Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование технологии закладки выработанного пространства при отработке запасов богатых руд на больших глубинах

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

Автореферат диссертации по теме "Обоснование технологии закладки выработанного пространства при отработке запасов богатых руд на больших глубинах"

На правах рукописи

БИТАРОВ Виталий Николаевич

ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЗАКЛАДКИ ВЫРАБОТАННОГО ПРОСТРАНСТВА ПРИ ОТРАБОТКЕ ЗАПАСОВ БОГАТЫХ РУД НА БОЛЬШИХ ГЛУБИНАХ

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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

Владикавказ 1013

005541663

005541663

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет) на кафедре технология разработки месторождений им. М.И. Агошкова

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Габараев Олег Знаурович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор кафедры «Горное дело»

ФГБОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ) Игнатов Виктор Николаевич

кандидат технических наук, директор ГБОУ СПО «Владикавказский

политехнический техникум» Цидаев Батраз Саламович

Ведущее предприятие: ФГБОУ ВПО «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Защита состоится 21 декабря 2013 г. в 12-30 часов на заседании специализированного диссертационного Совета Д 212.246.02 при СевероКавказском горно-металлургическом институте (государственном технологическом университете) по адресу:

362021, PCO-Алания, г. Владикавказ, ул. Николаева, 44,

факс. 407-105.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан 20 ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного сов*™ доктор техн. наук, проф.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Подземная разработка месторождений полезных ископаемых на больших глубинах осложняется повышенным уровнем действующих напряжений и слабой устойчивостью обнажений и конструктивных элементов системы разработки.

Особенно остро эта проблема стоит при выемке залежей ценных руд на глубинах более 800-1000м, для которых характерно наличие значительного количества тектонических нарушений. В этих условиях отработка запасов богатых руд осуществляется одним из самых трудоемких вариантов сплошной слоевой системы разработки с закладкой выработанного пространства - выемкой руды горизонтальными слоями сверху вниз, которая обеспечивает безопасную и эффективную эксплуатацию месторождений, однако высокая стоимость вяжущих и инертных заполнителей снижает экономическую эффективность применения твердеющей закладки. Обеспечить возрастающие объемы закладочных работ и снизить затраты на их производство возможно за счет за счет применения составов закладочных смесей с использованием отходов горно-металлургического производства.

В этой связи, разработка технологий закладки выработанного пространства, обеспечивающих повышение эффективности отработки богатых руд на больших глубинах, за счет повышения несущей способности закладочных массивов и снижения затрат на их возведение является важной и актуальной для горнорудной промышленности задачей.

Диссертация является частью завершенных научно-исследовательских работ по темам «Исследования и разработка инновационных технологий комбинированной переработки и утилизации отходов предприятий цветной металлургии» в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработка по приоритетным направления научно-технического комплекса России на 2007-2013 года», ГК №16.515.11.5027, «Разработка и обоснование эффективных вариантов систем разработки при выемке руд в условиях рудника «Скалистый», №1923538/06.

Цель работы - обеспечение эффективности и безопасности подземной отработки участков богатых руд на больших глубинах за счет повы-

шения несущей способности закладочных массивов и снижения затрат на их возведение.

Идея работы - обеспечение эффективности и безопасности подземной отработки участков богатых руд на больших глубинах с твердеющей закладкой выработанного пространства достигается за счет опережающей разгрузки массива по кровле рудного тела в сплошном порядке путем опережающего формирования закладочного массива с использованием активированных отходов медно-никелевого производства.

Объект исследований - технология закладки выработанного пространства при подземной разработке мощных сложноструктурных поло-гопадающих рудных тел (на примере Талнахского месторождения медно-никелевых руд).

Методы исследований. В работе использован комплексный метод исследований, включающий: анализ и обобщение ранее выполненных исследований, теоретические и экспериментальные исследования технологий закладки выработанного пространства в лабораторных и производственных условиях. Обработка и анализ экспериментальных данных производилась методами математической статистики с реализацией на ЭВМ.

Научные положения, защищаемые в работе:

1. Снижение затрат на возведение массивов из твердеющей закладки достигается путем формирования в отработанном выработанном пространстве монолитного закладочного массива прочностью не менее 1,5-4,0 МПа, за счет активации на дезинтеграторе компонентов закладочной смеси на основе отходов медно-никелевого производства, с включением многофункциональной добавки в количестве 1-1,5% от их массы.

2. Обеспечение безопасности отработки участков богатых руд на больших глубинах достигается за счет установленного рационального соотношения жесткости твердеющей смеси и вмещающих пород.

3. Повышение устойчивости элементов природно-техно генной системы «налегающие породы - рудовмещающий массив - массив из твердеющей закладки» при отработке участков богатых руд на больших глубинах, обеспечивается технологиями сплошной слоевой выемки с опережающей разгрузкой и закладкой из высокомарочной смеси прочностью не менее 4 МПа по кровле рудного тела в сплошном порядке.

Научная новизна работы:

1. Выявлены закономерности изменения напряженно-деформированного состояния массива в зоне очистных работ при сплошных слоевых системах разработки, в зависимости от физико-механических свойств закладочного массива, позволяющих обосновать параметры технологии закладки выработанного пространства.

2. Установлены зависимости основных механических, реологических, компрессионных свойств закладки из активированных отходов мед-но-никелевого производства от расхода цемента, объемного соотношения, размеров фракций и сроков твердения.

3. Выполнено научное обоснование параметров, разработанных технологии с твердеющей закладкой выработанного пространства с опережающей разгрузки массива по кровле рудного тела в сплошном порядке и формирования закладочного массива активированными отходами медно-никелевого производства.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается надежностью и представительностью исходных данных, сопоставимостью результатов теоретических и экспериментальных лабораторных и опытно-промышленных исследований, при надежности не менее 90% и обработанных методами математической статистики, использованием современного оборудования и апробированных методик.

Научное значение работы состоит в раскрытии и обосновании взаимосвязей, определяющих эффективность и параметры технологии закладки выработанного пространства отходами медно-никелевого производства, при отработке участков богатых руд на больших глубинах.

Практическое значение работы заключается в разработке составов и рациональных параметров технологии закладки выработанного пространства отходами медно-никелевого производства, обеспечивающих эффективность и безопасность подземной отработки участков богатых руд на больших глубинах. Результаты исследований могут быть использованы действующими горно-рудными предприятиями, научно-

исследовательскими и проектными организациями.

