Классификация комбинированной разработки рудных месторождений

Тема 10. Управление геомеханическими процессами при комбинированной разработке месторождений полезных ископаемых. 4 часа.

Классификация комбинированной разработки рудных месторождений. Особенности геомеханических задач при комбинированной разработке месторождений. Устойчивость подработанных бортов и уступов карьеров. Предпочтительные направления развития фронтов очистных работ в карьере и руднике. Особенности напряжённо-деформированного состояния опорных и потолочных целиков в зоне влияния карьера. Определение зон влияния открытых и подземных выработок при комбинированной разработке месторождений. Погашение подземных пустот в бортах и под дном карьера.

Классификация комбинированной разработки рудных месторождений.

Комбинированная (открыто-подземная) разработка — это самостоятельный способ извлечения полезных ископаемых из недр в пределах одного месторождения с присущими ему особенностями, достоинствами и недостатками. В основу выделения отдельных разновидностей комбинированной разработки положены принципы пространственного и временного сочетания открытых и подземных разработок в пределах одного месторождения (рис. 10.1).

Рис. 10.1. Схемы комбинированной разработки месторождений.

При этом предполагается, что основным признаком пространственно-временного совмещения открытых и подземных горных работ является проведение их в зонах взаимного геомеханического влияния.

С точки зрения пространственного совмещения могут быть варианты совмещения открытых и подземных работ:

· в вертикальном направлении (рис.10.1, схема 1);

· в горизонтальном направлении (рис.10.1, схема 2);

· в вертикальном и горизонтальном направлениях (рис.10.1, схема 3).

В отношении временного сочетания следующие варианты:

· открыто-подземная разработка (открытые работы сначала, затем – подземные);

· подземно-открытая;

· одновременная (совместная) разработка открытым и подземным способом.

В горной практике выделяется также повторная разработка месторождений, которую некоторые специалисты относят к самостоятельному способу извлечения полезных ископаемых из недр, ввиду ее выраженной специфики. Классификация видов повторной разработки вполне укладывается в приведенные схемы с точки зрения пространственно-временного сочетания горных работ. Однако следует заметить, что при повторной разработке рудных месторождений, гораздо чаще используют специальные методы добычи.

К специальным методам относят гидродобычу, выщелачивание, выплавление, бактериологический метод и т.д. Каждый из них обладает особой спецификой технологии добычи, основанной на физико-механических и физико-химических принципах, и, в ряде случаев, эффективно дополняет методы комбинированной и повторной разработки рудных месторождений (как коренных, так и переотложенных).

В принципе возможны две крайние ситуации, при которой проблема совместной разработки месторождения отпадает:

♦ когда рудная горизонтальная или пологопадагощая залежь имеет ограниченное распространение на глубину и залегает недалеко от поверхности;

♦ когда крутопадающая слепая залежь имеет сравнительно небольшую мощность и располагается на значительной глубине.

В первом случае месторождение целесообразно отрабатывать только открытым способом, а во втором — подземным. Все промежуточные по горно-геологическим условиям ситуации могут удовлетворять требованиям совместной разработки, которая регламентируется экономическими соображениями.

Предпосылки к повторной разработке месторождений более разнообразны и в большинстве своем исходят из экономических соображений.

Причинами, побудившими вернуться к повторной разработке месторождений, могут быть:

· изменение кондиций на полезное ископаемое;

· снижение стоимости технологии горных работ;

· разработка новых схем добычи;

· появление высокопроизводительной техники и др.

Из всех перечисленных причин превалирующей является переоценка запасов месторождения. Она может быть следствием изменения кондиционного содержания полезных компонентов в рудах, переоценки потерянных при первичной отработке руд, устранения ранее мешавших факторов (отвод рек, осушение водоемов или массивов пород и др.), в результате влияния которых оставлены запасы.

Рациональное использование содержащихся в недрах минеральных богатств имеет первостепенное значение для народного хозяйства страны, однако потери при добычи некоторых видов минерального сырья продолжают оставаться высокими.

