СПОСОБ РАЗРАБОТКИ МОЩНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ТВЕРДЫХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ Российский патент 1995 года по МПК E21C41/22 

Изобретение относится к горному делу, а именно к способам камерной разработки мощных месторождений, например крепких руд, расположенных под переслаиванием обводненных осадочных пород.

Известен способ разработки мощных месторождений полезных ископаемых [1] включающий проведение транспортных, вентиляционных, буровых и выпускных выработок, выемку полезного ископаемого камерами цилиндрической формы со сводовым закруглением, формирование камер в плане по углам равностороннего треугольника, бурение и взрывание скважин, отбойку полезного ископаемого концентрическими слоями, образование целиков полезного ископаемого между камерами, выпуск запасов отбитого полезного ископаемого и транспортировку его на поверхность, причем для снижения потерь полезного ископаемого в целиках при сохранении их несущей способности за счет управления мощностью слоя раздробленного полезного ископаемого вокруг камеры вентиляционную выработку проходят на высоте сводового закругления камеры через середины двух сторон равностороннего треугольника с камерами в его углах до выемки полезного ископаемого из камер, между вентиляционной выработкой и камерами формируют подушку из разрушенного полезного ископаемого его отбойкой в камере вблизи вентиляционной выработки в направлении от нее к центру сводовой части камеры до отбойки основных запасов полезного ископаемого в сводовой части камеры. К недостаткам известного способа относится то, что мощность раздробленного полезного ископаемого вокруг камеры регулируется независимо от расположения рядов камер и ограничивается только вблизи вентиляционной выработки, а вокруг остальной части камеры она остается произвольной. Это приводит к созданию неоправданно ослабленных междукамерных целиков на критическом участке максимального сближения камер за счет образования мощного слоя раздробленного полезного ископаемого и, следовательно, к снижению безопасной высоты целика и камеры, уменьшению блокового коэффициента извлечения полезного ископаемого. Кроме того в частном случае цилиндрической формы камер и постоянной величины мощности раздробленного полезного ископаемого (вблизи контура камеры) при взрывных работах проявляется эффект радиально направленных встречных волн, опасных для устойчивости целика (ввиду продолжающегося при этом увеличения раздробленности его контура).

Известен также способ разработки мощных месторождений полезных ископаемых при камерной системе разработки [2] включающий обуривание камеры комплектами вееров скважин с клиновидным врубом и двумя рядами вертикальных нисходящих скважин, оконтуривающих камеру, и последовательную отбойку полезного ископаемого концентрическими слоями от центра камеры к ее периферии с оставлением целиков, причем для повышения несущей способности целиков путем снижения сейсмического воздействия взрывов на целики наружный оконтуривающий ряд скважин бурят наклонно в сторону камеры и взрывают его раньше смежного оконтуривающего вертикального ряда скважин. Недостатком этого способа является недостаточная устойчивость междукамерных целиков ввиду несимметричного нагружения их в условиях воздействия тектонической нагрузки.

Наиболее близким к предлагаемому является способ разработки мощных месторождений полезных ископаемых при камерной системe разработки [3] включающий выемку полезного ископаемого с оставлением целиков, причем для снижения потерь полезного ископаемого и повышения несущей способности целиков центры камер в плане располагают по углам равностороннего треугольника, камерам придают форму, близкую к цилиндрической, а полезное ископаемое отбивают концентрическими слоями с использованием эффекта встречного радиально направленного выброса в центр камеры. К недостаткам известного способа относится то, что он не учитывает особенности расположения добычных камер в условиях воздействия тектонической нагрузки, создающей несимметричность нагружения междукамерного целика, снижающей его устойчивость. Кроме того способ не учитывает образования ослаблений междукамерных целиков за счет трещиноватости в стенках камер, создаваемой при взрывной отбойке руды концентрическими слоями. Это также снижает устойчивость целиков.

Целью изобретения является создание способа разработки мощных месторождений твердых полезных ископаемых, позволяющего повысить устойчивость междукамерных целиков при снижении потеpь полезного ископаемого в них за счет управления напряженным состоянием массива путем изменения его физико-механических свойств.

В известном способе, включающем проведение вспомогательных выработок, проходку очистных камер путем отбойки полезного ископаемого и выемки его формированием междукамерных целиков и размещением центров камер в плане по углам треугольника перед обуриванием камер, определяют направление максимальных горизонтальных напряжений в массиве, а после массовой отбойки полезного ископаемого измеряют и контролируют напряженно-деформированное состояние массива в зоне камер, при этом массовую отбойку полезного ископаемого осуществляют в рядах камер, располагаемых перпендикулярно направлению максимальных горизонтальных напряжений в массиве, а отбойку каждого последующего ряда камер начинают после стабилизации напряженно-деформационного состояния в массиве в зоне ряда отработанных камер. Для снижения сейсмического воздействия на междукамерные целики от взрывной отбойки полезного ископаемого выполняют локальную отбойку по сгущенной сетке в плане взрывных оконтуривающих камеру скважин вблизи осей геометрических соединяющих центры камер соседних рядов.

