332-340.

Подписано в печать « 06 »07.2010 Объем 1 п.л._Тираж 100 экз.

ОП МГГУ, Москва, Ленинский проспект, 6

Формат 60x90/16 Заказ №

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Баранов, Александр Владимирович

Введение.

1 Обзор и анализ практики и научных исследований в области использования систем разработки с самообрушением руды.

1.1 Анализ отечественного опыта применения систем разработки с самообрушением руды на подземных рудниках.

1.2 Обзор зарубежной практики применения систем с самообрушением руды.

1.3 Постановка задач исследований.

2 Исследование и анализ факторов, влияющих на формирование свода самообрушения.

2.1 Анализ методов определения размеров подсечки для развития процесса самообрушения.

2.2 Анализ влияния формы свода на фрагментацию руды при обрушении.

2.3 Установление соотношения между шириной подсечки и высотой свода обрушения методом физического моделирования.

2.3.1' Основные положения моделирования формирования свода обрушения и выпуска руды.'.

2.3.2 Выбор критерия подобия при моделировании свода обрушения и выпуска уплотненных руд.

2.3.3 Подготовка и проведение экспериментов по-установлению факторов, влияющих на форму свода обрушения.

Выводы по главе.

3 Разработка методов.контроля и управления процессом развития самообрушения руды при добыче.

3.1 Анализ методов, управления процессом самообрушения руды в очистном блоке.

3.2 Разработка технологических мер по формированию свода обрушения

3.3 Разработка методов управления выпуском руды и контроля развития свода обрушения.

Выводы по главе.

4. Обоснование показателей извлечения и составление планограммы выпуска руды при полной отработке запасов блоков.

4.1 Анализ показателей выпуска руды для систем с обрушением

4.2 Обоснование показателей извлечения при отработке блоков системами с самообрушением.

4.3 Построение планограммы выпуска руды при отработке блоков системами с самообрушением.

4.4 Технико-экономическая оценка применения систем разработки с самообрушением руды.

4.5 3 адачи дальнейших исследований.

Выводы по главе.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Обоснование режимов стадийной отработки очистных блоков системами с самообрушением руды"

При выборе технологии подземной разработки рудных месторождений требования состоят в обеспечении высокой производительности рудников на очистной выемке при низких издержках на ведение горных работ.

Этим требованиям отвечают системы разработки с массовым обрушением руды и вмещающих пород. Из них наиболее дешевой является группа систем с самообрушением руды, в которых из технологической цепочки выведены дорогостоящие производственные процессы по массовой отбойке руды, включающие дополнительные подготовительно-нарезные выработки, бурение скважин, использование ВВ, бурового оборудования, расходы на поддержание выработок. В различных условиях удельный вес отбойки составляет от 25 до 60% себестоимости подземной добычи. Для сравнения, при системах с закладкой затраты на поддержание рабочего пространства составляют 30-50% себестоимости добычи.

Ввиду относительно низких затрат данная технология может конкурировать по себестоимости и производительности. с открытыми горными работами и подземным выщелачиванием.

Самообрушение руды — это процесс отделения кусков руды от массива в кровле подсечного пространства определенной площади. Обрушение руды происходит под действием собственного веса отдельностей рудного массива и веса налегающих пород. По условиям применения системы разработки с самообрушением руды приемлемы при отработке мощных залежей, рудных тел средней мощности с крутым падением, при добыче различных типов руд, обладающих развитой трещиноватостью.

Функционально связанные стадии очистной выемки определяют весь комплекс процессов добычи, контроля и управления отработкой блоков, начиная от этапа подготовки и нарезки блока, создания подсечки, включая стадии формирования, развития свода обрушения, и массового выпуска руды при полной выемке запасов.

Работа направлена на изыскание путей реализации преимуществ данных систем, преодоление сложностей использования систем с самообрушением, таких, 4 как обрушение в крупных кусках, неуправляемость развития обрушения, опасность воздушных ударов, сдерживающих их широкое распространение.

Технологический комплекс процессов при разработке месторождений системами с самообрушением должен состоять из функционально связанных стадий ведения очистных работ, с наличием оперативной связи между данными мониторинга параметров обрушения и контролем объемов выпуска руды из воронок на горизонте доставки.