Так, при подземной разработке в недрах остается до 25% балансовых запасов руд черных, цветных и редких металлов, до 60% калийных солей. По данным бывшего Госгортехнадзора СССР, потери богатой руды в Криворожском бассейне с учетом неправильно списанных запасов составляют 50%. На Тырныаузском комбинате потери роговиковых руд с учетом подработанных и списанных запасов составляют 54%.

Для повторной разработки потерянных руд необходимо знать их общее количество, которое накопилось в зоне обрушения с начала эксплуатации месторождения, а также распределение потерянных руд в выработанном пространстве, особенно количество потерянных руд в лежачем боку, так как эти руды наиболее доступны разработке как открытым, так и подземным способом. Следует также знать содержание металла в разубоженных рудах.

10.2. Особенности геомеханических задач при комбинированной разработке месторождений.

При комбинированной разработке возникает ряд специфических геомеханических задач. Приведем основные из них:

1. Определение размеров допустимых горизонтальных и вертикальных обнажений пород. Это — одна из важнейших задач, от решения которой зависит целый ряд вопросов рационального и безопасного ведения горных работ: установление безопасных параметров и режимов работы карьерного оборудования над пустотами; выяснение степени сейсмического воздействия взрывов в карьере на состояние подземных камер и др. Важно также знать допустимые вертикальные обнажения пород в пустотах, выходящих на уступы карьера.

2. Определение безопасной толщины потолочного целика над подземными пустотами (между уступами карьера и подземными пустотами). Задача примыкает к предыдущей и тесно с ней взаимосвязана. То, что потолочина верхней плоскостью выходит в карьер, накладывает особенности на методику решения задач. Существенно осложняют расчеты наличие механизмов и людей, периодические мощные взрывы в карьере.

3. Определение размеров опорных целиков при проведении
подземных разработок под дном и в бортах действующего карьера. Напряженно-деформированное состояние опорных целиков в зоне влияния карьера будет отличным от состояния аналогичных целиков вне зоны карьера. Условия прочности и устойчивости их будут в отдельных случаях совершенно иными. Все это обусловливает самостоятельную, отличную от распространенных методику определения их размеров.

4. Определение размеров барьерных целиков. Назначение барьерных целиков при совместной разработке месторождений разнообразно, и функции их неравнозначны. Они могут быть оставлены для изоляции подземных горных выработок от карьера, локализации в определенном направлении процесса сдвижения горных пород, изоляции затопленных участков и т.п. В каждом случае требуется найти минимальные размеры, оптимальную форму и место расположения барьерного целика, обеспечивающие и назначение его, и наименьшие потери полезного ископаемого.

5. Установление наиболее рациональных порядков ведения
подземных горных работ и схем развития карьера. Известно, что устойчивость подрабатываемого борта карьера зависит не только от абсолютных величин подработки (размеров, глубины и размещения в откосе подземных выработок). Существенным здесь является направление развития фронта подземных работ: от откоса, к откосу, параллельно ему, нисходящая или восходящая отработка и т.д. Для достижения наиболее рациональных геомеханических режимов важно, как будут развиваться горные работы в карьере относительно подземных выработок. Следует заметить, что решение этой группы задач имеет значение не только с геомеханической точки зрения. Большой комплекс технологических, технико-экономических и организационных вопросов совместно работающих рудника и карьера определяется решением задач о порядке развития горных работ. Поэтому здесь уместно ставить также задачу оптимизации частных решений.

6. Изучение напряженного состояния подработанных бортов карьеров. Эта задача может быть также отнесена к категории определяющих, так как ее решение — основа для решения группы других задач. Напряженное состояние подработанного борта карьера в весьма сложной форме зависит от множества факторов, в том числе от размеров и количества подземных выработок, их положения относительно откоса борта, динамики горных работ. При наличии осложняющих геологических и гидрогеологических факторов эта задача становится исключительно трудной.

7. Выбор способов погашения подземных пустот для обеспечения безопасности карьерных работ. Каждый из способов
(закладка пустот, обрушение окружающих пород, изоляция) вызывает различный геомеханический эффект в окружающем массиве горных пород. Все это исключительно важно как для решения локальных задач (устойчивость опорных целиков или потолочин, устойчивость уступов, транспортных берм и т.д.), так и в масштабах месторождения в целом (устойчивость откоса борта карьера, развития сдвижения или обрушение пород в больших масштабах).

