СПОСОБ ОПТИМИЗИРОВАННОЙ ОРИЕНТАЦИИ ОЧИСТНЫХ ЗАБОЕВ, В ЧАСТНОСТИ НА КАМЕННОУГОЛЬНОМ МЕСТОРОЖДЕНИИ Российский патент 1998 года по МПК E21C41/16 

Изобретение касается способа планирования очистных забоев путем установления направления продвигания очистного забоя, длины очистного забоя, скорости продвигания очистного забоя и последовательности разработки на тектонически нагруженном седиментационном месторождении, в частности на каменноугольном месторождении, причем определяют местоположение очистных забоев на тектонических нарушениях в теле месторождения, а для определения разведуемого и подготавливаемого к разработке тела месторождения в качестве базиса-основы планирования принимают во внимание падение, простирание и размер сброса обнаруженного геологического нарушения.

В ходе горнотехнического планирования первоочередная цель заключается в том, чтобы сориентировать и местоположение очистных забоев в выбранном для проведения очистной выемки теле месторождения таким образом, чтобы в конечном счете извлеченный минерал был связан с незначительными добычными расходами. В этом отношении имеет смысл определить соответствующее самое оптимальное направление ведения очистных работ, самую оптимальную последовательность проведения очистных работ, самую оптимальную скорость проведения очистных работ и самую оптимальную длину очистного забоя в зависимости от действующей тектоники. При этом проблема состоит в том, что тектоника как существенный параметр влияния для определения ориентации очистных забоев во многих случаях неизвестен. Итак, в этом отношении становится необходимым проектирование тектоники, исходя из известных тектонических условий.

Исходным пунктом для такой ориентации являются имеющие место горнотехнические вскрытия в форме подземных горных выработок, глубоких буровых скважин или сейсмических исследований. Эти вскрытия могут присутствовать в форме точки, линии или площади. По результатам этих вскрытий делается заключение о вероятном расположении разрабатываемых пластов и тектонических нарушений для того, чтобы получить базисные данные для проведения планирования, разведочно-подготовительных работ, а также для добычи полезных ископаемых. При необходимости иметь такую структуру месторождения в качестве основных параметров планирования используется падение, простирание и размеры сброса геологических нарушений, на них строится концепция. Известные вскрытия, как правило, геометрически увязываются друг с другом таким образом, что в качестве основы планирования возникает несоответствующая действительности картина месторождения. При этом происходит закрытие зачастую значительных пустот между вскрытиями, исключительно на геометрической основе с помощью продолжения линий, которые должны передавать расположение изображаемых площадей, таких как пласты или тектонические нарушения в пространственно заложенном теле месторождения. При этом, например, при проектировании встречи двух нарушений за основу берется хронологический принцип, согласно которому более молодое нарушение помешало более старому.

Таким образом, в этом виде планирования проведение добычных работ в качестве недостатка следует рассматривать то, что не учтен тектомеханический процесс и что вследствие ограничения проекции исключительно геометрией становится возможной лишь кажущаяся (мнимая) точность. Так, в известном типе планирования проведения добычных работ приблизительно после возникновения трещин остаются неучтенными все еще происходящие движения на надвиге, которые, однако, могут оказывать существенное воздействие на ориентацию местоположения очистных забоев.

Поэтому в основу изобретения положена задача усовершенствовать способ такого рода в части содержательности основных критериев планирования и тем самым достичь большей надежности в осуществлении связанной с незначительными расходами ориентации расположения очистных забоев в телах месторождений.

Решение этой задачи вытекает, включая предпочтительные и прочие формы выполнения изобретения, из содержания формулы изобретения, которая приводится после данного описания.

