Оптимизация построения предохранительных целиков

Основные положения программы развития минерально-сырьевой базы Российской Федерации на 2001;2005 годы" нацеливают на «. усовершенствование систем разработки месторождений полезных ископаемых с целью повышения коэффициентов извлечения запасов ., совершенствования технологии добычи сырья с целью снижения потерь полезных ископаемых в процессе их добычи, более полное и комплексное использование попутных полезных ископаемых .» .

Современная Россия имеет значительную сырьевую базу угольной промышленности. Но размещение этих ресурсов весьма неравномерно. Основные ресурсы ископаемых углей располагаются на Востоке страны. В таких бассейнах, как Кузнецком и Восточном Донбассе, на многих шахтах имеет место низкая обеспеченность промышленными запасами.

При этом на полях действующих шахт сосредоточены значительные запасы угля в постоянных целиках под застроенными территориями, отдельными сооружениями, под коммуникациями и охраняемыми природными объектами, поскольку наиболее простым и распространенным способом охраны объектов на земной поверхности является оставление предохранительных целиков. Но в этом случае большая часть запасов полезного ископаемого не извлекается из недр и исключается из народнохозяйственного использования. Общее количество угля, законсервированного в целиках под различными объектами, по своей величине соизмеримо с промышленными запасами действующих шахт в этих бассейнах [54].

Под застроенными территориями и охраняемыми объектами в нашей стране находится около 5,5 млрд. т балансовых запасов угля [29]. В Донецком бассейне, в том числе в районах Восточного Донбасса, сосредоточена значительная часть этих запасов — более 40%. Распределение запасов, законсервированных под группами объектов, характеризуется следующими цифрами [49]: под гражданскими зданиями — 33%- под промышленными сооружениями — 25%- в целиках под промплощадками и околоствольных целиках — 24%- под водными объектами — 9%- под прочими объектами — 9%.

В Донецком каменноугольном бассейне запасы в целиках по шахтам ОАО «Ростовуголь «и «Гуковуголь «представлены следующими цифрами: 93 120 тыс.т. и 23 751 тыс.т.

В Кузнецком бассейне в постоянных целиках в полях действующих шахт временно законсервировано более 15% балансовых запасов угля. По отношению к промышленным запасам шахт ОАО «Кузбассуголь» запасы в целиках составляют 29% [12].

Распределение запасов следующее: в целиках для охраны промплощадок и стволов — 31%- под гражданскими зданиями и сооружениями — 22%- под охраняемыми водными и природными объектами — 18%. В районе деятельности шахт ОАО «Ленинскуголь» значительная часть законсервированных запасов находится в целиках под гражданскими и промышленными зданиями городов Ленинск-Кузнецкий и Белово. В этом районе около половины законсервированных запасов находится в целиках под железными дорогами, включая магистральные, и под водными объектами. Похожая ситуация и на шахтах ОАО «Северокузбассуголь», где в целиках под железными дорогами находится 26% законсервированных запасов.

Доля подземного способа разработки в общем объеме производства остается значительной и составляет порядка 54% [61], поэтому запасы, законсервированные в целиках, являются существенным резервом отрасли.

Оставление предохранительных целиков для охраны объектов на земной поверхности приводит к существенному экономическому ущербу.

Эти запасы можно рассматривать как резерв отрасли при решении проблемы расширения сырьевой базы шахт за счет расконсервации запасов вщеликах.

Целики должны быть оптимальных размеров за счет выбора наиболее правильного и рационального способа их построения.

В действующих в настоящее время «Правилах охраны. 1998 г.» [37] для построения предохранительных целиков > рекомендованы несколько способов: это способ вертикальных разрезов и способ перпендикуляров. Также известны способ проекций с числовыми отметками и цифровой способ построения предохранительных целиков в координатах.

Для построения предохранительного целика способом проекций с числовыми отметками необходимо иметь совмещенный план с нанесенным объектом и изогипсами пласта.

Границы предохранительного целика получают, соединив точки пересечения одинаковых изогипс пласта и изогипс охранных плоскостей. Охранные плоскости проводят под углами, значения которых определяют по формулам.

В настоящее время этот способ практически не применяется из-за трудоемких построений.

