СПОСОБ РАЗРАБОТКИ КРУТОПАДАЮЩИХ РУДНЫХ ЗАЛЕЖЕЙ Российский патент 2006 года по МПК E21C41/22 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при подземной разработке месторождений полезных ископаемых.

Известны способы разработки крутопадающих рудных залежей, включающие разделение рудной залежи на этажи, последовательную отработку запасов в пределах рудной залежи в нисходящем порядке, заполнение выработанного пространства, образующегося в результате выемки полезного ископаемого, твердеющим закладочным материалом, подачу закладочного материала с поверхности по закладочным скважинам (В кн.: В.И.Хомяков. Зарубежный опыт закладки на рудниках, М., Недра, 1984 г., с.165-177).

Недостатками данных известных способов являются значительные объемы горнопроходческих работ при вскрытии рудной залежи и высокая трудоемкость процессов, связанных с транспортированием закладочного материала.

Известен способ (принятый в качестве прототипа), включающий последовательную отработку этажей (горизонтов) в нисходящем порядке, полное заполнение выработанного пространства твердеющим закладочным материалом, подачу закладочного материала с поверхности по капитальным закладочным скважинам, пробуриваемым в породах за пределами области опасных сдвижений горного массива, связанных с отработкой рудной залежи. (В кн.: Именитов В.Р. Процессы подземных горных работ при подземной разработке рудных месторождений. Москва, Недра, 1984, с.445-447).

Недостатками данного известного способа при обратном порядке отработки этажей являются значительные объемы горнопроходческих работ при вскрытии рудной залежи и высокая трудоемкость процессов, связанных с транспортированием закладочного материала.

Указанные недостатки связаны с тем, что при использовании известного способа (прототипа) к моменту пуска рудника в эксплуатацию при обратном порядке отработки этажей необходимо пройти от капитальных скважин квершлаг (квершлаги) большой длины и полевые штреки длиной, примерно равной половине размера этажа по простиранию.

Капитальные скважины располагают за пределами зоны сдвижения пород лежачего бока. Границы этой области ограничиваются плоскостями, проведенными к горизонтальной плоскости под углами полных сдвижений β₁, величины которых для большинства рудных месторождений находятся в пределах 50-60 град.

Углы сдвижения - внешние относительно выработанного пространства углы, образованные на вертикальных разрезах по простиранию и вкрест простирания рудной залежи (в местах наибольших сдвижений) горизонтальными линиями и линиями, соединяющими границы выработанного пространства с границами опасных сдвижений на контакте коренных пород с наносами.

Как следует из практического опыта, длина квершлагов, предназначенных для транспортирования закладочного материала от закладочной скважины до штреков вентиляционно-закладочных горизонтов, при разработке залежей с углами падения 50-80° на глубинах 400-600 м составляет 350-400 м и более.

Техническим результатом, достигаемым при использовании заявляемого способа, является устранение недостатков известного способа-прототипа, а именно уменьшение объемов горнопроходческих работ при вскрытии рудной залежи и трудоемкости процессов, связанных с транспортированием закладочного материала от скважин до места его закладки.

Технический результат достигается тем, что заявляемый способ разработки крутопадающих рудных залежей включает разделение рудной залежи на этажи, отработку этажей в нисходящем порядке, заполнение выработанного пространства твердеющим закладочным материалом, подачу закладочного материала с поверхности по капитальным закладочным скважинам, пробуриваемым в породах лежачего бока за пределами зоны сдвижения, формирующейся в породах лежачего бока рудной залежи при полной ее (рудной залежи) отработке (или, что то же самое, к моменту завершения ее отработки).

Согласно изобретению отработку первого этажа начинают от одной из границ первого этажа по простиранию рудной залежи и ведут по направлению к другой границе первого этажа по простиранию рудной залежи, до начала отработки первого этажа пробуривают вспомогательные закладочные скважины, капитальные закладочные скважины пробуривают до момента прекращения эксплуатации вспомогательные закладочных скважин, при этом вспомогательные закладочные скважины пробуривают в пределах области, ограниченной линиями, одна из которых является продолжением границы выработанного пространства со стороны лежачего бока, а вторая - продолжением границы первого этажа по простиранию рудной залежи, от которой начинают отработку этажа, причем при расположении вспомогательных закладочных скважин в пределах зоны сдвижения, формирующейся в породах лежачего бока при полной отработке рудной залежи, эксплуатацию вспомогательных скважин продолжают до стадии развития очистных работ, при которой величины деформаций вспомогательных скважин становятся равными предельным деформациям, при превышении которых безопасная эксплуатация вспомогательных скважин невозможна.

