СПОСОБ РАЗРАБОТКИ ЗАВОДНЕННЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ВОДОРАСТВОРИМЫХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ Российский патент 2001 года по МПК E21C41/20 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при подземном шахтном способе разработки полезных ископаемых, преимущественно водорастворимых.

Известен способ разработки заводненных месторождений водорастворимых полезных ископаемых, включающий буровзрывную выемку пластов полезных ископаемых под защитой толщи водоупорных горных пород /ВГП/ камерами с оставлением междукамерных целиков /Р.С.Пермяков и др. Технология добычи солей. М. : Недра. 1981, с. 116 - 118/.

Недостатками этого способа являются многооперационность и низкая производительность труда, невозможность применения при выемке пластов с неустойчивой кровлей. Кроме того, многоразовое, регулярное взрывание зарядов взрывчатых веществ /ВВ/ в пределах камерны приводит к многократному наложению возникающих сейсмических волн в одних и тех же объемах пород кровли и способствует сейсмическому их разрушению. Аналогичное ослабляющее воздействие оказывают взрывы зарядов ВВ при буровзрывном способе выемки полезных ископаемых на междукамерные целики. По всей длине камеры глубина техногенных трещин в междукамерных целиках достигает, в данном случае, 1 - 2 м. Есть данные, что при определенных условиях буровзрывная выемка калийных солей является фактором, способствующим возникновению массовых обрушений и горных ударов /Технология подземной разработки калийных руд. М.: Недра. 1977, с. 246/.

Известен способ разработки месторождений полезных ископаемых /А.С.Бурчаков и др. Процессы подземных горных работ. М.: Недра, 1982, с. 107 - 108/, включающий машинный способ выемки полезных ископаемых лавами с принудительным, с помощью взрывов зарядов ВВ, обрушением пород кровли, исключающим внезапное катастрофическое массовое их обрушение.

Недостатками способа, наряду с большими затратами средств на буровзрывной способ обрушения пород кровли, являются большие скорости сдвижения горных пород кровли, что приводит к образованию в динамической зоне мульды сдвижения горных пород протяженных магистральных трещин разрыва сплошности. Следствием этого процесса при подземной разработке заводненных месторождений водорастворимых полезных ископаемых и малой мощности защитной толщи водоупорных горных пород является катастрофическое затопление подземных горных выработок.

Известен способ разработки заводненных месторождений водорастворимых полезных ископаемых /Р. С.Пермяков и др. Технология добычи солей. М.: Недра, 1981, с. 113 - 115 и 120 - 125/, принят за прототип, включающий машинную выемку пластов полезных ископаемых под защитой толщи ВГП камерами с оставлением междукамерных целиков.

Недостатком способа являются неожиданные и самопроизвольные разрушения толщи ВГП, приводящие к катастрофическим последствиям. В марте 1986 г. в результате разрыва сплошности пород водозащитной толщи и проникновения в горные выработки надсолевых вод был затоплен крупнейшим в мире Третий Березниковский калийный рудник /Пермская обл./. Народнохозяйственный ущерб от этого оценен в 1,5 млрд.руб. /цены 1986 г./. В январе 1995 г. горняки, ведущие основание недр Верхнекамского калийного месторождения, столкнулись с новым испытанием. На Втором Соликамском калийном руднике внезапно разрушились целики и обрушилась вышележащая толща пород на площадке 560 х 660 м с последующим быстрым оседанием земной поверхности до 4,8 м. Как и на Третьем Березниковском руднике, разрушение сопровождалось большими газовыделениями, воспламенениями и взрывами газов.

Предлагаемое изобретение направлено на решение задачи по повышению безопасности и эффективности ведения горных работ и охраны окружающей среды за счет предотвращения массовых обрушений и катастрофиеских явлений, связанных с затоплением выработанного пространства.

Решение данной задачи опосредовано новым техническим результатом, заключающимся в релаксации напряжений, возникающих в формирующейся в процессе выемки полезных ископаемых зоне трещинообразований и обрушений в толще ВГП над выработанным пространством, и погашении техногенных объемных источников упругой энергии.