Проведенный анализ показал, что обоснование режимов стадийной отработки очистных блоков в технологии подземной разработки мощных месторождений системами с самообрушением руды, обеспечивающей высокую производительность горных предприятий при низкой себестоимости добычи, является актуальной научной и практической задачей.

Цельюдиссертации является обоснование режимов функционально связанных стадий очистной выемки с самообрушением руды для отработки блоков с высокой интенсивностью, получения необходимой кусковатости руды на выпуске, обеспечивающих полноту извлечения и низкую себестоимость добычи полезных ископаемых.

Идея работы: эффективность технологии с самообрушением руды может быть обеспечена выполнениём технологических процессов в соответствии, со стадиями отработки очистных блоков при заданных режимах в пространстве всего выемочного участка.

Научные положения, выносимые на-защиту:

1. Отработка блоков* системами с самообрушением руды состоит из трех функционально связанных стадий: формирования кровли камер подсечки, развития процесса обрушения до поверхности и массового выпуска руды; изучение стадий очистной выемки возможно с помощью моделирования параметров обрушения и выпуска руды.

2. При моделировании технологических параметров процесса самообрушения с увеличением времени виброуплотнения коэффициент разрыхления руды уменьшается по гиперболической зависимости; отношение полупролета камеры 5 подсечки к высоте кровли находится в экспоненциальной зависимости от времени виброуплотнения.

3. Повышение эффективности очистной выемки достигается < путем управления процессом самообрушения на основе получаемой информации о размерах полости между кровлей и навалом руды без проведения отсечных выработок; этим исключается опасность воздушных ударов, оседания рудного массива по всей площади блока.

Научная новизна работы состоит в,следующем:

• установлено, что технологический процесс отработки блока системами с самообрушением руды состоит из трех стадий: формирования кровли камер подсечки, развития, обрушения-до поверхности и массового выпуска руды;

•1 установлена целесообразность использования метода физического моделирования параметров выпуска руды и формирования кровли камер подсечки: коэффициент разрыхления руды в модели находится в гиперболической зависимости, а отношение предельного полупролета кровли подсечки к высоте. — в экспоненциальной зависимости от времени виброуплотнения материала;

• разработана методика расчета режимов неравномерного выпуска руды в. стадии формирования, кровли при самообрушении, основанная на необходимости создания свода обрушения определенной формы, для обрушения руды в мелких кусках, в соответствии с требованиями технологии ведения подземных горных работ;

• разработана методика* определения размеров полости между кровлей1 свода и навалом руды, в зоне обрушения на основе скважинных измерений, позволяющая интенсивно вести очистную выемку, предотвращать опасность воздушных ударов и задержек процесса самообрушения.

Методы исследований включают анализ и обобщение ранее выполненных исследований и данных практики подземной разработки месторождений системами с самообрушением руды, физическое моделирование, сравнительный технико-экономический анализ, синтез технических решений по формированию системы оперативного управления режимами самообрушения руды в очистном блоке на всех стадиях отработки.

Обоснованность> и достоверность результатов подтверждаются анализом опыта ведущих горнодобывающих компаний по подземной разработке месторождений с самообрушением руды, результатами моделирования выпуска уплотненных руд, удовлетворительной сходимостью (80%) результатов экспериментов с производственными данными подземных рудников, отрабатывающих месторождения с аналогичными свойствами руд.

Научное значение работы состоит в новом представлении модели технологического процесса очистной выемки при самообрушении, состоящей из трех функционально связанных стадий отработки блока: формирования кровли t камеры подсечки, развития обрушения до поверхности и массового выпуска руды; установлении» целесообразности использования физического моделирования выпуска уплотненной руды, для определения параметров кровли зоны обрушения на базе полученных зависимостей коэффициента разрыхления материала модели, отношения полупролета камеры подсечки к высоте сводчатой кровли от времени виброуплотнения.

Практическое значение диссертации состоит в разработке технических рекомендаций по стадийной отработке блоков в определенных режимах для обеспечения полноты извлечения при добыче руды системами с самообрушением, оперативного управления и контроля параметров обрушения руды в очистном блоке на основе скважинных измерений размеров полости между кровлей и навалом руды, предотвращения опасности воздушных ударов при развитии свода обрушения.

Реализация выводов и рекомендации работы.-Разработанные в диссертации технологические решения по режимам стадийной отработки очистных блоков при самообрушении переданы, акционерной компании "АЛРОСА" для реализации при составлении проекта подземной разработки кимберлитовой трубки "Удачная".