Изобретение в своей идее предусматривает, что для установления тела месторождения в качестве базиса-основы планирования в планируемой зоне проведения добычных работ определяют процесс распространения энергии складкообразования и выявляют вызванные тектонической энергией ослабления, смятия и сжатие в породном массиве, а также вызванные этими явлениями тектонические переносы массы, и планируемые очистные забои ориентируют в зависимости от установленной таким образом возможности проведения добычных работ и/или от предрасположенности к обвалам и/или от характера поведения газа и/или характера поведения пыли и/или от характера поведения штрека и/или от проявления напряжений и/или от установленных концентраций напряжений в теле месторождения. Вследствие этого с изобретением связано преимущество, состоящее в том, что тектомеханические взаимосвязи при возникновении тела месторождения, подлежащего планированию в части его разработки, используются в качестве основы планирования проведения добычных работ, причем более точные данные о форме и поведении тектоники усовершенствуют основы планирования проведения добычных работ, а также соответствующего планирования необходимых для этого разведочно-подготовительных работ. Таким образом, взаимосвязи между макро- и микротектоникой или между начальными и последующими нарушениями используют для планирования проведения добычных работ не известным до сих пор способом. Таким образом, учет тектомеханических взаимосвязей позволяет заблаговременно дать информацию о том, что, например, сброс известного нарушения предположительно останется тем же или же увеличится или уменьшится в том или ином направлении простирания пласта. В соответствии с этим с помощью способа по изобретению можно определить у известных нарушений величины изменений направления простирания и изменений уклонов и сделать отсюда выводы для планирования проведения добычных работ; имеется возможность привести сведения о разрыве нарушений в зависимости от падения слоев горных пород, это означает в зависимости от уровня складкообразования и с их учетом ориентировать планирование проведения добычных работ. Возможны и более точные данные о форме и проведении макро- и микротектоники, в результате чего целенаправленно совершенствуются основы для планирования проведения добычных работ и сами добычные работы.

Далее, на участке проведения добычных работ, подвергаемом планированию, определяют характеристику энергии складкообразования. Энергии складкообразования в массиве горных пород противостоит противодавление, которое создается массой горной породы; энергия складкообразования преодолевает это противодавление и при этом совершает работу за счет возникновения тектонических нарушений и придания им формы, причем из установленного направления распространения энергии складкообразования оформление нарушения просматривается как основа для планирования проведения добычных работ. Так, возможность проведения добычных работ зависит в отдельном случае существенно от того, прошла ли энергия складкообразования в этом отдельном случае через породный массив без возникновения новых тектонических структур или не были изменены уже существовавшие структуры.

В соответствии с одним примером выполнения изобретения направление распространения энергии складкообразования определяют у зон блокировки движения и у зон свободного движения, и в этих же зонах устанавливают возможность ведения добычных работ. Это основано на научных выводах, что обмен энергии складкообразования на месте происходит лишь до тех пор, пока имеется свободное пространство, как например, дневная поверхность - для возникновения тектонических структур; так возможность проведения добычных работ зависит от наличия зон свободного движения, которым противостоят зоны блокировки движения. При этом в зонах блокировки движения имеются более благоприятные условия для оценки возможности проведения добычных работ, чем в зонах свободного движения.

В частности, имеют место хорошие возможности для проведения добычных работ в зонах, соседствующих с зонами ослабления, а именно со стороны зон ослабления, противоположной направлению энергии складкообразования, а также и в ядре зон ослабления, непосредственно окружающих эти зоны, так как в таких случаях энергия складкообразования в расположенных вокруг зонах ослабления гасится и вследствие этого не вызывает более никакой тектонической нагрузки в рассматриваемой зоне ядра.

