Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование схемы подготовки маломощных залежей богатых руд месторождений Талнахского рудного узла

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

Автореферат диссертации по теме "Обоснование схемы подготовки маломощных залежей богатых руд месторождений Талнахского рудного узла"

На правах рукописи 005060000

МИШАНОВ Вячеслав Александрович

ОБОСНОВАНИЕ СХЕМЫ ПОДГОТОВКИ МАЛОМОЩНЫХ ЗАЛЕЖЕЙ БОГАТЫХ РУД МЕСТОРОЖДЕНИЙ ТАЛНАХСКОГО РУДНОГО УЗЛА

Специальность 25.00.22 - Геотехнология {подземная,

открытая и строительная)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 - [-АІ] ¿013

Санкт-Петербург - 2013

005060000

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Национальном минерально-сырьевом университете «Горный».

Научный руководитель -

доктор технических наук, старший научный сотрудник

Шабаров Аркадий Николаевич

Официальные оппоненты:

Ковалев Олег Владимирович доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», кафедра разработки месторождений полезных ископаемых, профессор

Аршавский Владимир Владимирович кандидат технических наук, ЗАО «Объединенная горностроительная компания», заместитель генерального директора

Ведущая организация - ФГБУН «Институт проблем комплексного освоения недр РАН».

Защита состоится 23 мая 2013 г. в 15 ч 30 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.06 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд.1166.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный».

Автореферат разослан 22 апреля 2013 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ // ^СИДОРОВ диссертационного совета Дмитрий Владимирович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время в горнорудной промышленности происходит интенсивное понижение горных работ и переход в условия отработки месторождений на больших глубинах, что приводит к значительному усложнению горнотехнической обстановки в подземных горных выработках.

Не являются исключением из этой общемировой тенденции и рудники ЗФ ОАО ГМК «Норильский никель», отрабатывающие месторождения Талнахского рудного узла. На сегодняшний день свыше 90% сплошных (богатых) руд Октябрьского и Талнахского месторождений отработано. Оставшиеся запасы руд с высоким содержанием полезных компонентов (№, Си, Со и др.), залегают, в основном, пологими линзами (а<20°) малой мощности (шср=5м) на глубинах от 1400 до 2000 м, суммарный объем богатых залежей на сегодняшний день составляет около 80 млн. тонн.

Все руды и породы Талнахского рудного узла являются опасными по горным ударам с глубины более 700 м. Для повышения безопасности при отработке маломощных пологих залежей богатых руд подготовительные выработки наиболее благоприятно проводить и поддерживать в закладочном массиве, так как он является не уда-роопасным в отличие от руд и вмещающих пород.

Однако, схема подготовки маломощных залежей с размещением горно-подготовительных выработок в закладочном массиве, не является достаточно обоснованной, так как применяемый на сегодняшний день способ крепления выработок в закладке не эффективен из-за того, что штанги в бортах зачастую оказываются целиком в зоне вывалов и теряют жесткую заделку, что приводит к раскреплению бортов выработки.

Для обоснования схемы подготовки, при которой горноподготовительные выработки располагаются в твердеющей закладке, необходимо обеспечить их устойчивость путем укрепления при-контурной части бортов из закладочного массива металлической арматурой в процессе его возведения.

Следует отметить, что сохранение эксплуатационного состояния горно-подготовительных выработок даст возможность ис-

пользовать их при разработке залегающих выше медистых и вкрапленных руд, что повысет эффективность их отработки.

Значительный вклад в исследование устойчивости выработок и разработки технологий проведения и поддержания их в эксплуатационном состоянии внесли: С.Г.Авершин И.И. Аин-биндер, Б П. Бадтиев, И.В. Баклашов, Н.С. Булычев М. Долгии, АЛ Еременко, В.Н.Захаров, В.ПЗубов, Д.Р. Каплунов, О.В^Ков^ев, А А. Козырев, В.Н. Опарин, В.Д. Палий, А.Г. Протосеня, К.В. Руп-пенейт, М.А. Розенбаум, И.Ю. Рассказов, А.П. Тапсиев, А.Н. Ша-

баров и многие другие.