8. Изучение особенностей развития деформаций подработанных бортов карьеров. Даже у неподработанных карьеров деформация бортов развивается различно, в зависимости от условий залегания пород и силовой обстановки. Тем не менее, основные закономерности этих деформаций чаще всего можно прогнозировать с достаточной для технических целей точностью. Вместе с тем, наличие в борту или под дном карьера динамичного комплекса подземных выработок существенно усложняет эти закономерности.

9. Изучение влияния откоса борта карьера на распределение и величины напряжений в опорных, барьерных и потолочных целиках. Характер нагружения всех видов подземных целиков в зоне влияния откоса борта карьера меняется. Изменяются также роль и соотношения нормальных и касательных напряжений в потере устойчивости и прочности целиков. Вместе с этим появляются и возможности управления напряженным состоянием целиков.

10. Изучение особенностей развития сдвижения и обрушения пород при подземных разработках в бортах карьеров. Решение этой задачи весьма сложно (особенно для скальных пород) и важно в условиях совместной разработки, когда зона сдвижения и обрушения пород выходит на поверхность непосредственно на участках действующего карьера.

11. Изучение закономерностей воронкообразования в зоне карьера при подземных работах с обрушением. С одной стороны, внезапное появление воронки обрушения на участке карьера может иметь катастрофические последствия, с другой — прогнозирование ее развития способствует сокращению сроков простоев участка карьера в связи с выходом на поверхность.

12. Изучение влияния массовых взрывов в карьере на устойчивость целиков и потолочин подземных камер. Для отбойки горной массы на уступах карьера применяются весьма мощные взрывы, при которых часто используются десятки и сотни тонн взрывчатых веществ за один раз. Достаточно сильные взрывы производятся и для погашения пустот при подходе к ним уступов карьера. В результате этого подземные целики и потолочины испытывают многократное динамическое (сейсмическое и ударное) силовое воздействие, ослабляющее их и, в конечном итоге, приводящее к потере устойчивости и разрушению. Преждевременный выход из строя целиков может помимо аварий серьезно нарушить технологический ритм открытых и подземных работ.

13. Изучение влияния подземных массовых взрывов на устойчивость уступов и откосов бортов карьера. Аналогично предыдущему взрывы большого количества ВВ в подземных камерах могут существенно ослабить не только отдельные уступы, но и участки борта в целом. В совокупности с другими факторами это может послужить причиной обрушений и оползней в карьере.

14. Изучение деформаций подработанных транспортных берм карьера. Деформации, связанные с подработкой подземными работами, допустимые на обычных уступах, могут оказаться неприемлемыми для транспортных коммуникаций карьера. Выявление характера и величин деформаций на этих участках будет способствовать не только принятию соответствующего требования к порядку работ, но и разработке активных мер вмешательства в механику процессов.

15. Комплекс гидромеханических задач. Многие месторождения обводнены или залегают под комплексом осадочных обводненных пород. Глубокое водопонижение, вызываемое подземными выработками, может различно сказываться на устойчивости и деформируемости верхних комплексов пород. Задачи управления гидрогеомеханическими процессами при системах подземной разработки с обрушением обводненных пород сложны. При правильном решении сочетание открытых и подземных работ может дать существенный положительный эффект. Систематическое исследование и решение многих задач гидрогеомеханического профиля началось лишь в последние годы.

При повторной разработке месторождений задачи в области геомеханики во многом аналогичны задачам комбинированного способа. На многих из них нет необходимости подробно останавливаться, поэтому в перечне задач повторного способа разработки будут названы задачи, характерные исключительно для него. При рассмотрении задач будем придерживаться подразделения способа повторной разработки на схемы, принятые ранее.

При открытых работах на участке подземных разработок (см. рис. 9.1, схема 3) ситуация характеризуется динамичностью открытых горных работ и статичностью подземных. При этом может возникнуть необходимость в решении комплекса геомеханических задач.

