Способ отработки рудных тел Российский патент 2023 года по МПК E21C41/22 

Изобретение относится к горнодобывающей промышленности и может применяться при отработке крутопадающих рудных тел одностадийной системой с обрушением столбами, близкой к эллипсоиду чистой руды формой, и управляемым торцовым выпуском.

Известен конструктивно простой способ отработки крутопадающих месторождений системой подэтажного обрушения, с послойной отбойкой и управляемым торцовым выпуском руды, с применением погрузочно-доставочных машин (ПДМ) [SU 581283 А1, 30.11.1977], предусматривающий образование над выпускным отверстием зоны руды решетчатой структуры с кусками большей крупности, не превышающей кондиционного размера.

Создание такой зоны приводит к деформированию эллипсоида чистой руды. Крупные куски руды, не разделенные мелкими фракциями, сцепляясь между собой, образуют временные своды, препятствующие свободному истечению руды. В результате замедляется скорость движения руды по оси потока. Но за счет сводообразования расширяется купольная часть эллипсоида чистой руды и увеличивается извлечение руды до начала разубоживания. Исследования на моделях показали, что прирост извлечения чистой руды достигает 40%. В итоге снижаются потери и разубоживание, обусловленные внедрением воронки прогибания верхнего контакта с обрушенной налегающий породой.

Однако данный способ не устраняет главный источник потерь и разубоживания - торцовый контакт каждого слоя с обрушенной породой. Эту часть потерь и разубоживания можно сократить в разы, перейдя от отработки слоями к выемке столбами большей толщины (по 4-6 слоев). Отработка подэтажами ограниченной высоты по аналогу уменьшает запасы руды, выпускаемой через одно выпускное отверстие, что сдерживает производительность ПДМ.

Кроме того, формирование зоны крупнокусковой руды непосредственно над выпускным отверстием снижает скорость истечения руды и интенсивность выемки в целом.

Наиболее близким к изобретению является способ отработки столбами шестигранной формы, близкой к эллипсоиду чистой руды [SU 1314065 А1, 30.05.1987], предусматривающий разделение блока на панели, в каждой из которых проходят выпускной и подэтажный буровой штреки. Панель последовательно отрабатывают столбами. Выработки на смежных этажах располагают в шахматном порядке, обеспечивающем извлечение руды «мертвых» зон верхнего этажа. Столб разбуривают из подэтажного бурового штрека круговыми веерами скважин, нижняя часть которых ориентирована вертикально вниз, а верхняя наклоняется в сторону массива под углом истечения руды, равном 45°+, где ϕ - угол внутреннего трения отбитой руды. Столб отбивают на обрушенную породу отработанного столба.

При отбойке верхних наклонных полувееров совместно с ними отбивают и угловую часть следующего столба до его оси, формируя тем самым очередной шестигранник. Для совмещения выпускного отверстия с осью столба его нижнюю угловую часть отрабатывают слоями, наклоненными в сторону обрушения под углом истечения отбитой руды. Отбитую в объеме шестигранника руду выпускают с высокой производительностью из стационарной выпускной щели. После массового выпуска отрабатывают наклонными слоями оставшийся в основании столба выступ, совместно с угловой частью следующего столба до его оси. Тем самым формируют очередной шестигранник и переносят стационарный пункт выпуска для отработки следующего столба.

Недостатками способа-прототипа являются:

- технология способа обеспечивает формирование рациональной шестигранной формы столба только в продольном разрезе, тогда как в поперечном сечении боковые верхние угловые части столба остаются источником дополнительных потерь и разубоживания;

- низкая интенсивность разбуривания столба, осуществляемого только из одной буровой выработки, не согласуется с высокой производительностью выпуска;

- излишне большой объем бурения круговыми веерами;

- нисходящие скважины труднее очищать и качественно заряжать, с чем связан повышенный выход негабарита;

- бурение вееров скважин с наклоном в сторону массива на верхнем подэтаже трудно осуществить из-за заброса руды в буровую выработку при отбойке в зажатой среде;

- образование узкого и вытянутого вверх эллипсоида чистой руды при выпуске руды сплошной и в меньшей мере смешанной структуры ведет к повышенным разубоживанию и потерям руды в гребнях между выпускными штреками;

- расположение выпускных штреков на смежных этажах в шахматном порядке для извлечения оставшейся в гребнях руды не всегда возможно из-за изменчивости морфологии оруденения по падению и простиранию;

- расположение выпускных штреков исходя из условия касания эллипсоидов чистой руды при вытянутой вверх их форме, повышает удельный объем подготовительно-нарезных работ;

- в способе не используются дополнительный потенциал выпуска под слоем руды решетчатой структуры.

