Обоснование параметров камерно-столбовой системы разработки на больших глубинах с последующей выемкой целиков тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.20, кандидат технических наук Карпиков, Артем Алексеевич

• Карпиков, Артем Алексеевич
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Карпиков, Артем Алексеевич

1. ИЗУЧЕННОСТЬ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Горно-геологические условия и физико-механические свойства пород месторождения Жаман-Айбат.

1.2. Мировой опыт разработки пологих залежей на больших глубинах.

1.3. Рекомендуемая система разработки месторождения Жаман-Айбат

1.4. Методы расчета параметров камер и целиков.

1.5. Постановка задач.!.

2. ОЦЕНКА ПРИРОДНОГО НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДОПУСТИМЫХ ПРОЛЕТОВ КАМЕР

2.1. Оценка природного поля напряжений по дискованию керна контрольных скважин.

2.2. Оценка горизонтальных тектонических напряжений по проявлениям горного давления в выработках.

2.3. Промышленный эксперимент по определению допустимых пролетов камер.

2.4. Расчет предельных и допустимых обнажений кровли камер.

Выводы.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ НАГРУЖЕННОСТИ МКЦ ПРИ КАМЕРНО-СТОЛБОВОЙ СИСТЕМЕ РАЗРАБОТКЕ С ПОСЛЕДУЮЩЕЙ ВЫЕМКОЙ ЦЕЛИКОВ

3.1. Методика математического моделирования.

3.2. Нагруженность МКЦ в выработанном пространстве без учета влияния зоны обрушения.;.

3.3. Влияние высоты зоны обрушения на нагруженность целиков.

3.4. Установление закономерностей распределения нагрузок на МКЦ при обрушении налегающей толщи.

3.5. Промышленный эксперимент по отработке панели камерно-столбовой системой с последующей выемкой целиков и обрушением налегающих пород.

Выводы.

4. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЗМЕРОВ МЕЖДУКАМЕРНЫХ ЦЕЛИКОВ НА МЕСТОРОЖДЕНИИ ЖАМАН-АЙБАТ

4.1. Определение прочности массива руды на сжатие методом обратного расчета по факту разрушения МКЦ.

4.2. Расчет параметров междукамерных и барьерных целиков. Определение сетки расположения междукамерных целиков.

4.3. Установление пролета поддерживаемой призабойной зоны. Технология извлечения междукамерных целиков.

4.4. Параметры крепления очистных выработок.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование параметров камерно-столбовой системы разработки на больших глубинах с последующей выемкой целиков»

Актуальность темы. Камерно-столбовая система является эффективной технологией разработки пологих рудных залежей, обеспечивающей высокую производительность труда и интенсивность выемки. Наряду с этим она имеет существенные недостатки - потери руды в целиках, поддерживающих выработанное пространство, и накопление объема пустот. Особенно сильно данные недостатки проявляются в массивах с высоким уровнем тектонических напряжений, на больших глубинах. Характерным примером может служить месторождение Жаман-Айбат, расположенное в 200 км от г. Жезказган. Его эксплуатацию рудником Жомарт ведет Корпорация Казахмыс. Пологопадающие залежи медистых песчаников мощностью 2-12 м залегают в тонкоплитчатых осадочных породах с высоким уровнем тектонических напряжений на глубинах 500-800 м. Прочность руды на сжатие в образцах составляет в среднем 160 МПа. Применение в данных условиях камерно-столбовой системы разработки приводит к потере почти 40% руды в междукамерных целиках (МКЦ). Р.Б. Юном и В.И. Борщ-Компонийцем для рудника Жомарт предложена камерно-столбовая система разработки с последующей выемкой целиков. Ее суть заключается в совмещении в одной выемочной единице (панели) первичной разработки камерных запасов и повторной разработки МКЦ с обрушением налегающей толщи. Выработанное пространство поддерживается только в призабойной части панели несколькими рядами целиков. По мере подвигания горных работ после оформления еще одного ряда МКЦ ближний к зоне обрушения ряд целиков извлекается, и выработанное пространство погашается обрушением. При такой технологии добычи руды исключаются недостатки, присущие камерно-столбовой системе разработки. Для безопасности горных работ необходимо обеспечить устойчивость кровли очистных камер и МКЦ в поддерживаемой (призабойной) части выработанного пространства. Поэтому обоснование параметров камерно-столбовой системы разработки с последующей выемкой целиков является актуальной задачей.