Суть способа построения предохранительных целиков, предложенного инженером Г. А. Провоторовым, [41−46] заключается в том, что, решая аналитически уравнения эллипса влияния элементарного объема выработки и линии, ограничивающей охраняемую площадь, находят прямоугольные координаты границ предохранительного целика.

Этот способ предназначен для автоматизированного построения границ целиков с помощью ПЭВМ и неудобен и трудоемок при построении целиков вручную.

При использовании способа вертикальных разрезов границы предохранительных целиков получают графически на вертикальных разрезах в направлениях падения и простирания пласта.

Недостатком этого способа является узкая область его применения, он обычно используется при совпадении контуров сооружения с элементами залегания пласта или залежи.

Способ перпендикуляров применяется для построения предохранительных целиков под вытянутые объекты большой протяженности.

Сущность этого метода заключается в следующем. Границы целика строятся по перпендикулярам к охраняемой площади, длины которых определяются по формулам.

Но методика определения длин перпендикуляров, изложенная в «Правилах охраны.» [37], содержит некоторые неточности, которые показаны в данной диссертационной работе.

Более внимательное изучение способа перпендикуляров позволяет обнаружить его недостатки не только с точки зрения практической реализации, но и с точки зрения математической корректности.

При определенных условиях эти неточности приводят к тому, что построенные целики получаются завышенных размеров.

В диссертации выведены новые расчетные формулы и предложена новая методика построения целиков под вытянутые объекты — метод радиус-векторов, позволившие устранить ошибки при расчете длин перпендикуляров и извлечь дополнительные запасы угля путем сокращения размеров оставленных и отстраиваемых предохранительных целиков.

В диссертационной работе поставлена задача определения оптимальных размеров предохранительных целиков.

Рассмотрение вопроса оптимизации способов построения предохранительных целиков необходимо, поскольку дает возможность выбрать наиболее правильный и экономически целесообразный способ и позволяет говорить о расконсервации запасов в целиках. Это приводит к повышению извлечения полезного ископаемого из недр, к продлению срока службы действующих шахт и позволяет отнести на более поздние сроки вложение капитальных средств в строительство новых предприятий.

Оптимизация включает в себя выбор наиболее подходящего способа построения целиков, зависящего от конкретных условий и строения залежи полезного ископаемого, а так же использования изменяющихся с глубиной углов сдвижения.

В диссертации даны рекомендации к построению целиков исходя из понятия оптимизации их способов построения.

Применение способов определяется ориентировкой осей сооружения по отношению к падению и простиранию залежи и протяженностью объекта.

Для невытянутых объектов применяется способ вертикальных разрезов, в первую очередь, при построении предохранительных целиков к вертикальным стволам. Этот способ является основным на стадии составления проекта и на начальной стадии освоения месторождения.

Для случая вытянутых объектов и диагонально расположенных к простиранию залежи используется не способ перпендикуляров, предложенный «Правилами охраны .» [37], а способ радиус-векторов, так как способ перпендикуляров некорректен с точки зрения математического обоснования. Сокращение размеров целиков наблюдается не только при построении целика под вытянутые объекты, но и при построении целика под отдельно стоящие здания.

Способ проекций с числовыми отметками практически не применяется из-за трудоемких построений, но такое ограничение использования способа не имеет под собой достаточных оснований.

Очевидно, что способ с числовыми отметками дает более точное положение границ предохранительных целиков, но использовать его преимущества на ранней стадии разработки месторождения невозможно, так как по разведочным скважинам детально нельзя изобразить гипсометрию залежи. Поэтому рекомендуется производить корректировку границ предохранительных целиков в соответствии с изученностью месторождения.

В этом случае целики могут быть построены в первом приближении способом вертикальных разрезов или способом радиус-векторов. По мере разработки месторождения, когда будут пройдены рудные штреки и детально отстроена гипсометрия пласта, границы целиков можно уточнить модифицированным в данной работе способом проекций с числовыми отметками и принять их как окончательные.

При построении целиков более правильно пользоваться не постоянными углами сдвижения, а изменяющимися от минимального до максимального значения. При достижении явления безопасной глубины целики не строятся. Определив, таким образом, углы сдвижения, мы можем строить целики оптимальных размеров, что позволяет извлечь дополнительные запасы угля из целиков.

