книги / Моделирование технологических схем выемки калийных руд с закладкой

пласта. Даже при уклоне в сторону фильтрующей перемычки при наличии синклинальных складок кровли по длине камеры при достижении верхним уровнем закладочного массива замка складки препятствуют дальнейшему движению пульпы. Для пре­ дотвращения этого явления предлагается прорезать в кровле камеры вертикальную щель глубиной, равной или более макси­ мальной амплитуды синклинальной складки кровли камеры (амплитуда складки в данном случае не амплитуда складки пласта, а амплитуда складки, оставляемой в кровле камеры комбайном).

Из-за складчатости кровли пласта все же не всегда удается достичь 100%-го заполнения объема камеры. Поэтому для быст­ рого вступления закладочного массива в работу и увеличения его прочности следует применять дополнительные меры, напри­ мер, быстротвердеющие закладки, содержащие цемент или другие вяжущие материалы. Хотя материал закладки и достигает проч­ ности 10 МПа, этот способ может быть рекомендован лишь при добыче ценных руд.

Способ уплотнения закладочного массива путем пропуска по нему горячих растворов солей №С1 и КС1 очень энергоемок, но позволяет за счет дополнительной кристаллизации солей при охлаждении раствора увеличивать прочность материала в 1,5 раза. Рядом исследователей предложены многочисленные способы упрочнения закладочного массива механическим воздействием с помощью взрыва ВВ, тепловой обработки и других возможных технологических операций.

1.4. ОПТИМАЛЬНЫЕ ВАРИАНТЫ РАЗРАБОТКИ СХЕМ ОТРАБОТКИ ПЛАСТА “КРАСНЫЙ-11“ С ГИДРОЗАКЛАДКОЙ

Технология обработки пласта Кр.Н в условиях Верхнекам­ ского месторождения должна совершенствоваться в следующих направлениях: обеспечения повышения производительности труда и безопасности работ; увеличения извлечения руды из недр; организации поточности всех технологических операций горных работ.

Задача повышения производительности труда на современном этапе решается за счет широкого внедрения добычных комплек­ сов, улучшения их использования путем создания соответст­ вующих их характеристикам технологических схем. Это особенно важно при отработке пласта Кр.П, так как его параметры нестабильны (например, мощность на руднике БКРУ-1 колеблется от 2,6 до 11,9 м). В этих условиях повышение эффективности выемки может быть достигнуто лишь благодаря применению комбайнов различных типов. В настоящее время имеется ряд специальных комбайнов, обладающих широким диапазоном харак­ теристик (табл. 1.1).

В результате исследований определена рациональная область

Таблица М

Характеристика выработок, проходимых специальными проходческими комбайнами

Комбайн	Сечение		Размеры	выработки,	мм
	выработки,	Высота	Ширина	Ширина по Плоская
			общая	бермам	часть кровли
ПК-8 (ПК-8М)	8,9	3200	3200	3160	_
Урал-1ОКС	8,9	2200	4000-	4000	1800
(КСА)	9,8	2400	-4200	4000	1800
	10,2	2600	4300	4000	1800
Урал-20КС	13,4	2800	5250	5250	2250
(КСА)	15,3	3100	5300	5100	2300
	17,9	3400	5800	5100	2400
	20,2	3700	6100	5100	2400

применения этих комбайнов в зависимости от мощности и других характеристик пласта*

Наиболее важное значение имеет правильный выбор схемы отработки мощного пласта при многослоевой его выемке. Повы­ шение эффективности работы комбайнов за счет увеличения нагрузки на их рабочие органы при выемке второго и после­ дующих слоев связано с оставлением вдоль междукамерных цели­ ков так называемых ”буртиков*’, которые являются дополни­ тельной причиной травмирования.

Совершенствование схем выемки в направлении снижения объема вспомогательных операций дает значительный рост производительности труда, а применение схемы безотгонной работы комбайна на промежуточный конвейер повышение производительности комбайна на 12%.

На Первом Березниковском руднике эта схема была испытана на третьей западной панели и дала соответствующий рост производительности. Однако безотгонная схема может быть рекомендована лишь при складчатости пласта с амплитудой складок до 0,8 м, так как большие складки резко снижают скорость перехода комбайна через промежуточный блоковой скребковый конвейер и увеличивают разубоживание руды на 3-4%.