Процессы движения в горных породах как следствие нагрузки, создаваемой энергией складкообразования, имеют своим следствием возникновение зон сжатия, смятия и ослабления, котрые можно определить как основу планирования проведения добычных работ в соответствии с примером выполнения изобретения и которые следует учитывать по отдельности для ориентации местоположения очистных забоев. Поскольку зоны сжатия возникают тогда, когда энергия складкообразования и материал горных пород усиленно стремятся навстречу друг другу, то в таких зонах возможности движения у микротектонических нарушений в горных породах ограничены, так что здесь в соответствии с предложением по изобретению предпочтительным образом определяют местоположение очистных забоев. Зоны смятия образуются за счет того, что энергия складкообразования и материал горных пород стремятся проникнуть друг в друга, так что в этих зонах имеют место ограниченные, но в отдельных случаях еще могущие быть использованные возможности проведения добычных работ. И наоборот, зоны ослабления возникают как следствие выполнения энергией складкообразования и материалом горных пород движения друг от друга, а связанная с этим ослабленность создает пустоты для возникновения и оформления микротектонических нарушений; такие зоны имеют сильно ограниченную доступность для проведения добычных работ.

Существование зон сжатия, смятия и ослабления обуславливает наличие расположенных между ними зон, в которых имеет место тектомеханическое перемещение массивов. Перемещение массивов оказывает существенное влияние в части ожидаемой микротектоники. Поэтому изобретение предлагает, в частности, изъять из планирования проведения добычных работ зоны перемещения массивов из области смятия или сжатия в область ослабления.

Тектомеханическое перемещение массивов в отдельном случае находится под существенным воздействием геологических структур, как, например, образование глыбовых гор, с одной стороны, а также трещин, тонких трещин в породе и сдвигов, с другой стороны, так что должны определяться направление распространения энергии складкообразования и вытекающее из этого перемещение массивов относительно трещин, мелких трещин в породе и сдвигов, что необходимо для определения побочной тектоники в зоне нарушений, а очистные забои должны располагаться в зоне минимальной побочной тектоники.

Установление оптимального направления разработки определяется посредством определения оптимальной длины забоя. Поскольку передислокация очистных забоев является очень дорогостоящей, то, исходя из технико-экономических причин, размеры длины забоя при планировании проведения добычных работ должны быть заложены достаточно большими.

Большая длина выемок возникает тогда, когда направления ведения разработок выбраны проходящими параллельно поверхностям скалывания, к которым продвинуты зоны ослабления или на которых расправлены смятия. Однако это имеет силу лишь на расстоянии приблизительно 1000 м, если замерять горизонтально от трещины, и соответственно до середины глыбы, если расстояние, ограничивающих глыбу трещин, меньше чем 2000 м.

При изменениях сброса на трещинах возникают ослабления, которые были продвинуты к смещениям. Направления простирания этих смещений образуют с направлениями простирания трещин в направлении увеличения сброса, как правило, угол около 30 гон. Если же ширина соответствующей глыбы больше 2000 м, то длина забоя должна быть по меньшей мере 2000 м; в другом случае имеют место забои с длиной, которая соответствует ширине глыбы.

В зонах с большим сбросом на трещинах горные породы сжимаются и в результате этого там отсутствуют микротектонические нарушения, что улучшает возможность проведения добычных работ. Там не возникло никаких зон ослабления, которые были продвинуты к смещениям, а в этом случае направление проведения добычных работ выбирается параллельным ограничивающим глыбу трещинам, в то время как ширина глыбы меньше, чем длина простирания трещин с большим сбросом, и поскольку справиться с уклоном пластов можно с помощью соответствующего выбора используемых машин и крепи.

При уменьшающемся сбросе на ограниченных трещинах возникают зоны ослабления, и направление простирания смещений является там решающим фактором для выбора оптимального направления продвигания очистного забоя и длины очистного забоя. Если длина простирания трещин на участке нарушения с большим сбросом меньше, чем ширина глыб, то направление продвигания очистного забоя выбирается перпендикулярным простиранию трещин.