Цель работы: обоснование параметров камерно-столбовой системы разработки с последующей выемкой целиков, обеспечивающих безопасность горных работ и высокую полноту выемки руды.

Основная идея работы: на большой глубине устойчивость кровли камер и МКЦ в призабойной зоне обеспечивается снижением концентрации нагрузок на них за счет погашения выработанного пространства обрушением и под держания целиками только части выработанного пространства.

Задачи исследований:

1. Определить предельные пролеты камер при тонкоплитчатой структуре кровли и действии в массиве высоких тектонических напряжений.

2. Установить закономерности распределения нагрузок на. МКЦ в призабойной зоне.

3. Разработать методику расчета параметров камерно-столбовой системы разработки с последующей выемкой целиков.

Методы исследований: численное моделирование, анализ фактических геомеханических ситуаций, промышленные эксперименты, статистическая обработка расчетных и натурных данных.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. При наличии высоких тектонических напряжений в массивах тонкоплитчатой структуры предельные пролеты очистных выработок определяются из условия потери устойчивости слоистой кровли продольным изгибом с учетом распределения окружных напряжений по контуру выработанного пространства.

2. При камерно-столбовой системе разработки с последующей выемкой целиков концентрация нагрузок на МКЦ в призабойной зоне изменяется по логарифмическому закону от площади поддерживаемой части панели, жесткости целиков и снижается при увеличении высоты зоны обрушения над погашенной частью выработанного пространства.

3. При камерно столбовой системе разработки с последующей выемкой целиков суммарная нагрузка на МКЦ в поддерживаемой части выработанного пространства распределяется по параболическому закону в поперечном сечении панели и имеет линейное распределение вдоль фронта отработки залежи.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций достигнута обоснованием расчетных схем, учетом основных влияющих факторов в широком диапазоне их изменения, положительными результатами опытно-промышленных работ, статистической обработкой и сходимостью расчетных и натурных данных.

Научная новизна работы:

1. Установлено, что потеря устойчивости кровли камер происходит из-за продольного изгиба слоистых тонкоплитчатых пород от действия в них высоких горизонтальных напряжений. При этом величина действующих горизонтальных напряжений определяется из аналитического решения задачи о распределении окружных напряжений по контуру выработанного пространства.

2. Установлены зависимости нагруженности МКЦ при камерно-столбовой системе с последующей выемкой целиков от геометрических параметров выработанного пространства, соотношения жесткостей налегающей толщи и рудного массива, параметров целиков и высоты зоны обрушения.

3. Установлены закономерности распределения нагрузок на МКЦ в призабойной зоне, учитывающие геометрические параметры выработанного пространства и места расположения целиков.

Практическое значение работы заключается в разработке новой методики расчета параметров камерно-столбовой системы разработки с последующей выемкой целиков.

Реализация работы. Результаты исследований использованы для проектирования опытно-промышленных работ при разработке месторождения Жаман-Айбат камерно-столбовой системой с последующей выемкой целиков.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и получили одобрение на конференциях: «Новые идеи в науках о земле» (г. Москва, 2003 - 2006 гг.).

Публикации. По результатам исследований опубликованы 5 работ, в которых изложены основные положения диссертационной работы.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав и заключения, изложена на 171 странице машинописного текста, содержит 69 рисунков, 31 таблицу, список использованной литературы из 49 наименований.

Заключение диссертации по теме «Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика», Карпиков, Артем Алексеевич

Выводы:

1. Для обеспечения запланированных объемов проходки и проезда горнопроходческого оборудования необходимо, чтобы пролет камер был равные 10-12 м. необходимо оставлять ленточные целики длинной 30 м, поэтому целесообразно:

На начальных этапах разработки (при малых эквивалентных пролетах обрушенной части выработанного пространства) сетку междукамерных целиков ленточной формы принять равной 22x40 м; ширину целиков принимать равной 12 м;

При полной посадки налегающей толщи до поверхности ширину МКЦ ленточной формы принимать равной а = 10 м (тем самым, увеличив пролет камеры до 12 м)

Для глубины горных работ 450 м - после отработки всех МКЦ в 5-6 панелях и барьерных целиков;

Для глубины горных работ 550 м - после вовлечения в повторную отработку 8 панелей и БЦ между ними;

Для глубины 650 м - после повторной отработки 20 панелей с БЦ.