1. Комплексное изучение инженерно-геологического и горнотехнического состояния пород и выработок на участке влияния первичной (в данном случае — подземной) разработки. Первоначальные состояния и свойства массива горных пород существенно изменяются после первичной разработки к моменту повторных горных работ. В отдельных случаях выполняется практически заново весь комплекс инженерно-геологических изысканий с последующим определением всех необходимых характеристик не только пород, но и массива закладки, обрушенных масс (если они имеются). В равной степени важно знать горнотехническую обстановку предшествующих работ: расположение, форму, размеры, состояние горных выработок и т.д.

2. Оценка устойчивости обнажений пород в подземных горных выработках. Особенность повторной разработки участка старых подземных работ заключается в том, что участвующие в последующих геомеханических процессах элементы подземной части общего комплекса уже заданы. Поэтому возникает задача оценки состояния и свойств элементов подземного рудника, наиболее важным среди которых можно считать оценку устойчивости обнажений горных пород.

3. Оценка устойчивости и несущей способности опорных целиков и потолочин камер (первичной разработки). Если при оценке устойчивости обнажений пород ошибка в установлении их размеров допустима до нескольких метров, то для опорного целика она должна быть не более 0,5—1 м.

4. Оценка существующих и определение размеров новых барьерных целиков. Сложность проектирования целиков в этом случае существенно выше, так как не всегда удается получить достоверные сведения от изолируемой части старых подземных выработок, труднее прогнозировать качество целиков.

5. Выбор способов погашения пустот. Задача отличается от аналогичной при совместной разработке месторождений тем, что со стороны подземных выработок доступ к пустоте может быть ограничен или отсутствовать. Это создает серьезные затруднения для контроля за полнотой погашения пустоты. Вместе с тем, в рассматриваемом случае ограничены возможности для качественного погашения пустот и контроля за их состоянием и со стороны карьера. Все это накладывает соответствующие требования и условия при решении задач.

Повторные подземные работы (рис. 10.1, схема 2) представляют собой наиболее сложный вариант подземных работ, особенно, если предшествующие горные работы выполнялись много лет назад. При этом может возникнуть множество задач.

1. Выбор способа управления горным давлением или, иначе формулируя, выбор системы разработки (с обрушением, закладкой, с поддержанием очистных камер и т.д.). При решении этой задачи, кроме общеизвестных факторов, необходимо учитывать состояние уже нарушенного подземными работами массива, а также прогнозировать возможное его поведение при повторной подработке.

2. Изучение воздействия ранее отработанных участков (или зон их влияния) на напряженно-деформированное состояние пород при повторной разработке. Как на ранее отработанных участках, так и в близлежащем массиве пород первоначальное поле напряжений существенно искажается, происходят существенные деформации, а местами и разрушение пород. Все это, несомненно, влияет на формирование напряжений и развитие деформаций пород в зоне повторных горных работ.

3. Изучение характеристик вторичного сдвижения массива подработанных горных пород. Поскольку изменились условия, сдвижение горных пород при повторной подработке одного и того же участка должно измениться. Нужно отметить, что подобная задача в горной науке практически не разработана.

4. Изучение состояния и свойств подработанного массива пород с целью проведения в нем горных выработок. Эта задача специфическая. Для ее решения необходимо сформулировать условия и способы проходки, вид крепи и требования к ней.

5. Изучение устойчивости обнажений массивов подработанных ранее пород или массивов закладки. При повторной разработке месторождения часто встречаются с проблемой выемки старых междукамерных или панельных целиков, потолочин камер. Последние могут иметь закладку, физико-механическое состояние которой определяет и технологию очистных работ в целиках.

6. Определение несущей способности целиков, сооружаемых в ранее подработанном массиве пород или массиве закладки. Задача тесно связана с предыдущей; решение ее позволяет эффективно изменять технологические схемы отработки, а также более гибко управлять геомеханическими процессами.

При подземных работах на участке, ранее разрабатывавшемся карьером, как в геомеханическом, так и в технологическом отношении, ситуация сравнительно проста. Здесь необходимо решать подавляющую часть задач совместной разработки. Из задач, специфических для данной схемы, можно назвать задачу оценки устойчивости уступов и откоса борта карьера. Могут также возникнуть задачи гидрогеомеханического порядка.