Для повышения эффективности заявляемого способа вспомогательные закладочные скважины располагают на биссектрисе угла, образованного линиями, одна из которых является продолжением границы выработанного пространства со стороны лежачего бока, а вторая - продолжением границы первого этажа по простиранию рудной залежи, от которой начинают отработку этажа.

Сущность заявляемого способа поясняется схемами, представленными на фиг.1 и фиг.2.

На фиг.1 приведена принципиальная схема размещения капитальных скважин относительно границ зоны опасных сдвижений породного массива в лежачем боку рудной залежи, сформировавшейся к моменту завершения отработки рудной залежи.

На фиг.2 приведена принципиальная схема (вид в плане) размещения вспомогательных и капитальных скважин относительно границ рудного тела.

На фиг.1 и 2:

FQCD - отработанная часть первого этажа;

ABQF - часть первого этажа, подлежащая отработке;

СД - граница первого этажа по простиранию рудной залежи, от которой начинают отработку первого этажа;

АВ - граница первого этажа по простиранию рудной залежи, по направлению к которой ведут отработку первого этажа,

АД - граница первого этажа со стороны лежачего бока;

ВС - граница первого этажа со стороны висячего бока;

FD - граница выработанного пространства со стороны лежачего бока рудной залежи;

S - размер этажа по простиранию рудной залежи;

1 - рудная залежь;

2 - капитальные скважины;

3 - квершлаг, пройденный между капитальными скважинами и вентиляционно-закладочным штреком;

4 - вентиляционно-закладочный штрек;

5 - граница зоны сдвижений породного массива, сформировавшейся к моменту завершения отработки рудной залежи;

6 - вспомогательные скважины.

DP - биссектриса угла ODM, образованного линиями DM и DO, одна из которых (ДМ) является продолжением границы выработанного пространства FD со стороны лежачего бока, а вторая (DO) продолжением границы этажа (CD) по простиранию рудной залежи, от которой начинают отработку этажа;

β₁ - угол сдвижений в породах лежачего бока при полной отработке рудной залежи;

β₂ - угол сдвижений в породах висячего бока при полной отработке рудной залежи;

а - расстояние между лежачим и висячим боками рудной залежи в горизонтальной плоскости (горизонтальная мощность рудного тела).

α - угол падения рудной залежи;

b₁ - расстояние от рудной залежи до границы зоны сдвижений породного массива, формирующейся со стороны лежачего бока к моменту завершения отработки рудной залежи;

b₂ - расстояние от вспомогательных закладочных скважин до рудной залежи;

h₁ - наклонная высота первого этажа;

h₂ - наклонная высота второго этажа.

Способ осуществляют следующим образом. Рудную залежь 1 (фиг.1) делят на этажи. Отработку этажей производят в нисходящем порядке. Отработку первого этажа начинают от одной из границ первого этажа по простиранию рудной залежи и ведут по направлению к другой границе первого этажа по простиранию рудной залежи. До начала отработки первого этажа пробуривают вспомогательные закладочные скважины 6 в пределах области ODM, ограниченной линиями, одна из которых является продолжением границы FD выработанного пространства со стороны лежачего бока, а вторая продолжением границы CD первого этажа по простиранию рудной залежи, от которой начинают отработку этажа.

Вспомогательные скважины 6 используют в начальный период отработки рудной залежи. К моменту прекращения эксплуатации вспомогательных закладочных скважин пробуривают капитальные закладочные скважины 2.

При расположении вспомогательных закладочных скважин в пределах зоны сдвижения, формирующейся в породах лежачего бока к моменту завершения отработки рудной залежи, эксплуатацию вспомогательных скважин продолжают до стадии развития очистных работ, при которой величины деформаций вспомогательных скважин становятся равными предельным деформациям, при превышении которых безопасная эксплуатация вспомогательных скважин невозможна.