Существенные признаки заявленного технического решения:
ограничительные - машинная выемка пластов полезных ископаемых под защитой толщи ВГП камерами с оставлением междукамерных целиков;
отличительные - выемку пластов полезных ископаемых сочетают с взрыванием зарядов ВВ, которые размещают в междукамерных целиках по триангуляционной сетке, определение местоположения центров узлов сетки начинают с фиксации на плане горных выработок центров двух базисных узлов, являющихся центрами двух базисных зарядов ВВ, располагаемых в междукамерных целиках у исходной границы выработанного пространства, расстояние между которыми принимают равным двухпрокатному расстоянию от центра первого базисного узла до верхней границы формирующейся при выемке пластов полезных ископаемых зоны трещинообразования и обрушений в толще ВГР, месторождение центра третьего по построению узла определяют на плане путем нахождения точки пересечения дуг с центрами, совмещенными с зафиксированными центрами базисных узлов, радиусами, равными двухкратным расстояниям от центров соответствующих базисных узлов до верхней границы формирующейся при выемке пластов полезных ископаемых зоны трещинообразований и обрушений в толще ВГП, местоположение центров последующих узлов определяют на плане путем нахождения точек пересечений дуг с центрами, совмещенными с центрами, совмещенными с центрами зафиксированных смежных узлов, радиусами, равными двухкратным расстояниям от соответствующих зафиксированных смежных центров узлов до верхней границы формирующейся при выемке пластов полезных ископаемых зоны трещинообразований и обрушений в толще ВГП, при этом, в случае, если центры узлов сетки приходятся на камеры или краевые части целиков, то соответствующие им заряды ВВ размещают внутри ближайших к этим центрам междукамерных целиков, массу заряда ВВ Q определяют из выражения
Q = (h/kα)³ кг, где h - расстояние от центра заряда ВВ до верхней границы, формирующейся при выемке пластов полезных ископаемых зоны трещинообразований и обрушений в толще ВГП, м;
k - коэффициент, зависящий от свойств пород толщи ВГП, находится в пределах от 3 до 10;
α - коэффициент, зависящий от показателя действия взрыва n, изменяется от 1,2 при камуфлетном взрывании и n ≅ 0,5, до 0,7 при n ≥ 3,
кроме того, первый подрыв зарядов ВВ производят после образования в толще горных пород над выработанным пространством зоны полных сдвижений пород.

Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков и ожидаемым техническим результатом заключается в том, что при сочетании выемки пластов полезных ископаемых с взрыванием зарядов ВВ, размещаемых в междукамерных целиках по триангуляционной сетке, происходит распределение по площади выработанного пространства воздействие сейсмическими волнами низкой частоты, возникающая при взрыве зарядов ВВ, на горные пород, слагающие зону трещинообразований и обрушений в толще ВГП, формирующуюся в процессе выемки полезных ископаемых. Аналитическими и экспериментальными исследованиями установлено, что мощность этой зоны соответствует пятикратной приведенной на площадь выработанного пространства высоты суммарной полости, образующейся при выемке полезного ископаемого, с учетом закладочных работ. В этой зоне в каждый момент времени, с различной интенсивностью на разных участках, происходят сдвижения горных пород, сопровождающиеся процессами трещинооброзований, а в конечном итоге - обрушениями. При этом поле напряжений, формирующееся вокруг очистной камеры, практически находится в постоянном взаимодействии с полем напряжений вокруг соседних камер. Это взаимовлияние исчезает только при коэффициенте извлечения полезных ископаемых из недр менее 25 процентов /реально коэффициент извлечения составляет при камерной системе разработки 34 - 60/. В зависимости от физических свойств пород, слагающих массивы целиков и потолочин, их размеров, степени и скорости нагружения, в границах выработанного пространства создаются условия для возникновения упругодеформируемых объемов горных пород, способных накапливать упругую энергию и выполнить при этом роль "мостов" или "подпорок", до момента достижения ими критических деформаций. Мгновенное разрушение этих геометрических конструкций приводит к динамическому высвобождению накопленной энергии, разгрузке и скачку горного давления, провоцирующему непрогнозируемое разрушение близлежащих целиков и потолочин.

