СПОСОБ РАЗРАБОТКИ СЛЕПЫХ РУДНЫХ ЗАЛЕЖЕЙ ПОД ОХРАНЯЕМЫМИ ОБЪЕКТАМИ Российский патент 2000 года по МПК E21C41/22 

Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для разработки слепых рудных залежей под охраняемыми объектами.

Известен способ разработки рудных тел (а. с. СССР N 1508643, E 21 C 41/06, заявл. 26.07.1989 г.), включающий отработку руды камерами, закладку и дозакладку выработанного пространства некондиционной рудой с полезным компонентом, содержание которого равно содержанию его в хвостах обогащения, и подземное извлечение полезных компонентов в камерах выщелачиванием.

Недостатком известного способа являются высокие затраты на закладочные работы, связанные с доставкой с поверхности некондиционной руды и высокое разубоживание руды, связанное с тем, что при содержании полезного компонента в закладке, равном его содержанию в хвостах, полезный компонент не извлекается на обогатительной фабрике в процессе обогащения и не достигается снижение разубоживания руды закладочным материалом. К тому же невозможно применение известной технологии при отработке мощных рудных залежей под охраняемыми объектами из-за сдвижения пород при выпуске руды из камер.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому способу является способ разработки слепых рудных тел (Разработка месторождений с закладкой, под ред. С. Гранхольма, М., "Мир", 1987 г., с. 159-175), включающий проведение транспортных, буровых, закладочно-вентиляционных, подсечных выработок и закладочных скважин, погоризонтную отбойку руды в пределах выемочных участков камерами первой и последующих очередей, оставление барьерных рудных целиков, закладку выработанного пространства камер через закладочные скважины некондиционной рудой с содержанием в ней полезного компонента, равным содержанию его в хвостах обогащения, отбойку целиков и дозакладку пустот.

Недостатком известного способа являются высокие затраты на закладочные работы, связанные со строительством закладочного комплекса, применением дорогих закладочных смесей, подачей их в шахту, и высокое разубоживание отбитой руды материалом закладки при выпуске руды из камер, потери некондиционной руды в отработанных камерах и в контуре забалансовой некондиционной руды за счет исключения ее из отработки.

Практика подземной отработки слепых рудных залежей под охраняемыми объектами показывает высокий уровень затрат и высокое разубоживание руды материалом закладки.

Техническая задача: снижение разубоживания руды и затрат на закладочные работы за счет вовлечения в отработку в качестве закладочного материала бесполезно теряемой в недрах некондиционной руды.

Поставленная задача решается тем, что в способе ресурсовоспроизводящей разработки слепых рудных залежей под охраняемыми объектами, включающем проведение транспортных, буровых, закладочно-вентиляционных, подсечных выработок и закладочных скважин, погоризонтную отбойку руды в пределах выемочных участков камерами первой и последующих очередей, оставление барьерных рудных целиков, закладку выработанного пространства камер некондиционной рудой, содержащей полезный компонент, через закладочные скважины, отбойку целиков и дозакладку пустот, согласно изобретению, параметры выемочных участков и барьерных рудных целиков выбирают в соответствии с условиями охраны подрабатываемых объектов с учетом размеров зон растягивающих напряжений в массиве, а закладку выработанного пространства камер производят выпускаемой из отработанных камер на вышележащем горизонте и доставляемой по закладочно-вентиляционным выработкам некондиционной рудой с содержанием в ней полезного компонента выше, чем в хвостах обогащения, причем отработку нижележащих горизонтов ведут под защитой некондиционной руды путем дозакладки пустот через закладочные скважины с вышележащего горизонта с образованием техногенной залежи некондиционной руды для последующего извлечения.

При этом достигается снижение затрат на закладочные работы из-за применения отходов производства и удешевления доставки некондиционной руды, достигается снижение разубоживания отбитой руды за счет привнесения полезных компонентов, извлекаемых на обогатительной фабрике, а также уменьшение потерь некондиционной руды в ранее отработанных камерах за счет формирования техногенной залежи некондиционной руды для последующей ее отработки.

Целесообразно при отработке нижележащих горизонтов сохранять закладочно-вентиляционные и транспортные выработки вышележащих горизонтов и использовать их для подземного извлечения полезных компонентов техногенной залежи.

При этом достигается снижение затрат на извлечение полезных компонентов техногенной залежи за счет уменьшения объема проходки выработок, снижение затрат на закладочные работы из-за переработки некондиционной руды в недрах, уменьшение транспортных расходов из-за отказа от доставки некондиционной руды на земную поверхность, на обогатительную фабрику.