Большой эффект может дать схема выемки пласта Кр.Н длин­ ными параллельными камерами с частичным магазинированием руды, испытываемая на Соликамских рудниках. При ее приме­ нении ожидается повышение производителности труда до 20-25%, но с обязательным учетом вопросов безопасности и устойчивого поддержания вышележащих пород, так как схема рассчитана на использование жестких целиков и при увеличенном коэффициенте выемки эффекта не может дать. Применение податливых целиков из-за увеличения времени отработки блока в данном случае не обеспечивает ни устойчивого поддержания кровли, ни эффек-

тивной работы комбайна и других механизмов в связи с уско­ рением деформаций кровли и целиков.

Для Верхнекамского месторождения выбор безопасных техно­ логических схем осложнен геологическим разнообразием залега­ ний пласта Кр.И. Если в условиях большинства участков шахтных полей Первого Березниковского и Соликамских рудников при глинистых прослойках между слоями 5 мм и менее устойчи­ вости кровли позволяет увеличивать пролет камер до 16 м и более при условии соблюдения мер безопасности, то на Втором и Третьем Березниковском рудниках из-за увеличения мощности глинистых прослойков в кровле (до 0,3 м) и тонкослоистого ее строения эта возможность исключена. При небольших глинистых прослойках устойчивость выработки должна обеспечиваться прежде всего за счет правильного выбора схемы проходки в горизонтальной плоскости. Обследованием шахтного поля рудника БКРУ-1 установлено, что 82% отработанных камер и пройденных по пласту штреков имеют наклон не более 6-7 . Но в то же время согласно результатам исследований Б.М. Голубе­ ва [8], уголообщего падения пласта для шахтного поля БКРУ-1 достигает 10 . Для 11% площади шахтного поля коэффициент складчатости (отношение высоты складки к ее цирине) состав­ ляет 0,4-0,5. В этих условиях машинный способ приведет к увеличению потерь до 7-10% и росту разубоживания с почвы на 3-5% по сравнению с буровзрывным способом выемки. Для этого случая рекомендуется разворот очистных камер вдодь направ­ ления складок с северо-запада на юго-восток (на 30 по отно­ шению к направлению "север-юг1'). При выборе направления проходки камеры в горизонтальной плоскости следует преду­ сматривать направление складок и задавать в зонах интенсив­ ной складчатости направление движения комбайна по реперам. Внедрение этого метода с предварительным прогнозом по гео­ логическим данным соседних камер на руднике БКРУ-1 позволило снизить разубоживание на участках с интенсивной складча­ тостью на 6-7%.

На рудниках с неустойчивой кровлей, по данным производст­ венного опыта, превышение ширины камеры более одного хода комбайна серьезно осложняет поддержание кровли. В ряде случаев требуется полное крепление кровли за комбайном анкерной крепью.

Для увеличения извлечения руды из недр на Верхнекамском месторождении начато испытание камерной системы с податли­ выми целиками. Однако, как показали исследования Э.Ф. Жит­ кова [10], ее применение требует высокой надежности системы и в отношении проектных размеров податливых целиков в задан­ ных допусках и надежности добычного оборудования. В условиях Верхнекамского месторождения, осложненных складчатостью пласта и тонкослоистой глинистой кровлей, вероятность отказа системы больше, чем на Старобинском месторождении. Кроме того, этот вариант может быть применен лишь на шахтных

полях, ще допускается опускание земной поверхности в значительных пределах. Для условий Верхнекамья при вынимае­ мых мощностьях пласта Кр.П до 6 м и коэффициенте извлечения при податливых целиках 0,6-0,7 конечное опускание земной поверхности составит свыше 3 м, что для условий городской и заводской застройки недопустимо. Скорость оседания дневной поверхности может быть снижена благодаря закладки, однако при податливых целиках наиболее дешевый ее вид (гидравличе­ ский) неприемлем из-за опасности "размыва” целиков. Сплошные же системы разработки тем более обусловливает большие скорости и значения конечных оседаний, поэтому их применение целесообразно лишь как совместное с пневматической и быстротвердеющей закладкой выработанного пространства. Для мало­ ценных руд (сильвиниты) этот вариант пока не обоснован ни экономически, ни технически.