Составлена таблица, пользуясь которой- (стр.78) можно легко выбрать правильный способ построения предохранительного целика по? известным параметрам: вид объекта, расположение его оси и строение залежи.

Цель работы. Разработка методических положений по построению предохранительных целиков и определению их оптимальных размеров.

Идея работы. Построение предохранительных целиков на основе новой методики определения границы зоны опасного влияния горной выработки и выбора оптимального способа, учитывающего горногеологические условия разработки и пространственное положение охраняемого объекта.

Основные защищаемые научные положения. 1. Определение границы зоны опасного влияния горной выработки при углах залегания угольного пласта свыше 10° необходимо выполнять строгим способом расчета границ предохранительных целиков с помощью радиусвекторов на основе параметрического задания эллиптической мульды сдвижения.

2. Учет ориентировки осей здания относительно направлений простирания и падения угольного пласта и выбор оптимального способа построения целиков под отдельно стоящие здания позволяют получить сокращенные границы целиков.

3. Точка с критическими деформациями в мульде сдвижения не имеет постоянного положения, а перемещается в зависимости от глубины горных работ и вынимаемой мощности пласта.

4. Точность построения границ предохранительных целиков существенно зависит от изученности гипсометрии залежи.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— для условий угла падения залежи, более 10° на основе параметрического задания эллиптической мульды сдвижения с помощью радиус-векторов разработаны способы построения предохранительных целиков под вытянутые объекты, отдельно стоящие здания и сооружения;

— на основе нового способа построения границы зоны влияния горных работ модифицированы способы построения предохранительных целиков с помощью вертикальных разрезов и проекций с числовыми отметками;

— предложена схема выбора оптимального способа построения предохранительных целиков на основе учета пространственной ориентировки охраняемого объекта, горно-геологических условий и строения залежи полезного ископаемого;

— получена аналитическая зависимость величин углов сдвижения от глубины разработки и от мощности угольного пласта, что позволяет использовать не постоянные углы сдвижения, а изменяющиеся от минимального до максимального значений;

— предложен принцип корректировки границ предохранительных целиков в соответствии с повышением степени изученности месторождения. и.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается теоретическими, аналитическими решениями и анализом конкретных примеров, положительным результатом внедрения рекомендаций и выводов, полученных в диссертационной работе на горнодобывающем предприятии.

Практическое значение. Применение на практике предложенных способов построения целиков дает возможность определить оптимальные размеры предохранительных целиков, что позволяет извлечь дополнительные запасы полезного ископаемого путем сокращения размеров оставленных целиков и получить существенный экономический эффект.

Апробация работы. По теме диссертации опубликовано в научных сборниках 7 статей, содержание работы доложено на научных конференциях Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института), на научно-технических конференциях в Ростовском государственном строительном университете, на заседаниях кафедры маркшейдерского дела в Московском государственном горном университете и Южно-Российском государственном техническом университете.

Научные результаты использованы на ведущих предприятиях: ОАО «Гуковуголь», ООО «Урупский Гок».

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, заключения и содержит 101 страницу машинописного текста, 10 таблиц, 27 рисунков, списка литературы из 65 наименований.

ВЫВОДЫ.

1. Участки предохранительных целиков, находящиеся между их старыми и уточненными границами, могут быть отработаны с получением экономического эффекта.

2. На примере предохранительного целика под реку Уруп на Уруп-ском ГОКе экономический эффект может составить порядка 1 200 000 руб.

7. ТЕХНОЛОГ&tradeОТРАБОТКИ УЧАСТКОВ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫХ.

ЦЕЛИКОВ.

Важным моментом является вопрос о технологии отработки участков предохранительных целиков между их старыми и уточненными границами.

В последние годы для отработки предохранительных целиков на ограниченных участках, всевозрастающее применение получают бурошнековые машины.

Отработка запасов на таких участках с помощью дорогостоящих выемочных комплексов (до 40 млн руб.) малоэффективна. Поэтому целесообразным следует считать внедрение бурошнековой выемки установками типа БШК и БЗМ, БЗЦ.