На фиг. 1 изображены различные стадии отработки полезного ископаемого в очистных камерах первого ряда после создания подготовительных выработок, горизонтальный разрез (на уровне верхней вентиляционной выработки); на фиг. 2 разрез по А-А на фиг. 1; на фиг. 3 разрез по Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 разрез В-В на фиг. 3; на фиг. 5 разрез Г-Г на фиг. 1; на фиг. 6 разрез Д-Д на фиг. 1; на фиг. 7 фрагмент взаимного расположения трех смежных камер с зонами дезинтеграции пород вокруг них, горизонтальный разрез; на фиг. 8 стадия окончания отработки очистных камер первого и смежного с ним второго рядов, горизонтальный разрез.

Способ осуществляют следующим образом.

В массиве твердого полезного ископаемого, например рудной залежи 1 (фиг. 1), определяют направление 2 действующих максимальных горизонтальных напряжений и перпендикулярно этому направлению определяют координаты центров С₁, С₂, С₃, С₄, С_n будущих очистных камер 4 первого ряда 3 (геометрическая линия, например, прямая, содержащая центры камер).

До начала очистных работ в камерах проходят вентиляционные выработки 5 и 6 на разных горизонтах. С горизонта вентиляционной выработки 5 сооружают радиальные 7 и обходные кольцевые 8 вентиляционно-буровые выработки, а с горизонта нижней подсечки бурят буровые выработки радиальные 9 (фиг. 2, 3) и обходные кольцевые 10. После проведения подготовительных и нарезных выработок приступают к обуриванию камер 4. Камеры выполняют цилиндрической формы, но они могут иметь и иные криволинейные в плане очертания, например, шестигранные, восьмигранные и т.п. Обуривание камер 4 принятой формы в плане начинают с бурения из радиальных выработок 7 скважин 11 с клиновым врубом в виде комплекта вертикальных вееров, а из кольцевой выработки 8 оконтуривающих нисходящих скважин 12 (фиг. 3 и 4). В зависимости от принятой высоты этажа последний можно делить на два или несколько подэтажей, аналогичных основному буровому горизонту (на чертежах не показано).

Для оформления свода 13 камеры 4 из выработок 7 и 8 бурят веера восходящих скважин 14 (фиг. 3, 4, 5) с клиновым врубом и формируют его последовательно в процессе отбойки слоев в камере 4. Днище 15 в виде конуса с рудовыпуском 16, сообщенным с откаточным ортом 17, разбуривают вертикальными веерами нисходящих скважин 18 из выработок 9 и 10. Свод 13 камеры 4 и днище 15 оформляют торцами скважин соответствующей длины в каждом отбиваемом слое. Отбойку полезного ископаемого в камере 4 производят концентрическими слоями в направлении от центральной вертикальной выработки 19 (фиг. 3, 4) камеры к ее периферии (фиг. 5), а при оформлении днища 15 камеры отбойку осуществляют с опережением на один слой, что предохраняет днище 15 образующейся подушкой из разрыхленной рудной массы 20 от сейсмических нагрузок.

В процессе проходки камер 4 в ряду 3 контролируют сдвижение пород поверхности сводовой части и стенок камеры 4 с помощью маркшейдерской съемки. При отработке камер 4 вокруг них формируются зоны дезинтеграции пород, включающие зону 21 разгрузки (трещиноватости) (фиг. 6 и 7) и зону 22 концентрации напряжений. Методом гидроразрыва контролируют сдвижение пород в глубине массива вблизи камер 4, период формирования зон напряженно-деформированного состояния и их форму. По результатам такого глубинного контроля судят о моменте начала стабилизации сдвижения горных пород в междукамерных целиках 23 (фиг. 7). Форму зон дезинтеграции полезного ископаемого вблизи первого ряда 3 камер 4 и период их образования следует контролировать и учитывать при размещении смежных рядов камер, потому что первая волна зон дезинтеграции обычно образуется сразу после создания камеры 4, а для последующего образования второй и последующих волн требуется известный период времени, зависящий от физико-механических свойств полезного ископаемого, и до завершения формирования этих зон нельзя (весьма опасно) создавать второй и третий ряды камер, так как можно спровоцировать горный удар. Эту естественно образовавшуюся многослойную защитную конструкцию из полезного ископаемого вокруг камер 4 первого ряда 3 следует предохранять и оберегать из возможных разрушений при накладке на нее аналогичных слоев от примыкающих камер последующих рядов. При современном уровне геомеханики это достижимо только при последовательном формировании зон дезинтеграции вблизи камер, т.е. сначала вокруг камер 4 первого ряда 3, затем после окончания процесса стабилизации деформирования можно начинать формировать зоны вокруг камер 4 второго ряда 24 (фиг. 8) и т.д. т.е. этот процесс следует увязывать с обеспечением устойчивости междукамерных целиков 23.