Таким образом, для выемки пласта Кр.П под городской и заводской застройками могут быть применены только варианты системы с поддержанием кровли на жестких целиках при коэф­ фициенте извлечения не более 0,4. На таких площадях практи­ чески отсутствуют иные сильвинитовые пласты и нормативными документами обычно допускается выемка одного пласта.

Исходя из задачи повышения извлечения руды из недр в этих условиях прежде всего необходимо рассматривать технологиче­ ские схемы, предусматривающие закладку выработанного про­ странства в целях повышения несущей способности целиков и возможности их последующей выемки. При этом появляется многостадийность горных работ. При выборе технологической схемы этот фактор следует учитывать, чтобы следующие друг за другом операции по выемке-закладке-выемке не мешали, а взаимно способствовали осуществлению, создавали поточную технологию горных работ. Это достигается за счет выбора оптимальных технологических схем ведения работ на каждом этапе и определения оптимальных сроков между выполенением всех операций.

1.5. КАМЕРНАЯ СИСТЕМА РАЗРАБОТКИ СИЛЬВИНИТОВОГО ПЛАСТА КР.П

В настоящее время при машинной выемке пласта Кр.П при слабоустойчивой кровле применяется в основном камерная сис­ тема разработки с равномерным чередованием одноразмерных целиков и камер. С увеличением доли комбайновой добычи руды из-за уменьшения ширины камер до ширины комбайнового хода на всех рудниках возросли потери полезного ископаемого по сравнению с буровзрывной выемкой, что обусловлено уменьше­ нием коэффициента формы целиков и соответственно доли материала целика, находящегося в объемном напряженном сос­ тоянии.

В связи с этим основным направлением совершенствования вариантов системы разработки в целях повышения коэффициента извлечения руды из недр следует считать увеличение пролета кровли камер, а соответственно, ширины междукамерного целика (изменение коэффициента формы). Это особенно важно при значительной мощности разрабатываемого пласта. Только при устойчивой кровле можно пойти на прямое расширение камеры путем наложения ходов комбайнов по горизонтали. При слабоустойчивой и неустойчивой кровле более рационально исполь­ зовать вариант расширения пролета камеры путем формирования между ходами комбайна технологических (межходовых) целиков, оставляемых на заданный срок службы для поддержания кровли до проведения закладочных работ. Исследуя этот вариант, большинство авторов обращает внимание лишь на то, разгру­ жаются или не разгружаются промежуточными технологическими целиками опорные (междукамерные). Отвлекаясь от этой проб­ лемы, рассмотрим лишь вопрос о повышении несущей способности целика при увеличении его размеров.

Все исследователи сходятся во мнении, что большая ширина междукамерных целиков обусловливает расширение зоны объем­ ного сжатия материала, а соответственно и его несущую спо­ собность. Имеются лишь различия в математической интерпре­ тации этого закона.

Для упрощения исследования (поскольку в данном случае следует найти общие принципы) примем закон увеличения несу­ щей способности целика по Церну за счет изменения его коэф­ фициента формы (см. рис. 1.2)

КФ= Н/Ъ\ Ка = (&/А)1'2,

где Кп - коэффициент Церна, к - высота целика, м; Ь - ширина междукамерного целика,м.

Зависимость коэффициента извлечения руды из недр

■^нэв —/(Л,^м),

где п - число комбайновых ходов в камере; Ь* - ширина меж­ ходового целика, м.

При допущениях (межходовые целики, поддерживая лишь непосредственную кровлю, не разгружают междукамерные целики) нагрузка на опорные целики от собственного веса не сказы­ вается существенно на их несущих способностях.

Ширина междукамерных целиков по Л.Д. Шевякову
Ъ = аъН/(Я -	уЯ);	(1.1)
а = акп + Вм(п	- 1),	(1.2)

где а - ширина камеры, м; а* - ширина сечения комбайнового хода, м; у - средняя плотность покрывающих пород, кг/м3; Н - глубина залегания пласта, м; К - удельная несущая способ­ ность целика (Па) определяемая по формуле

Я = <гКп/К*.

