СПОСОБ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ВОДОРАСТВОРИМЫХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ Российский патент 2005 года по МПК E21C41/20 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при подземном шахтном способе разработки месторождений полезных ископаемых, преимущественно водорастворимых, залегающих в толще водоупорных горных пород, граничащих с обводненными горными породами.

Известен способ разработки заводненных месторождений водорастворимых полезных ископаемых (А.Н.Андреичев. Разработка калийных месторождений. -М: Недра. 1966. С.23-24; 182-199; 229-244), включающий выемку водорастворимых полезных ископаемых под защитой толщи водоупорных горных пород, с применением камерной системы разработки и отработкой запасов в виде единого выработанного пространства, площадью, достигающей 30 и более квадратных километров.

Недостатком способа является низкая гарантия от катастрофического проникновения подземных вод в горные выработки в результате нарушения сплошности водозащитной толщи по причинам естественного и техногенного характера, низкое извлечение полезных ископаемых из недр. Так, на Верхнекамском калийном месторождении из 13-ти пластов калийных и калийно-магниевых солей по условиям безопасности отрабатывается один, два, в лучшем случае - три пласта. При этом коэффициент извлечения на рабочих пластах достигает 30%.

В 1986 г. катастрофическим образом был затоплен крупнейший в мире Третий Березниковский калийный рудник, мощностью 8,2 млн. тонн сильвинитовой руды в год. В 1995 г., в связи с массовым обрушением потолочин и разрушением целиков на грани затопления оказался Второй Соликамский калийный рудник. Никто не может дать гарантии, что при существующей технологии ведения горных работ в ближайшие годы не будет затоплен, по крайней мере, еще один рудник, из шести работающих.

Известен способ разработки заводненных месторождений водорастворимых полезных ископаемых (Старцев В.А. Фибрилляция соляной толщи - предвестник грядущих катастроф, - ж. Безопасность труда в промышленности. №9. 2000, -С. 21-24), принят за прототип. Способ В.А.Старцева включает отработку запасов шахтного поля выемочными полями, ограниченными в пространстве поверхностями граней пирамид, вершины которых не выходят за пределы нижней, допустимой по отсутствию трещин разрыва, границы водозащитной толщи, а угол наклона граней этих пирамид больше или равен углу полных сдвижений (ψ) горных пород естественного массива, заключенного в пирамидах, с формированием в пределах каждой пирамиды одновременно с выемкой полезного ископаемого искусственного несущего целика, находящегося в силовом взаимодействии с окружающими пирамиду горными породами.

Недостатком способа является наличие определенного риска в ведении горных работ, связанных с отсутствием в настоящее время методов и средств для достоверного, в том числе и визуального определения параметров и свойств горных пород, слагающих водозащитную толщу, в том числе аномальных зон, характеризующихся природной трещиноватостью, обводненностью, рыхлостью горных пород; вероятностная возможность образования трещин разрыва над конструктивными зонами концентраций напряжений; проблематичность визуального и инструментального контроля за формированием технологических искусственных несущих целиков и коррекции их деформационных и прочностных свойств.

Известен способ разработки заводненных месторождений водорастворимых полезных ископаемых В.А.Старцева по патенту РФ №2164601, кл. Е 21 С 41/20, опубликован в 2000 г., включающий создание в толще водоупорных горных пород перед выемкой полезных ископаемых экрана в виде водонепроницаемого и трещиноулавливающего горизонта.

Недостатком способа является большой объем горностроительных работ с обязательным применением специальных трещинопоглощающих веществ.

Предлагаемое изобретение направлено на решение комплексной задачи по созданию гарантированно безопасных условий добычи водорастворимых полезных ископаемых при высокоэффективной технологии их отработки.

Решение данной задачи опосредованно новым техническим результатом, заключающимся в непосредственном визуальном и инструментальном исследовании и оценке технологических свойств горных пород водозащитной толщи над участками планируемой выемки водорастворимых полезных ископаемых; в возможности своевременного исключения из отработки участков (выемочных полей) с аномальной водозащитной толщей; в управлении направленностью развития экстремальных техногенных трещин, вероятностно возможных при нарушении технологии выемки полезного ископаемого и формирования несущего искусственного целика в пределах выемочного поля; в релаксации механических напряжений на участках их концентрации; в возможности визуального и инструментального контроля за процессом формирования несущих искусственных целиков и коррекции их объемных, прочностных и деформационных характеристик.