Для достижения максимальной эффективности заявляемого способа вспомогательные закладочные скважины располагают на биссектрисе угла ODM, образованного линиями, одна из которых является продолжением границы выработанного пространства со стороны лежачего бока, а вторая продолжением границы первого этажа по простиранию рудной залежи, от которой начинают отработку этажа.

Границу зоны сдвижения 5 (фиг.2), формирующейся в породах лежачего бока, определяют на момент завершения отработки рудной залежи.

Обоснование существенности отличительных признаков.

"...отработку первого этажа начинают от одной из границ первого этажа по простиранию рудной залежи и ведут по направлению к другой границе первого этажа по простиранию рудной залежи..." и "...до начала отработки первого этажа пробуривают вспомогательные закладочные скважины...".

Отработка этажа от одной из границ (СД) первого этажа по простиранию рудной залежи по направлению к другой (АВ) границе первого этажа по простиранию в сочетании с бурением вспомогательных скважин 6 в пределах области, ограниченной линиями ОД и ОМ (фиг.2), позволяет минимизировать объемы работ, связанных с проходкой выработок (квершлагов, штреков вентиляционно-закладочного горизонта), необходимых для транспортирования закладочного материала от закладочных скважин до места закладки, к моменту пуска рудника в эксплуатацию (началу отработки первого этажа).

При использовании известного способа (прототипа) к моменту пуска рудника в эксплуатацию необходимо пройти закладочно-вентиляционные штреки 4 длиной, примерно равной половине размера этажа по простиранию (S), и закладочный квершлаг (квершлаги) 3 длиной не менее в₁ между вентиляционно-закладочным штреком 4 и капитальными закладочными скважинами 2.

При применении заявляемого способа проходят только квершлаг 7 (фиг.2), длина которого (в₂) в несколько раз меньше длины квершлага 3.

Бурение вспомогательных скважин 6 в пределах области, ограниченной линиями DO и DM, характеризуется минимальными растягивающими и сдвигающими напряжениями в массиве пород лежачего бока. Повышенные сжимающие напряжения в рассматриваемой области массива лежачего бока, представленного при разработке рудных месторождений, как правило, прочными породами, существенного отрицательного влияния на состояние скважин не оказывают. Это обстоятельство позволяет существенно уменьшить расстояние между вспомогательными скважинами и рудной залежью и значительно уменьшить затраты на поддержание технологически удовлетворительного состояния скважин. Наиболее устойчивое состояние вспомогательных скважин обеспечивается при расположении их на линии DP - биссектрисе угла ОДМ, где растягивающие напряжения и напряжения сдвига имеют минимальные значения.

"...при расположении вспомогательных закладочных скважин в пределах зоны сдвижения, формирующейся в породах лежачего бока к моменту завершения отработки рудной залежи, эксплуатацию вспомогательных скважин продолжают до стадии развития очистных работ, при которой величины деформаций вспомогательных скважин становятся равными предельным деформациям, при превышении которых безопасная эксплуатация вспомогательных скважин невозможна,..." Данный признак является условием, при выполнении которого возможно использование вспомогательных скважин, а следовательно, и условием, при выполнении которого возможна реализация заявляемого способа.

Область рационального использования заявляемого способа.

Заявляемый способ предназначен, в основном, для использования при подземной отработке мощных рудных залежей с углами падения более 35-40 градусов.

По сравнению с известными способами заявляемый способ позволяет: в несколько раз уменьшить объемы горнопроходческих работ при вскрытии рудной залежи, связанных с проведением закладочных квершлагов и закладочных штреков; уменьшить трудоемкость процессов, связанных с транспортированием закладочного материала к месту закладки. Кроме того, при использовании данного способа значительно сокращаются сроки строительства рудника.

Параметры, необходимые для реализации заявляемого способа, а именно предельные деформации вспомогательных скважин, при превышении которых безопасная эксплуатация данных скважин невозможна, определяют в результате шахтных, лабораторных или аналитических исследований с учетом конкретных горно-геологических условий отработки рудного тела.