По окончании стабилизации сдвижения рудной залежи 1 в первом ряду 3 камер 4 приступают к отработке камер 4 смежного второго ряда 24, для чего их центры располагают по треугольной сетке, при этом центры С₁, С₄ и С₅, С₈ камер 4 двух крайних от источника максимальных горизонтальных напряжений рядов 3 и 24 располагают по углам равнобедренного треугольника со сторонами а, всех остальных 24 и 25 и т.д. по углам равностороннего треугольника со сторонами b при условии, что от а>b (фиг. 7 и 8). Величины сторон а и b треугольников следует принимать на основании данных физического или математического моделирования массива полезного ископаемого с камерами, которое показывает, что зоны дезинтеграции пород в междукамерных целиках, образованные крайними от источника действующих максимальных горизонтальных напряжений смежными камерами, находятся в условиях более сложного нагружения. Это требует управления их конфигурацией и увеличения их размеров путем отнесения на большее расстояние камер смежного ряда 24 от камер, расположенных в ряду 3.

Порядок отработки смежных рядов камер может быть любым, т.е. отработку их можно вести одновременно в направлении к флангам месторождения или поочередно в какую-либо одну сторону. Для повышения устойчивости зон 21 и 22 дезинтеграции пород в междукамерных целиках 23 в период до массовой отбойки основных запасов полезного ископаемого в смежных камерах выполняют локальную отбойку полезного ископаемого по сгущенной сетке в плане взрывных оконтуривающих камеру скважин 12 вблизи геометрических осей 26, соединяющих центры камер 4 соседних рядов. Это позволяет создать вокруг контура камер такую форму в плане зоны 21 трещиноватости, которая способствует рассеиванию сейсмической нагрузки и препятствует разрушению монолитности первой зоны 22 концентрации напряжений вблизи камер, образующейся в результате проходки камер. Взрывание по сгущенной сетке взрывных скважин вблизи осей 26 позволяет отбойку полезного ископаемого в этих местах производить меньшим количеством взрывчатого вещества (ВВ) и, следовательно, меньше повреждать примыкающие к камере зоны дезинтеграции полезного ископаемого. Величину локального сгущения взрывных скважин, объем ВВ в скважинах, а также форму в плане и толщину f₁ слоя локально раздробленного полезного ископаемого (вплоть до f₁=0), и толщину f₂ слоя раздробленного полезного ископаемого вокруг остальной части камеры определяют на основании предварительного физического (или математического) моделирования напряженного состояния камеры. По результатам моделирования определяют зону опасной концентрации напряжений сжатия и растяжения в междукамерных целиках. Изменяя форму этих слоев, а также их толщину f₁, находят приемлемое по надежности соотношение величин напряженности в междукамерных целиках.

Способ разработки мощных месторождений твердых полезных ископаемых предназначено повысить устойчивость междукамерных целиков при снижении потерь полезного ископаемого в них за счет управления напряженным состоянием массива путем изменения его физико-механических свойств. В массиве горных пород образуют необходимые вспомогательные выработки. Затем проходят один ряд очистных камер, располагая их перпендикулярно направлению действующих максимальных горизонтальных напряжений. В процессе проходки камер контролируют сдвижение пород в зоне камер этого ряда с помощью маркшейдерской съемки. По окончании стабилизации сдвижения горных пород в этом ряду камер приступают к отработке полезного ископаемого из камер смежного ряда. Камеры этого ряда проходят по треугольной сетке, при этом центры камер двух крайних от источника максимальных горизонтальных напряжений рядов распологают по углам равнобедренного треугольника, всех остальных по углам равностороннего треугольника. До массовой отбойки основных запасов полезного ископаемого в смежных камерах выполняют локальную отбойку полезного ископаемого по сгущенной сетке в плане взрывных оконтуривающих камеру скважин вблизи геометрических осей, соединяющих центры камер. 1 з. п. ф-лы, 8 ил.

1. СПОСОБ РАЗРАБОТКИ МОЩНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ТВЕРДЫХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ, включающий проведение вспомогательных выработок, проходку очистных камер путем отбойки полезного ископаемого и выемки его с формированием междукамерных целиков и размещением центров камер в плане в углах треугольника, отличающийся тем, что перед обуриванием камер определяют направление максимальных горизонтальных напряжений в массиве, а после массовой отбойки полезного ископаемого измеряют и контролируют напряженно деформированное состояние массива в зоне камер, при этом массовую отбойку полезного ископаемого осуществляют в рядах камер, располагаемых перпендикулярно направлению максимальных горизонтальных напряжений в массиве, а отбойку каждого последующего ряда камер начинают после стабилизации напряженно - деформированного состояния в массиве в зоне ряда отработанных камер. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что до массовой отбойки полезного ископаемого выполняют локальную отбойку по сгущенной сетке в плане взрывных оконтуривающих камеру скважин вблизи геометрических осей, соединяющих центры камер соседних рядов.