Реализация работы. Результаты исследований использованы при составлении проекта на отработку запасов руд на первоочередном участке

рудника «Скалистый» Заполярного филиала ОАО «ГМК «Норильский никель» с ожидаемым годовым экономическим эффектом более 28,6 млн. руб. Результаты теоретических исследований использованы в учебном процессе СКГМИ (ГТУ) при подготовке специалистов по направлению «Горное дело».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на: Международных научных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва, 2008-2012гг.); Международной научно-практической конференции «Техгормет - 21 век» (Санкт-Петербург, 2010г.); VII Международной научной конференции «Устойчивое развитие горных территорий в условиях глобальных изменений» (Владикавказ 2010); IV Всероссийской научно-практической конференции «Устойчивое развитие территорий» (Уфа, 2012); Международной научной конференции «Информационные технологии и системы в науке, практике и образовании» (Владикавказ, 2013);НТС ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель» (Норильск, 2011г.); ежегодных НТК СКГМИ (ГТУ) (Владикавказ, 2009-2013 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 136 с. машинописного текста, содержит 50 рис., 18 табл., список литературы из 133 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Развитие горнорудной промышленности России в значительной степени связано с разработкой пластообразных рудных залежей. К таким месторождениям относятся Северо-Уральское месторождение бокситов, Миргалимсайское месторождение полиметаллических руд, железорудные месторождения Урала, медно-никелевые месторождения Норильского промышленного района и др. При всем многообразии условий залегания, строения, структуры, физико-механических характеристик руд и вмещающих пород у них есть ряд существенных общих признаков, позволяющих их отнести к одной группе по применяемым системам разработки. Кроме того, отработка этих месторождений в настоящее время ведется на достаточно больших глубинах, в предельно-напряженном породном массиве опасном по проявлениям горно-динамических явлений, таким как

горные удары, внеземные разломы почвы, зональное разрушение породного массива и т.п.

Это требует применения определенного порядка отработки, обеспечивающего разгрузку массива от высоких напряжений, а также применения специальных мероприятий при производстве очистных работ.

Вопросы теории и практики управления состоянием массива горных пород, а также технологии формирования закладочных массивов при разработке месторождений полезных ископаемых исследованы в трудах М.И. Агошкова, И.И. Айнбиндера, Б.П. Бадтиева, Д.М. Бронникова, О.З. Габа-раева, Ю.П. Галченко, В.И. Голика, Н.Ф. Замесова, В.Н. Игнатова, М.А. Иофиса, К.Г. Каргинова, Д.Р. Каплунова, В.Н. Калмыкова, Х.Х. Кожиева, Е.А. Котенко, В.П. Кравченко, JI.A. Крупника, Г.Г. Ломоносова, А.Н. Монтяновой, Ю.И. Разоренова, М.В. Рыльниковой, И.Н. Савича, А.П. Тапсиева, А.Л. Требукова, К.Н. Трубецкого, В.И. Хомякова, М.Н. Цыгало-ва, А.Н. Шабарова, В.А. Шестакова и др.

Анализ современного состояния теории и практики разработки месторождений полезных ископаемых ценных неравнокомпонентных руд в условиях высокого горного давления позволяет выделить в качестве перспективного способа управления состоянием рудовмещающего массива технологии с погашением выработанного пространства твердеющей закладкой различного состава и несущей способности. При этом проблема оптимизации способов управления горным давлением сводится к установлению адекватной зависимости между параметрами технологий, затратами на добычу руды и последствиями разработки. Однако, несмотря на имеющийся опыт и ряд новых технологических решений, способы управления состоянием рудовмещающего массива нуждаются в совершенствовании.

Поэтому разработка технологий закладки выработанного пространства, обеспечивающих повышение эффективности отработки богатых руд на больших глубинах, за счет повышения несущей способности закладочных массивов и снижения затрат на их возведение является важной и актуальной для горнорудной промышленности задачей.

Поставленная цель и идея работы позволили сформулировать следующие задачи исследований:

1. Анализ современного состояния технологии отработки мощных нологопадающих залежей ценных руд на больших глубинах в мировой и

отечественной горнорудной практике и обосновать перспективные направления ее совершенствования.

2. Выявление закономерностей поведения рудовмещающего массива при техногенном вмешательстве и оценка напряженно-деформированного состояния массива из твердеющей закладки.

3. Исследование физико-механических свойств и разработка составов и технологии приготовления твердеющих закладочных смесей на основе отходов медно-никелевого производства и формирования на их основе закладочных массивов.

4. Разработка эффективных вариантов подземной отработки участков нарушенных руд с низкими эксплуатационными затратами на закладочные работы.

5. Технико-экономическая оценка и обоснование предложенных технологических решений.

Задачи исследований решались применительно к условиям месторождения медно-никелевых руд в поле рудника «Скалистый». На первоочередном участке отработки конфигурация рудной" первой Северной залежи (рис.1) обусловлена синклинальной структурой в приразломной части массива. В поперечном сечении залежь имеет линзовидную форму с достаточно резким уменьшением мощности в направлении восточного, северного и южного флангов. Мощность богатой руды от 5 до 20м. с выклиниванием в северо-восточном направлении до 0,5м. На участке отработки залежи развиты тектонические нарушения, которые определяют блоковое строение рудного тела.

Для инженерно-геологического районирования месторождения проведены комплексные исследования, включающие исследование трещино-ватости массива с построением вариационных кривых и диаграмм плотностей трещин, определение размеров структурных блоков и модулей тре-щиноватости и определение коэффициента ослабления пород. Разломы, разрывы и складки рассматриваемого района образуют закономерную систему генетически соподчинённых структур, формирование которых сопровождалось подвижками пород с образованием более мелких разрывных нарушений в виде зон дробления.

В пределах района месторождения массив рудовмещающих пород необходимо рассматривать как дискретную среду, сложенную блоками нескольких порядков, отличающимися размерами, геометрией, сцеплением по границам раздела и характером напряжённого состояния блоков.

Для обоснования рациональных параметров технологии закладки выработанного пространства совместно со специалистами

Рис. 1. Геолого-структурная модель почвы рудной залежи С-1

ОАО «ВНИМИ» и ЛГД ГМОИЦ выполнен комплекс исследований

по оценки напряженно-деформированного состояния залежи С-1 для различных этапов ее отработки.

В результате установлено, что рудо вмещающий массив имеет весьма неравномерное распределение напряжений и деформаций, зоны сжатия чередуются с зонами растяжений как в горизонтальном, так и вертикальном направлениях. Это создает условия для неравномерного распределения опорного давления и деформаций оседания разрабатываемого массива впереди очистного фронта. Это создает условия для неравномерного распределения опорного давления и деформаций оседания разрабатываемого массива впереди очистного фронта. Установлено, что при принятом порядке ее отработки напряженное состояние изменяется мало, взаимовлияния горных работ между широтной и меридиональной отработкой не наблюдается. Однако, с увеличением площади выработанного пространства (рис.2) зона повышенного горного давления сту/уН> 1,2 возрастает с 14 м до 31 м, что отразится на напряженном состоянии в плоскостях откаточного и вентиляционного горизонтов с горными выработками. Дальнейшее развитие очистных работ неизбежно приведет к формированию зон повышенного горного давления на различных участках отработки залежи. На этих участках создаются условия опасности динамических проявлений горного давления при проведении и поддержании очистных выработок.