(1.3)

Здесь <г - прочность породы на сжатие, Па; Къ - коэффициент

запаса. С учетом выражений (1.2) и (1.3) формула

1.1)

имеет

вид:

^

в

Га , и +

^ |(й - 1 )]у я __

(1.4)

<ГЬ1/ 2/*зЛ|/2

у н

Коэффициент извлечения

руды из недр

Кнзв

-

сип/(Ь +

дшк + Ь*п -

Ьм).

(1.5)

Решение уравнения Ь = Дя)

из-за

степенного

характера

усложняет расчеты.

Для упрощения решения выразим

=

1гЬЬ1 12/ ( К лН1 127гт

-

Ь

+ Ь»

(1 6)

Дк + Лм

Подставив

выражение (1.6) в (1.5),

получим:

^

я

а*\Ьъ12(Г/ (КъП1/ 2УЮ -

Ь

+ Ь„

^

Ь3 12<Г/К2н1!2у н ы *

+

6м>

Задаваясь различными значениями ширины междукамерного

целика при различных значениях 5И в .выражениях

(1.7) и

(1.6), построим для примера график зависимости

Кмзв

=

Дл)

при: а%= 5,2 м;

сг = 26 МПа; у =

2250

кг/м3; Я

*

450

м;

А -

= 6,2 м (отработка пласта Кр.И на

4-й и 5-й

западных

панелях

Первого

Березниковского рудника) при 5М=

0,7; 1,2 и

1,6 м (рис. 1.5). Из графика видим, что без учета коэффициента формы целика Кнм с ростом числа комбайновых ходов падает, с учетом его - растет.

Без учета Кф междукамерного целика при системе с периоди­ ческим оставлением междукамерных и межходовых целиков, как при равномерном оставлении целиков одинаковой ширины Ь *= Ьн = уН/(гу Киэв не зависит от соотношения величин Ь и Ън если учитывать, что и межходовые целики также воспринимают на­ грузку вышележащих пород. При камерной схеме с одинаковыми целиками /Сизв не зависит и от числа комбайновых ходов. Без

учета несущей способности межходового целика степень									роста
Рис. 1.5. Зависимость коэффициента из­
влечения			от числа			комбайновых ходов в
				пределах камеры:
1 - без учета Кф междукамерного целика при
вм -	1	м;	2	с	учетом		Кф	междукамерного
целика:		при		&м -	0,7	м;	3	то же,	1,2	м;
4	то	же,		1,6	м; 5		при	системе	с	це­
	ликами одной ширины							(а -

Км* =	Д п) с увеличением Ьм падает.	Очевидно, есть	пре­
дельное	значение Ъ*, при котором	еще продолжает	расти

при варианте системы с последовательным чередованием междукамерных и межходовых целиков, т.е. сохраняется пре­ имущество этого варианта системы перед вариантом с одинако­ выми целиками.

Для определения значения Ьн сравним оба варианта. Расчет ведем без учета несущей способности поддерживающего целика и

при условии равенства КНЗЕ при первом и втором вариантах
Кню =	При этом имеем:

а* _ _______ Мь__________

ок + Ь2 + пак + Ьн(п - 1) ’

где Ь\ ширина межходового и междукамерного целиков при первом варианте системы с целиками одинаковой ширины, м; Ьг - ширина междукамерного целика при втором варианте сис­ темы с целиками разной ширины, м.

После преобразования

Ь{ ш [Ь2 + д»(п - 1 )]пЛ

(1.8)

Значения Ь\ и Ьг могут быть определены исходя из условия равенства коэффициента нагружения (отношения удельной дейст­ вующей нагрузки к несущей способности целика) междукамерных целиков. Удельная действующая нагрузка на целик по Л.Д. Шевякову

<гд = уН(а + Ь)Ь‘\

(1.9)

Коэффициент нагружения целика с учетом коэффициента формы целика по Церну

С„ = ъН(а + Ь)ЬН2/(<гЬЬ'12).