2. Принимать пролет поддерживаемой призабойной зоны равный 130 м, при этом 3 ряда ленточных целиков длинной 30 м поддерживают призабойное пространства, а четвертый ряд извлекается.

3. На каждой стадии горных работ извлекается МКЦ с наименьшим запасом прочности. МКЦ с запасом прочности ниже 1,2 списываются в потери так как при обуривании таких целиков может произойти их разрушение.

4. Для поддержания капитальных и подготовительных выработок необходимо комбинированное крепление сталеполимерными анкерами с затяжкой кровли сварной металлической сеткой и торкретбетоном;

5. Шаг отставания анкерной крепи от забоя перед отбойкой руды не должен быть более определенного шага установки анкеров:

Для поддержания очистных камер с пролетом 10 м на глубинах до 550 м: глубина установки анкеров -2 м; сетка установки анкеров диаметром 25 мм - 1,4* 1,4 м.

Для поддержания очистных камер с пролетом 10 м на глубинах от 550 до 650 м: глубина установки анкеров - 1,6 м; сетка установки анкеров диаметром 25 мм - 1,5x1,5 м.

Для поддержания очистных камер с пролетом 12 м на глубинах до 450 м: глубина установки анкеров - 2,4 сетка установки анкеров диаметром 25 мм - 1,2* 1,2 м

Для поддержания очистных камер с пролетом 12 м на глубинах от 550 до 650 м: глубина установки анкеров - 2 сетка установки анкеров диаметром 25 мм - 1,4x1,4 м

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации дано новое решение актуальной задачи обеспечения безопасности горных работ при камерно-столбовой системе разработки на больших глубинах с последующей выемкой целиков путем создания методики расчета параметров системы разработки, основанной на факте снижения концентрации нагрузок на МКЦ в призабойной зоне.

Основные научные и практические результаты заключаются в следующем:

1. Установлено, что природное поле напряжений на месторождении Жаман-Айбат неоднородно - наибольшие горизонтальные напряжения изменяются в пределах 1,7+3,7уН и действуют вдоль простирания главных геологических структур с азимутом 70°.

2. Установлено, что при увеличении площади выработанного пространства концентрация действующих напряжений на контуре кровли камер снижается в 4-6 раз.

3. Предложено новое решение для расчета предельных пролетов камер на больших глубинах в массивах тонкоплитчатой структуры при наличии высоких тектонических напряжений.

4. Получена новая зависимость суммарной нагрузки на МКЦ в призабойной зоне от их размеров и геометрических параметров выработанного пространства при камерно-столбовой системе разработки с последующей выемкой целиков.

5. Получена новая зависимость суммарной нагрузки на МКЦ в призабойной зоне от высоты свода обрушения, глубины горных работ и размеров извлеченных целиков.

6. Получена новая функция распределения нагрузок на МКЦ в панели при камерно-столбовой системе разработки с последующей выемкой целиков. Установлено, что по ширине панели нагрузки на целики распределяются по параболическому закону, вдоль фронта отработки целиков (по длине панели) -по линейному закону.

7. Предложен новый метод расчета нагрузок на МКЦ разной жесткости с учетом их расположения в выработанном пространстве сложной формы и снижения нагрузок на них при увеличении свода естественного равновесия.

8. Разработана методика расчета параметров камерно-столбовой системы разработки с последующей выемкой целиков, основанная на установленном факте снижения концентрации нагрузок на МКЦ в призабойной зоне.

9. На основе полученных решений предложена рациональная и безопасная схема извлечения целиков из открытого выработанного пространства, позволяющая минимизировать потери полезного ископаемого в междукамерных целиках.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. А.Б. Юн, А.Б. Макаров, Д.В. Мосякин, А.А. Карпиков, К.И. Чарковский. Нагруженность междукамерных целиков при повторной разработке. - Горный журнал, 2002, № 5, стр. 24-26.

2. Карпиков А.А. Расчет нагрузок на целики при повторной разработке. - Сб. материалов международной конференции «Новые идеи в науках о земле» М. 2003.

3. А.Б. Юн, А.Б. Макаров, Д.В. Мосякин, А.А. Карпиков, К.И. Чарковский. Обратный расчет прочности междукамерных целиков по факту их разрушения. - Горный журнал, 2005, № 3, стр. 45-51.