Определение параметров поля напряжений выполнялось методом каротажа скважины и численным моделированием методом конечных элементов. Для оценки достоверности численного анализа использовались данные наблюдений ВНИМИ за сдвижениями подработанного

/ \ V / / /:, ( СЖ/7 массива и результаты опреде-

Рис. 2. Распределение тектонических деформа- ления давления в закладочном

ставляющей тензора напряжений является горизонтальная, которая ориентирована в широтном направлении и превышает вертикальную составляющую напряжений. Вертикальная составляющая поля напряжений будет изменяться незначительно и величина ее на уровне откаточного горизонта составит порядка 1,25 уН, а на уровне вентиляционно-закладочного горизонта-1,4 уН. В то время как величина горизонтальной составляющей в зоне очистных работ может превышать вертикальную и достигать величины порядка 1,6-1,8 уН.

Проектом института «Норильскпроект» для отработки богатых и медистых руд на первоочередном участке предусматривается применение слоевых систем разработки с закладкой выработанного пространства твердеющими смесями, однако высокая стоимость твердеющей закладки для погашения выработанного пространства явилось основным сдерживающим фактором широкого его использования. Для обоснования рациональных параметров технологии закладки выработанного пространства выполнен комплекс исследований по разработке составов и технологии приготовления твердеющих закладочных смесей на основе отходов мед-но-никелевого производства и формирования на их основе закладочных массивов.

Методика проведения исследований составов закладочных смесей включала комплекс физико-механических и физико-химических испытаний, позволяющих с использованием стандартных методик определить их

ции по кровле рудного тела

массиве. Максимальной со-

основные физико-механические, реологические, компрессионные свойства.

Твердеющие смеси, приготовляемые в процессе подбора закладки для изготовления опытных образцов, состояли из материалов намечаемых к использованию в промышленных условиях.

Исходя из поставленных задач исследований, с целью снижения затрат на закладку выработанного пространства за счет сокращения расхода цемента и использования активированного гранулированного шлака в качестве частичного заменителя вяжущего, разработаны следующие составы твердеющих закладочных смесей (табл. 1).

Таблица 1.

Марка состава Расход материалов, кг/м'>

Цемент Ангидрит Шлак Вода, л Щебень Хвосты

АШЦМ-30 45-55 50 600-800 700 600-900 750 500-550 - -

АШЦМ- 100 140-160 150 600-800 700 600-900 750 500-550 - -

АШЦ1ДМ-30 75-85 80 300-400 350 450-550 500 500-550 550-650 580 -

шхц-мзо 180-200 190 - 550-650 600 450 - 760

АШЦ-составы - твердеющие смеси на основе ангидрита, гранулированного шлака и цемента; АШЦЩ-составы - твердеющие смеси на основе ангидрита, гранулированного шлака, цемента и щебня; ШХЩ-составы - твердеющие смеси на основе шлака, хвостов обогащения и цемента.

В ходе испытаний исследовались влияние тонины помола шлака, многофункциональной добавки и эффекта активации на дезинтеграторе на свойства закладочных смесей.

Исследования показали, что при равном расходе вяжущего определяющими факторами на предел прочности затвердевающих материалов являются гранулометрический состав и тонина помола заполнителя. До-мол шлака до класса -0,08+0,045 мм по сравнению с классом крупности -0,8+0,63 мм увеличивает прочность закладочных смесей в зависимости от сроков твердения на 48-68% при составах АШЦ М30, - 39-65% при составах АШЦ М100, - 54-72% при составах ШХЦ М30, - 40-71% при составах АШЦ1Д М30, (рис 3).

0 3 7 20 2s 40 60 во 30 100 120 140 160 180

Время, сутки

Рис.3. Кинетика набора прочности составов ШХЦ МЗО

Для исследования деформационных свойств приготовили 16 смесей различного состава, характеристики которых приведены в таблице 2.

Наименование составов АШЦ МЗО АШЦ М100 ШХЦ МЗО АШЦЩ МЗО

-0,08+0,045 мм -0,315+0,08 мм s s V го О + го VO о" 2 СП ЧЭ о" + о" -0,08+0,045 мм s 2 ос <о о + «/-> ГО о S Ж СО о + ГО ЧО О -0,8+0,63 мм -0,08+0,045 мм s X ОС о о" + СО О -0,63+0,315 мм -0,8+0,63 мм V) 'sf о о + оо о о" -0,315+0,08 мм з 3 со о" + го чО О -0,8+0,63 мм

Деформация усадки,% 4 7 8 11 4 6 8 10 5,2 7 10 12 6 7 8 10

Из таблицы следует, что смесь, содержащая крупный заполнитель, оседает больше всего, а минимальной усадкой обладают смеси с содержанием мелкодисперсных добавок и мелкого заполнителя.

Исследования компрессионных свойств искусственного массива проводили в на стационарных кубических образцах размером 10x10x10 см состава ШХЦ МЗО. Результаты испытаний образцов приведены на рис.4.

Исследования показали, что коэффициент компрессии изменяется в зависимости от крупности заполнителя в твердеющей закладке. В целом же искусственный массив из твердеющей закладки ШХЦ МЗО при тонине помола шлака меньше 0,08 мм обладает довольно высокой несущей способностью, и при максимальной нагрузке 10 МПа усадка не превышает 1,39%.

-0.08+0.045 мм

нв- -0.315Tq.08 мм

-*- -0.63+0.315 мм

-0,8+0.63 мм

4 6 8 10

Начальная нагрузка МПа

Рис. 4. Влияние тонины помола шлака на компрессионные свойства смесей.

Результаты исследования реологических свойств закладочных смесей показали, что параметры свежеприготовленных закладочных смесей меняются в широких пределах. Удельные веса меняются от 2,01 до 2,24 т/м-5 , водоотделение - от 4 до 12%, диаметры расплыва - от 160x165 до 270x280 мм. Результаты исследований показывают, что с увеличением тонины помола шлака растекаемость закладочной смеси и водоотделение снижаются, а плотность и однородность - повышаются.

Для установления влияния многофункциональной добавки на свойства закладочных смесей было испытано более 60 образцов закладочного материала составов АШЦ М30, АШЦ М100, ШХЦ МЗО, АШЦЩ М30. К закладочным смесям добавляли в небольшом количестве (1,5 % от массы цемента) добавку, которую предварительно растворяли в воде. Результаты влияния многофункциональной добавки на свойства закладочных смесей составов ШХЦ МЗО представлены на рис.5.