Целесообразно также некондиционную руду для закладки добывать из специальных камер в пределах контура забалансовой некондиционной руды.

При этом достигается уменьшение потерь забалансовой некондиционной руды в ее контуре при формировании из нее техногенной залежи некондиционной руды для последующей отработки по сравнению с вариантом строительства закладочного комплекса и доставки некондиционной руды через закладочные скважины с земной поверхности в камеры и достигается снижение разубоживания отбитой руды за счет привнесения из забалансовой некондиционной руды полезных компонентов, извлекаемых на обогатительной фабрике.

Сущность технического решения иллюстрируется примером конкретного исполнения, чертежами и таблицами, где на фиг. 1 показан продольный разрез слепой рудной залежи под охраняемым объектом на земной поверхности; на фиг. 2 - поперечный разрез по камере первой очереди на стадии проведения подготовительных и буровых работ; на фиг. 3 - стадия выпуска отбитой руды; на фиг. 4 - стадия закладки камер первой очереди некондиционной рудой; на фиг. 5 - аксонометрическая проекция части слепой рудной залежи в процессе выпуска отбитой руды из камер второй очереди с одновременной дозакладкой пустот некондиционной рудой; на фиг. 6 - схема очередности отработки камер в залежи; на фиг. 7 - сформированная в процессе отработки техногенная залежь некондиционных руд; на фиг. 8 - пример учета размеров зоны растягивающих напряжений в массиве по результатам математического моделирования напряженно-деформированного состояния массива при анализе технологии отработки Подруслового участка Шерегешевского месторождения магнетитов методом конечных элементов.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

Для слепой рудной залежи 1 (фиг.1) под охраняемым объектом 2, расположенным на земной поверхности 3, выбирают параметры выемочных участков 4 (длину L их по простиранию залежи и длину горизонтальной их проекции l' вкрест простирания залежи); размеры (ширину а, длину l и высоту h) барьерных рудных целиков 5 и размеры камер выемочных участков (камер 6 первой, камер 7 второй и камер 8 последующих очередей) в соответствии с условиями охраны подрабатываемых объектов с учетом размеров зон 9 растягивающих напряжений в массиве 10. Параметры выбирают таким образом, чтобы в процессе отработки деформация ε_m растяжения земной поверхности 3, удельная величина прогиба g, критерии образования воронок обрушения и др. соответствовали допустимым значениям для категории конкретного охраняемого объекта 2.

В соответствии с этими условиями проводят транспортные выработки 11, буровые выработки 12, закладочно-вентиляционные выработки 13, подсечные выработки 14 и осуществляют в пределах выемочных участков 4 отбойку руды камерами 6 первой очереди посредством бурения и взрывания скважин 15 (как это показано на фиг. 2).

Выпуск отбитой руды 16 из камер 6 первой очереди осуществляют под защитой устойчивости кровли 17 (фиг. 3).

Выпускают некондиционную руду 18 на вышележащем горизонте 19 на ранее отработанном выемочном участке 20 из камер 21 рудного тела 22, где содержание компонента в некондиционной руде 18 ниже содержания, допустимого на нижнем пределе выпуска отбитой руды 16, но выше, чем в хвостах 23 обогащения обогатительной фабрики 24. Выпуск некондиционной руды 18 из камер 21 прекращают по достижении в ней содержания полезного компонента, равного неизвлекаемому пределу, - содержанию в хвостах 23 обогащения.

Затем производят закладку камер 6 первой очереди некондиционной рудой 18 (фиг. 4), добываемой из камер 21 и доставляемой по вышележащему горизонту 19, закладочно-вентиляционным выработкам 13 и закладочным скважинам 25.

Подготовка и отбойка камер 7 второй очереди аналогична таковой для камер 6 первой очереди ( фиг. 1-4), а выпуск из них отбитой руды 16 (фиг. 5) осуществляют с дозакладкой некондиционной рудой 18 через закладочные скважины 25.

Отработку каждого нижележащего горизонта 26 камерами 8 последующих очередей ведут под защитой некондиционной руды 18 путем дозакладки пустот через закладочные скважины 25 с вышележащего горизонта 19 (фиг. 6) с образованием техногенной залежи 27 (фиг. 7) некондиционной руды 18, пригодной для последующего извлечения на земную поверхность 3 для переработки на обогатительной фабрике 24 или подземного извлечения полезных ее компонентов (например выщелачиванием).

При отработке каждого нижележащего горизонта 26 целесообразно сохранять закладочно-вентиляционные 13 и транспортные 11 выработки вышележащего горизонта 19 и использовать их для подземного извлечения полезных компонентов техногенной залежи 27.