Однако, на сегодняшний день остаются не достаточно изученными вопросы, связанные с использованием закладочного массива не только для управления кровлей, но и для решения вопроса повышения устойчивости горных выработок в условиях рудников

Норильского промышленного района.

Цель работы. Обоснование схемы подготовки маломощных залежей богатых руд месторождений Талнахского рудного узла.

Идея работы. Повышение устойчивости горноподготовительных выработок обеспечивается их проходкой между заблаговременно сформированными бортами из закладочного массива, закрепленного в приконтурной части металлической арматурой.

Основные задачи исследовании:

1 Анализ литературных источников и оценка опыта проведения и способов поддержания подготовительных выработок в горногеологических и горнотехнических условиях эксплуатации Норильских рудников.

2 Проведение шахтных наблюдении в горноподготовительных выработках, пройденных в рудном теле, во вмещающих породах и в закладочном массиве.

3 Проведение компьютерного и физического моделирования параметров схем проведения горно-подготовительных выработок.

4 Разработка технологической схемы проведения горноподготовительных выработок под защитой железобетонной конструкции.

5. Оценка технико-экономических показателей технологии сооружения подготовительных выработок под защитой железобетонной конструкции.

Методы исследований: включали анализ и обобщение сведений, содержащихся в литературных и фондовых источниках, шахтные и лабораторные эксперименты в условиях отработки рудных залежей глубоких рудников Талнахского рудного узла и аналитическую обработку полученных результатов исследований.

Научная новизна:

- установлена закономерность разрушения бортов горноподготовительных выработок в зависимости от их ориентации относительно осей очистных камер;

- выявлена зависимость несущей способности приконтур-ной части закладочного массива от конструкции армирующего материала.

Основные защищаемые положения:

1. При системе разработки с закладкой выработанного пространства твердеющими смесями устойчивость бортов горноподготовительных выработок, проводимых по закладочному массиву, увеличивается при их ориентации в направлении, параллельном осям отработанных очистных выработок.

2. Повышение несущей способности приконтурной части закладочного массива в бортах горно-подготовительной выработки, достигается за счет армирования металлической сеткой по замкнутому контуру, что позволяет более чем в 1,5 раза повысить несущую способность приконтурного закладочного массива горноподготовительных выработок.

3. Обеспечение устойчивости центральной горноподготовительной выработки при рудной схеме подготовки маломощных рудных залежей достигается за счет заблаговременного крепления ее бортов путем размещения армирующего материала в смежных с ней заходках на глубину более 0,5 высоты выработки с последующим заполнением твердеющей закладкой.

Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций подтверждается большим объемом шахтных и лабораторных исследований, использованием современного сертифицированного оборудования и вычислительной техники для обработки

экспериментальных и теоретических данных, анализа состояния горно-подготовительных выработок проведенных в рудном, породном и закладочном массиве.

Практическое значение работы:

-разработаны параметры схем проведения подготовительных выработок на основе применения твердеющей закладки с различными вариантами арматуры, применяемой при отработке рудных залежей Октябрьского и Талнахского месторождений;

- разработана технология армирования бортов горноподготовительной выработки с учетом ширины зоны вывалов;

- разработаны рекомендации по применению схем проведения, креплению и охране горно-подготовительных выработок, поддерживаемых в закладочном массиве.

Реализация работы:

- результаты исследований используются проектными организациями ООО «Институт «Гипроникель», институт «Норильск-проект» при разработке регламентов и проектов отработки рудных залежей Октябрьского и Талнахского месторождений;

-результаты исследований рекомендованы рудникам ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель» при разработке локальных паспортов проведения подготовительных выработок.

Апробация работы: основные положения работы докладывались и получили положительную оценку на Международной научно-практической конференции «Интехмет» (Санкт-Петербург, 2008 г.), на научных семинарах ООО «Институт Гипроникель», на научно-технической конференции молодых ученых и специалистов ООО «Институт Гипроникель» (Санкт-Петербург, 2010 г.), на Международной научно-практической конференции «Инновационные направления в проектировании годрнодобывающих предприятии»

(Санкт-Петербург, 2010 г.).

Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследований, в проведении шахтных и лабораторных исследований состояния рудного, породного и закладочного массива, физико-механических свойств армированной и не армированной твердеющей закладки, в анализе результатов исследований и выводе научных результатов, в разработке и внедрении рекомендации по

проведению и креплению подготовительных выработок на рудниках ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель».

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 6 научных трудах, из них 5 - в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России. Получен 1 патент на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения общим объемом 168 страниц машинописного текста, содержит 66 рисунков и 17 таблиц, а также список используемой литературы из 93 наименований и 1 приложение.

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю д.т.н. А.Н. Шабарову за помощь в определении направления исследований, а также сотрудникам Научного центра геомеханики и проблем горного производства за полезные замечания и ценные советы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В главе 1 приведен анализ горно-геологических и горнотехнических условий разработки Талнахского и Октябрьского месторождений, дана характеристика физико-механических свойств руд, пород и закладочных массивов, обобщены горнотехнические условия ведения горных работ и механизация выемки богатых руд, технологические схемы проведения и способы поддержания горноподготовительных выработок.

В главе 2 описана методика инструментальных шахтных исследований состояния горно-подготовительных выработок, пройденных в различных горнотехнических условиях: в рудном, породном и закладочном массивах. Проанализированы результаты натурных наблюдений.

В главе 3 изложена методика проведения компьютерного моделирования схем проходки горно-подготовительных выработок и физического моделирования железобетонных конструкций, приведены основные характеристики используемого оборудования и материалов, а также описаны результаты моделирования. Определены параметры армирования приконтурного закладочного массива, повышающие устойчивость выработок.

В главе 4 изложена технология сооружения горноподготовительной выработки под защитой железобетонной конструкции, проведен выбор и обоснование конструкции армированных

бортов.

В главе 5 даны практические рекомендации по применению результатов проведенных исследований, оценена технико-экономическая эффективность применения технологии сооружения подготовительных выработок под защитой железобетонной конструкции.

В заключении приведено обобщение научных и практических

результатов выполненных исследований.

Основные научные результаты отражены в следующих защищаемых положениях:

1. При системе разработки с закладкой выработанного

пространства твердеющими смесями устойчивость бортов горноподготовительных выработок, проводимых по закладочному массиву, увеличивается при их ориентации в направлении, параллельном осям отработанных очистных выработок.

Как показывают шахтные исследования, процесс разрушения приконтурного массива горно-подготовительных выработок, пройденных по хрупким естественным массивам - по руде и вмещающим породам, характеризуется образованием сводов обрушения (чешуек и пластин) по всему контуру выработки и подобных по форме этому контуру Характер разрушения выработок, пройденных по закладочному массиву, качественно отличается тем, что деструктивные процессы в приконтурной части происходят преимущественно в бортах выработок, кровля при этом сохраняется практически без разрушений.

Борта выработок в закладочном массиве имеют ярко выраженную слоистую структуру, что является результатом технологии возведения закладочных массивов и влияет на устойчивость выработок.

Механизм разрушения бортов выработки можно представить следующим образом. В первоначальной стадии закладочный массив, вмещающий выработку, работает в режиме нарастающего сопротивления до тех пор, пока закладка не исчерпает свои компрессионные свойства. В дальнейшем увеличение пролета отработки рудной за-

8

лежи активизирует сдвижение подработанного массива с увеличением нагрузок на краевые части закладочного массива, превышающие сравнительно небольшую прочность закладочного массива.

Как показали исследования, в бортах всех выработок в закладочном массиве прочность его существенно различается по закладочным слоям и разброс по высоте выработки от почвы до кровли составляет от 2,5 до 9,5 МПа.

В горно-подготовительных выработках, проведенных в закладочном массиве перпендикулярно осям отработанных и заложенных очистных камер (рисунок 1), разброс прочности по закладочным слоям существенно отличается в каждой пересекаемой ленте (рисунок 2). В результате борта разрушаются неравномерно, что негативно влияет на устойчивость выработок.

