Способ разработки крутопадающих рудных тел с неустойчивыми рудами
METHOD FOR DEVELOPMENT OF STEEPLY DIPPING ORE BODIES WITH UNSTABLE ORES

Техническое решение относится к горной промышленности, а именно к разработке полезных ископаемых, и может быть использовано при разработке подземным способом мощных крутопадающих рудных тел с неустойчивыми ценными рудами, например, кимберлитовых трубок.
Известен способ разработки мощных крутопадающих рудных тел по патенту RU 2093678 С1, 20.10.1997, Е21С 41/22, включающий отбойку рудного тела сверху вниз блоками ромбоидальной формы, расположение их вкрест простирания со смещением смежных блоков на половину высоты этажа, разделение блока на две камеры, отработку верхней части блока камерой стропильной формы, закладку последней, отработку нижней части блока камерой ромбоидальной формы, подобной форме отрабатываемого блока. Верхние части блоков верхнего подэтажа отрабатывают с закладкой в первую очередь, во вторую очередь верхние части смежных блоков нижнего подэтажа, а после набора закладкой необходимой прочности отрабатывают без закладки камеры ромбоидальной формы в каждом блоке.
Общими признаками предлагаемого технического решения и аналога являются: нисходящая выемка запасов месторождения под искусственным массивом отрабатываемыми камерами в шахматном порядке со смещением на подэтаж и с приданием им в поперечном сечении вида вытянутого по вертикали шестигранника (в аналоге - отбойка рудного тела сверху вниз блоками ромбоидальной формы со смещением их относительно друг друга на половину этажа), закладка выработанного пространства.
К недостаткам указанного способа следует отнести сложность отработки камерой стропильной формы при формировании верхней части блока, так как острый угол в конструкции верхней части блока неизменно является концентратором значительных напряжений, а проведение транспортных и буровых работ в неустойчивых рудах требует больших затрат на их крепление и поддержание, что в конечном счете ведет к значительному увеличению себестоимости работ, а значит - снижает эффективность производства горных работ в целом.
Известен способ разработки рудных месторождений по авт. св. SU 1346793 A1, 23.10.1987, Е21С 41/06, БИ №39, включающий проходку в руде на контакте с вмещающими породами параллельных заходок первой очереди и между ними проходку заходок второй очереди со смещением почвы по высоте относительно почвы заходок первой очереди, формирование искусственной кровли закладкой выработанного пространства заходок, выемку полезного ископаемого под искусственной кровлей и закладку образованного выработанного пространства. Заходки второй очереди проходят с совмещением их кровли с кровлей заходок первой очереди и смещением почвы на высоту, определяемую по установленному соотношению.
Общими признаками предлагаемого технического решения и аналога являются: формирование искусственного массива, нисходящяя выемка запасов месторождения под искусственным массивом отрабатываемыми камерами в шахматном порядке со смещением на подэтаж и с приданием им в поперечном сечении вида вытянутого по вертикали шестигранника, формируемого послойной отбойкой руды с использованием вееров нисходящих буровзрывных скважин, пробуренных из предварительно пройденных буровых выработок в верхней части каждой отрабатываемой камеры (в аналоге - проходка в руде параллельных заходок первой очереди и между ними проходка заходок второй очереди со смещением почвы по высоте относительно почвы заходок первой очереди, формирование искусственной кровли закладкой выработанного пространства заходок, выемка полезного ископаемого под искусственной кровлей), закладка выработанного пространства.
Основным недостатком известного способа является формирование кровли камер в закладочном массиве ступенчатой формы за счет разных высот почвы заходок первой и второй очереди. При отбойке камерных запасов руды происходит скалывание горной породы в камеру закладки из почвы заходок второй очереди, что приводит к разубоживанию руды закладочным материалом. При отработке мощных месторождений данной технологией для каждого последующего этажа необходимо формировать искусственную кровлю заложенными заходками, что трудоемко и ведет к снижению интенсивности отработки, повышает себестоимость горных работ, а значит - снижает эффективность их производства в целом.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является способ разработки крутопадающих рудных тел с неустойчивыми рудами по патенту RU 2515285 C1, 10.05.2014, Е21С 41/16, БИ №13. Данный способ включает формирование искусственного массива проходкой и закладкой заходок на разрезном и подрезном слоях, нисходящую выемку запасов под искусственным массивом и закладку выработанного пространства, при этом под искусственным массивом формируют переходной слой - подэтаж путем поочередной проходки заходок первой очереди высотой, равной высоте слоя, и заходок второй очереди, высота которых равна высоте слоя - подэтажа. Заходкам первой очереди придают в вертикальном сечении форму перевернутой трапеции, а заходкам второй очереди - неправильного шестиугольника, причем ширину верхних оснований фигур этих заходок и ширину заходок вышележащего подразрезного слоя принимают равной величины. Затем запасы месторождения ниже переходного слоя - подэтажа отрабатывают камерами в шахматном порядке со смещением на подэтаж и с приданием им в поперечном сечении вида вытянутого по вертикали шестигранника, формируемого послойной отбойкой руды с использованием вееров нисходящих буровзрывных скважин, пробуренных из предварительно пройденных буровых выработок в верхней части каждой отрабатываемой камеры. Верхнюю часть камер формируют в виде трапеции размерами в половину высоты камеры, контуры верхнего основания которой совпадают с контурами основания заложенных заходок первой очереди в переходном слое - подэтаже, а контуры боковых верхних сторон - с контурами нижних сторон заложенных соседних заходок второй очереди. Нижней же части камеры, размерами в половину ее высоты, придают в вертикальном сечении форму перевернутой трапеции, при этом отбитую руду с почвы отрабатываемых камер убирают, а после полной отработки отрабатываемых камер выполняют их закладку твердеющей смесью.