Производительность бурошнековых установок в настоящее время достигает 125 т/сутки, в ближайшем будущем достигнет 200 т/сутки. Это позволит приступить к освоению запасов на участках с ограниченными размерами и маломощных забалансовых пластов 0,3−0,4 м.

Отработка таких пластов и участков возможна также скрепероструговы-ми установками, которые выпускались Шахтинским машиностроительным заводом, канатными пилами, многоструговыми установками, но отличается большей трудоемкостью на проведение разрезных печей и подготовительных выработок [55, 59, 64].

По результатам предварительных испытаний доказана эффективность добычи ценных руд из маломощных залежей методом выбуривания с помощью комбайна КД, — 900 [28]. Это позволит расширить минерально-сырьевую базу по добыче руд, содержащих золото, платину, серебро, олово, редкоземельные и другие полезные ископаемые: более 500 млн. т составляют запасы таких руд в маломощных залежах (0,6−1,2 м).

Анализ накопленного практического опыта и исследований специалистов показывает, что применение камерной системы разработки для отработки запасов маломощных залежей неэффективно по причине высокой трудоемкости подготовительных и очистных работ, высоких потерь полезного ископаемого. Может быть использована сплошная бурошнековая выемка. Оптимальным и легко осуществимым является способ камерно-скважинной выемки, сущность которого состоит в следующем: подлежащий отработке участок разделяется на камеры шириной, А и междукамерные целики шириной а. Выемка полезного ископаемого в камере осуществляется путем выбуривания скважин бурошнеко-выми установками типа БЗМ, БЗК и БЗЦ. Междускважинные целики формируют шириною 0,2−0,3 м, междукамерные возводят с необходимым запасом прочности в зависимости от времени существования охраняемого объекта: жесткие междукамерные целики оставляют с запасом прочности не менее 2,5, обеспечивающим длительную устойчивость геомеханической системыжестко-пластичные с запасом прочности и =2,5-И, 4, обеспечивающим устойчивость геомеханической системы в течение 5−15 летподатливые с запасом прочности менее 1,4 сроком службы менее 5 лет.

Запас прочности междукамерных целиков можно определить из формулы пространства, му — плотность пород целика, т/м .

Здесь, в формуле (7.1), ширина междукамерного целика принята без учета технологического влияния способа очистной выемки, которое при безвзрывной.

7.1) г уН (А + а)(0,4 — + 0,6)+у0 та где R — предел прочности пород целика на одноосное сжатие, МПаа — ширина междукамерного целика, мт- мощность пласта, му — плотность налегающих пород, т/м3- Н — глубина разработки, мА — ширина камеры, мL- минимальная ширина выработанного технологии будет минимальным.

В случае отработки участков околоствольных целиков рис. 7.1 из откаточной (обгонной) выработки 1 околоствольного двора по падению (или восстанию) пластовой залежи проходят подготовительные выработки 2 — транспортные и параллельно им вентиляционные выработки через каждые 50 м. Для обеспечения запасного выхода концы транспортных и вентиляционных выработок сбивают ходовой выработкой 3. Затем производится раскройка выемочного участка на.

Рис. 7.1. Технологическая схема отработки околоствольного целика камерно-скважинным способом камеры 4 шириной, А и междукамерные целики 5 шириной а, м. Полезное ископаемое в камерах выбуривают с помощью бурошнековых машин. Диаметр скважин 6 равен d, м, ширина междускважинных целиков 7 составляет а/, м.

С целью сокращения объема подготовительных работ расстояние между транспортными и вентиляционными выработками можно увеличить до 100 м, но это приведет к снижению эффективности бурошнековой выемки, особенно на пластах с изменчивой гипсометрией. Поскольку технология очистной выемки относится к безвзрывной, сейсмическое влияние на ствол исключается.

Добытое при выбуривании скважинами полезное ископаемое погружается на конвейер СП-202 (СП-63) в транспортной выработке 2, доставляется к откаточной выработке 1 и грузитсяв вагоны. Одна бурошнековая установка может добывать до 60 тыс. т. полезного ископаемого в год, производительность одного рабочего достигает 15т/чел-см.