Как показали результаты исследований, включение многофункциональной добавки приводит к увеличению прочности закладки до 7-25 %, в зависимости от расхода цемента и сроков твердения смеси, растекаемость закладочных смесей повышается в среднем на 7-10 %.

В ходе исследований эффекта активации на дезинтеграторе на свойства закладочных смесей применяли лабораторный дезинтегратор с диаметром роторов 155мм. Критерием для оценки возможностей дезинтегратора служит содержание фракций - 0,08 мм в измельченном материале.

Время, сутки

Рис. 5. Кинетика набора прочности составов ШХЦ МЗО

Помол 40 % фракции - 0,08 мм в дезинтеграторе обеспечивался при размоле с частотой вращения роторов 3200 об/мин, выход 80 % фракции — 0,08 мм - при размоле с частотой вращения роторов 3600 об/мин. Результаты исследований представлены в таблице 3.

Таблица 3.

Наименование составов Плотность, кг/м^ Водоот-деление, % Расте- кае-мость, см Прочность в различном возрасте, МПА

3 суток 7 суток 28 суток 90 суток 180 суток

При помоле шлака 0,08 мм - 80%

АШЦ МЗО 2,06 4 178 0,64 1,2 2.49 4,2 4,9

АШЦМ100 2,22 3,9 186 1,88 3,5 7,5 11,3 15,9

ШХЦ МЗО 2,29 5 207 1,05 2,25 5,2 7,5 9,85

АШЦЩ МЗО 2,07 5,8 176 0,73 1,4 2,7 4,35 5,0

При помоле шлака 0,08 мм - 40%

АШЦ МЗО 2,03 4,5 180 0,46 0,82 1,68 2,92 3,45

АШЦ М100 2,15 4.4 188 1,30 2,42 4,6 7,18 10,1

ШХЦ МЗО 2,19 5,8 208 0,72 1,45 2,82 4,23 6,5

АШЦЩ МЗО 2,02 6,3 183 0.57 1,06 1.82 3,01 3,6

Выявлено, что измельчение материалов закладки в дезинтеграторе и использование многофункциональной добавки увеличивает их активность, что способствует повышению прочности образцов закладки, сни-

жению расхода цемента на 15-20% себестоимости производства закладочных смесей в зависимости от марки смеси на 37 - 149 руб./м3, с сохранением реологических и компрессионных свойств закладки, соответствующих нормативным требованиям.

Геомеханическая система «поверхность - нарушенный массив - выработанное пространство, заполненное закладочной смесью» представляет собой дискретную среду, жесткость которой изменяется в процессе деформирования в зависимости от перераспределения напряжений, вызванных техногенным вмешательством и влиянием тектонико-структурных факторов. При заполнении очистного пространства закладкой, массив начинает работать как несущий конструктивный элемент геомеханической системы и находится в условиях объемного сжатия о-,>а2=а3. При прочих равных условиях реакция массива на технологическое воздействие зависит от величины и знака действующих в массиве напряжений.

Модель управления геомеханическим состоянием рудовмещающего массива описывается уравнением:

гт( < аг < а, = о-,, • К^К.К,

гДе СТ. - напряжения в зоне нетронутых пород, МПа; (уг- напряжения в зоне влияния очистных работ, МПа; (у. - напряжения в закладочном массиве, МПа; ¡уч-нормативное сопротивление сжатию, МПа; - коэффициент неоднородности закладочного массива; Кг- коэффициент увеличения прочности закладки со временем; Кг коэффициент увеличения прочности закладки в массиве; - коэффициент условий работы.

Модель управления состоянием рудовмещающего массива основано на учете напряжений при формировании закладочных массивов из твердеющих составов и позволяет путем изменения технологических параметров погашения выработанного пространства регулировать упрочнение закладочного массива и тем самым определять величину ее пригрузки и нормативную прочность.

Для исследования состояния закладочного массива при различных свойствах твердеющей смеси и условиях нагружения использована программа, предназначенная для моделирования нелинейного упруго-пластического деформирования массивов методом конечных элементов.

Установлено, что при увеличении относительной жесткости закла-

дочного массива (процентное отношение модулей упругости твердеющей смеси и вмещающей породы) с 0,2% (М 30) до 6,5% (М 100) коэффициент нагруженности закладочного массива резко возрастает от 0,05 до 0,8.

С увеличением модуля упругости смеси коэффициент нагруженности закладочного массива возрастает, но зависимость становится нелинейной после того, как относительная жесткость закладочного массива увеличится

до 12%, а коэффициент нагруженности достигнет 1,0 (рис. 6). Разрушения пород в кровле не будут происходить лишь при очень высоком значении модуля упругости закладочной смеси. Увеличивая модуль упругости закладочной смеси, можно управлять процессом сдвижения пород в кровле (рис. 7). Однако, следует учесть, что сначала смещение пород в кровле выработанного пространства возрастает при увеличении модуля упругости закладочной смеси.

С увеличением модуля упругости закладочной смеси минимальное главное напряжение в кровле выработанного пространства уменьшается, а максимальное главное напряжение, которое является растягивающим, возрастает.

Проведенный анализ показал, что при закладке жесткой смеси (М 100) область разрушения пород в кровле очистной заходки и в рудном массиве уменьшается на 15% в сравнении со случаем закладки низкомодульной смеси (М 30).

Коэффициент концентрации минимальных главных напряжений в кровле выработанного пространства резко уменьшается с 0,6 до 0,03, в то время как коэффициент концентрации максимальных главных напряжений увеличивается с -1,3 до -1,70. Коэффициент концентрации вертикальных напряжений в зоне опорного давления также уменьшается с 3,4 до 3.

-»-ШХЦМ-100 а ШХЦМ-80 —•— шхцм-зо

Относительная жесткость,%

Рис. 6. Зависимость нагруженности закладочного массива от его относительной жесткости.

В результате при возрастании нагруженности закладочного массива область активного сдвигового разрушения пород в кровле выработанного пространства целика значительно уменьшается. В случае жесткого закладочного массива (М 100), относительная жесткость которого равна 6,5%, область разрушения пород в

Рис. 7. Зависимость смещения кровли выработан- кРовле исчезает совсем, нога пространства от относительной жесткости Максимальный коэффициент закладочного массива

концентрации напряжении в зоне опорного давления Ктах растет с увеличением прочности руды, уменьшением мощности залежи. Уменьшение пролета или ширины очистной заходки повышает устойчивость вмещающего массива в целом и тем самым способствует снижению затрат на закладочные работы.

Результаты исследований указывают на то, что разрушение пород в кровле при выемке целика заметно проявляется в тех случаях, когда модуль закладочной смеси составляет менее 35% от величины модуля вмещающей породы.