Рисунок 1 — Расположение горно-подготовительных выработок в закладочном массиве отработанных камер перпендикулярно лентам

Ги і

■■МНІ

.Трртут

Рисунок 7 — Модели серии «О» (а) и серии «А» (б)

Конструкция модели серии «Б» в целом повторяет конструкцию серии «А» с параллельной установкой арматуры, но с введением дополнительного оконтуривающего слоя сетки на расстоянии 2 мм от краевой части модели, что имитирует сетку усиленной комбинированной крепи выработок, проходимых по закладке (рисунок 8).

//

/ \ / \ / \ // У У ЧНт-

Рисунок 8 — Модели серии «Б»

Конструкция модели серии «В» представляет собой модель наиболее насыщенную арматурой, расположенной ортогонально и параллельно к боковым граням модели и оконтуренной приконтур-ной сеткой, расположенной по периметру модели на расстоянии 2 мм от края (рисунок 9).

Рисунок 9 — Модели серии «В»

Конструкция модели серии «Г» представляет собой сетку цилиндрической формы с диаметром внешнего арматурного контура, соответствующего ширине образцов 100 мм (рисунок 10).

Рисунок 10 — Модели серии «Г»

В ходе проведения эксперимента модели нагружались и разрушались на гидравлическом прессе ЦДМ 40. Результаты оценки устойчивости исследуемых моделей приведены на рисунок 11.

11.00

10.00 9.00 8.00 7.00 6.00 5.00 4.00

О А Б В Г

Серии моделей

Рисунок I 1 —

График изменения прочности моделей серий 0, А, Б, В и Г 14

рудное тело

разгрузочная скбажино

проектный контур центральной подготовительное! выработки

очистная зоходко

рудное тело

разгрузочная скбажино

металлическая арматура

проектный контур центральное! подготовительной биработки

Рисунок 12 — Проведение 1-ой очистной камеры, смежной с центральной выработкой

Далее в пройденной камере устанавливается армирующий материал (рисунок 13) и производится заполнение твердеющей закладкой.

Рисунок 13 - Установка армирующего материала в пройденной 1-ой очистной камере

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация представляет собой законченную научно-квалификационную работу, в которой содержится решение актуальной задачи - обоснование схемы подготовки маломощных залежей богатых руд месторождений Талнахского рудного узла Норильского промышленного района.

Основные научные и практические результаты выполненных исследований:

1. Характер разрушения «закладочных» выработок отличается от характера разрушения «рудных» и «породных» выработок. Крепкие, но хрупкие вмещающие породы разрушаются по всему периметру обнажений, в то время как в выработках в закладочном массиве деструктивному действию подвержены в основном их борта.

2. Несовершенство технологии сооружения выработки под защитой искусственного массива приводит к неравномерному характеру разрушения его приконтурной части, которая утрачивает монолитность и разделяется на участки с существенно различающимися физико-механическими и деформационными свойствами.

3. Глубина разрушения бортов выработок в закладке достигает 2-2,5 (<0,5 высоты выработки) метров, что негативно сказывается на эффективности применения штанговой крепи, так как штанги целиком оказываются в приконтурной зоне разрушения.

4. Полоса армированного закладочного массива в приконтурной зоне должна составлять не менее величины зоны вывалов, равной 0,5 высоты выработки для того, чтобы под воздействием горного давления армированный массив не был выдавлен в выработку.

5. Заблаговременное формирование бортов горноподготовительной выработки из твердеющей закладки с установкой армирующего материала на глубину более 0,5 высоты выработки позволяет предотвращать вывалы из бортов, что повышает устойчивость выработки.

6. Предлагаемая технология сооружения выработки в закладочном массиве по приведенным затратам является эффективнее по сравнению с применяемой на Норильских рудниках более чем на 20%.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Смирнов A.A., Яхеев В.В., Воробьев В.Л., Ярошенко К.П., Мишанов В.А. Основные особенности разработки северных залежей Талнахского и Октябрьского месторождений // Цветные металлы. -2004.-№ 12.-С.15-17.

2. Яхеев В.В., Мишанов В.А. Методика использования программы AutoCad в определении прочностных и деформационных характеристик горных пород прибором БУ-39 // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2006. - № 1. - С .158161.

3. Богданов М.Н., Гошев A.A., Ковтун Н.В., Мишанов В.А. Новые технологии в проекте отработки залежей С-3 и С-4 рудника Таймырский// Цветные металлы. - 2009. - № 9. - С.22-24.