При реализации предлагаемого изобретения в каждую локальную напряженную зону вводится строго дозированная энергия взрыва зарядов ВВ, количество которой в десятки раз меньше критических значений, необходимых для разрушения. Вместе с тем, сейсмические волны взрывов являются способными проводить в действие механизмы пластической деформации, обуславливая интенсивное, практическое мгновенное, ослабление напряжений. В результате достигается контролируемое упрочнение и благоприятное изменение напряженного состояния массива горных пород.

Масса заряда Q определяется из условия, что энергетическое действие сейсмической волны гарантированно не вызывает разрушений в горных породах водозащитной толщи и полностью исчерпывают свои силовые возможности в пределах формирующейся при выемке полезных ископаемых зоны трещинообразований и обрушений. Этим требованиям удовлетворяет экспериментально полученная формула
Q = (h/kα)³ кг, где h - расстояние от центра заряда ВВ до верхней границы, формирующейся при выемке пластов полезных ископаемых зоны трещинообразований и обрушений в толще ВГП, м;
k - эмпирический коэффициент, зависящий от свойств пород толщи ВГП, находится в пределах от 3 до 10;
α - эмпирический коэффициент, зависящий от показателей действия взрыва n, изменяется от 1,2 при камуфлетном взрывании и n ≅ 0,5, до 0,7 при n ≥ 3.

Учитывая, что распространение сейсмических волн носит объемный, сферический характер, и исходя из условий эффективного, но щадящего воздействия последних на породы зоны трещинообразований и обрушений, расстояние между соседними зарядами ВВ принимается равным двухкратному расстоянию от центра заряда до верхней границы зоны трещинообразований и обрушений. При этом практически исключается интерференция сейсмических волн от соседних источников в наиболее активных с точки зрения механического воздействия на горные породы частях сферы.

На фиг. 1 показана схема разработки заводненного месторождения водорастворимых полезных ископаемых, вертикальный разрез по А-А.

На фиг. 2 показан план горных выработок, разрез по Б-Б.

Способ разработки заводненных месторождений водорастворимых полезных ископаемых осуществляется следующим образом.

Выемку пластов 1, 2 водорастворимых полезных ископаемых ведут под защитой толщи 3 ВГП машинным способом, с помощью проходческо-очистных комбайнов /не показаны/, камерами с регулярным оставлением в выработанном пространстве междукамерных целиков 6, 7. Выемку пластов 1,2 сочетают с взрыванием зарядов взрывчатых веществ 8. . .13, которые размещаются в междукамерных целиках 6 верхнего пласта 1 по триангуляционной сетке.

Определение местоположения центров 14...19 узлов сетки начинают с фиксации на плане горных выработок центров 14, 15 двух базисных узлов, являющихся центрами двух базисных зарядов ВВ 8, 9, располагаемых в междукамерном целике 6 у исходной границы выработанного пространства. Расстояние между центрами 14 и 15 принимают равным двухкратному расстоянию от центра 14 первого базисного узла до верхней границы 20, формирующейся при выемке пластов 1, 2 полезных ископаемых зоны трещинообразований и обрушений в толще 3 ВГП.

Местоположение центра 16 третьего по построению узла определяют на плане путем нахождения точки пересечения дуг с центрами, совмещенными с зафиксированными центрами 14, 15 базисных узлов, радиусами, равными двухкратным расстояниям от центров 14, 15 соответствующих базисных узлов до верхней границы 20, формирующейся при выемке пластов 1, 2 полезных ископаемых зоны трещинообразований и обрушений в толще 3 ВГП.