Исследования закономерностей поведения рудовмещающего и массива из твердеющей закладки при техногенном вмешательстве позволили разработать варианты восходящей слоевой системы с камерно-целиковым порядком отработки лент и с опережающей разгрузкой по кровле в сплошном порядке, с опережающей разгрузкой в сплошном порядке и со сплошным порядком отработки лент. Разработанные варианты слоевой системы позволяют регулировать уровень напряжений и деформаций для целенаправленного использования высвобождающейся в ходе работ энергии для повышения устойчивости элементов геомеханической системы «нетронутый массив — нарушенный массив — искусственный массив». Вариант слоевой системы разработки со сплошным порядком отработки лент и с опережающей разгрузкой по кровле в сплошном порядке (рис. 8).

ШХЦ М-60 -»-- ШХЦ М-100 -

-шхц М-30

с; ш о о.

ф

3" 0) г о

36

28

гг *' Ч / ■ \ щ щ Й 1

. ... У С}'. 1 \ ■ ,

/ 7 ...... \ • \ V ч.

/л ■ / \ " \

~ *......

——1—и—

1 4 5 10 12 15 20 25 30 35 Относительная жесткость,%

Л"'

п

ГШ

©•©•©^

- ]

1 - последовательность проведения выработок защитного слоя; 2 - последовательность отработки лент; 3 -закладочный массив

Рис. 8. Вариант слоевой системы разработки со сплошным порядком отработки лент и с опережающей разгрузкой по кровле в сплошном порядке.

Очистные работы ведутся под защитным перекрытием, создаваемым путем опережающей выемкой защитного слоя по верхнему контакту рудного тела в сплошном порядке. Величину опережения отработки защитного слоя определяют таким образом, чтобы нарезные и очистные выработки основных слоев приходились и располагались в защищенной зоне.

Напряжения, создаваемые в результате подпора материалом-заполнителем пустот, складываются из совокупного влияния всех элементов управления:

сги = пхан3 + п1ас3 +п3сгт3 +и,о"„.з +п>с

где: <Т„- напряжения в материале- заполнителе конструкции, возводимой в пустотах, МПа; 0-пз,СГс3,СГш3,СГн3 - величины подпора, соответственно, прочного,

среднепрочного и мало прочного состава твердеющей и нетвердеющей смесей; £ -число упрочняющих элементов; п1,...,п5- массовое число материала в общем количестве смеси: 0ут - прочность материалов упрочнения.

Прочность искусственного массива из твердеющих смесей для создания подпора определяется из условия ВНИМИ, скорректированного с учетом упрочнения массива из разнопрочного состава:

к к у Z2,d,

а п ' и ф 1

4а я<1,

+ у5н5

к. к,к.„_ ф д упр

где: к^, кп к3, кф, к^ купр- коэффициенты угла наклона камеры, пригрузки, запаса, формы, длительной прочности и упрочнения соответственно; у„, - плотности пород и массива из твердеющей закладочной смеси; - фактический пролет; ац - ширина искусственного массива; Ъ пред - предельный пролет обрушения.

Очистное пространство при отработке очистных слоев заполняют

закладкой М 30-40, очистное пространство защитного слоя - высокомарочной твердеющей смесыо М80-100, с нормативной прочность не менее 3,5-4 МПа в возрасте 28 суток.

Сплошной порядок отработки запасов обеспечивает высокую монолитность возводимого искусственного массива так как величина сцепления закладки с бетонными стенками ранее заложенных камер на 30-35% выше чем с породными или рудными стенками. Опережающая разгрузка рудовмещающего массива по кровле в сплошном порядке позволит расширить область применения вариантом слоевой системы разработки с комбинированным порядком выемки слоев.

Оценку эффективности применения рекомендуемых вариантов систем разработки производим на основе критерия удельной прибыли за расчетный период времени по общепринятой методике. Результаты сравнительной экономической оценки базовой и рекомендуемых технологий отработки приведены в табл. 4.

Таблица 4

Наименование показателей Варианты слоевых систем с разгрузкой по кровле

по камерно-целиковой схеме и со сплошным порядком отработки лент, (базовая) в сплошном порядке с камерно-целиковым порядком отработки лент в сплошном порядке со сплошным порядком отработки лент

Потери руды при добыче, % 2,1 2,3 2,0

Разубоживание руды, % 12,8 13,4 12,6

Содержание меди в одноименном концентрате, % 28,5 28,5 28,5

Извлечение меди в одноименный концентрат, % 78,2 78,2 78,2

Себестоимость переработки 1т руды на обогатительной фабрике, руб. 258 258 258

Себестоимость добычи 1т руды, руб. 2339 2189 2339

Приведенные затраты на 1т условного металла-меди в концентрате, руб. 7331 6970 7307

Использование в промышленных условиях разработанных вариантов сплошной слоевой системы обеспечит снижение затрат на закладку выработанного пространства за счет замены до 25-30% объема высокомарочной твердеющей смеси М80-100 на ангидрито-шлаковой основе на более дешевые малопрочные составы М30-40 шлако-хвостововой основе. Ожидаемый экономический эффект при выемке балансовых запасов руды в пределах одной выемочной единицы-панели составит более 28,6 млн. руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация явлется завершенной научно-квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной задачи обоснования технологии закладки выработанного пространства отходами медно-никелевого производства при отработке запасов богатых руд на больших глубинах, имеющей существенное значение для науки и практики горнорудной промышленности страны.

Основные научные и практические результаты, выводы н рекомендации заключаются в следующем:

1. Выявлено, что в зависимости от деформирования пород в массиве одновременно сосуществуют несколько областей разрушения. Вблизи Но-рильско-Хараелахского рудоконтролирующего разлома возникает зона нарушенных пород с минимальной несущей способностью, за ней следует зона ослабленных пород запредельного деформирования с возрастанием прочности по мере удаления от разлома и зона нетронутых пород в стадии допредельного деформирования

2. Установлено, что месторождение расположено в зоне воздействия остаточных тектонических сил, в результате чего напряженное состояние массива горных пород по величине и направлению действия главных составляющих поля напряжений существенно отличается от геостатического закона распределения.

3. Определено, что максимальной составляющей тензора напряжений является горизонтальная, которая ориентирована в широтном направлении и превышает вертикальную составляющую напряжений. Вертикальная составляющая поля напряжений будет изменяться незначительно, в то время как величина горизонтальной составляющей в зоне очистных

работ может превышать вертикальную и достигать величины порядка 1,6-1,8 уН.

4. Разработаны составы закладочных смесей на основе отходов горно-металлургического производства с эффективными использованием современных способов активации компонентов смесей.