Некондиционную руду 18 для закладки целесообразно также добывать из специальных камер 28 в пределах контура 29 забалансовой некондиционной руды 30. Транспортировку отбитой забалансовой некондиционной руды 30 производят, например, электровозным транспортом 31.

Реализацию способа рассмотрим на примере отработки Подруслового участка Шерегешевского месторождения магнетитов. Высокое (88%) извлечение руды в концентрат при сухой магнитной ее сепарации предполагает относительно низкий по количеству выход хвостов, что недостаточно для их использования в качестве некондиционной руды при закладке пустот в камерах по традиционным технологиям, в связи с чем неизбежна дополнительная добыча породного закладочного материала и дополнительное разубоживание руды закладкой. Содержание полезного компонента (железа) в хвостах ≈ 10% обусловлено присутствием немагнитных минералов железа (сульфидов и др.), которые не извлекаются при обогащении.

Слепая рудная залежь 1 под охраняемым объектом 2 (объект 1 категории "Большая Речка") Подруслового участка (фиг. 2-5) за счет естественного выклинивания благоприятствует извлечению отбитой руды 16 из камер 6 первой очереди с минимальным разубоживанием породами устойчивой кровли 17.

Чтобы отработка камер в пределах выемочных участков 4 с закладкой сыпучим материалом некондиционной руды 18 не приводила к возникновению опасных деформаций ε_m растяжения земной поверхности 3, воронок обрушения и др. и обеспечивалась полная безопасность по сохранению охраняемого объекта 2 I категории, методика расчетов принята по нормативным отраслевым правилам охраны сооружений ("Временным правилам охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок месторождений руд цветных металлов с неизученным процессом сдвижения горных пород", 1986, М., ВНИМИ). При этом по литологическому составу и условиям залегания подстилающих пород на водопроводящем основании, для исключения возможности выхода на поверхность водопроводящих трещин или провалов дополнительно в геомеханических расчетах учтены размеры зон 9 (фиг. 8) растягивающих напряжений в массиве 10 как потенциально опасные зоны для трещинообразования.

Оценка деформаций ε_m растяжения земной поверхности 3 проведена по формуле

где m - мощность залежи, м;
H - глубина залегания верхней вынимаемой кромки рудного тела, м;
l_э - эквивалентный пролет выработанного пространства, м;
n - показатель, учитывающий прочность и структуру толщин пород. При первичной подработке n = 0,5f_ср;
f_ср - коэффициент крепости по Протодьяконову;
[ε_m] = 2 • 10^-3 - пороговое значение деформаций растяжения земной поверхности.

При разработке системами с обрушением налегающих пород слепых обособленных залежей или отдельных участков пластообразных залежей, верхняя граница которых расположена ниже контакта коренных пород с наносами, земная поверхность 3 будет устойчивой, если соблюдается неравенство
H' > k₁l_э,
где H' - глубина верхней границы выработанного пространства, считая от контакта с насосами, м;
k₁ - коэффициент, учитывающий прочностные свойства горных пород;
l_э - эквивалентный пролет выработанного пространства, м;

где L - длина выемочных участков 4 по простиранию залежи, м;
l' - длина горизонтальной проекции выемочных участков 4 вкрест простирания залежи, м.

При невыполнении условия H' > k₁l_э над выработанным пространством слепых рудных залежей с углом падения α < 70^o на поверхности образуются воронки обрушения, если удовлетворяется неравенство:
V₁ : V₂ < n₁,
где V₁ = 2/3H'_ср • S_пл - объем коренных пород, м³;
H'_ср - средняя глубина расположения выработанного пространства, м;
S_пл - площадь выработанного пространства в плане, м²;
V₂ - объем выработанного пространства, м³;
n - численное значение, являющееся критерием самообрушения земной поверхности и определяемое в зависимости от строения и крепости пород.

Оценка возможности выхода провала на земную поверхность 3 проведена по удельной величине ее прогиба q

Согласно расчетам, результат q = 1 • 10^-2 является первым критерием обрушения с выходом провала на земную поверхность 3, если H/m < 10 при α < 45^o и H/m < 15 при α ≥ 45^o. В нашем случае для горизонтов 185 и 115 м H/m < 10 в большинстве сечений, то есть q ≥ 1 • 10^-2 следует признать критерием выхода провала на земную поверхность 3. При значениях q ≤ 1 • 10^-3 обнажения кровли следует считать устойчивыми, не создающими опасности выхода провала на земную поверхность 3.