Седиментационные месторождения, такие как, в частности, каменноугольное месторождение, образованы штокверковой тектоникой, которая в свою очередь образована за счет того, что по направлению в глубину нарастают надвиги, которые простираются более или менее перпендикулярно по отношению к трещинам. Если вскрывается волнообразное залегание с микротектоническими смещениями и без них и/или надвигами или же соответственно микротектоническими смещениями и/или смещениями без волнообразного залегания, причем участки кровли остаются ненарушенными или же выше них отсутствуют вскрытия, то тогда по направлению в глубину нарастают большие надвиги. В этом случае следует выбрать оптимальное направление ведения добычных работ, которое будет проходить параллельно надвигам, если расстояние надвигов, замеренное на уровне пласта, меньше, чем расстояние ограничивающих глыбы трещин.

Чтобы улучшить эти основные параметры при встрече волнообразного залегания с микротектоническими сдвигами или же соответственно микротектоническими надвигами или без них, в ходе планирования проведения добычных работ следует предусмотреть шпуры, которые в соответствующих зонах выработки закладывают по направлению вниз, для определения поведения и точного положения надвигов. При этом следует учитывать, что надвиги конструктивно определяются из простирания вкрест зоны с волнообразным залеганием и/или с микротектоническими надвигами, для того чтобы закладываемые шпуры, например, выполнять как скважину, пройденную сплошным забоем, а в зоне определенного таким образом надвига - как скважину колонкового бурения.

Если зона ослабления и зона разрывного нарушения расположены у трещины близко друг к другу на расстоянии менее 600 м или же зона ослабления лежит у трещины по направлению течения энергии, то до 200 м в кровле трещины имеют нарушения, вызванные, в частности, небольшими смещениями. В этом случае в ходе планирования очистного забоя следует предусмотреть также целенаправленно выполненные шпуры, для определения мест излома по направлению простирания и уклона больших трещин. При надвигах имеют место эффекты снежного плуга и эффекты воронки. При этом эффекты снежного плуга связаны с зонами ослабления, а эффекты воронки - с зонами разрывного нарушения. Если расстояние между эффектом снежного плуга и эффектом воронки менее 900 м, то до 100 м в кровле и до 50 м в подошве надвига, а соответствующие зоны сильнее подвержены нарушениям, в частности, посредством более мелких надвигов. В этом случае в ходе планирования выемки следует также предусмотреть специальные шпуры для определения мест излома по направлению простирания и уклона больших надвигов. При необходимости за основу можно взять микротектонику вблизи сдвигов и трещин в качестве указания на ослабленные зоны, чтобы уже в зоне проведения планирования целенаправленно отклонять шпуры в сторону отдельных участков, имеющих нарушения. При наступлении названных выше тектонических условий при планировании местоположения очистных забоев безопасное расстояние следует устанавливать либо равным 200 м до трещин или не равным 100 м от надвигов, и соответственно ориентировать сооружение очистных забоев на трещины для получения оптимальной длины выемки.

Другим существенным аспектом, который следует учитывать при планировании очистных забоев, является ожидаемая как следствие тектонических напряжений предрасположенность к обвалам вмещающей породы, что не только зависит от непосредственного воздействия на достигаемую скорость продвигания очистного забоя, но и существенно влияет на содержание пустой породы в объеме добычи по горной массе, а также на прочность штреков и тем самым на связанные с этим затраты по содержанию.

Аспектом для учета предрасположенности к обвалам при планировании очистных забоев является послойное скольжение при складкообразовании изгиба; это послойное скольжение возникает при складкообразовании с образованием антиклиналей и синклиналей, а также в зоне выхода надвигов по направлению вверх и вниз, а также в зоне изломов на уклоне трещин. Если это скольжение параллельных пластов нарушается скалываниями, включениями в кровле пласта, толстыми стабильными слоями или двойным залеганием пластов, то результатом является повышенная предрасположенность к обвалам, которую следует учитывать как в зоне введения очистных работ, так и при прокладке штреков, например, посредством использования более мощного крепления лавы, за счет ведения очистной выемки без запаздывания в возведении крепи, своевременной установки крепления горизонтальных горных выработок при их проходке, меньшего монтажного расстояния при креплении горизонтальных горных выработок и более высокого профильного веса крепи горизонтальных горных выработок.