5. Установлено, что использование отходов горно-металлургического производства - активированного гранулированного шлака в качестве частичного заменителя вяжущего и хвостов обогащения при приготовлении закладочных смесей позволяет снизить затраты на закладку выработанного пространства за счет сокращения расхода цемента, снизить вредное воздействия отходов производства на окружающую среду.

6. Выявлено, что измельчение материалов закладки в дезинтеграторе и применение многофункциональной добавки увеличивает их активность, что способствует повышению прочности образцов закладки, снижению расхода цемента на 15-20% себестоимости производства закладочных смесей в зависимости от марки смеси на 37 - 149 руб./м3, с сохранением реологических и компрессионных свойств закладки, соответствующих нормативным требованиям.

7. Разработана методика расчета нормативной прочности твердеющей закладки, учитывающая влияние коэффициента упрочнения закладочного массива в условиях объемного неравно компонентного сжатия.

8. Моделированием нелинейного упруго-пластического деформирования массивов методом конечных элементов установлено, что соотношение жесткости твердеющей смеси и вмещающей породы определяет поддерживающую способность массива из твердеющей закладки и влияет на распределение напряжений в самой закладке, в массиве вмещающих пород и в зоне опорного давления. При увеличении относительной жесткости закладочного массива с 0,2% до 6,5% коэффициент нагруженности закладочного массива резко возрастает от 0,05 до 0,8. Коэффициент концентрации минимальных главных напряжений в кровле выработанного пространства резко уменьшается с 0,6 до 0,03, в то время как коэффициент концентрации максимальных главных напряжений увеличивается с -1,3 до -1,70.

9. Снижение уровня напряжений в элементах геомеханической системы «налегающие породы - рудовмещающий массив - выработанное

пространство, заполненное закладочной смесью» при отработке руд системами разработки с закладкой выработанного пространства обеспечивается опережающей разгрузкой по кровле в сплошном порядке.

10. Разработаны варианты восходящей слоевой системы разработки с камерно-целиковым порядком отработки лент и с опережающей разгрузкой по кровле в сплошном порядке, с опережающей разгрузкой в сплошном порядке и со сплошным порядком отработки лент, обеспечивающие повышение эффективности и безопасности подземной отработки участков богатых руд на больших глубинах.

11. Доказано, что рекомендуемые варианты сплошной слоевой системы разработки снижают затраты на закладку выработанного пространства за счет замены до 25-30% объема высокомарочной твердеющей смеси М80-100 на ангидрито-шлаковой основе на более дешевые малопрочные составы М30-40 на шлако-хвостововой основе.

12. Установлено, что применение рекомендуемых вариантов систем разработки при выемке балансовых запасов руды в пределах одной выемочной единицы-панели по сравнению с базовой технологией позволит получить экономический эффект в размере более 28,6 млн. руб.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

в издании рекомендованном ВАК РФ

1. Габараев О.З., Лолаее А.Б., Хулелидзе К.К., Битарое В.Н. Исследование свойств массива из твердеющей закладки при комбинированной технологии приготовления закладочных смесей// Устойчивое развитие горных территорий, Владикавказ, 2011г., №4. - С. 20-25.

2. Габараев 0.3., Кожиев XX, Хулелидзе К.К., Битарое В.Н. Ресурсосберегающие технологии закладки выработанного пространства при добыче богатых медно-никелевых руд // Устойчивое развитие горных территорий, 2012г., №4. - С. 31-34.

3. Габараев О.З., Кожиев Х.Х., Битарое В.Н., Гашимова З.А. Технологии разработки сильнонарушенных руд // Устойчивое развитие горных территорий, 2013г., №3. - С. 35-39.

в прочих изданиях

4. Габараев 0.3.,Баскаев П.М., Битаров В.Н. использование отходов медно-никелевого производства для приготовления закладочных смесей. «Техгормет - 21 век». Материалы Международной научно-практической конференции. Санкт-Петербург, 2010. - С. 71-72.

5. Габараев О.З., Битаров В.Н. Лолаев А.Б. Петрова О.В.Технология разработки подработанных рудных тел Талнахского месторождения раз-нопрочными составами. Материалы VII Международной научной конфе-реции «Устойчивое развитие горных территорий в условиях глобальных изменений». Владикавказ, изд-во «Терек», 2010 г. - С. 331-336.

6. Битаров В.Н., Гашимова З.А. Варианты сплошной камерной системы разработки при выемке богатых руд в поле рудника «Скалистый». Материалы IV Всероссийской научно-практической конференции «Устойчивое развитие территорий». Уфа - 2012. - С. 177-182.

7. Габараев О.З., Гашимова З.А., Битаров В.Н. Применение геоинформационных технологий при решении проектных задач в горном деле. Информационные технологии и системы в науке, практике и образовании. Владикавказ, 2012. - С. 58-60.

Сдано в набор 15.11.2013 г. Подписано в печать 18.11.2013 г. Гарнитура Тайме. Печать трафаретная. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 217.

Типография ООО НГПСП «МАВР», Лицензия Серия ПД №01107, 362040, г. Владикавказ, ул. Августовских событий, 8, тел. 44-19-31

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Битаров, Виталий Николаевич, Владикавказ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи БИТАРОВ Виталий Николаевич

ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЗАКЛАДКИ ВЫРАБОТАННОГО ПРОСТРАНСТВА ПРИ ОТРАБОТКЕ ЗАПАСОВ БОГАТЫХ РУД НА

БОЛЬШИХ ГЛУБИНАХ

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

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор Габараев О.З.

04201451133

ВЛАДИКАВКАЗ 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 4

1. Состояние изученности вопроса, цели и задачи исследований 9

1.1 Особенности разработки месторождений норильско-талнахского 9 рудного узла.

1.2. Структурные особенности строения месторождения 12

1.3. Опыт отработки запасов сильнонарушенных руд системами 16 разработки с закладкой выработанного пространства

1.4. Использование отходов металлургического производства для 22 производства закладочных смесей

1.5. Анализ технологии отработки запасов руд 30 на руднике «Скалистый»

1.6. Действующая технология приготовления закладочных смесей 32

1.7. Цель, задачи и методы исследований 35

2. Закономерностей поведения рудовмещающего массива при техногенном вмешательстве 37

2.1. Исследование структурных особенностей строения месторождения 37

2.2. Влияние трещиноватости массива на устойчивость обнажений 41

2.3. Анализ фактической геомеханической обстановки 44

2.4. Прогнозная карта напряженного состояния рудной залежи 47 Выводы 56

3. Разработка твердеющих закладочных смесей на основе отходов медно-никелевого производства 59

3.1. Влияние минеральных добавок - хвостов обогащения и гранулированного металлургического шлака на свойства закладочных 59 смесей.