Длина l' горизонтальной проекции выемочных участков 4 вкрест простирания залежи, с учетом размеров зон растягивающих напряжений в массиве, определена по зависимости
l' = (l + AL),
где l - геометрическое положение горизонтальной проекции выработанного пространства вкрест простирания залежи, м;
A - эмпирический коэффициент поправки на ширину зоны растягивающих напряжений (для Шерегешевского месторождения A = 0,07 - 0,15).

На фиг. 8 размер l' зоны 9 растягивающих напряжений в массиве, определенный по результатам математического моделирования напряженно-деформированного состояния массива при анализе технологии отработки Подруслового участка Шерегешевского месторождения методом конечных элементов, имеет значение
l' = (70 + 0,14 • 108) ≈ 85 м.

При делении слепой рудной залежи 1 на три выемочных участка 4 барьерными рудными целиками 5 шириной 40 м максимальная расчетная величина сжимающих напряжений σ_x = 60 МПа удовлетворяет условиям прочности массива 10 как на флангах, в приконтурных зонах, так и в барьерных целиках 5.

Отработка слепой рудной залежи 1 между горизонтами 255 и 185 м с полной закладкой выработанного пространства камер некондиционной рудой 18 по численному значению всех критериальных параметров не создает опасных деформаций и условий для образования провалов, но не исключает возможности развития в отдельных зонах 9 боковых пород массива 10 опасных растягивающих напряжений и потерю и устойчивости.

Оценка запаса прочности K_з барьерных рудных целиков 5 проведена по зависимости (Бронников Д.М., Замесов Н.П., Богданов Г.И. Разработка руд на больших глубинах, М., "Недра", 1982)

где σ_пред = σ_сж•λ - предельная прочность массива с учетом структурного ослабления;
λ - коэффициент бокового распора (λ = 0,5);
σ_сж - прочность материала целика в куске, МПа;
K_ф - коэффициент формы целика (При ширине целика a меньше его высоты: h: K_ф = 1,15 - 0,15h/a). Для рассматриваемых условий K_ф = 0,9 (h = 70 м, a = 40 м);
K_у - коэффициент усиления целика закладочным массивом (для сыпучей закладки K_у = 1,4);
γ - объемный вес горной породы, MH/м³;
H - глубина залегания верхней вынимаемой кромки рудного тела, м;
σ_у - горизонтально ориентированные исходные напряжения (γH = σ_у = 28 MПa);
K_п - коэффициент подработки, K_п = S_п/S_ц;
S_п - общая подработанная площадь, м²;
S_ц - общая площадь целиков, м²;
K_a - коэффициент угла падения (K_a = cos²α-ηsin²α);
η - боковой отпор в поле нагрузок; в рассматриваемом случае (η = γH/σ_у);
K_н - коэффициент, учитывающий степень подработки толщи пород. При соотношении l_п/H > 0,75 (l_п = 400 м - пролет выработанного пространства) K_н = 1.

При условии, когда напряжения σ_у = 28 МПа, действующие на всей площади S_п, воспринимаются двумя барьерными рудными целиками 5, запас прочности их при 40-метровой мощности слепой рудной залежи 1 составляет K_з = 3,5. Массив 10 будет испытывать напряжения практически одномерного сжатия σ_x = 40 МПа в центральной зоне и до σ_x = 60 МПа в приконтурной зоне выемочных участков 4. Принятая по расчету ширина a камер 6 первой очереди a = 27 м, а камер 7 второй очереди a = 13,5 м.

Очистные работы удобнее начинать с северо-восточного фланга Подруслового участка (фиг. 6). На первом этапе последовательно отрабатываются камеры 6 первой очереди. Вторая стадия очистных работ предусматривает закладку пустот выработанного пространства камер 6 первой очереди, выпуск некондиционной руды 18 на ранее отработанном добычном участке 20 ("Новый Шерегеш") из камер 21 на вышележащем горизонте 19 (255 м), с содержанием в ней полезного компонента ниже содержания, принятого за нижний предел выпуска отбитой руды 16 (23%), но выше, чем в хвостах 23 обогащения (10%).

Доставка некондиционной руды 18 производится электровозным транспортом 31 (фиг. 1, 7) в опрокидных вагонах по горизонту 255 м, а спуск ее в камеры 6-8 - по закладочным скважинам 25.

Согласно расчетам показателей извлечения руды по методике, принятой на руднике Шерегеш, при снижении качества выпускаемой отбитой руды 16 с 20 до 1% железа ожидаемый прирост выпуска некондиционной руды 18 составит 20-24% от общего объема добычи при среднем содержании железа 15-17%. Соблюдение содержания полезных компонентов в пределах 23-10% при выпуске некондиционной руды 18 позволяет при годовой производительности рудника 1,5 млн. т получить экономический эффект от снижения разубоживания руды порядка 2,6 млрд. руб. в ценах 1997 г.