4. Коршунов В.А., Дорджиев Д.Ю., Мишанов В.А., Яхеев В.А. Расположение подготовительных выработок в армированной твердеющей закладке при рудной подготовке, как способ защиты от горных ударов // Горный журнал. Известия вузов. - 2011. -№ 6. - С.80-86.

5. Дорджиев Д.Ю., Коршунов В.А., Мишанов В.А., Яхеев В.А. Обеспечение устойчивости и защиты от горных ударов выработок при рудной подготовке путем размещения их в твердеющий закладке (на примере Талнахских рудников). // Горный журнал. - 2011. -№ 10. - С.40-43.

6. Патент на изобретение №2456452 (Российская Федерация). Способ разработки маломощного пологого рудного тела. Яхеев В.В., Мишанов В.А. 2012.

РИЦ Горного университета. 18.04.2013. 3.217 Т. 100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Мишанов, Вячеслав Александрович, Санкт-Петербург

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

На правах рукописи

МИШАНОВ Вячеслав Александрович

ОБОСНОВАНИЕ СХЕМЫ ПОДГОТОВКИ МАЛОМОЩНЫХ ЗАЛЕЖЕЙ БОГАТЫХ РУД МЕСТОРОЖДЕНИЙ ТАЛНАХСКОГО РУДНОГО УЗЛА

Специальность 25.00.22 - Геотехнология (подземная, открытая и строительная)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

^

О

о со

СО £ СО я

Т— о НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

С* ^ доктор технических наук,

СЧ1 сч! „

О старшин научный сотрудник

А. Н. Шабаров

Санкт-Петербург - 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................ 5

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ,

ГОРНОТЕХНИЧЕСКИХ И ГОРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ РАЗРАБОТКИ БОГАТЫХ РУД

ТАЛНАХСКОГО РУДНОГО УЗЛА................................ 10

§1.1. Горно-геологические условия разработки Талнахского и

Октябрьского месторождений....................................... 10

§1.2. Характеристика физико-механических свойств руд, пород и

закладочных массивов................................................. 19

§1.3. Горнотехнические условия ведения горных работ и

механизация выемки богатых руд......................................... 24

§1.4. Особенности проведения горно-подготовительных выработок в удароопасных условиях эксплуатации

Норильских рудников................................................... 33

§1.5. Технологические схемы проведения, способы охраны и

поддержания горно-подготовительных выработок............... 37

§1.6. Выводы по главе 1....................................................... 55

ГЛАВА 2. ШАХТНЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ ЗА СОСТОЯНИЕМ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ГОРНО-

ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК, ПРОЙДЕННЫХ В

РАЗЛИЧНЫХ ГОРНОТЕХНИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ.......... 57

§2.1. Методика проведения натурных исследований................... 57

§2.2. Наблюдения в горно-подготовительных выработках,

пройденных в рудном теле............................................ 70

§2.3. Наблюдения в горно-подготовительных выработках,

пройденных во вмещающих породах............................... 74

§2.4. Наблюдения в горно-подготовительных выработках,

пройденных в закладочном массиве................................. 79

§2.5. Инструментальные шахтные исследования приконтурного

массива закладки....................................................... 85

§ 2.6. Выводы по главе 2...................................................... 89

ГЛАВА 3. ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ СХЕМ ПРОВЕДЕНИЯ ГОРНО-ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ

ВЫРАБОТОК............................................................ 92

§3.1. Методика проведения численного компьютерного

моделирования........................................................... 93

§3.2. Результаты компьютерного моделирования схем проведения горно-подготовительных выработок в различных

горнотехнических условиях.......................................... 95

§3.3. Оборудование, материалы и методика проведения физического моделирования железобетонных

конструкций.......................................................................... 102

§3.4. Результаты физического моделирования........................... 114

§3.5. Выводы по главе 3...................................................... 124

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПРОВЕДЕНИЯ ГОРНО-ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ

ВЫРАБОТОК ПОД ЗАЩИТОЙ ЖЕЛЕЗОБЕТОННОЙ

КОНСТРУКЦИИ......................................................... 125

§4.1. Общие положения....................................................... 125

§4.2. Выбор и обоснование конструкции армированных бортов.... 131 §4.3. Технология сооружения горно-подготовительной выработки

под защитой железобетонной конструкции........................ 134

§4.4. Выводы по главе 4...................................................... 137

ГЛАВА 5. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРИМЕНЕНИЮ

РЕЗУЛЬТАТОВ ПРОВЕДЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ........ 139

§5.1. Общие положения....................................................... 139

§5.2. Проведение, крепление и охрана подготовительных

выработок, поддерживаемых в закладочном массиве........... 141

§5.3. Технико-экономическая оценка эффективности применения

технологии сооружения подготовительных выработок........ 142

§5.4. Вывод по главе 5......................................................... 148

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................... 149

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.............................................................. 151

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Результаты проведенных натурных испытаний образцов закладочного массива, слагающего борта панельного орта 1/5 рудника «Комсомольский»............................................................. , 1

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в горнорудной промышленности происходит интенсивное понижение горных работ и переход в условия отработки месторождений на больших глубинах, что приводит к значительному усложнению горнотехнической обстановки в подземных горных выработках.

Не являются исключением из этой общемировой тенденции и рудники ЗФ ОАО ГМК «Норильский никель», отрабатывающие месторождения Талнахского рудного узла. На сегодняшний день свыше 90% сплошных (богатых) руд Октябрьского и Талнахского месторождений отработано. Оставшиеся запасы руд с высоким содержанием полезных компонентов (N1, Си, Со и др.), залегают, в основном, пологими линзами (а<20°) малой мощности (тср=5м) на глубинах от 1400 до 2000 м, суммарный объем богатых залежей на сегодняшний день составляет около 80 млн. тонн.

Все руды и породы Талнахского рудного узла являются опасными по горным ударам с глубины более 700 м. Для повышения безопасности при отработке маломощных пологих залежей богатых руд подготовительные выработки наиболее благоприятно проводить и поддерживать в закладочном массиве, так как он является не удароопасным в отличие от руд и вмещающих пород.

Однако, схема подготовки маломощных залежей с размещением горноподготовительных выработок в закладочном массиве, не является обоснованной, так как применяемый на сегодняшний день способ крепления выработок в закладке не эффективен из-за того, что штанги в бортах зачастую оказывается целиком в зоне вывалов и теряют жесткую заделку, что приводит к раскреплению бортов выработки.

Для обоснования схемы подготовки, при которой горноподготовительные выработки располагаются в твердеющей закладке, необходимо обеспечить их устойчивость путем укрепления приконтурной

части бортов из закладочного массива металлической арматурой в процессе его возведения.

Следует отметить, что сохранение эксплуатационного состояния горноподготовительных выработок даст возможность использовать их при разработке залегающих выше медистых и вкрапленных руд, что повысит эффективность их отработки.

Значительный вклад в исследование устойчивости выработок и разработки технологий проведения и поддержания их в эксплуатационном состоянии внесли: С.Г.Авершин, И.И. Айнбиндер, Б.П. Бадтиев, И.В.Баклашов, Н.С.Булычев, И.Е. Долгий, A.A. Еременко, В.Н.Захаров, В.П.Зубов, Д.Р. Каплунов, О.В. Ковалев, A.A. Козырев, В.Н. Опарин, В.Д. Палий, А.Г. Протосеня, К.В. Руппенейт, М.А. Розенбаум, И.Ю. Рассказов, А.П. Тапсиев, А.Н. Шабаров и многие другие. Однако на сегодняшний день остаются не достаточно изученными вопросы, связанные с использованием закладочного массива не только для управления кровлей, но и для решения вопроса повышения устойчивости горных выработок в условиях рудников Норильского промышленного района.

Цель работы. Обоснование схемы подготовки маломощных залежей богатых руд месторождений Талнахского рудного узла.

Идея работы. Повышение устойчивости горно-подготовительных выработок обеспечивается их проходкой между заблаговременно сформированными бортами из закладочного массива, закрепленного в приконтурной части металлической арматурой. Основные задачи исследований:

1. Анализ литературных источников и оценка опыта проведения и способов поддержания подготовительных выработок в горно-геологических и горнотехнических условиях эксплуатации Норильских рудников.