Местоположение центров 17. .. 19 последующих узлов определяют на плане путем нахождения точек пересечения дуг с центрами, совмещенными с центрами 14 и 16, 16 и 17, 16 и 18 зафиксированных смежных узлов, радиусами, равными двухкратным расстояниям соответствующих зафиксированных центров 14 и 16, 16 и 17, 16 и 18 смежных узлов до верхней границы 20, формирующейся при выемке пластов 1, 2 полезных ископаемых зоны трещинообразований и обрушений в толще 3 ВГП.

В связи с тем, что центры 16...19 узлов сетки приходятся на краевые части целиков 6, соответствующие им заряды ВВ 10...19 размещают внутри ближайших к центрам 16...19 междукамерных целиков 6.

Массу зарядов ВВ 8...13 (Q₈...Q₁₃) определяют из выражения

где h_(8...13) - расстояние от центра соответствующего заряда ВВ /8...13/ до верхней границы 20, формирующейся при выемке пластов 1, 2 полезных ископаемых зоны трещинообразований обрушений в толще 3 ВГП;
k - коэффициент, зависящий от свойств пород толщи 3 ВГП, находится в пределах от 3 до 10;
α_(8...13) - коэффициент, зависящий от показателя действия взрыва n, изменяется от 1,2 при камуфлетном взрывании и n ≅ 0,5, до 0,7 при n ≥ 3.

С целью повышения эффективности обработки сейсмическими волнами, формирующейся при выемке пластов 1, 2 полезных ископаемых зоны трещинообразований и обрушений в толще 3 ВГП, первый подрыв зарядов ВВ производят после обработки в толще горных пород над выработанным пространством зоны полных сдвижений пород с границами 21, 22, расположенными под углом к горизонту, соответствующему углу полных сдвижений (Ψ), когда на целики 6 начинает действовать вес всей подработанной толщи.

Благодаря низкочастотному характеру сейсмических колебаний, возникающих при взрывании зарядов ВВ 8...13, в горных породах формирующейся в процессе выемки пластов 1, 2 полезных ископаемых зоны трещинообразований и обрушений в толще 3 ВГП протекают процессы релаксации напряжений. При этом возникшие в результате неравномерного деформирования слагающих целики и потолочины пород упругие деформации переходят в пластические. Достигается контролируемое упрочнение геомеханических конструкций, исключается накопление потенциальной упругой энергии, провоцирующей внезапные катастрофические разрушения и обрушения массивов горных пород, образование, при определенных условиях, в толще 3 ВГП магистральных водопроводящих трещин.

Пример конкретного выполнения способа.

На калийном руднике отрабатываются два сильвинитовых пласта /поз. 1, 2/ мощностью, соответственно, 3,5 и 6 м, при коэффициенте извлечения из недр 0,5 и 0,6. При выемке пластов /поз. 1, 2/ над верхним пластом /поз. 1/ в толще пород /поз. 3/ водоупорных пород формируется зона трещинообразований и обрушений. Расстояние от кровли верхнего пласта /поз. 1/ до верхней границы /поз. 20/ этой зоны h_зоны определяется из выражения
h_зоны = 5 Σ (m_i · k_i), м,
где m_i мощность i-го пласта, м;
k_i - коэффициент извлечения i-го пласта,
h_зоны = 5(3,5 · 0,5 + 6 · 0,6) = 26,75 м.

Для релаксации напряжений в горных породах зоны трещинообразований и обрушений в междукамерных целиках /поз. 6/ по триангулуяционной сетке размещают заряды ВВ /поз. 8...13/. Расстояние h от центра заряда ВВ до верхней границы /поз. 20/ формирующейся зоны трещинообразований и обрушений составит
h = h_зоны + 0,5m₁ = 28,5 м,
где m₁ - мощность верхнего пласта /поз. 1/, равна 3,5 м.

Тогда расстояние между центрами узлов триангуляционной сетки, равное 2h, составляет 57 м.