Изобретение направлено на повышение показателей извлечения руды путем устранения или, по крайней мере, существенного уменьшения проявлений отмеченных недостатков прототипа. При этом сохраняются условия для применения комплексов высокопроизводительного самоходного оборудования на очистных и проходческих работах.

Техническим результатом изобретения является обеспечение извлечения чистой руды, по экспертной оценке, до 80%, снижения потерь и разубоживания.

Технический результат достигается следующим образом.

Способ включает проходку в каждом ряду столбов выпускного и подэтажных буровых штреков, разбуривание столба скважинами, образование нижнего торцового скоса столба путем отработки слоями, наклоненными под углом 45°+, где ϕ - угол внутреннего трения отбитой руды, формирование путем опережающей отбойки и выпуска верхнего торцового скоса в следующем столбе, отбойку столба в зажатой среде на обрушенную породу отработанного столба, массовый торцовый выпуск из стационарной выпускной щели, отработку наклонными слоями оставшегося в основании столба выступа совместно с угловым скосом следующего столба. Способ отличается тем, что ряды столбов на смежных этажах располагают со смещением по падению на половину высоты столба. Приближения тела выпуска к форме эллипсоида чистой руды достигают путем придания столбу в продольном разрезе формы шестигранника, а в поперечном сечении - ромба. При этом в нижней половине верхнего подэтажа формируют слой руды повышенной крупности решетчатой структуры путем разреживания сетки скважин, не превышая ЛНС. А купол отрабатываемого столба на высоту половины подэтажа совместно с угловой частью смежного столба формируют путем опережающей отбойки вееров скважин из бурового Штрека предшествующего ряда столбов.

Раскрытие сущности изобретения. Как показал анализ, одними конструкционными новациями не удается приблизить тело выпуска к эллипсоиду чистой руды в объеме. В изобретении выработана и применена концепция встречной адаптации. Суть ее в том, что сближение форм тела выпуска и эллипсоида чистой руды достигают встречными преобразованиями: отрабатываемого столба - путем формирования нижних и верхних скосов, а эллипсоида чистой руды - направленным деформированием путем дифференцирования крупности и структуры отбитой руды. В результате осуществления данной концепции отрабатываемый столб и тело выпуска получают в продольном разрезе форму шестигранника, в поперечном - форму ромба. В этом заключается интегральный технический инновационный результат изобретения. Сущность и отличие изобретения раскрываются в совокупности следующих действий и приемов. Ряды столбов на смежных этажах располагают со смещением по падению на половину высоты столба. Это позволяет устранить образование «мертвых» зон между выпускными штреками и сокращает объем проходческих работ. В каждом столбе проходят выпускной и два подэтажных буровых штрека. Нижний буровой штрек располагают на уровне формирования устойчивой потолочины над выпускным штреком, а верхний - по середине высоты этажа.

Проходка двух буровых штреков вместо одного по прототипу позволяет повысить в два раза интенсивность отбойки и выемки в целом, а также дифференцировать сетку скважин для создания зон руды сплошной и решетчатой структуры. Из нижнего бурового штрека разбуривают нижний подэтаж веерами сгущенных скважин, обеспечивая образование сплошной структуры руды без ее переизмельчения. Из верхнего бурового штрека бурят скважины до середины подэтажа по сетке, близкой к квадратной с оптимальной величиной ЛНС, для образования слоя руды решетчатой структуры без увеличения выхода негабарита. Оставшуюся купольную часть столба высотой в 1/2 верхнего подэтажа совместно с угловой частью смежного столба разбуривают и отбивают с опережением из нижнего бурового штрека предшествующего ряда столбов. При этом образуют руду сплошной структуры. Выемку, как и в прототипе, начинают с образования нижнего углового скоса путем отработки слоями, наклоненными в сторону обрушения под углом 45°+, где ϕ - угол внутреннего трения отбитой руды. Этим приемом формируют торцовый скос шестигранника и выпускную щель по оси столба.