2. Проведение шахтных наблюдений в горно-подготовительных выработках, пройденных в рудном теле, во вмещающих породах и в закладочном массиве.

3. Проведение численного и физического моделирования параметров схем проведения горно-подготовительных выработок.

4. Разработка технологической схемы проведения горно-подготовительных выработок под защитой железобетонной конструкции.

5. Оценка технико-экономических показателей технологии сооружения подготовительных выработок под защитой железобетонной конструкции. Методы исследований: включали анализ и обобщение сведений, содержащихся в литературных и фондовых источниках, шахтные и лабораторные эксперименты в условиях отработки рудных залежей глубоких рудников Талнахского рудного узла и аналитическую обработку полученных результатов исследований.

Научная новизна:

- установлена закономерность разрушения бортов горно-подготовительных выработок от их ориентации относительно осей очистных камер;

выявлена зависимость несущей способности приконтурной части закладочного массива от конструкции армирующего материала. Основные защищаемые положения:

1. При системе разработки с закладкой выработанного пространства твердеющими смесями устойчивость бортов Горно-подготовительных выработок, проводимых по закладочному массиву, увеличивается при их ориентации в направлении параллельном осям отработанных очистных выработок.

2. Повышение несущей способности приконтурной части закладочного массива в бортах горно-подготовительной выработки, достигается за счет армирования металлической сеткой по замкнутому контуру, что позволяет более чем в 1,5 раза повысить несущую способность приконтурного закладочного массива горно-подготовительных выработок.

3. Обеспечение устойчивости центральной горно-подготовительной выработки при рудной схеме подготовки маломощных рудных залежей

достигается за счет заблаговременного крепления ее бортов путем размещения армирующего материала в смежных с ней заходках на глубину более 0,5 высоты выработки с последующим заполнением твердеющей закладкой. Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций подтверждается большим объемом шахтных и лабораторных исследований, использованием современного сертифицированного оборудования и вычислительной техники для обработки экспериментальных и теоретических данных, анализа состояния горно-подготовительных выработок проведенных в рудном, породном и закладочном массиве. Практическое значение работы:

- разработаны параметры схем проведения подготовительных выработок на основе применения твердеющей закладки с различными вариантами арматуры, применяемой при отработке рудных залежей Октябрьского и Тал нахского месторождений;

- разработана технология армирования бортов горно-подготовительной выработки с учетом ширины зоны вывалов и рекомендации;

- разработаны рекомендации по применению схем проведения, креплению и охране горно-подготовительных выработок, поддерживаемых в закладочном массиве; ~

Реализация работы:

- результаты исследований используются проектными организациями «ООО Институт «Гипроникель», институт «Норильскпроект» при разработке регламентов и проектов отработки рудных залежей Октябрьского и Талнахского месторождений;

- результаты исследований рекомендованы рудникам ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель» при разработке локальных паспортов проведения подготовительных выработок.

Апробация работы: основные положения работы докладывались и получили положительную оценку на Международной научно-практической

конференции «Интехмет» 2008 г., на научных семинарах ООО «Институт Гипроникель», на научно-технической конференции молодых ученых и специалистов ООО «Институт Гипроникель» 2010г., на Международной научно-практической конференции «Инновационные направления в проектировании годрнодобывающих предприятий» 2010 года. Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследований, в проведении шахтных и лабораторных исследований состояния рудного, породного и закладочного массива, физико-механических свойств армированной и не армированной твердеющей закладки, в анализе результатов исследований, выводе основных научных результатов и разработке и внедрении рекомендаций по проведению и креплению подготовительных выработок на рудниках ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель».

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 5 научных трудах в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, получен патент на изобретение.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения общим объемом 168 страниц машинописного текста, содержит 66 рисунков и 17 таблиц, а также список используемой литературы из 93 наименований!ГГпрйложение.