Существенные признаки заявленного технического решения:

ограничительные: отработка запасов выемочными полями, ограниченными в пространстве поверхностями граней пирамид, вершины которых не выходят за пределы нижней, допустимой по отсутствию трещин разрыва, границы водозащитной толщи, а угол наклона граней этих пирамид больше или равен углу полных сдвижений горных пород естественного массива, заключенного в пирамидах, с формированием в пределах каждой пирамиды одновременно с выемкой полезного ископаемого искусственного несущего целика, находящегося в силовом взаимодействии с окружающими пирамиду горными породами;

отличительные: перед выемкой запасов полезных ископаемых над будущим выработанным пространством в водозащитной толще образуют сеть природоохранных горных выработок с узлами, расположенными под вершинами пирамид, ограничивающих выемочные поля, и нитями - природоохранными горными выработками, ориентированными по ребрам граней этих пирамид; узлы сети - сопряжения и/или пересечения природоохранных горных выработок - располагают под вершинами виртуальных пирамид на расстоянии от вершин не менее высоты возможного свода трещинообразований и обрушений над сопряжением и/или пересечением природоохранных горных выработок.

Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков и техническим результатом заключается в том, что образование перед выемкой запасов полезных ископаемых в водозащитной толще над будущим выработанным пространством сети природоохранных (экологических) горных выработок с узлами, совпадающими с вершинами пирамид, ограничивающих выемочные поля, и нитями - природоохранными горными выработками, ориентированными по ребрам граней этих пирамид, позволяет впервые производить визуальную и инструментальную рекогносцировку водозащитной толщи над будущими выемочными полями с принятием оперативных мер по «выбраковыванию» и исключению из разработки выемочных полей с аномальными свойствами пород водозащитной толщи; обеспечивает снижение концентраций механических напряжений над выемочными полями пирамидальной формы (в местах нарушения постоянства форм, свойственных для концентрации напряжений); создает условия для оптимального и гарантированного улавливания вероятностно возможных, в случае нарушения регламента ведения горных работ, техногенных трещин, распространяющихся вдоль ребер граней пирамиды в направлении к области водозащитной толщи, расположенной на вершине пирамиды; обеспечивает возможность для визуального и инструментального контроля за процессом формирования несущих искусственных целиков, коррекции динамики процесса, объемных, прочностных и деформационных характеристик целиков путем взрывания зарядов взрывчатых веществ, подачи через природоохранные горные выработки в формирующийся несущий искусственный целик дополнительных порций закладочного материала с заданными технологическими и реологическими свойствами.

На чертеже показана схема разработки месторождения водорастворимых полезных ископаемых, вид сверху, через толщу водоупорных горных пород.

Способ В.А.Старцева осуществляется следующим образом.

На основании геологоразведочных данных, включающих сведения о высотных отметках границ водозащитной толщи и разрабатываемой залежи полезных ископаемых, геомеханических характеристик горных пород и массивов на планах горных выработок строят сопряженную совокупность пирамид, ограничивающих выемочные поля 1,2,...9, вершины которых не выходят за пределы нижней, допустимой по отсутствию трещин разрыва, границы водозащитной толщи, угол наклона граней этих пирамид больше или равен углу полных сдвижений (ψ) горных пород естественного массива, заключенного в пирамидах, основания которых покоятся на уровне почвы предусмотренной к разработке залежи.

На чертеже вершины и грани виртуальные пирамид, ограждающих выемочные поля 2, 3...9, не показаны.