Место расположения границы зоны сдвижения 5 (фиг.2), формирующейся в породах лежачего бока к моменту завершения отработки рудной залежи, определяют до пробуривания вспомогательных скважин.

1) По углам сдвижения β₁ и β₂ (фиг.1) толщи пород, установленным на момент завершения отработки рудной залежи. Значения углов сдвижения β₁ и β₂ могут быть получены с использованием известных методик, например: Емельянский B.C., Полий В.Д., Сакаева Т.Ш. Прогнозирование сдвижения земной поверхности при отработке крутопадающих тел с твердеющей закладкой. Горный журнал, 1986, № 5, стр.51-54; Кузнецов М.А., Акимов А.Г., Кузьмин В.И. и др. Сдвижения горных пород на рудных месторождениях. М., Недра, 1971; Акимов А.Г. Определение величин углов сдвижения для залежей сложной формы и ограниченных размеров. "Горный журнал", 1963, № 12; Акимов А.Г. Зависимость величин углов сдвижения от степени подработанности земной поверхности. Труды ВНИМИ, сб. LII, Изд. ВНИМИ, Л., 1964.

2) В результате анализа результатов инструментальных наблюдений за сдвижением породных массивов при разработке месторождений в условиях, аналогичных рассматриваемым.

3) В результате моделирования подземной отработки рудных залежей на моделях из эквивалентных материалов (Кузнецов Г.Н., Будько М.Н. и др. - Изучение проявлений горного давления на моделях. Углетехиздат, 1959).

Пример конкретного использования заявляемого способа при отработке Яковлевской железорудной залежи в условиях Яковлевского рудника.

Яковлевская залежь мощностью 250-300 м залегает на глубинах 600-800 м от поверхности. Угол падения рудной залежи 55-65°. Размер рудной залежи по простиранию составляет 1400-1500 м.

Рудную залежь в условиях Яковлевского рудника (фиг.1) по падению делят на два этажа. Вертикальная высота (h₁, h₂) каждого из этажей составляет 60-65 м. Этажи отрабатывают в нисходящем порядке, первым отрабатывают вышерасположенный этаж с вертикальной высотой h₁. Выработанное пространство заполняют твердеющим закладочным материалом. Система разработки в пределах этажей - слоевая с выемкой руды в пределах слоев заходками. Слои отрабатывают последовательно, начиная с верхнего слоя.

Место расположения границы зоны сдвижения 5 (фиг.2), формирующейся к моменту завершения отработки второго этажа, определяют в результате моделирования на моделях из эквивалентных материалов.

Минимальное расстояние от точки D до границы зоны сдвижения 5 (фиг.2), формирующейся в породах лежачего бока к моменту завершения отработки второго этажа, составляет 100-110 м.

Отработку первого этажа (фиг.2) начинают от правой границы этажа (СД) по простиранию рудной залежи и ведут по направлению к левой границе (АВ) этажа по простиранию рудной залежи. До начала отработки первого этажа пробуривают две (одна из них резервная) вспомогательные закладочные скважины 6.

Вспомогательные закладочные скважины 6 располагают на биссектрисе DP угла ODM (фиг.2) в пределах зоны сдвижения, формирующейся в породах лежачего бока при полной отработке Яковлевской рудной залежи, т.е. на момент завершения отработки второго этажа.

Расстояние от точки D до места заложения вспомогательных скважин 6 составляет около 70 м.

Эксплуатацию вспомогательных скважин 6 (фиг.2) продолжают до стадии развития очистных работ, при которой величины деформаций вспомогательных скважин становятся равными предельным деформациям, при превышении которых безопасная эксплуатация вспомогательных скважин невозможна. Фактические величины деформаций вспомогательных скважин определяют в процессе их эксплуатации инструментальными наблюдениями.

До прекращения эксплуатации вспомогательных скважин 6 пробуривают капитальные закладочные скважины 2. Капитальные закладочные скважины 2 располагают за пределами границы 5 (фиг.2) зоны сдвижения, формирующейся в породах лежачего бока к моменту завершения отработки рудной залежи, т.е. к моменту завершения отработки второго этажа.