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю д.т.н. А.Н. Шабарову за помощь в определении направления исследований, сотрудникам Научного центра геомеханики и проблем горного производства, кафедры Разработки месторождений полезных ископаемых Национального минерально-сырьевого университета «Горный» за полезные замечания и ценные советы.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ, ГОРНОТЕХНИЧЕСКИХ И ГОРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ РАЗРАБОТКИ БОГАТЫХ РУД

ТАЛНАХСКОГО РУДНОГО УЗЛА

§1.1. Горно-геологические условия разработки Талнахского и Октябрьского месторождений

В Талнахский рудный узел входят два крупнейших в мире медно-никелевых месторождения: Талнахское и Октябрьское, вмещающие около 90 % запасов сульфидных медно-никелевых руд Норильского района [1] (Рисунок 1.1).

Месторождения пространственно и генетически связаны с Талнахским дифференцированным интрузивом. Интрузив образует четыре ветви, развитие которых контролируется Главным швом Норильско-Хараелахского разлома: Северо-восточную, Юго-западную, Северо-западную и Хараелахскую.

Талнахское месторождение приурочено к Юго-западной и Северовосточной ветвям Талнахского рудоносного интрузива, залегающим на западном и восточном крыльях Норильско-Хараелахского разлома (НХР).

Юго-западная ветвь интрузива наиболее детально разведана и изучена. Она располагается в виде узкой линзовидной в сечении залежи, вытянутой в субмеридиональном направлении на расстояние свыше 9 км. Восточная часть её дважды смещена сбросами, в результате чего это, в общем, единое тело делится на три блока: Западный или Главный, Восточный и Промежуточный.

Наибольший интерес представляет Главный блок, так как именно в нем сосредоточены основные запасы руд всех типов Юго-Западного участка. Длина этого блока составляет 7.5 км, ширина колеблется от 0 до 800 м и в среднем составляет 300-400 м. Мощность меняется от нескольких десятков до 170 м, при этом максимальные мощности приурочены к корытообразному прогибу подошвы интрузива в центре блока, находящегося в ядре Южной локальной брахисинклинальной структуры.

Норильске»-Хараелахский разлом

Руд

ни

Скалистый

дение

Рисунок 1.1- Схема расположения богатых рудных залежей Талнахского рудного узла

Восточный блок прослежен скважинами от южных выходов под наносы на расстояние свыше 9 км. С запада блок ограничен плоскостью нарушения, восточная граница рисуется как резкое выклинивание, обусловленное близостью шва разлома. Ширина блока довольно постоянна и находился в пределах 100-300 м, глубина залегания меняется от 50 м на крайнем юге до 800 м и более на северо-востоке.

Промежуточный блок в юго-западной ветви в виде узкого клина фиксируется вдоль ограничивающих его сбросов грабена на расстоянии около 7 км по направлению погружения интрузива. Ширина блока меняется от 70-150 м на юге и в центре до 20 м и менее севернее профиля 45. В крайней южной части интрузивные породы в блоке выходят под четвертичные отложения, а к северу погружаются до глубины 600 м. Их мощность находится в пределах 0120 м.

Северо-восточная интрузивная ветвь линейно вытянута вдоль зоны Норильско-Хараелахского разлома на его восточном крыле и прослежена в своем северном продолжении на расстояние более 20 км в виде непрерывного лентовидного в плане тела шириной 800-1400 м. Интрузив сечет вмещающие породы, погружаясь от центральных и нижних частей разреза тунгусской серий до отложений девона [2].

Октябрьское месторождение медно-никелевых руд связано с Хараелахской и Северо-Западной интрузивными ветвями, локализованными в измененных породах нижнего и среднего девона.

Хараелахская ветвь, к которой приурочены руды западного фланга Октябрьского месторождения, располагается в пластичных породах нижнего девона, занимая фронтальное положение по отношению к основным структурам Талнахского рудного узла. В связи с характером минеральной и геохимической зональности рудных тел Талнахского узла эта ветвь контролирует участки, наиболее обогащенные медью и платиноидами.

Максимумы мощностей ветви (до 150 м) приурочены к ядрам брахисинклинальных складок и прогибов, минимумы - к апикальным частям положительных структур, где интрузивное тело, уменьшаясь в мощности, расщепляется на несколько послойно расположенных своеобразных габбро-дол еритовых проводников.

Северо-Западная ветвь развита