Верхний скос образуют путем опережающий отбойки купола столба совместно с угловой частью следующего столба. В итоге в продольном разрезе формируют шестигранник, близкий к форме эллипсоида чистой руды. Массовый выпуск руды осуществляют через стационарную щель с высокой производительностью. Создание в объеме отбитого столба слоя руды решетчатой структуры вызывает изменения в характере истечения руды, что приводит к направленному деформированию эллипсоида чистой руды. В поперечном разрезе выделяется три фазы выпуска. В первой фазе, охватывающей выпуск нижнего подэтажа, эллипсоид чистой: руды формируется правильной формы по классической теории выпуска под обрушенной породой. По достижении эллипсоидом слоя руды решетчатой структуры, отличающейся повышенным сцеплением кусков, он замедляет свое развитие вверх и ускоряет расширение купольной части. Это вторая фаза выпуска, она завершается после преодоления слоя решетчатой структуры. Третья фаза проходит в руде сплошной структуры, характеризующийся высокой сыпучестью. Эллипсоид чистой руды в этой фазе стремительно развивается вверх при ограниченном увеличении ширины. К концу выпуска предельный периметр деформированного эллипсоида чистой руды в поперечном разрезе принимает форму ромба. Наиболее благоприятными условиями для формирования столба ромбоидальной формы является крутопадающее рудное тело с мощностью, равной ширине ромба. При большей мощности рудного тела выемка может осуществляться серией ромбов, располагаемых параллельно вкрест простирания рудного тела. По экспертной оценке, при формировании столба в форме шестигранника в продольном разрезе и ромба в поперечном сечении извлечение чистой руды до начала разубоживания может достигать 80%. Снижаются и общие потери и разубоживание.

После окончания массового выпуска наклонными слоями отрабатывают оставшийся в основании столба выступ совместно с угловым скосом следующего столба. Тем самым переносится выпускная щель и начинается формирование очередного шестигранника.

Изобретение поясняется чертежом, где фиг. 1 иллюстрирует на продольном разрезе последовательную отработку столбами шестигранной формы; на фиг. 2 представлена на поперечном разрезе схема разбуривания столба с применением дифференцированных параметров БВР для образования зон руды сплошной и решетчатой структур, также показано смещение столбов на половину их высоты на смежных этажах; фиг. 3 демонстрирует на поперечном разрезе процесс деформирования эллипсоида чистой руды по фазам выпуска при образовании на верхнем подэтаже слоя руды повышенной крупности решетчатой структуры; фиг. 4 иллюстрирует степень охвата в горизонтальном разрезе площади столба деформированным эллипсоидом чистой руды. На рисунке показаны: выпускной 1, нижний 2 и верхний 3 подэтажные буровые штреки отрабатываемого ряда столбов, выпускной 4, нижний 5 и верхний 6 буровые штреки предшествующего ряда столбов, выступ (потолочина) 7 в основании столба, нижний торцовый скос 8 столба, прогиб верхнего контакта 9 с обрушенной породой 10, выполняющий роль верхнего торцового скоса следующего столба, скважины 11 для послойной отбойки выступа, выпускная щель 12, торцовый контур 14 отбитого столба, лежачий бок 15 рудного тела, угол падения α лежачего бока, висячий 16 бок, слой руды решетчатой структуры 17, нижняя 18 и верхняя 19 отметки слоя решетчатой структуры, воронка прогиба 20 верхней границы слоя решетчатой структуры в момент его прорыва эллипсоидом чистой руды, скважины, буримые по разреженной 21 сетке, для образования слоя решетчатой структуры, скважины, буримые в нижнем подэтаже по сгущенной 22 сетке, для образования слоя руды сплошной структуры, купол 23 отрабатываемого столба и угловая часть 24 следующего столба, скважины, разбуриваемые по сгущенной сетке 25 из верхней 5 буровой выработки предшествующего ряда столбов и отбиваемые с опережением, купольная часть 26 столба последующего ряда, разбуренная и отбитая с опережением из нижней буровой выработки 2 отрабатываемого столба, эллипсоид чистой руды 27 правильной формы, образуемый при выпуске руды сплошной структуры, деформирование 28 эллипсоида чистой руды на стадии выпуска слоя руды решетчатой структуры 17, развитие 29 эллипсоида вверх после прохождения слоя руды решетчатой структуры, общий контур деформированного 30 эллипсоида чистой руды в конце выпуска, законтурная 31 часть руды, вовлекаемая в выпуск и частично извлекаемая с разубоживающей породой, торцовая прирезка 32 породы, охватываемая утолщенной частью деформированного эллипсоида.

Осуществление изобретения. Выемочной единицей в заявленном способе является столб. Для выемки столба проходят выпускной 1, нижний 2 и верхний 3 подэтажные буровые штреки. На один выпускной штрек отрабатывают один ряд столбов. Смежный ряд столбов (предшествующий или последующий) смещают по падению рудного тела (соответственно вверх или вниз) на половину высоты столба, равной высоте подэтажа h_ПЭ. В предшествующем ряду столбов также проходят выпускной 4, нижний 5 и верхний 6 буровые штреки. Нижний буровой штрек 2 в отрабатываемом столбе проходят на уровне формирования устойчивого выступа (потолочины) 7 в основании столба, исходя из устойчивости рудного массива. Верхний 3 буровой штрек располагают на уровне половины высоты столба или высоты подэтажа h_ПЭ, исходя из оптимальной глубины скважин.

