СПОСОБ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ Российский патент 1997 года по МПК E21C41/22 

Изобретение относится к горно-добывающей промышленности и может быть использовано при подземной разработке пологопадающих пластообразных рудных тел.

Известен способ разработки рудных месторождений, включающий проведение подготовительно-нарезных выработок, выемку руды камерами, оставление рудных целиков, принудительное обрушение налегающих пород после отбойки целиков и выпуск руды из целиков под обрушенными породами [1]
Недостатком известного способа является существенное разубоживание руды, добытой из целиков, за счет налегающих пород и бокового засорения породами при выпуске.

Наиболее близким по технической сущности аналогом (прототипом) является способ разработки месторождений полезных ископаемых, включающий проведение подготовительно-нарезных выработок, выемку руды камерами на полную мощность рудного тела с оставлением рудных целиков, принудительное обрушение налегающих пород в пространство камер на высоту мощности рудного тела, отбойку целиков в пределах шага самообрушения пород и выпуск руды из целиков под обрушенными породами [2]
Недостатком известного способа является существенное разубоживание руды, добытой из целиков, за счет налегающих пород и бокового засорения породами при выпуске, потери руды за пределами выработок выпуска.

Техническая задача снижение потерь и разубоживания руды за счет уменьшения засорения пустыми породами и наиболее полного ее извлечения из недр.

Задача решается тем, что камеры и целики образуют попарно таким образом, чтобы суммарная ширина камеры и целика в паре соответствовала условию
b_к+b_ц (0,8-0,9) H_со,
где b_к ширина камеры, м;
b_ц ширина целика, м;
H_со величина шага самообрушения пород, м,
причем ширину целика принимают численно равной
b_ц (0,4-0,5) b_р,
где b_р минимально допустимая по условию устойчивости ширина целика, м, определяемая расчетным путем, и после отбойки целиков осуществляют выпуск "чистой" руды под защитой породной консоли с образованием рудного откоса, после чего производят одновременно отрезку блока пород потолочины над целиком, инициирование самообрушения пород взрыванием скважинных зарядов и обрушение пород кровли над камерами на высоту, определяемую из условия
h_о=(1,2-1,5) М,
где h_о высота обрушения пород, м;
М модность рудного тела, м,
а затем осуществляют выпуск руды под опускающейся блочной потолочиной. В малоустойчивых породах, пары камера целик отрабатывают в шахматном порядке. Для повышения эффективности управления кровлей отрезные скважины располагают по гиперболической поверхности.

Попарное образование камер и целиков таким образом, чтобы суммарная ширина камеры и целика в паре (b_к+b_ц) составляла 0,8-0,9 величины шага H_со самообрушения пород, необходимо для сохранения устойчивости породной консоли в процессе выпуска руды, когда камера и целик разрушены. Если пролет этой консоли сравняется с шагом самообрушения, т.е. b_к+b_ц=H_со, то неизбежно самообрушение налегающих пород, засорение руды и, как следствие, повышение разубоживания при выпуске. Уменьшение суммарной ширины камеры и целика в паре (b_к+b_ц) против значения 0,8 H_со, определяемого запасом устойчивости, ведет к уменьшению размера камеры из условия b_ц=(0,4-0,5)b_р, а следовательно, и к уменьшению количества извлекаемой из нее "чистой" руды, что повышает разубоживание при выпуске.

Принятие ширины целика из условия b_ц=(0,4-0,5)b_р возможно только при условии обрушения налегающих пород кровли над камерами, на границе с целиком, на высоту h_о=(1,2-1,5)М, модности рудного тела, чем достигается уменьшение напряжений в целике в 1,8-2 раза. Это позволяет, соответственно, уменьшить ширину целика и, тем самым, увеличить количество добываемой из камеры "чистой" руды при сохранении соотношения b_к+b_ц=(0,8-0,9)H_со, исключить попадание породы в руду при выпуске и, как следствие, снизить разубоживание.

Выпуск "чистой" руды после отбойки целиков под защитой породной консоли с образованием рудного откоса под углом трения отбитой руды позволяет уменьшить попадание в нее породы и снизить разубоживание при выпуске.