(1.10)

Сравнивая коэффициенты нагружения целиков Сн при работе по первому и второму вариантам имеем:

? 1 / / ( д к +	Ь \ ) Н \ ! 2 =	_ЗГдЯ 2 [ а к		-*•	Ь н ( п	- Р	+ Ь 2] Н ^ ± _	( 1 Л 1 )
<Г1Ь \!2					сТгЫ*2
Для одного пласта		Кр.И
	Ы = Л2, сг1 =		<г2,	п	= Гг,	Н\ =	Я2.
После преобразования
_________пау + Ьг + Ьи(п -			1)______ _			пак	+ Ьн(п - 1)	+ Ьг
Ьг + Ьм(п	\)т/[Ьг + Ь„(п		I ) ] / п				Ь2Ь21* 2

Ширина поддерживающего целика, при котором соблюдаются принятые условия, К ^ь = К^ъ и Си#= С /

К =

( 1.12)

Увеличение ширины поддерживающего целика более этого значения при расчете параметров системы разработки приведет к неравенству КЦВ < К*

Так как Ь = /(я), то решить однозначно уравнение (1.12)

нельзя.		определим:
Из уравнения (1.6)
^ =	<гЬЬ1/ г/ ( К * к 1/ 2УН )		- Ь -	а*п	1 3 )
Графическое	решение	уравнений	(1.12)	и (1.13)	при заданных

Кз и п дает максимальную ширину поддерживающего целика Ьи, при которой при равном нагружении междукамерных целиков

вслучае камерной системы с равномерным чередованием

одинаковых междукамерных целиков равен ХиЗВ в случае системы с периодическим чередованием междукамерных и межходовых

целиков.	К 2 =	2; Л = 6,2	м, у	= 2250 кг/м3,		Н =* 450 м,
Для случая
<г * 26,0 МПа при п «■ 2, 3, 4,				и	в результате		решения
графическим путем		уравнений	(1.12)		(1.13) получаем: при
п = 2 ширина	поддерживающего целика				при С'н -	С»	и К'нм <

< Кнзъ должна быть не более 3,8 м. При увеличении п пре­ дельная ширина поддерживающего целика Ьи возрастает. С учетом этого при расчете параметров системы получим рост эффективности извлечения руды из недр. Поэтому при выемке пласта Кр.П рекомендуется использовать вариант камерной системы разработки с периодической последовательностью междукамерных (опорных) и межходовых целиков.

2.ТЕХНОЛОГИЯ ВЫЕМКИ РУДНЫХ ПЛАСТОВ

СГИДРОЗАКЛАДКОЙ ВЫРАБОТАННОГО ПРОСТРАНСТВА

Всвязи с разнообразием горно-геологических условий за­ легания, строения и составов пластов Верхнекамского место­ рождения необходим дифференцированный подход к разработке технологии их выемки. Поскольку при применении закладки себестоимость добычи руды повышается более чем в 2 раза, требуется оценка целесообразности ее использования в кон­ кретных условиях. Результаты, полученные авторами при иссле­ довании комплекса закладочных работ на пласте ”Красный-1Г\ могут представить интерес при проектировании технологических схем выемки с закладкой на других пластах.

2.1. СХЕМЫ ГИДРОЗАКЛАДОЧНЫХ РАБОТ ПО ПЛАСТУ “КРАСНЫЙ-1Г

Анализ производственного опыта и технико-экономическое сравнение показывают целесообразность применения гидрав­ лической закладки при камерной системе разработки с "жест­ ким” поддержанием пород. При этом обеспечивается большая производительность работ, а соответственно сокращается время закладки отдельных камер и блоков. Закладочный массив набирает большую прочность за более короткий срок, чем при сухой закладке. При выборе оптимальной схемы необходимо следующее.

1. Отставание закладочных работ от очистных должно быть согласовано со временем работы целиков в режиме установив­ шейся ползучести (закладочные работы должны быть закончены, а закладочный массив набрать необходимую прочность до потери поддерживающими целиками своей несущей способности до пере­ хода в стадию прогрессирующей ползучести).

2.Коэффициент заполнения камер должнет быть максимальным

-от 0,9 до 0,95.