3.2. Требования к нормативным показателям закладочных смесей 62

3.3. Разработка составов закладочных смесей 63

3.4. Методика исследований и сырьевые материалы 64

3.5 Программа лабораторных исследований составов твердеющей

закладки 65

3.6. Оценка влияния тонины помола шлака на свойства закладочных 66

смесей

3.6.1. Определение пределов прочности закладки на сжатие 66

3.6.2. Определение реологических свойств закладочной смеси 73

3.6.3. Определение компрессионных свойств твердеющей закладки 78

3.7. Влияние многофункциональной добавки на свойства закладочных 81 смесей

3.8. Влияние механоактивации шлака на свойствазакладочных смесей 84 Выводы 88

4. Разработка технологии выемки богатых руд с предварительным

созданием сплошных защищенных зон 91

4.1. Условие геомеханической сбалансированности массива 91

4.2. Оценка поддерживающей способности массиватвердеющей закладки 95

4.3. Влияние напряженно-деформированного состояния массива на 100 нормативную прочность закладки

4.4. Рекомендуемые варианты систем разработки 105

4.5. Порядки отработки рудных залежей 110

4.6. Формирование защищенных зон 112

4.7. Технико-экономическое обоснование и сравнительный анализ 115 существующей и предлагаемой систем разработки

Выводы 119

Заключение 123

Литература 126

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Подземная разработка месторождений полезных ископаемых на больших глубинах осложняется повышенным уровнем действующих напряжений и слабой устойчивостью обнажений и конструктивных элементов системы разработки.

Особенно остро эта проблема стоит при выемке залежей ценных руд на глубинах более 800-1000м, для которых характерно наличие значительного количества тектонических нарушений. В этих условиях отработка запасов богатых руд осуществляется одним из самых трудоемких вариантов сплошной слоевой системы разработки с закладкой выработанного пространства -выемкой руды горизонтальными слоями сверху вниз, которая обеспечивает безопасную и эффективную эксплуатацию месторождений, однако высокая стоимость вяжущих и инертных заполнителей снижает экономическую эффективность применения твердеющей закладки. Обеспечить возрастающие объемы закладочных работ и снизить затраты на их производство возможно за счет за счет применения составов закладочных смесей с использованием отходов горно-металлургического производства.

В этой связи, разработка технологий закладки выработанного пространства, обеспечивающих повышение эффективности отработки богатых руд на больших глубинах, за счет повышения несущей способности закладочных массивов и снижения затрат на их возведение является важной и актуальной для горнорудной промышленности задачей.

Диссертация является частью завершенных научно-исследовательских работ по темам «Исследования и разработка инновационных технологий комбинированной переработки и утилизации отходов предприятий цветной металлургии» в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработка по приоритетным направления научно-технического комплекса

России на 2007-2013 года», ГК №16.515.11.5027, «Разработка и обоснование эффективных вариантов систем разработки при выемке руд в условиях рудника «Скалистый», №192-3538/06.

Цель работы — обеспечение эффективности и безопасности подземной отработки участков богатых руд на больших глубинах за счет повышения несущей способности закладочных массивов и снижения затрат на их возведение.

Идея работы - обеспечение эффективности и безопасности подземной отработки участков богатых руд на больших глубинах с твердеющей закладкой выработанного пространства достигается за счет опережающей разгрузки массива по кровле рудного тела в сплошном порядке путем опережающего формирования закладочного массива с использованием активированных отходов медно-никелевого производства.

Объект исследований - технология закладки выработанного пространства при подземной разработке мощных сложноструктурных пологопадающих рудных тел (на примере Талнахского месторождения медно-никелевых руд).

Методы исследований. В работе использован комплексный метод исследований, включающий: анализ и обобщение ранее выполненных исследований, теоретические и экспериментальные исследования технологий закладки выработанного пространства в лабораторных и производственных условиях. Обработка и анализ экспериментальных данных производилась методами математической статистики с реализацией на ЭВМ.

Научные положения, защищаемые в работе:

1. Снижение затрат на возведение массивов из твердеющей закладки достигается путем формирования в отработанном выработанном пространстве монолитного закладочного массива прочностью не менее 1,5-4,0 МПа, за счет активации на дезинтеграторе компонентов закладочной смеси на основе

отходов медно-никелевого производства, с включением многофункциональной добавки в количестве 1-1,5% от их массы.

2. Обеспечение безопасности отработки участков богатых руд на больших глубинах достигается за счет установленного рационального соотношения жесткости твердеющей смеси и вмещающих пород.

3. Повышение устойчивости элементов природно-техногенной системы «налегающие породы - рудовмещающий массив - массив из твердеющей закладки» при отработке участков богатых руд на больших глубинах, обеспечивается технологиями сплошной слоевой выемки с опережающей разгрузкой и закладкой из высокомарочной смеси прочностью не менее 4 МПа по кровле рудного тела в сплошном порядке.

Научная новизна работы:

1. Выявлены закономерности изменения напряженно-деформированного состояния массива в зоне очистных работ при сплошных слоевых системах разработки, в зависимости от физико-механических свойств закладочного массива, позволяющих обосновать параметры технологии закладки выработанного пространства.

2. Установлены зависимости основных механических, реологических, компрессионных свойств закладки из активированных отходов медно-никелевого производства от расхода цемента, объемного соотношения, размеров фракций и сроков твердения.

3. Выполнено научное обоснование параметров, разработанных технологии с твердеющей закладкой выработанного пространства с опережающей разгрузки массива по кровле рудного тела в сплошном порядке и формирования закладочного массива активированными отходами медно-никелевого производства.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается надежностью и представительностью исходных

данных, сопоставимостью результатов теоретических и экспериментальных лабораторных и опытно-промышленных исследований, при надежности не менее 90% и обработанных методами математической статистики, использованием современного оборудования и апробированных методик.

Научное значение работы состоит в раскрытии и обосновании взаимосвязей, определяющих эффективность и параметры технологии закладки выработанного пространства отходами медно-никелевого производства, при отработке участков богатых руд на больших глубинах.

Практическое значение работы заключается в разработке составов и рациональных параметров технологии закладки выработанного пространства отходами медно-никелевого производства, обеспечивающих эффективность и безопасность подземной отработки участков богатых руд на больших глубинах. Результаты исследований могут быть использованы действующими горнорудными предприятиями, научно-исследовательскими и проектными организациями.