Одновременное обрушение кровли над камерами, отрезка потолочины над отбитым целиком и инициирование самообрушения налегающих пород путем взрывания скважин позволяет, с одной стороны, перекрыть выработанное пространство и предотвратить разброс руды при отбойке целиков, уменьшить ее потери, а, с другой стороны, позволяет образовать блочную, подвижную, опускающуюся под собственной тяжестью потолочину и уменьшить за счет этого разубоживание руды при выпуске.

Обрушение пород кровли над камерами на высоту h_о=(1,2-1,5) М,- мощности рудного тела, позволяет уменьшить нагрузку на рудный целик за счет изменения характера распределения напряжений в массиве и, соответственно, в два раза уменьшить ширину целика, увеличив при этом ширину камеры, при сохранении соотношения b_к+b_ц=(0,8-0,9)H_со, увеличить количество добываемой "чистой" руды и снизить ее разубоживание.

Выпуск руды под опускающейся потолочиной, пригруженной обрушенными породами, способствует уменьшению разубоживания за счет снижения проникновения "пустых" пород в отбитую руду сверху при ее выпуске и за счет использования давления обрушенных пород и веса потолочины для снижения засорения руды с боков при ее выпуске через выпускные выработки под отбитым целиком.

Отработка пар камера-целик вдоль фронта очистных работ в шахматном порядке позволяет в малоустойчивых породах уменьшить площадь одновременно обнаженных пород кровли и, как следствие, количество вывалов пустых пород из породной консоли в рудную массу при выпуске, чем достигается снижение разубоживания руды при выпуске.

Расположение отрезных скважин до гиперболической поверхности позволяет осуществить из одной выработки как горизонтальную, так и вертикальную отрезку блоков налегающих пород прямолинейными скважинами и при этом создать отрезную щель в налегающих породах, свободный пролет которых близок к шагу самообрушения, а ориентировку щели близкой к направлению свода естественного обрушения пород, что повышает эффективность управления кровлей.

На чертежах представлена схема образования камер и целиков согласно данному способу разработки рудных месторождений на начальном этапе (фиг.1) и дальнейшая последовательность технологических операций: отбойка и выпуск руды из камер (фиг.2); отбойка целика под породной консолью (фиг.3); частичный выпуск отбитой из целика руды через выпускные выработки камер под защитой породной консоли и подготовка налегающих пород к принудительному обрушению, отрезке потолочины и самообрушению (фиг.4); выпуск руды под отрезанной потолочиной на начальном (фиг.5) и на завершающем (фиг.6) этапах.

Кроме этого, проиллюстрировано: отработка пар камера целик в шахматном порядке вдоль фронта очистных работ (фиг.7); расположение отрезных скважин в массиве по гиперболической поверхности (фиг.8) и влияние увеличения высоты обрушения налегающих пород на уменьшение напряжений в целике вдоль границы обрушения пород на конкретном примере моделирования в фотоупругом материале условий отработки участка месторождения при соотношении вертикальных σ_y и горизонтальных σ_x напряжений в массиве σ_x = 2σ_y.