Намечают трассы природоохранных экологических горных выработок 10, 11...16 и 17, 18...20, образующих сеть с узлами (сопряжениями и/или пересечениями), расположенными под вершинами пирамид, ограждающих выемочные поля 1, 2...9 на расстоянии от вершин, не менее высоты возможного свода трещинообразований и обрушений над сопряжением и/или пересечением природоохранных горных выработок 10, 11...16 и 17, 18...20, с ориентацией этих горных выработок по ребрам этих пирамид над будущим выработанным пространством. Природоохранные горные выработки 10, 11...16 и 17, 18...20 образуют, например, с помощью проходческих комбайнов ПК-8м со сводчатой формой поперечного сечения горной выработки перед выемкой запасов полезных ископаемых в выемочных полях 1,2...9.

При проведении природоохранных горных выработок 10, 11...16 и 17, 18...20 производят визуальную и инструментальную рекогносцировку водозащитной толщи над будущими выемочными полями, принимают решения по «выбраковке» и исключению из разработки выемочных полей с аномальными свойствами пород водозащитной толщи.

После этого приступают к отработке запасов полезных ископаемых в пределах выемочных полей 1, 2...9, ограниченных в пространстве поверхностями граней пирамид.

Отработку запасов шахтного поля ведут выемочными полями 1, 2...9, очистными выработками с коротким очистным забоем (камерами) и/или с длинным (лавами), с закладкой и/или без закладки, с формированием в пределах каждой пирамиды одновременно с выемкой полезного ископаемого искусственного несущего целика из горных пород, междукамерных целиков, обрушившихся или обрушенных, с помощью подрыва зарядов взрывчатого вещества, горных пород междупластий и горных пород кровли залежи в пределах пирамиды; закладочного материала. Допустимый коэффициент пустотности в пределах виртуальной пирамиды (К_п), т.е. допустимый коэффициент извлечения горной массы из объема пирамиды определяют из выражения:

где К_р - расчетный коэффициент разрыхления оставляемых в пределах пирамиды горных пород;

К_з.п. - коэффициент заполнения пустот закладочным материалом;

К_ус.с., К_ус.q.. - статический (естественный) и динамический (при обрушении горных пород на закладочный массив) коэффициенты усадки закладочного массива.

При этом отработку запасов выемочных полей последующих стадий, например, 2, 4, 6, 8, 9 ведут после завершения формирования над отработанными выемочными полями предшествующих (соответственно) стадий 1, 3, 5, 7, 8 полей сжатия.

Наличие заранее пройденных природоохранных горных выработок 10, 11...16 и 17, 18...20 обеспечивает снижение концентраций механических напряжений над выемочными полями 1, 2...9 в вершинах пирамид, а при выемке запасов создает условия для поглощения вероятностно возможных техногенных трещин, распространяющихся вдоль ребер граней пирамид в направлении к области водозащитной толщи, расположенной над вершинами пирамид; обеспечивает возможность для визуального и инструментального контроля за процессом формирования несущих искусственных целиков и, в случае необходимости, коррекции динамики процесса, объемных, прочностных и деформационных характеристик целиков путем соответственно взрывания зарядов взрывчатых веществ и подачи через природоохранные выработки 10, 11...16 и 17, 18...20 в формирующийся несущий искусственный целик дополнительных порций закладочного материала с заданиыми техническими и реологическими свойствами.

Пример конкретного выполнения

На руднике Верхнекамского калийного месторождения отрабатывают три пласта: Кр-II, АБ и В, мощностью 5,2; 4,3; 4,7 м соответственно. Мощность междупластий: Кр-II -АБ -6,8 м; АБ -В -2,6 м.

Мощность водозащитной толщи (ВЗТ) 87,7 м. Местоположение вершины пирамиды - на расстоянии 20 м от верхней границы ВЗТ. Тогда высота пирамиды составит 91,3 м, сторона основания (при угле полных сдвижений массива горных пород (ψ), равном 55°) 127,8 м, а объем пирамиды 497063 м³.

При отсутствии закладки и при расчетном коэффициенте разрыхления 1,15 допустимый коэффициент пустотности составит 0,13, т.е. в пределах рассматриваемой пирамиды обрушений можно извлечь 64678 м³ полезных ископаемых при исключении катастрофических явлений.