Согласно концепции изобретения столбу придают форму ромба - шестигранника. Шестигранную форму столб получает в продольном разрезе путем формирования нижнего и верхнего торцовых угловых скосов. Нижний торцовый скос 8 создают путем отработки из выпускного штрека 1 слоев, наклоненных под углом истечения отбитой руды 45°+, где ϕ - угол внутреннего трения отбитой руды. Верхний угловой скос образуется естественно прогибом верхнего контакта 9 с обрушенной породой 10 в процессе выпуска руды, отбитой с опережением. От нижнего торцового скоса 8 отбойкой наклонных слоев скважин 11 формируют выпускную щель 12. Ширину выпускной щели принимают с таким расчетом, чтобы деформированный эллипсоид чистой руды 30 оптимально охватывал контур столба 14 с учетом разрыхления руды при отбойке.

В поперечном разрезе столб получает форму ромба (фиг. 2). Ключевым параметром ромба является наклон нижней грани, которую формируют равным углу истечения отбитой руды 45°+.

Наиболее благоприятным углом падения α лежачего бока 15 также является угол истечения отбитой руды. Он (15) образует вторую нижнюю грань ромба. При указанных параметрах обеспечивается наиболее полное извлечение руды при минимальном объеме проходческих работ.

Вторым значимым параметром является ширина ромба. Исходя из концепции встречной адаптации, этот параметр определяется максимальной шириной деформированного эллипсоида чистой руды в поперечном разрезе (фиг. 3), зависящей от места расположения деформатора - слоя руды решетчатой структуры 17. Чтобы исключить выход крупных кусков руды в начале выпуска, деформатор 17 располагают на втором подэтаже в нижней его половине - между отметками 18 и 19, используя для бурения разреженных скважин 21 верхний буровой штрек. Из нижнего бурового штрека 2 разбуривают по сгущенной сетке скважин 22 нижний подэтаж для образования более измельченной руды сплошной структуры, не допуская ее переизмельчения. Купол 23 отрабатываемого столба совместно с угловой частью 24 следующего столба также разбуривают по сгущенной сетке 25, используя нижний 5 буровой штрек предшествующего ряда столбов. При этом заряжают только глубокую часть скважин, пробуренную в купольной части. Аналогично разбуривают и отбивают с опережением купольную часть столба 26 следующего ряда, используя буровую выработку 2 отрабатываемого столба. Образующая воронки прогиба 9 верхнего контакта с налегающей породой 10 выполняет роль верхнего скоса следующего шестигранника отрабатываемого ряда (фиг. 1). Создание слоя руды решетчатой структуры 17, отличающейся низкими сыпучими свойствами, вносит изменения в характер выпуска. При этом четко выделяются три фазы (фиг. 3). В первой фазе, когда в выпуск вовлекается руда сплошной структуры нижнего подэтажа, эллипсоид чистой руды развивается по классической теории и получает геометрически правильную форму 27 (фиг. 3). Во второй фазе, когда эллипсоид достигает слоя руды решетчатой структуры, он замедляет свое развитие вверх и начинает интенсивно расширяться 28, приобретая воронкообразную форму с выположенной купольной частью. При этом сказывается сцепление между крупными кусками руды решетчатой структуры и склонность ее к сводообразованию. Такой грибоподобный характер истечения руды подтвержден исследованиями Института физики и механики горных пород HAH КР (В.Д. Ткачев. Совершенствование послойного выпуска руды под обрушенными породами из торца выработки. Горно-экономическая оценка параметров подземной разработки рудных месторождений. Фрунзе: Илим, 1980, с. 102-107), с той лишь разницей, что в случае формирования горизонтального слоя руды решетчатой структуры по изобретению вместо столба над выпускным отверстием, как моделировали в указанном исследовании, расширение эллипсоида происходит более интенсивно. В третьей фазе после преодоления слоя руды решетчатой структуры и внедрения в зону сплошной структуры 23 эллипсоид начинает стремительно расти вверх 29, получая в купольной части форму конуса. К концу выпуска общий периметр деформированного эллипсоида 30 приобретает форму практически правильного ромба (фиг. 3). Степень совпадения площади ромбовидного столба с эллипсоидом достигает в поперечном разрезе 93-95% (фиг. 3). Этот показатель указывает на то, что при отработке столба ромбоидальной формы (без учета продольного разреза), возможно очень высокое извлечение чистой руды. Однако, согласно разработанной концепции, в продольном разрезе столб получает форму не ромба, а шестигранника (фиг. 1). Причем формирование ромба и шестигранника должно вестись согласованно. Такая согласованность достигается путем наблюдения за характером деформирования эллипсоида чистой руды одновременно в двух направлениях (фиг. 1 и фиг. 3). Продольный разрез деформированного эллипсоида 30 на конечной стадии выпуска показан на фиг. 1, а его горизонтальное сечение 30 - на фиг. 4. Из фиг. 1 видно, что деформированный эллипсоид 30 в продольном разрезе отличается от классического недеформированного большей толщиной в районе расположения слоя решетчатой структуры 17 и заостренной купольной частью 23. Ширина эллипсоида больше толщины на ширину выпускной выработки 1, формирующей его основание (фиг. 3, 4). По фиг. 4 можно определить, что степень охвата деформированным эллипсоидом 30 площади столба составляет 82%. На таком уровне может быть извлечение чистой руды. Еще 18% руды 31 попадает в зону выпуска вместе с разубоживающей породой и будет частично извлечено. Около 2% породы 32 вовлекается в руду с торца столба. Общие потери и разубоживание снижаются до 6-8%.