Технико-экономическое сравнение вариантов закладки некондиционной рудой 18 с содержанием полезных компонентов 23% и хвостами обогащения 23 с содержанием полезных компонентов 10% выполнено применительно к запасам горизонтов 185-255 м, как наиболее перспективным для отработки в ближайшее время. В основу оценки вариантов приняты затраты по Шерегешевскому руднику за октябрь 1997 года без корректировки на проектные объемы добычи руды по шахте.

Для справки следует отметить, что затраты на бурение закладочных скважин 25 для подачи закладки в шахту глубиной 350 м, диаметром 400-600 мм, не учтенные в данном расчете, но имеющие место по традиционной технологии, составляют 6 млрд.руб. в ценах 1997 г.

Образованная техногенная залежь 27 (фиг. 7) некондиционной руды 18 пригодна для последующего извлечения из недр или подземного извлечения полезных ее компонентов (например, выщелачиванием). При сохранении транспортных выработок 11, буровых выработок 12 и закладочно-вентиляционных выработок 13 удобно осуществлять в пределах выемочных участков 4 подземное извлечение полезных компонентов техногенной залежи 27 (например, выщелачиванием), так как некондиционная руда 18 содержит, кроме железа, и другие полезные компоненты (например, до 1-3 г/т золота).

К достоинствам предлагаемой технологической схемы можно отнести быстрый ввод участка в эксплуатацию; сравнительно простую и надежную схему производства закладочных работ; исключение примешивания пород и как следствие снижение потерь и разубоживания при отработке целиков; разубоживание при выпуске осуществляется породами с привносом металла, извлекаемого на стадии обогащения.

Применение описанной технологии при отработке запасов Подруслового участка Шерегешевского месторождения магнитов позволяет в 2-3 раза против прототипа снизить затраты на закладочные работы, повысить качество руды по содержанию железа на 1,9%, качество концентрата на 1,5% и увечить выход его на обогатительном переделе на 1,5%. Себестоимость 1 т железа в концентрате снижается на 4,8%.

Способ предназначен для разработки рудных залежей в условиях необходимости ведения работ под охраняемыми объектами, расположенными на поверхности. Сущность способа заключается в проведении транспортных, буровых, закладочно-вентиляционных, подсечных выработок и закладочных скважин. Погоризонтную отбойку руды в пределах выемочных участков с оставлением барьерных рудных целиков и закладку выработанного пространства камер некондиционной рудой, содержащей полезный компонент. При разработке параметры выемочных участков и барьерных рудных целиков выбирают с учетом размеров зон растягивающих напряжений в массиве, а закладку выработанного пространства камер производят выпускаемой из отработанных камер на вышележащем горизонте и доставляемой по закладочно-вентиляционным выработкам некондиционной рудой с содержанием в ней полезного компонента выше, чем в хвостах обогащения. Отработку нижележащих горизонтов ведут под защитой некондиционной руды путем дозакладки пустот через закладочные скважины с вышележащего горизонта с образованием техногенной залежи некондиционной руды для последующего извлечения. Способ позволяет снизить разубоживание руды и стоимость закладочных работ. 2 з.п.ф-лы, 8 ил.

1. Способ разработки слепых рудных залежей под охраняемыми объектами, включающий проведение транспортных, буровых, закладочно-вентиляционных, подсечных выработок и закладочных скважин, погоризонтную отбойку руды в пределах выемочных участков камерами первой и последующих очередей, оставление барьерных рудных целиков, закладку выработанного пространства камер некондиционной рудой, содержащей полезный компонент, через закладочные скважины, отбойку целиков и дозакладку пустот, отличающийся тем, что параметры выемочных участков и барьерных рудных целиков выбирают в соответствии с условиями охраны подрабатываемых объектов с учетом размеров зон растягивающих напряжений в массиве, а закладку выработанного пространства камер производят выпускаемой из отработанных камер на вышележащем горизонте и доставляемой по закладочно-вентиляционным выработкам некондиционной рудой с содержанием в ней полезного компонента выше, чем в хвостах обогащения, причем отработку нижележащих горизонтов ведут под защитой некондиционной руды путем дозакладки пустот через закладочные скважины с вышележащего горизонта с образованием техногенной залежи некондиционной руды для последующего извлечения. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при отработке нижележащих горизонтов сохраняют закладочно-вентиляционные и транспортные выработки вышележащих горизонтов и используют их для подземного извлечения полезных компонентов техногенной залежи. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что некондиционную руду для закладки добывают из специальных камер в пределах контура забалансовой некондиционной руды.