4. А.Б. Макаров, Д.В. Мосякин, А.А. Карпиков. Оценка природного напряженного состояния массива на руднике Жаман-Айбат. - Горный журнал, 2005, №9-10, стр. 49-52.

5. Карпиков А.А. Изменение нагруженного состояния МКЦ в ходе повторной разработки. - Сб. материалов международной конференции «Новые идеи в науках о земле» М. 2006.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Карпиков, Артем Алексеевич, 2007 год

1. Слесарев В Д. Определение "оптимальных размеров целиков различного назначения. М., 1948.

2. Стаматиу М. Расчет целиков на соляных рудниках. М., 1963.

3. Модестов Ю. А. Совместный расчет междупородных целиков прил,разработке пластовых месторождений. В сб. «Методы определения размеров опорных целиков и потолочин». М., 1962.

4. Гулевич Г. Е. Рациональный порядок расположения и оптимальные размеры поддерживающих целиков при камерно-столбовой системе разработки. М., Гипроцветмет, 1959.

5. Гулевич Г.Е. Возможности уменьшения потерь в результате применения камерной'системы разработки с опорными целиками. В кн.: Потери при разработке полезных ископаемых и меры по их снижению. - М., ГосИНТИ, 1964, с. 34-60.

6. Методы определения размеров опорных целиков и потолочин. М., изд. АН СССР, 1962,200 с.

7. Чабдарова Ю. И, Жужгов Ю.В., Букин А.Н. Горное давление в антиклинальных структурах Джезказгана. Алма-Ата, Наука, 1980, 194 с.

8. Борщ-Компониец В.И. Комплексные исследования проявления горного давления при разработке Жезказганского меднорудного бассейна камерно-столбовыми системами разработки. М., МГИ, Дис. д.т.н., 1967.

9. Борщ-Компониец В.И., Анциферов А.С., Зайцев О.Н., Бегляров А А. Опыт и перспективы рациональной отработки мощных пологих пологопадающих залежей Джезказганского месторождения. М., МГИ, 1978.

10. Борщ-Компониец В.И, Попов В.Н. Направленное управление горным давлением при помощи искусственной податливости междукамерных целиков в условиях Джезказгана. В кн.: Измерение напряжений в массиве горных пород. Новосибирск, 1972.

11. Левина И.О. Дополнительные исследования напряжений вtмеждукамерных целиках. Труды сейсмологического института, № 108, M-JL, 1941.

12. Михлин С.Г. О напряжениях в породе над угольным пластом. Известия АН СССР. ОТН. 1942, № 7, 8.

13. Шерман Д. И. О напряжениях в весомой полуплоскости, ослабленной двумя круговыми отверстиями. «Прикладная математика и механика». Т. 15. Вып. 3.1951.

14. Шерман Д.И. К вопросу о напряженном состоянии междукамерных целиков. Упругая весомая среда, ослабленная двумя выработками эллиптической формы. Известия АН СССР. ОТН, 1952, № 6, 7.

15. Руппенейт К.В. Определения давления на междукамерные и барьерные целики. В кн.: Методы определения размеров опорных целиков и потолочин. М., изд-во АН СССР, 1962, с 17 33 (Тр. ИГД им. Скочинского А. А.).

16. Космодамианский А.С. Упругое равновесие изотропной пластинки, конечным числом криволинейных отверстий. «Прикладная механика», 1961, т. 7, №6.

17. Космодамианский А. С. О напряженном состоянии горного массива, ослабленного большим количеством выработок квадратного сечения. Труды ВНИМИ. Т. 45, Л., 1962. .

18. Савин Г.Н. Напряжения в упругой плоскости с бесконечным рядом равных вырезов. ДАН СССР, 1939. Т. XXIII, № 6.

19. Руппенейт КВ., Либерман Ю.М. Введение в механику горных пород. М., 1960.

20. Руппенейт К. В. Давыдова Н. А. Обоснование инженерного метода определения давлений на междукамерные целики. В сб. «Физико-механические свойства, давление и разрушение пород». Вып. 1. М., 1962.л

21. Ержанов Ж. С. и др. Аналитические вопросы механики горных пород. Алма-Ата, 1968.

22. Либерман Ю.М. Метод определения давления на целики при разработке изолированными панелями. В сб. «Физико-механические свойства, давление и разрушение горных пород». М., 1962.