Способ разработки месторождений полезных ископаемых осуществляют следующим образом. Вдоль фронта очистных работ, считая от границы 1 обрушения пород (фиг. 1), попарно образуют камеры 2 и целики 3 таким образом, чтобы суммарная ширина b_к камеры и целика b_ц в каждой паре составляла 0,8-0,9 от величины шага H_со самообрушения пород. Ширину b_ц целика 3 определяют из условия: b_ц=(0,4-0,5)b_р, где b_р - ширина целика, определяемая расчетным путем, например, из условия прочности на основе гипотезы Турнера-Шевякова, с учетом всех поправок (Методические указания по установлению размеров камер и целиков при камерной системе разработки руд цветных металлов / Г.Т.Нестеренко, Б. С.Скозобцов, В.Д.Палий и др. Л. ВНИМИ, 1972). Т.к. технология позволяет в 1,8-2 раза уменьшить действующие напряжения в целике, то, соответственно, появляется возможность уменьшения ширины целика. По расчетным размерам камер и целиков проходят выработки выпуска 4 под целиками и, соответственно, выработки 5 под камерами. После отбойки и выпуска чистой руды 6 из камер 2 производят отбойку целиков 3 в свободное пространство камер 2 (фиг.2). Руда при отбойке распределяется под породной консолью 7, частично попадая в камеру 2 (фиг.3). Разлет и, следовательно, потери рудной массы 8 от отбойки целика за пределами границы 1 обрушения пород предотвращается ранее принудительно обрушенной над камерой породой 9. Выпуск рудной массы 8 через выпускные выработки 5 камер 2 под консолью 7 позволяет избежать разубоживания ее при выпуске вплоть до образования откоса 10 под углом трения β отбитой рудной массы 8 (фиг.4), что позволяет исключить попадание породы 9 в выпускные выработки 5 и разубоживание руды при выпуске.

Из буровых выработок 11 бурят скважины 12 для принудительного обрушения налегающих пород 13 над камерами 2 и скважины 14 для отрезки блочной потолочины 15 над обрушенными целиками 3 с перебуром 16 для инициирования самообрушения пород 13. Взрывание скважин 12 и 14 производят одновременно, что, во-первых, предотвращает разлет принудительно обрушенных пород в выработанном пространстве 17 и обеспечивает гарантированное заполнение камер 2 обрушенными породами 18 на полную мощность М рудного тела 19, во-вторых, обеспечивает отрезку блочной потолочины 15, которая при опускании на рудную массу 8 (фиг.5) перераспределяет ее и выравнивает над выпускными выработками 4. Кроме того, динамическое воздействие взрыва при обрушении пород 18 способствует самообрушению налегающих пород 13 при их подрезке пребуренной частью 16 скважин 14 при взрывании. Выпуск рудной массы 8 под плавно опускающейся потолочиной 15, пригруженной самообрушенными породами 20, и способствует уменьшению разубоживания руды не только за счет отсутствия проникновения пород 18, 20 сверху при выпуске, но и за счет препятствования давления обрушенных пород 20 и собственного веса потолочины 15 засорению рудной массы 8 с боков породами 9 и 18 при выпуске через выработки 4 (фиг.6). Затем технологический цикл повторяется.

В наименее устойчивых породах, склонных к образованию вывалов, желательно ограничить длину камер 2 и уменьшить свободные пролеты выработанного пространства 17, чтобы уменьшить вероятность попадания вывалов налегающих пород 13 в отбитую руду 6 и 8. Размещение пар камера 2 целик 3 вдоль фронта очистных работ в шахматном порядке (фиг.7) позволяет решить эту задачу, чем достигается дополнительное снижение разубоживания руды при выпуске.

Расположение отрезных скважин 14 по гиперболической поверхности 21 (например, представленной однополостным гиперболоидом как это показано на фиг.8) позволяет достаточно просто осуществить из одной буровой выработки 11 как горизонтальную, так и вертикальную отрезку блочных потолочин 11 в налегающих породах 13 прямолинейными скважинами 14 и при этом осуществить щелеобразование в породах 13, свободный пролет которых приближен к шагу самообрушения. Ориентировка щели может быть выполнена близкой к направлению свода естественного обрушения пород 13, т.к. этому способствует направление кривизны поверхности 21, а это, в свою очередь, повышает эффективность управления кровлей при самообрушении.

Осуществляют моделирование на фотоупругом материале ситуаций камерно-целикового порядка выемки пологой залежи модностью М=20 м на глубине 600 м при соотношении вертикальных s_y и горизонтальных σ_x напряжений в массиве σ_x= 2σ_y. Отличие в представленных вариантах заключается в том, что вдоль границы целика, отделяющего камеру от обрушенных пород, задается щель, высота которой соответствует высоте обрушения налегающих пород, что изменяет картину напряжений над целиком и изохром.