Технологические схемы добычи полезного ископаемого выбуриванием обеспечивают практически неограниченный в пространстве и во времени фронт очистных работ в условиях действующих шахт и рудников. Эти схемы отличаются отсутствием сейсмического влияния на устойчивость горных выработок, относятся к безопасным и экологически чистым способам ведения горных работ, не требуют больших капитальных затрат — одна бурошнековая машина стоит не более 4 млн руб.

Разработка пологих пластов возможна скреперо-струговыми установками, крутопадающих — одиночными многоструговыми установками, а также буровзрывным способом, весьма тонких пластов — путем отбойки длинносква-жинными зарядами [22], что позволит отрабатывать пласты мощностью до 0,20,3 м и, таким образом, увеличить < промышленные запасы полезного ископаемого.

Экономически оправданной может быть технология разработки маломощных залежей крепких, но ценных руд путем выбуривания с промывкой (рис. 7.2). Полученная при выбуривании гидросмесь [28] подается к центральной гидротранспортной установке у ствола, откуда откачивается на химфабри-ку для обезвоживания и извлечения полезных компонентов. Вариант обезвоживания пульпы на участке с последующей транспортировкой сухой рудной массы в вагонетках на поверхность опробован на. Ловозерском редкометалльном месторождении и могут быть применены для разработки руд Урупского, Тыр-ныаузского, Садонского и других месторождений ценных руд (рис. 7.2).

Несомненный интерес вызывает отработка маломощных золотоносных жил месторождения Бестюбе рудниками ГОКа Каззолото. Отработка запасов кварцевых жил производилась системами с кучным магазинированием на коротких настилах, КТс =12−14 п.м.

Эффективность очистной выемки существенно возросла с переходом к комплексно-механизированной технологии, основанной на базе пневмобаллон-ных очистных комплексов. В качестве несущего органа крепи используются пневмокостры типа ПМ-3 или ПМ-4.

Перспективной является технологическая схема добычи полезного ископаемого из маломощных крутопадающих залежей с помощью комплексов КВП, КОВ-25.

Отработка запасов в предохранительных целиках.

Рис. 7.2. Технологическая схема скважинной позволяет увеличить минерально-отработки маломощных рудных залежей сырьевой ресурс горнодобывающих предприятий и отрасли в целом, срок службы и отдалить срок введения в эксплуатацию новых предприятий для восполнения выбывающих мощностей. о.

ГСП.

TW-ff,.

1 ,! т X у .

Г]ГТ7)Г.

Jt > If и* г t?

— Уг/.'ЬЛ.

U.: X.

Ш: fib f 'г j i t о d.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе решена актуальная научная и практическая задача, заключающаяся в разработке методических положений по построению предохранительных целиков и определению их оптимальных размеров, что позволяет сократить размеры целиков в отдельных случаях до 44%.

Содержание и основные результаты представленной работы состоят в следующем.

1. Предложено при расчете границ предохранительных целиков границу зоны опасного влияния горной выработки при углах залегания угольного пласта свыше 10° определять строгим способом, с помощью радиус-векторов на основе параметрического задания эллиптической мульды сдвижения.

2. Разработаны способы построения целиков под вытянутые объекты и отдельно стоящие здания при помощи радиус-векторов, дающие оптимальную геометрическую границу предохранительных целиков, что позволяет сократить размеры целиков в отдельных случаях до 44%.

3. На основе нового способа построения границы зоны влияния горных работ, модифицированы способы построения предохранительных целиков с помощью вертикальных разрезов и проекций с числовыми отметками.

4. Предложен обоснованный подход к выбору оптимальных способов построения предохранительных целиков на основе схемы, учитывающей ориентировку охраняемого объекта, горно-геологические условия и строение залежи полезного ископаемого.

5. Получена аналитическая зависимость углов сдвижения от глубины разработки и от мощности пласта, что позволяет при построении предохранительных целиков использовать не постоянные углы сдвижения, а изменяющиеся от минимального до максимального значений.

6. Рекомендовано использовать принцип корректировки границ предохранительных целиков по мере повышения степени изученности месторождения.

7. Доказано, что экономически выгодно производить выемку запасов из ограниченных участков целика, образованных после уточнения их границ.