Величины углов сдвижений β₁ (фиг.1) в условиях Яковлевского рудника составляют около 55°. Минимально допустимая длина капитальных закладочных квершлагов, определенная из условия расположения скважин за пределами области опасных сдвижений пород в лежачем боку рудной залежи, составляет более 400 м.

Использование предложенного способа в рассматриваемых условиях позволяет: уменьшить более чем в 4 раза суммарную длину закладочных квершлагов и в 7 раз длину вентиляционно-закладочных штреков; сократить сроки строительства рудника не менее чем на 7-8 месяцев; на 20-30% и более уменьшить трудоемкость работ, связанных с транспортированием закладочного материала в начальный период работы рудника.

По предварительным оценкам срок службы вспомогательных скважин 6 (начальный период работы рудника) составит не менее 3-5 лет.

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при подземной разработке рудных месторождений полезных ископаемых. Способ включает разделение рудной залежи на этажи, отработку этажей в нисходящем порядке, заполнение выработанного пространства твердеющим закладочным материалом, подачу закладочного материала с поверхности по капитальным закладочным скважинам, пробуриваемым в породах лежачего бока за пределами зоны сдвижения, формирующейся в породах лежачего бока при полной отработке рудной залежи. Отработку первого этажа начинают от одной из границ этажа по простиранию рудной залежи и ведут по направлению к другой границе этажа по простиранию рудной залежи. До начала отработки первого этажа пробуривают вспомогательные закладочные скважины, в пределах области, ограниченной линиями, одна из которых является продолжением границы образующегося выработанного пространства со стороны лежачего бока, а вторая - продолжением границы первого этажа по простиранию рудной залежи, от которой начинают отработку этажа. Капитальные закладочные скважины пробуривают до момента прекращения эксплуатации вспомогательных закладочных скважин. При расположении вспомогательных закладочных скважин в пределах зоны сдвижения, формирующейся в породах лежачего бока при полной отработке рудной залежи, эксплуатацию вспомогательных скважин продолжают до стадии развития очистных работ, при которой величины деформаций вспомогательных скважин становятся равными предельным деформациям, при превышении которых безопасная эксплуатация вспомогательных скважин невозможна. В частном случае вспомогательные закладочные скважины располагают на биссектрисе угла, образованного линиями, одна из которых является продолжением границы образующегося выработанного пространства со стороны лежачего бока, а вторая - продолжением границы первого этажа по простиранию рудной залежи, от которой начинают отработку этажа. Изобретение позволяет сократить сроки строительства рудника. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ разработки крутопадающих рудных залежей, включающий разделение рудной залежи на этажи, отработку этажей в нисходящем порядке, заполнение выработанного пространства твердеющим закладочным материалом, подачу закладочного материала с поверхности по капитальным закладочным скважинам, пробуриваемым в породах лежачего бока за пределами зоны сдвижения, формирующейся в породах лежачего бока при полной отработке рудной залежи, отличающийся тем, что отработку первого этажа начинают от одной из границ этажа по простиранию рудной залежи и ведут по направлению к другой границе этажа по простиранию рудной залежи, до начала отработки первого этажа пробуривают вспомогательные закладочные скважины, капитальные закладочные скважины пробуривают до момента прекращения эксплуатации вспомогательных закладочных скважин, при этом вспомогательные закладочные скважины пробуривают в пределах области, ограниченной линиями, одна из которых является продолжением границы выработанного пространства со стороны лежачего бока, а вторая - продолжением границы первого этажа по простиранию рудной залежи, от которой начинают отработку этажа, причем при расположении вспомогательных закладочных скважин в пределах зоны сдвижения, формирующейся в породах лежачего бока при полной отработке рудной залежи, эксплуатацию вспомогательных скважин продолжают до стадии развития очистных работ, при которой величины деформаций вспомогательных скважин становятся равными предельным деформациям, при превышении которых безопасная эксплуатация вспомогательных скважин невозможна.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что вспомогательные закладочные скважины располагают на биссектрисе угла, образованного линиями, одна из которых является продолжением границы выработанного пространства со стороны лежачего бока, а вторая - продолжением границы первого этажа по простиранию рудной залежи, от которой начинают отработку этажа.