На завершающей стадии слоями 11 отрабатывают оставшийся в основании столба выступ 7 совместно с угловым скосом следующего столба. Тем самым переносится выпускная щель и начинается формирование следующего шестигранника.

Изобретение относится к горнодобывающей промышленности и может применяться при отработке крутопадающих рудных тел одностадийной системой с обрушением столбами, близкой к эллипсоиду чистой руды формы. Способ включает проходку в каждом ряду столбов выпускного и подэтажных буровых штреков, разбуривание столба скважинами, образование нижнего торцового скоса столба путем отработки слоями, наклоненными под углом 45°+ ϕ/2, где ϕ - угол внутреннего трения отбитой руды, формирование путем опережающей отбойки и выпуска верхнего торцового скоса в следующем столбе, отбойку столба в зажатой среде на обрушенную породу отработанного столба, массовый торцовый выпуск из стационарной выпускной щели, отработку наклонными слоями оставшегося в основании столба выступа совместно с угловым скосом следующего столба. При этом ряды столбов на смежных этажах располагают со смещением по падению на половину высоты столба. Приближение тела выпуска к форме эллипсоида чистой руды достигают путем придания столбу в продольном разрезе формы шестигранника, а в поперечном сечении - ромба. Для этого в нижней половине верхнего подэтажа формируют слой руды повышенной крупности решетчатой структуры путем разреживания сетки скважин, не превышая линии наименьшего сопротивления (ЛНС). А купол отрабатываемого столба на высоту половины подэтажа совместно с угловой частью смежного столба формируют путем опережающей отбойки вееров скважин из бурового штрека предшествующего ряда столбов. Технический результат изобретения заключается в обеспечении извлечения чистой руды до 80%, снижении потерь и разубоживании. 4 ил.

Способ отработки крутопадающих рудных тел одностадийной системой с обрушением столбами, близкой к эллипсоиду чистой руды формы, включающий проходку в каждом ряду столбов выпускного и подэтажных буровых штреков, разбуривание столба скважинами, образование нижнего торцового скоса столба путем отработки слоями, наклоненными под углом 45°+, где ϕ - угол внутреннего трения отбитой руды, отбойку столба в зажатой среде на обрушенную породу отработанного столба, формирование путем опережающей отбойки и выпуска верхнего торцового скоса в следующем столбе, массовый торцовый выпуск из стационарной выпускной щели, отработку наклонными слоями оставшегося в основании столба выступа совместно с угловым скосом следующего столба, отличающийся тем, что ряды столбов на смежных этажах располагают со смещением по падению на половину высоты столба, приближение тела выпуска к форме эллипсоида чистой руды достигают путем придания столбу в продольном разрезе формы шестигранника, а в поперечном сечении - ромба, при этом в нижней половине верхнего подэтажа формируют слой руды повышенной крупности решетчатой структуры путем разреживания сетки скважин, не превышая линии наименьшего сопротивления (ЛНС), а купол отрабатываемого столба на высоту половины подэтажа совместно с угловой частью смежного столба формируют путем опережающей отбойки из бурового штрека предшествующего ряда столбов.