Предпочтительные направления развития фронтов очистных работ в карьере и руднике

Опыт предприятий, которые ведут открытую разработку месторождений при одновременной подземной подработке их системами с обрушением руды и налегающих пород показывает принципиальную возможность совмещения открытого и подземного способов разработки.

Подработка борта карьера в направлении от массива к карьеру обеспечивает наибольшую устойчивость борта карьера (рис. 10.5).

Рис. 10.5. Деформация пород при подработке откоса в направлении от массива.

В условиях месторождений, сложенных скальными породами, после выхода воронки обрушения на поверхность дальнейшее развитие зоны обрушения происходит с последовательным образованием консольных зависаний пород. Если забой остановить в положении АВ (см. рис. 10.5), то с течением времени граница зоны обрушения стабилизируется по линии ВС₄, определяемой углом полного обрушения пород.

Если подземный очистной забой (или фронт очистных работ) непрерывно продвигается, то обрушение пород все время будет происходить в виде консолей, следуя за очистным забоем и не получая полное развитие по граничному углу вплоть до остановки забоя. Обрушение образовавшейся консоли будет происходить участками, определяемыми предельным (критическим) вылетом консоли, величину которого в первом приближении можно определить по формуле

Х = ±√σ”_max h / γ, (10.6)

где σ”_max – максимальное растягивающее напряжение в консоли, h – мощность консоли; γ – объёмный вес пород.

Наблюдения, проведенные на Зыряновском месторождении, и их анализ показывают, что шаг обрушения консоли составляет 10—15 м и величина его довольно стабильна. Обрушению консоли предшествует появление трещин разрыва. Аналогичные выводы получены применительно и к другим месторождениям. Отделившаяся от массива часть консоли постепенно оседает и, разрушаясь, уходит в зону обрушения. Это обусловлено подпором ранее обрушившихся пород, заполнивших зону обрушения.

Таким образом, важное требование к ведению очистных работ в бортах карьера системами с обрушением пород заключается в том, чтобы фронт очистных работ подвигался в направлении карьера непрерывно. Этим создаются условия непрерывного учета развития зоны обрушения, захватывающей уступы карьера.

При попадании участков или всего карьера в зону полного обрушения пород под воздействием подземных работ важно знать характер перемещения разрыхленных пород в зоне обрушения с тем, чтобы иметь возможность управлять им. При разработке руды карьером обязательным условием подземных работ является обеспечение выхода воронки обрушения на поверхность в минимальные сроки.

Если в кровле обрушаемых блоков имеются монолитные крепкие породы, то процесс обрушения может задержаться, возможны зависания и при дальнейшем увеличении площади подработки возможно внезапное обрушение. Поэтому должны быть приняты меры по обеспечению обрушения всей толщи пород до карьера одновременно с обрушением блока после выпуска руды.

Стабилизировать обрушение налегающей толщи можно принудительным путем.

Так, на Ново-Сокольной линзе Лениногорского комбината в результате принудительного обрушения пород над блоком № 3 работы в этой части карьера можно было начать через три месяца после окончания выпуска руды из блока. Обычно перерыв в работе на участке карьера в зоне обрушения составлял 10—20 мес.

Отработка запасов руд в бортах карьера с обрушением налегающей толщи требует исключительно четкой взаимоувязки работ в карьере и подземном руднике. Опыт работы комбинатов «Апатит», Лениногорского, ЦГОК (Кривбасс) показывает, что такая организация работ на практике возможна и она дает положительные результаты в обеспечении безопасности работ.

При открытых горных работах в зонах обрушения наиболее опасной формой деформации подработанных массивов является воронкообразование. Причем решающим следует считать момент выхода воронок обрушения на поверхность.

В связи с этим необходимо, с одной стороны, подземные горные работы под дном и в бортах карьеров проводить по схемам и параметрам, которые обеспечивали бы минимальные условия для образования воронок обрушения. С другой стороны, за развитием зон обрушения в массиве должен вестись надежный и систематический контроль.

На условия формирования и развития воронок обрушения существенно влияют физико-механические свойства массива обрушенных пород, определяемые, в частности, его плотностью. С увеличением плотности возникают условия для формирования пустот над очистными блоками, которые затем могут развиться в воронки обрушения. Чтобы свести до минимума условия образования и внезапного появления воронок на поверхности, необходимо обеспечить наибольшее разрыхление массива обрушенных руд и пород.

Сыпучие свойства обрушенных скальных пород резко увеличиваются при достижении коэффициента разрыхления k_р= = 1,25 + 1,30. Более точно эту границу можно определить в каждом конкретном случае. Массив обрушенных пород с коэффициентом разрыхления, меньшим указанного предела, можно характеризовать как склонный к воронкообразованию. Вероятность образования воронок обрушения не может быть равной нулю. Справедливость высказанных здесь положений подтверждается многочисленными примерами из практики и экспериментами.

А.И. Коваль подчеркивает, что образование пустот, зависаний и, наконец, воронок в обрушенном массиве пород резко увеличились после перехода на одностадийную отбойку в зажиме (ранее применялся вариант двухстадийной отбойки блоков на компенсационное пространство). При этом, согласно подсчетам, коэффициент разрыхления снизился с 1,35—1,4 до 1,06—1,26.

Другое важное условие, также позволяющее значительно снизить воронкообразование в массиве обрушенной горной массы, заключается в равномерном выпуске отбитой руды по площади блоков.

Исследования, выполненные для условий Соколовского железорудного месторождения, показывают, что наиболее приемлем в этом случае одновременный равномерный выпуск отбитой руды из всех блоков, подрабатывающих участок карьера. Хотя это и связано с некоторым осложнением подземных горных работ, данную схему необходимо стремиться применять во всех случаях подработки участков карьера с обрушением пород. Однако, по горно-геологическим и иным объективным причинам реализовать изложенную рекомендацию удается не всегда. Поэтому в каждом конкретном случае необходимо выбрать (на основании специальных исследований или использования существующих многочисленных работ на эту тему) такую схему отработки блоков и выпуска руды, которая обеспечивала бы наиболее равномерное перемещение массива обрушенных пород.

Для условий крутопадающих залежей А. И. Коваль рекомендует равномерно-последовательный порядок выпуска из возможно большего количества отверстий при минимальном расстоянии между ними и малых дозах выпуска. При этом скорость выпуска должна быть порядка 4—5 т/м² в сутки. Выпуск целесообразно начинать с лежачего бока (при больших мощностях залежи), а в направлении простирания контакт «руда — порода» поддерживать плоским, с углом наклона к горизонту порядка 50°. В иных условиях оптимальные схемы и режимы выпуска могут быть другими.

Оценка устойчивости откосов бортов и уступов карьеров, попадающих в зоны сдвижения и обрушения пород от подземных разработок, в принципе, осуществляется теми же методами, что и обычно. Естественно, при этом следует учитывать некоторое перераспределение сдвигающих и удерживающих усилий и изменение структурных и прочностных показателей массива пород.

Рассматривая вопросы совместной (особенно с обрушением руды и пород) разработки месторождения, нельзя упускать из виду такой важный момент, как контроль за состоянием подработанных массивов пород. Должен быть поставлен комплекс маркшейдерских, геофизических и геомеханических наблюдений за изменениями состояния массивов пород (их напряженного и деформированного состояния, структуры и др.), развитием пустот, зон сдвижения и обрушения, воронок обрушения, деформаций откосов уступов и бортов др.