То же самое имеет место при встрече послойного скольжения и скалываний, а также при проявлении перекрещивающихся скалываний, которые в этом случае почти всегда вызваны ослаблениями и разрывными нарушениями.

И наконец, при планировании очистных забоев следует также учитывать поведение газа: поскольку очистные забои должны быть ориентированы в зонах разрывных нарушений, то планирование очистных забоев должно учитывать меры по отводу газа, которые следует предусмотреть, в частности, при проявлении скольжения параллельных пластов, при встречном движении в разрабатываемых горных породах, в условиях надвигов, при сжимающих напряжениях, при проявлении эффектов воронки и снежного плуга в глыбах, а также при пластовых сжатиях. То же самое имеет силу также и в случаях отвода газа, осуществляемого при необходимости с помощью скважин, ведущих на земную поверхность; это следует принимать во внимание при надвигах, которые не доходят до пород кровли, в зонах разрывных нарушений у трещин и надвигов с послойным скольжением при складкообразовании изгиба, в зонах разрывных нарушения на большом удалении от трещины, в зонах сжатия у трещин с большим сбросом, при надвигах, а также в зонах антиклинали с надвигами.

Признаки предмета этих документов, раскрытые в приведенном выше описании, формуле изобретения и реферате, могут быть существенными для реализации изобретения в его различных формах выполнения как взятые по отдельности, так и в любой комбинации.

Способ планирования очистных забоев путем установления направления продвигания очистного забоя, длины очистного забоя, скорости продвигания очистного забоя и последовательности разработки на тектонически нагруженном седиментационном месторождении, в частности, на каменноугольном месторождении, усовершенствован в части содержательности основных критериев планирования. Для этого предусмотрено, что для установления тела месторождения в качестве базы-основы планирования выявляют вызванные тектонической энергией ослабления, смятия и сжатия в породном массиве, а также вызванные этими явлениями тектонические переносы массы, и планируемые очистные забои ориентируют в зависимости от установленной таким образом возможности проведения добычных работ и/или от предрасположенности к обвалам и/или от характера поведения газа и/или характера поведения пыли и/или от характера поведения штрека и/или от проявления напряжений и/или от установленных концентраций напряжений в теле месторождения. 17 з.п. ф-лы.