3.Принимаемая схема закладочных работ должна обеспечи­

вать технологичность всех операций, и гидрозакладочные рассолы, даже в случаях неуправляемого сброса, - не мешать очистной выемке.

4. Закладочный массив должен в минимальные сроки набирать требуемую прочность.

Принятые на рудниках ПО "Уралкалий" схемы закладочных работ не полностью удовлетворяют этим требованиям. Так, коэффициент заполнения камер лишь в отдельных случаях дос­ тигает 0,95, в среднем же он составляет 0,8. Как мера повышения коэффициента заполнения камер в настоящее время при выборе направления ведения закладочных работ принимают во внимание лишь угол падения пласта. Аварийные сбросы рассолов при гидрозакладке камер порой парализуют очистные работы на выемочные панели. Во избежание этого закладку панелей обычно ведут по окончании в них очистных работ. С этим связано резкое увеличение сроков отставания закладочных работ от очистных и, следовательно, повышение коэффициента запаса при расчете размеров целиков. Каких-либо мер по ис­ кусственному ускорению набора прочности закладочным массивом не принимается.

Выбирая схемы закладочных работ, обозначенные проблемы следует решать в комплексе с выбором схемы и параметров очистных работ. Например, размеры опорных целиков должны быть рассчитаны на длительную прочность в течение всего периода работ, причем с дополнительной прорезкой. При этом следует принимать во внимание и вредное влияние закладочных рассолов на повышение влажности целиков и, следовательно, снижение их несущей способности. Ширину межходовош целика

следует принимать исходя из условия устойчивой работы целика до начала закладочных работ. После закладочных работ межходовый целик должен за счет своей повышенной деформации быстро вступать в работу в системе целик - закладка, чтобы обеспечивалось дальнейшее поддержание вышележащих пород в заданных пределах. Для исключения влияния закладочных рассолов на очистные работы рекомендуется две схемы гидро­ закладки.

Преимущества схемы гидрозакладки совместно с очистными работами - большая концентрация и (при правильно выбранном отставании закладочных работ от очистных) технологичность работ, простота схемы строительства перемычек и сбора рас­ сола, возможность лучшего контроля за заполнением камер и сокращение объема подготовительных работ, так как закладка происходит в двух полублоках.

Особенности другой предложенной схемы полевое распо­ ложение конвейерного штрека и большая маневренность на выемочном горизонте. Хрономегражные наблюдения показали, что доля основных операций за счет сокращения вспомогательных повышается на 7-8% с соответствующим ростом производитель­ ности труда. При закладочных работах благодаря хорошей гидроизоляции перепускных скважин для руды достигается его сохранность для второго этапа выемки опорных целиков. Для сбора просочившихся рассолов вдоль штрека устраиваются участковые рассолосборники вместимостью 50-60 м3.

В то же время теряется выемочный штрек, так как при заполнении блоков пульпой одновременно с камерами закладоч­ ным материалом заполняется и он. Эта потеря оправдана тем, что при этой схеме не требуется строительства большого количества перемычек в горловине каждой камеры. Для выпол­ нения работ следующих этапов необходимо его восстановление. Возможен подвариант этой схемы с закладкой полублоками, когда первоначально закладывается первый полублок панели, расположенный по падению пласта, а затем, после изоляции горловины камер второго полублока и организации перепуска рассола в участковый рассолосборник по выемочному штреку, ведется его закладка. При этом подварианте требуется выпол­ нение большого объема подготовительных работ по строи­ тельству фильтрующих перемычек в горловинах камер второго блока, но сохраняется выемочый штрек.

На рис. 2.1 показана вторая рекомендуемая схема ведения гидрозакладочных работ при двухстадийной (по выемке) от­ работке очистного участка. Смежные участки (блоки, панели) подготавливают выемочно-транспортным штреком, который про­ ходит по их границе. Выемку запасов, примыкающих к рудному массиву, ведут камерами первой очереди 2, а запасов, примы­ кающих к отработанному пространству - камерами второй оче­ реди 3. После полной отработки участка 1 выработки 2 и 3 изолируют фильтрующими перемычками 4 и заполняют закладочным