Масса заряда ВВ /поз. 8...13/ определяется из выражения Q = (h/kα)³,кг, где k - коэффициент, зависящий от свойств пород толщи /поз. 3/ ВГП, для соляных пород с глинистыми пропластками равен 6; α - коэффициент, зависящий от показателей действия взрыва, при камуфлетном взрывании равен 1,2,

На шахтном поле размерами 4000 х 4000 м за 50 - 60 лет отработки потребуется произвести порядка 4900 взрывов и взорвать около 303800 кг ВВ. Расчеты показывают, что в сопоставительных ценах на выполнение данных профилактических мероприятий затраты составляют 0,010% от экономического ущерба, наносимого народному хозяйству при катастрофическом заполнении калийного рудника.

Способ может быть использован в горном деле при машинной выемке камерами заводненных месторождений водорастворимых полезных ископаемых и малой мощности покрывающей месторождение толщи водоупорных горных пород. Способ решает задачу повышения безопасности ведения горных работ, предотвращения катастрофических явлений, связанных с затоплением выработанного пространства, путем создания условий для релаксации напряжений в толще водоупорных горных пород и придания процессам деформирования и сдвижения горных массивов плавного характера. Выемку пластов полезных ископаемых сочетают с взрыванием зарядов взрывчатых веществ (ВВ), которые размещают в междукамерных целиках по триангуляционной сетке. Определение местоположения центров узлов сетки начинают с фиксации на плане горных выработок центров двух базисных узлов, являющихся центрами двух базисных зарядов ВВ, располагаемых в междукамерных целиках у исходной границы выработанного пространства, расстояние между которыми принимают равным двукратному расстоянию от центра первого базисного узла до верхней границы, формирующейся при выемке пластов полезных ископаемых зоны трещинообразований и обрушений в толще водоупорных горных пород. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ разработки заводненных месторождений водорастворимых полезных ископаемых, включающий машинную выемку пластов полезных ископаемых под защитой толщи водоупорных горных пород камерами с оставлением междукамерных целиков, отличающийся тем, что выемку пластов полезных ископаемых сочетают с взрыванием зарядов взрывчатых веществ, которые размещают в междукамерных целиках по триангуляционной сетке, определение местоположения центров узлов сетки начинают с фиксации на плане горных выработок центров двух базисных узлов, являющихся центрами двух базисных зарядов взрывчатого вещества, располагаемых в междукамерных целиках у исходной границы выработанного пространства, расстояние между которыми принимают равным двукратному расстоянию от центра первого базисного узла до верхней границы формирующейся при выемке пластов полезных ископаемых зоны трещинообразований и обрушений в толще водоупорных горных пород, местоположение центра третьего по построению узла определяют на плане путем нахождения точки пересечения дуг с центрами, совмещенными с зафиксированными центрами базисных узлов, радиусами, равными двукратным расстояниям от центров соответствующих базисных узлов до верхней границы формирующейся при выемке пластов полезных ископаемых зоны трещинообразований и обрушений в толще водоупорных горных пород, местоположение центров последующих узлов определяют на плане путем нахождения точек пересечений дуг с центрами, совмещенными с центрами
зафиксированных смежных узлов, радиусами, равными двукратным расстояниям от соответствующих зафиксированных центров смежных узлов до верхней границы формирующейся при выемке пластов полезных ископаемых зоны трещинообразований и обрушений в толще водоупорных горных пород, при этом в случае если центры узлов сетки приходятся на камеры или краевые части целиков, то соответствующие им заряды взрывчатого вещества размещают внутри ближайших к этим центрам междукамерных целиках, массу (кг) заряда взрывчатого вещества Q определяют из выражения где h - расстояние от центра заряда взрывчатого вещества до верхней границы формирующейся при выемке пластов полезных ископаемых зоны трещинообразований и обрушений в толще водоупорных горных пород, м; k = 3 - 10 - коэффициент, зависящий от свойств пород толщи водоупорных горных пород; α- коэффициент, зависящий от показателя действия взрыва n, изменяется от 1,2 при камуфлетном взрывании и n ≅ 0,5 до 0,7 при n ≥ 3. 2. Способ разработки заводненных месторождений водорастворимых полезных ископаемых по п.1, отличающийся тем, что первый подрыв зарядов взрывчатого вещества производят после образования в толще горных пород над выработанным пространством зоны полных сдвижений пород.