1. Способ планирования очистных забоев путем установления направления продвигания очистного забоя, длины очистного забоя, скорости продвигания очистного забоя и последовательности разработки на тектонически нагруженном седиментационном месторождении, в частности на каменноугольном месторождении, причем определяют местоположение очистных забоев на тектонических нарушениях в теле месторождения, а для определения разведуемого и подготавливаемого к разработке тела месторождения в качестве основных данных планирования принимают во внимание падение, простирание и размер сброса соответствующего обнаруженного геологического нарушения, отличающийся тем, что для определения тела месторождения в качестве основных данных планирования в планируемой зоне проведения добычных работ устанавливают характер энергии складкообразования и выявляют вызванные тектонической энергией ослабления, смятия и сжатия в породном массиве, а также вызванное этими явлениями тектоническое перемещение массы, планируемые очистные забои ориентируют в зависимости от установленной таким образом возможности проведения добычных работ, и/или от предрасположенности к обвалам, и/или от характера поведения газа, и/или характера поведения пыли, и/или от характера поведения штрека, и/или от проявления напряжений, и/или от установленных концентраций напряжений в теле месторождения. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что определяют направление распространения энергии складкообразования у зон блокировки движения и у зон свободного движения и в зависимости от этого устанавливают возможность ведения добычных работ в этих зонах. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что на основании падения, простирания и величины сброса массы известных нарушений и их изменений как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях определяют зоны сжатия, ослабления и смятия. 4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что в зонах сжатия концентрируют очистные забои, а зоны ослабления в широком масштабе изымают из планирования очистных работ. 5. Способ по одному из пп.1 - 4, отличающийся тем, что области перемещения масс из зоны смятия или сжатия в зону ослабления изымают из планирования проведения очистных работ. 6. Способ по одному из пп.1 - 5, отличающийся тем, что определяют направление распространения энергии складкообразования относительно трещин, мелких трещин в породе и сдвигов, что необходимо для определения побочной тектоники в зоне нарушений, а очистные забои располагаются в зоне минимальной побочной тектоники. 7. Способ по одному из пп.1 - 6, отличающийся тем, что при геологическом образовании глыбовых скал с шириной скалы, простирающейся на расстояние менее 2000 м, направление продвигания очистного забоя располагают на расстоянии до 1000 м, определенном в горизонтальном направлении к ограничивающему нарушению, параллельно поверхностям скалывания, к которым придвинуты зоны ослаблений или на которых расправлены смятия. 8. Способ по одному из пп.1 - 6, отличающийся тем, что направление продвигания очистного забоя выбирают перпендикулярным простиранию нарушений с большим сбросом, длина простирания которых меньше, чем ширина ограниченной ими скалы. 9. Способ по одному из пп.1 - 6, отличающийся тем, что направление продвигания очистного забоя выбрано параллельными простиранию нарушений с большим сбросом, длина простирания которых больше, чем ширина ограниченной ими скалы. 10. Способ по одному из пп.1 - 9, отличающийся тем, что направление ведения добычных работ у смешений, простирающихся под углом к трещинам, выбирают параллельным надвигам, поскольку замеренное на уровне пласта расстояние меньше, чем расстояние ограничивающих скалу трещин относительно друг друга. 11. Способ по одному из пп.1 - 10, отличающийся тем, что в зоне выхода надвигов устанавливают направление распространения энергии складкообразования и, исходя из направления распространения энергии складкообразования, делают заключение о микротектонике. 12. Способ по одному из пп.1 - 11, отличающийся тем, что при планировании очистных забоев для соответствующей области определяют послойное скольжение и при выводимой отсюда повышенной предрасположенности к обвалам вмещающей породы в кровле планируют меры по защите кровли и сокращению времени запаздывания при возведении крепи. 13. Способ по одному из пп.1 - 12, отличающийся тем, что при встрече послойного скольжения и скалываний принимают меры по защите кровли и сокращению времени запаздывания при возведении крепи. 14. Способ по одному из пп.1 - 11, отличающийся тем, что при планировании очистных забоев для соответствующей области определяют послойное скольжение и при выводимой отсюда повышенной предрасположенности к области вмещающей породы предусматривают усиление крепления горизонтальных горных выработок. 15. Способ по одному из пп.1 - 11, отличающийся тем, что при перекрещивающихся в зоне проведения добычных работ скалываниях планируют мероприятия по защите кровли и сокращению времени запаздывания при возведении крепи. 16. Способ по одному из пп.1 - 11, отличающийся тем, что при перекрещивающихся в зоне проведения добычных работ скалываниях предусматривают меры по усилению крепления горизонтальных горных выработок. 17. Способ по одному из пп.1 - 16, отличающийся тем, что при планировании очистных забоев в зонах смятия учитывают необходимость отвода газа, в частности в зонах со скольжением параллельных пластов, при встречных движениях, в зонах ниже надвигов, при сжатиях, эффектах воронки, при эффектах снежного плуга и при усадках пласта. 18. Способ по одному из пп.1 - 17, отличающийся тем, что при планировании очистных забоев учитывают необходимость вывода газа через проходящие на поверхность скважины при надвигах, не достигающих пород кровли, или в зонах смятия на трещинах и надвигах с послойными скольжениями, или в зонах смятия на большем удалении от трещины, или в зонах сжатия в сочетании с трещинами, имеющими большую величину сброса, или под надвигами, или в антиклинальных зонах с надвигами.