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научных симпозиумах "Неделя горняка" - (Москва, 2008-2010гг.), 10-й международной 7 конференции "Экология и развитие общества", (Санкт - Петербург, 2007 г.), 1-м Уральском международном экологическом конгрессе "Экологическая безопасность горнопромышленных регионов", (Екатеринбург, 2007г.), семинарах кафедры ТПР МГГУ (2008-2010 гг.)

Публикации. Основные результаты выполненных исследований опубликованы в 11 научных работах.

Заключение Диссертация по теме "Геотехнология(подземная, открытая и строительная)", Баранов, Александр Владимирович

Выводы по главе.

1. Третья стадия отработки очистных блоков характеризуется массовым выпуском руды из всех пунктов выпуска, в по определенной планограмме, обеспечивающей максимальное извлечение руды, минимальные потери и*разубоживание.

2. В работе установлено три функционально связанные между собой стадии очистной выемки: формирования свода обрушения, развития свода до поверхности и стадия массового выпуска руды.

3. Эксперименты по моделированию выпуска руды показали; что угол истечения руды при выпуске более пологий, чем при системах этажного принудительного обрушения. Гребни отбитой руды между воронками ниже, потери руды в основании блока меньше, за счет раздавливания гребней между воронками столбом выпускаемой руды.

4. Планограмма отработки блоков составляется для каждого пункта выпуска, предельное разубоживание в последней дозе выпуска определяется расположением выпускных воронок, типом контакта (с массивом руды или пород, с обрушенными породами соседнего блока).

5. Сопоставление характера и величины разубоживания в блоках с самообрушением и в блоках с этажным принудительным обрушением показало , что точка начала разубоживания, нарастание уровня разубоживания по мере выпуска в блоках с самообрушением ниже, что свидетельствует о более чистом извлечении руды по мере выпуска при данной технологии.

6. Экономическая эффективность применения систем с самоорушением устанавливалась по величине ставки дохода, превышающей на 21,4% (относительных), что обеспечивает прибыль на вложенные инвестиции в предлагаемом варианте, в сравнении с системой этажного принудительного обрушения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научной квалификационной работой, в которой содержится решение задачи обоснования режимов стадийной отработки очистных блоков системами с самообрушением руды, выполненной на основе моделирования параметров процесса самообрушения, имеющей важное научное и практическое значение для повышения эффективности подземной разработки рудных месторождений.

Основные научные и практические результаты, полученные лично^ автором:

1. Технологический процесс отработки очистных блоков состоит из трех функционально связанных стадий с присущими им режимами выпуска руды:

• формирование сводчатого контура самообрушения, которое обеспечивается специальным режимом выпуска различных объемов руды из воронок в первой стадии отработки блока;

• развитие процесса самообрушения с осуществлением контроля и управления размерами полости в зоне обрушения, позволяющих поддерживать интенсивность обрушения, предотвращать- опасность воздушных ударов- и замедления процесса обрушения;

• полная отработка запасов блока, на основе разработанной планограммы выпуска руды, из траншей и воронок, обеспечивающей- высокое извлечение руды и минимальное разубоживание.

2. При моделировании выпуска уплотненных руд установлено, что применение виброуплотнения позволяет рассматривать дробленую» руду как аналог трещиноватого массива в исследованиях технологических параметров, систем разработки с самообрушением руды.

3. В результате моделирования установлено, что коэффициент разрыхления руды находится в гиперболической зависимости, а величина отношения полупролета подсечки к высоте сводчатой кровли зоны обрушения - в экспоненциальной зависимости от времени виброуплотнения.

4. Разработана номограмма по определению необходимого соотношения между полупролетом подсечки и высотой сводчатой кровли обрушения для нескольких иб типов кусковатых руд, чем обеспечивается требуемая мелкая фрагментация обрушающихся руд.

5. Разработана методика расчета режимов неравномерно - последовательного выпуска руды из траншей и воронок основания блока в первой стадии отработки при формировании сводчатой кровли для получения необходимого отношения величины полупролета подсечки к его высоте.

6. Разработана методика контроля и управления размерами полости между кровлей свода и навалом руды, обеспечивающая режимы выпуска руды из траншей и воронок, интенсивность и полноту извлечения запасов, предотвращение опасности воздушных ударов и замедления процесса самообрушения.