23. Ержанов Ж. С., Серегин Ю. Н., Смирнов В. Ф. Расчет напряженности опорных и поддерживающих целиков. Алма-Ата, 1973.

24. Борщ-Компониец В.И. Механика горных пород, массивов и горное давление. М., 1968.

25. Пасечник ИМ, Рыбасов В.И. Определение параметров камерных систем разработки месторождений методами механики сплошных сред. В сб. «Аналитические методы исследование и математическое моделирование горных процессов». М., 1963

26. Борщ-Компониец В. И, Пасечник И И, Рыбасов В. И. Исслеование проявлений горного давления в условиях Джезказгана. В сб. «Вопросы разработки и изучения месторождений полезных ископаемых». Вып. 50. М., 1964.

27. Рахимов В.Р. Механические процессы в массиве горных пород при камерной системе разработки. Ташкент, Фан, 1980.

28. Чабдарова Ю. И., Жужгов Ю. В., Букин А. Н. Горное давление в антиклинальных структурах Джезказгана. Алма-Ата, Наука, 1980.

29. Юн Р.Б. Обоснование технологии повторной подземной разработки рудных месторождений, отработанных камерно-столбовой системой. Диссертация на соискание ученой степени д.т.н. М., МГОУ, 1996.

30. Юн. А. Б. Совершенствование технологии извлечения междукамерныхгцеликов из открытого выработанного пространства с обрушением налегающей толщи. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. М., МГОУ, 1999.

31. Юн А. Б., Макаров А. Б., Мосякин Д. В., Карпиков А. А., Чарковский К. И. Нагруженность междукамерных целиков при повторной разработке. Горный журнал № 5 2002 с. 24 26.

32. Мосякин Д. В. Нагрузки на междукамерные целики при первичной и повторной разработке Жезказганского месторождения. Горный журнал 2005.

33. Методика оценки устойчивости междукамерных целиков, вовлекаемых в повторную разработку М. - Жезказган, 2005,55с.

34. Борщ-Компониец В.И., Макаров А.Б. Горное давление при отработке мощных пологих рудных залежей. М., Недра, 1986,270 с.

35. Мусхелишвили Н.И. Некоторые основные задачи математической теории упругости. Изд-во АН СССР, 1954.

36. Чарковский К.И. Обоснование метода обратного расчета прочности междукамерных целиков по факту их разрушения. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. М., МГГУ, 2004 г.

37. Шуплецов Ю.П. Зависимость прочности массива скальных пород от геомеханических свойств и размеров обнажений Горный журнал, 1998, № 11-12.

38. Романова Н.И. Исследование напряженно-деформационного состояния целиков при создании в них искусственной податливости (на примере Миргалимсайского месторождения) диссертация на соискание ученой степени к.т.н.; М., МГИ, 1972 г.

39. Мусхелишвили Н.И. Некоторые основные задачи математической теории упругости. М., Наука, 1966, 707 с.

40. Слесарев В.Д. Управление горным давлением при разработке угольных пластов Донецкого бассейна. М., 1952.

41. Цимбаревич П.М. Механика горных пород. М., 1948.

42. Кузнецов Г.Н. Определение полной несущей способности кровли поземных выработок. Труды ВНИМИ. Вып. 22. Л., 1950.

43. Кузнецов Г.Н. Исследование деформаций и давлений, возникающих в многослойной консоли кровли, и взаимодействие ее с крепью. В сб. «Вопросы горного давления и сдвижения горных пород». Вып. 34. JL, 1960.

44. Шабаров А.Н., Удалое Е.А. и др. Изучение напряженного состояния целиков при сплошной системе выемки с обрушением кровли в уловиях Жезказганского месторождения. Отчет о научно-исследовательской работе. ВНИМИ. Л., 2002.

45. Временная инструкция по расчету целиков для пологопадающих залежей на глубинах более 400 м и наклонных залежей Жезказганского месторождения. ИГД HAH РК, Корпорация "Казахмыс". - Алматы, Жезказган, 1998,158 с.

46. Филиппов В.К., Нугманов К.Х., Тлеужанов Н.Т. и др. Разработка мероприятий по оформлению, а также упрочнению целиков, обеспечивающих повышение их устойчивости. Отчет, Алма-Ата, 1986.