При существующей технологии, при камерной системе разработки трех калийных пластов, на участке 127,8×127,8 м при расчетном достаточно высоком коэффициенте извлечения запасов из пластов 0,5 добыча может составить 115964 м³ калийных солей. Однако при этом при появлении внешнего динамического воздействия рудник обречен на затопление.

При увеличении разрыхления горных пород и применении закладки по предлагаемой технологии отработки запасов, К_р=1,25, К_з.п.=0, 75, К_ус.с.=0,21, К_ус.q.=0,04, допустимый коэффициент пустотности составит 0,367. Следовательно, в пределах планируемой пирамиды без катастрофических явлений можно извлечь 182591 м³ солей или в 1,57 раза больше, чем по старой технологии. Полная закладка выработанного пространства даже закладочным материалом, склонным к усадке, позволит увеличить извлечение в 2,18 раз. Следует отметить, что по существующей технологии отработки запасов при камерной системе разработки такая «податливая» закладка практически не оказывает влияние на процессы деформирования междукамерных целиков и образование в ВЗТ магистральных водопроводящих трещин. Высокое значение расчетного коэффициента разрыхления обрушаемых пород в пределах призмы обрушений принято исходя из реальной возможности реализации процесса «заиливания» (заполнения) пустот в искусственном целике, например, отходами калийного производства (глинистыми шламами) через экологические горные выработки поз.10, 11...16 и 17, 18...20.

Применение предлагаемого способа разработки месторождений водорастворимых полезных ископаемых позволяет впервые обеспечить значительное повышение извлечения минеральных солей из недр при снижении себестоимости добычи и исключении экологических катастрофических явлений, связанных с затоплением рудников.

Изобретение может быть использовано в горном деле при подземной разработке водорастворимых полезных ископаемых. Способ включает отработку запасов шахтного поля выемочными полями, ограниченными в пространстве поверхностями граней пирамид, вершины которых не выходят за пределы нижней, допустимой по отсутствию трещин разрыва, границы водозащитной толщи, а угол наклона граней этих пирамид больше или равен углу полных сдвижений горных пород естественного массива, заключенного в пирамидах. В пределах каждой пирамиды одновременно с выемкой полезного ископаемого формируют искусственный несущий целик, находящийся в силовом взаимодействии с окружающими пирамиду горными породами. Перед выемкой запасов полезных ископаемых над будущим выработанным пространством в водозащитной толще образуют сеть природоохранных горных выработок с узлами, расположенными под вершинами пирамид, ограничивающих выемочные поля, и нитями - природоохранными горными выработками, ориентированными по ребрам граней этих пирамид. Узлы сети - сопряжения и/или пересечения природоохранных горных выработок - преимущественно располагают под вершинами пирамид на расстоянии от вершин не менее высоты возможного свода трещинообразований и обрушений над сопряжением и/или пересечением природоохранных горных выработок. Изобретение направлено на повышение безопасности выемки полезных ископаемых. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ разработки месторождений водорастворимых полезных ископаемых, включающий отработку запасов шахтного поля выемочными полями, ограниченными в пространстве поверхностями граней пирамид, вершины которых не выходят за пределы нижней допустимой по отсутствию трещин разрыва границы водозащитной толщи, а угол наклона граней этих пирамид больше или равен углу полных сдвижений горных пород естественного массива, заключенного в пирамидах, с формированием в пределах каждой пирамиды одновременно с выемкой полезного ископаемого искусственного несущего целика, находящегося в силовом взаимодействии с окружающими пирамиду горными породами, отличающийся тем, что перед выемкой запасов полезных ископаемых над будущим выработанным пространством в водозащитной толще образуют сеть природоохранных горных выработок с узлами, расположенными под вершинами пирамид, ограничивающих выемочные поля, и нитями - природоохранными горными выработками, ориентированными по ребрам граней этих пирамид.2. Способ разработки месторождений водорастворимых полезных ископаемых по п. 1, отличающийся тем, что узлы сети - сопряжения и/или пересечения природоохранных горных выработок - располагают под вершинами пирамид на расстоянии от вершин не менее высоты возможного свода трещинообразований и обрушений над сопряжением и/или пересечением природоохранных горных выработок.