7. Разработана планограмма массового выпуска руды из блока на стадии интенсивной отработки, характеризующаяся соблюдением режима равномерно-последовательного выпуска и учетом искривления контакта с обрушенными вмещающими породами при управляющих воздействиях.

8. Экономический эффект для условий разработки трубки «Удачная» АК «АЛРОСА» формируется получением прибыли за счет возможности раннего ввода очистного блока в стадию интенсивной отработки, сокращением издержек за счет снижения коэффициента подготовки пропорционально увеличению высоты блока.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Баранов, Александр Владимирович, Москва

1. Агошков М.И. Перспективы применения блокового обрушения на рудниках цветной металлургии. Горный журнал №3, 1949, с. 17-21.

2. Шашурин С.Л., Плакса Н.В., Леднев А.П. Разработка мощных рудных месторождений системами с одностадийной выемкой. Изд. Недра, М., 1971, 201с.

3. Шашурин С.Л. Практика повторной отработки Никитовского месторождения ртути. Сборник статей под ред. Именитова В.Р. МГИ, 1968. с. 133-144.

4. Каплунов Р.П., Черемушенцев. Подземная разработка рудных и россыпных месторождений. Изд. Высшая школа, М.,1966, 544с.

5. Шашурин С.Л. Повторная разработка месторождений руд цветных и редких металлов. Госгортехиздат, М., 1962, 238с.

6. Proceeding of international conference MASSMIN, Brisbane, Australia, 2008. 1450p.

7. Кузьмин E.B., Узбекова A.P. Самообрушение руды при подземной добыче. М., Изд. МГГУ, 238с.

8. Именитов В.Р. Процессы подземных горных работ при разработке рудных месторождений. Изд. Недра, М., 1978, 528с.

9. Wolfgang Paul. Mining Lore. Morris Printing Co. Portland, Oregon, 97201,US A,940p.

10. Узбекова A.P. Обоснование параметров самообрушения кимберлитовых руд при их подземной разработке. Дисс. на соиск. уч.степени канд.техн.наук, , МГГУ, 2004, 172с.

11. Именитов В.Р. Системы разработки мощных рудных месторождений. Металлургиздат, 1955г.

12. Е.В.Кузьмин, А.В.Баранов. Принципы исследования систем разработки месторождений с самообрушением руды методом физического моделирования. М., Горный журнал, 2009г., №12, с. 21 — 23.

13. Каплунов Р.П. Подземная разработка рудных месторождений в зарубежных странах. М.: Недра, 1964.

14. Полищук А. Д., Шостак А.Г. Этажное самообрушение на рудниках Криворожского железнорудного бассейна. -М.: Металлургиздат,1953. — 192 с.

15. Стариков Н.А. Системы разработки месторождений. М.: Металлургиздат, 1967.

16. А.В.Баранов. Разработка планограммы выпуска руды при отработке месторождений системами с самообрушением. М., ГИАБ, № 12, 2009г. с.22-25.

17. Hartley W. К. Changes in Mining Methods in the Kimberly Mines of DeBeers Consolidated Mines, Ltd, RSA Block Caving to Caving, in Design and Operation of Caving and Sublevel Stoping Mines (Ed: D R Stewart) pp 3-16 (SME, AIME: New York), 1981.

18. Именитов В.P. Системы подземной разработки рудных месторождений. М., Изд. МГИ, 1971г.

19. Галаев Н. 3. Управление состоянием массива горных пород при подземной разработке рудных месторождений. М. Недра, 1990

20. Е.В.Кузьмин, А.В.Баранов. Управляемое самообрушение руды при подземной добыче. М., ГИАБ, №6, 2006г, с. 9-15. , ,

21. Справочник по горнорудному делу. Ред. Терпигорев A.M., Каплунов Р.П. Т.2. Подземные работы. Государственное научно-техническое издательство литературы по горному делу, Москва, 1961.

22. Dawson L R, 1995. Developing Australia's First Block Cave Operation at Northparkes Mines Endeavour 26 Deposit, pp 155-164. The Australasian Institute of Mining and Metallurgy.

23. Duffield S. Design of the second block cave at Northparkes E26 Mine. The AusIMM Online Publications, 2000.

24. Rojas, E, Cuevas, J and Barrera, V, 1992. Analysis of the wear in drawpoint at El Teniente Mine. Proceedings Massmin 92.25.