Реализация работы. Результаты исследований использованы при составлении проекта на отработку запасов руд на первоочередном участке рудника «Скалистый» Заполярного филиала ОАО «ГМК «Норильский никель» с ожидаемым годовым экономическим эффектом более 28,6 млн. руб. Результаты теоретических исследований использованы в учебном процессе СКГМИ (ГТУ) при подготовке специалистов по направлению «Горное дело».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы, докладывались и получили положительную оценку на: Международных научных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва, 2008-2012гг.); Международной научно-практической конференции «Техгормет - 21 век» (Санкт-Петербург, 2010г.); VII Международной научной конференции «Устойчивое развитие горных территорий в условиях глобальных изменений» (Владикавказ 2010); IV Всероссийской научно-практической конференции

«Устойчивое развитие территорий» (Уфа, 2012); Международной научной конференции «Информационные технологии и системы в науке, практике и образовании» (Владикавказ, 2013);НТС ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель» (Норильск, 2011г.); ежегодных НТК СКГМИ (ГТУ) (Владикавказ, 2009-2013 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 136 с. машинописного текста, содержит 50 рис., 18 табл., список литературы из 133 наименований.

1.СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЙ.

Развитие горнорудной промышленности России в значительной степени связано с разработкой пластообразных рудных залежей. К таким месторождениям относятся Северо-Уральское месторождение бокситов, Миргалимсайское месторождение полиметаллических руд, железорудные месторождения Урала, медно-никелевое месторождение Норильского района и др. При всем многообразии условий залегания, строения, структуры, физико-механических характеристик руд и вмещающих пород у них есть ряд существенных общих признаков, позволяющих их отнести к одной группе по применяемым системам разработки. Кроме того, отработка этих месторождений в настоящее время ведется на достаточно больших глубинах, в предельно-напряженном породном массиве опасном по проявлениям горнодинамических явлений, таким как горные удары, внеземные разломы почвы, зональное разрушение породного массива и т.п.

Это требует применения определенного порядка отработки, обеспечивающего разгрузку массива от высоких напряжений, а также применения специальных мероприятий при проведении горных выработок и их поддержании.

1.1 Особенности разработки месторождений Норильско-Талнахского

рудного узла.

Норильско-Талнахский рудный узел включает Октябрьское и Талнахское месторождения [1]. Первое расположено к западу от Норильско-Хараелахского разлома, второе охватывает его зону и восточное крыло. На рисунке 1.1 представлен схематический геологический разрез Октябрьского и Талнахского месторождений. Сульфидное орудинение генетически связано с крупной дифференцированной интрузией габрро-долеритов и представлено тремя

основными типами руд: сплошными, вкрапленными и прожилково-вкрапленными в породах нижней части интрузии, вкрапленными и прожилково-вкрапленными в породах, вмещающих интрузию.

Сплошные руды образуют несколько пологопадающих линзо- и пластообразных залежей мощностью до 50 м. Они размещаются по нижнему контакту интрузии или в подстилающих породах в непосредственной близости от интрузии. Форма залежей - сравнительно простая, осложненная сбросами различной амплитуды или послойным расщеплением на флангах. Контакты сплошных руд обычно четкие, относительно ровные, местами нарушенные апофизами и прожилками. Прочность связи по контакту с метаморфизованными осадочными породами в большинстве случаев значительна, контакт с габбро-долеритами бывает ослаблен хлоритовой оторочкой в 3 — 10 см.

Вкрапленные и прожилково-вкрапленные руды в породах интрузии -пикритовые, такситовые и троктолитовые габбро-долериты - наиболее распространенный тип руд. Они слагают почти единый рудный горизонт мощностью до 90 м, который в плане перекрывает сплошные руды.

Главные структурные элементы района - глубинный Норильско-Хараелахский разлом с оперяющими сбросами и просадочные структуры Октябрьского месторождения. Таким образом, район Талнахского рудного узла имеет блоковое строение. Тектонические блоки ограничены нарушениями четырех порядков в различных сочетаниях, из которых наиболее распространены следующие, расположенные в порядке убывания: сонаправленные сбросы; разнонаправленные сбросы, разнонаправленные сбросы; сонаправленные сброс и взброс; разнонаправленные взброс и сброс.

пив *

ЕЗ 7

СЕН * Х7~Л я 1^1 ю

1 - базальты туфолавовой толщи; 2 - песчаники тунгусской серии; 3 - карбонатные породы девона; 4 -вкрапленные руды в породах интрузии; 5 - сплошные руды; 6 - оси отдельных ветвей интрузии (вскрытые и предполагаемые); А - юго-западная, Б - северо-восточная, В - северо-западная (Хараелахская); 7 -внешний контур интрузии; 8 - главный шов Норильско-Хараелахского разлома; 9 - его Западные сбросы; 10 - прочие тектонические разрывы; о- поля рудников" Маяк»"," Комсомольский" (западная и восточные части), " Октябрьский" и " Таймырский" соответственно

Рисунок 1.1 - Схематические геологические разрезы I - Октябрьского и II - Талнахского месторождений Район отличается сильно развитой тектонической трещиноватостью. Наиболее трещиноваты рассланцованные породы Тунгусской серии, наименее толстоплитчатые карбонатные породы девона и габбро-долериты верхней

половины рудоносной интрузии. В осадочных породах преобладают пологие трещины (плитчатая форма элементарного блока, в сплошных рудах -крутопадающие (призматическая или параллелепипедная и ромбоэдрическая формы элементарного блока).

Горно-геологические и горнотехнические условия на действующих рудниках Талнаха характеризуется следующими особенностями: глубина рудных залежей 150 — 1500 м, угол падения 3 — 25°, мощность залежей сплошных руд до 40 м; большими площадями рудных залежей; наличием трех совместно залегающих промышленных типов руд; сильной тектонической раздробленностью большинства рудных полей; нарушенностью сплошных руд и пород непосредственной почвы и кровли от весьма сильной до слабой, иногда резко изменяются в плане и разрезе; потенциальной удароопасностью сплошных руд и вмещающих пород; склонностью сплошных руд к слеживаемости и самовозгоранию.

Большая мощность перекрывающих друг друга залежей руд различного качества, экономическая целесообразность первоочередной отработки сплошных (богатых) руд и необходимость сохранения вкрапленных для последующей выемки обусловили выбор способа управления горным давлением при очистной выемке полной закладкой выработанного пространства твердеющими смесями.

1.2. Структурные особенности строения месторождения

Месторождение связано с Талнахским дифференцированным интрузивом габбро-долеритов и приурочено к северному флангу его Северо-Восточной интрузивной ветви, расположенной к востоку от Норильско-Хараелахского разлома (рис. 1.2). Талнахский рудоносный интрузив залегает преимущественно в терригенных угленосных отложениях Тунгусской серии, реже в карбонатных породах верхнего девона. Интрузив полого погружается с

юга на север до глубины 1800 метров вдоль Западных сбросов и Норильско-Хараелахского разлома.

залежь С1 шахта "Скалистая"

Рис. 1.2. Геолого-ст