Исходный (классический) вариант камерно-целиковой системы, без обрушения налегающих пород является точкой отсчета для оценки напряжений в целике и порядков наблюдаемых изохром. Схема достаточно хорошо исследована и расчетные значения изохром удовлетворительно коррелируются с измерениями в реальном массиве. В серии экспериментов на моделях установлено, что при увеличении высоты обрушения налегающих пород на границе с целиком, напряжения в нем сначала уменьшаются, а затем увеличиваются снова, при постоянстве прочих параметров модели и ее нагружения. На изохроме отчетливо видно по центру в верхней части целика овальное темное пятно, где τ_max0, что соответствует в моделируемом массиве ситуации σ_x = σ_y концентрации опорного давления на целик порядка 2γH
В оптимальном пределе значений высоты обрушения h_о=1,2 М наблюдается разгрузка опорного целика и перераспределение опорного давления в направлении нетронутого массива, что видно по изменению картины изохром. При превышении некоторого предела h_о=1,5 М, где h_о=1,7 М наблюдается увеличение напряжений в целике за счет увеличения свободного вертикального пролета (уступа) на границе с выработанным пространством (что адекватно увеличению его высоты при неизменном сечении). На изохроме это заметно по появлению интенсивной темной полосы на границе целика с отработанным пространством.

Сравнение результатов натурных измерений напряжений в целиках при различной высоте обрушения налегающих пород подтверждает справедливость выводов, сделанных при моделировании.

При использовании заявляемого способа разработки месторождений полезных ископаемых достигается по сравнению с известными решениями улучшение показателей полноты и качества извлечения руды из недр, уменьшение объема подготовительно-нарезных работ, повышение безопасности труда за счет более эффективного управления самообрушением кровли.

Внедрение изобретения запланировано в 1996 г.

Способ разработки месторождений полезных ископаемых. Сущность изобретения: камеры и целики формируют попарно так, чтобы суммарная их ширина составляла 0,8-0,9 от величины шага самообрушения пород. Ширину целика принимают 0,4-0,5 от потребной по условиям прочности величины и после отбойки целика в пространство камеры осуществляют выпуск руды через выпускные выработки камеры под защитой породной консоли до образования рудного откоса, после чего производят одновременную отрезку блока пород над отбитым целиком, инициирование самообрушения пород и принудительное обрушение пород над камерой на высоту, составляющую 1,2-1,5 величины мощности рудного тела. Затем осуществляют выпуск руды под опускающимся блоком пород. В малоустойчивых породах пары камера-целик отрабатывают в шахматном порядке. Для повышения эффективности отрезные скважины располагают по гиперболической поверхности. 2 з.п.ф-лы, 8 ил.

1. Способ разработки месторождений полезных ископаемых, включающий проведение подготовительно-нарезных выработок, выемку руды камерами на полную мощность рудного тела, поддержание выработанного пространства рудными целиками, принудительное обрушение налегающих пород, отбойку рудных целиков в пределах шага самообрушения пород и выпуск отбитой из целиков руды под обрушенными породами, отличающийся тем, что камеры и целики образуют попарно так, чтобы суммарная ширина камеры и целика в паре соответствовала условию
b_к + b_ц (0,8 0,9) H_с о,
где b_к ширина камеры, м;
b_ц ширина целика, м;
H_с о величина шага самообрушения пород, м,
причем ширину целика принимают численно равной
b_ц (0,4 0,5) b_р,
где b_р минимально допустимая по условию устойчивости ширина целика, м, определяемая расчетным путем,
и после отбойки целиков осуществляют выпуск руды под защитой породной консоли с образованием рудного откоса, после чего производят одновременно отрезку блока пород потолочины над целиком, инициирование самообрушения пород взрыванием скважинных зарядов и обрушение пород кровли над камерами на высоту, определяемую из условия
h_о (1,2 1,5) M,
где h_о высота обрушения пород, м;
M мощность рудного тела, м,
а затем осуществляют выпуск руды под опускающимся блоком потолочины. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в малоустойчивых породах пары камера-целик отрабатывают в шахматном порядке. 3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что отрезные скважины располагают по гиперболической поверхности.