Общими признаками предлагаемого технического решения и прототипа являются: формирование искусственного массива, нисходящяя выемка запасов месторождения под искусственным массивом отрабатываемыми камерами в шахматном порядке со смещением на подэтаж и с приданием им в поперечном сечении вида вытянутого по вертикали шестигранника, формируемого послойной отбойкой руды с использованием вееров нисходящих буровзрывных скважин, пробуренных из предварительно пройденных буровых выработок в верхней части каждой отрабатываемой камеры, уборка отбитой руды с почвы отрабатываемых камер, закладка отработанных камер твердеющей смесью (в прототипе - закладка выработанного пространства).
Недостатком данного способа является то, что при формировании почвы отрабатываемых камер происходит значительное отклонение ее фактического контура от проектных отметок. При наличии подъема почвы на высоту более двух метров вышележащей отработанной камеры, проходку буровой выработки нижележащей отрабатываемой камеры производят в два этапа. И только на втором этапе проходки почва буровой выработки доводится до проектных отметок, что в целом негативно сказывается на процессе добычи руды, а именно: увеличиваются трудозатраты на бурение дополнительных скважин и увеличивается расход взрывчатых веществ, и тем самым снижается эффективность производства буровзрывных работ. Также отбойка камерных запасов руды с повышенным расходом взрывчатых веществ ведет к снижению устойчивости рудного массива смежных отработанных камер и, как следствие, последующему дополнительному разубоживанию руды закладочным материалом, что снижает размер выемочной единицы, так как происходит смешивание руды с горной породой. В случае неликвидированной закладки отработанной камеры снижается объем добытой руды. Кроме того, при закладке такой камеры, после засыпки верхней части породой, остается технологическая пустота высотой не менее одного метра. Для ее ликвидации необходима подача трубопровода в верхнюю точку буровой выработки и дозаливка закладкой малой прочности, это требует дополнительных затрат на материалы и повышает трудоемкость горных работ, что также приводит к снижению эффективности их проведения.
Решаемая техническая проблема заключается в повышении эффективности производства горных работ при нисходящей выемке запасов месторождения за счет более точного формирования проектного профиля почвы отрабатываемых камер в рудном массиве путем предварительного направленного разупрочнения рудного массива, которое обеспечивает его локальное ослабление и задает направление взрывных работ, а также за счет увеличения размеров выемочной единицы.
Техническим результатом является повышение точности формирования проектного профиля почвы отрабатываемых камер в рудном массиве путем предварительного направленного локального разупрочнения его, обеспечивающего под воздействием взрыва направленное разрушение рудного массива, также минимизация погонных метров бурения и расхода взрывчатых веществ при камерной отработке месторождения и увеличение размеров выемочной единицы.
Техническая проблема решается тем, что в представленном способе разработки крутопадающих рудных тел с неустойчивыми рудами, включающем формирование искусственного массива, нисходящую выемку запасов месторождения под искусственным массивом отрабатываемыми камерами в шахматном порядке со смещением на подэтаж и с приданием им в поперечном сечении вида вытянутого по вертикали шестигранника, формируемого послойной отбойкой руды в рудном массиве с использованием вееров нисходящих буровзрывных скважин, пробуренных из предварительно пройденных буровых выработок в верхней части каждой отрабатываемой камеры, при этом отбитую руду с почвы отрабатываемых камер убирают, а после полной отработки отрабатываемых камер выполняют их закладку твердеющей смесью, согласно техническому решению отметки кровли буровых выработок при их проходке формируют с учетом фактического контура почвы вышележащих отработанных и заложенных камер. В каждом веере нисходящих буровзрывных скважин выполняют бурение нисходящих буровзрывных скважин, после чего на их стенках, на проектных отметках почвы отрабатываемых камер производят нарезание поперечных инициирующих полостей различной формы, например, дискообразной, с острой кромкой на ее периферии, на расчетную глубину прорезания, но не менее радиуса нисходящей буровзрывной скважины. Количество n вертикальных нисходящих буровзрывных скважин с поперечными инициирующими полостями в веере нисходящих буровзрывных скважин определяют из соотношения:
n
> ,
где n - целое число;
b - проектная ширина почвы отрабатываемой камеры;
a - расстояние между веерами нисходящих буровзрывных скважин. Расстояние c от боковых контактов почвы отрабатываемой камеры с рудным массивом до вертикальных нисходящих буровзрывных скважин с поперечными инициирующими полостями принимают меньше расстояния a, указанного выше. Расстояние h между вертикальными нисходящими буровзрывными скважинами с поперечными инициирующими полостями принимают меньше 2a. Фактические расстояния c и h, глубину поперечных инициирующих полостей и массу взрывчатых веществ в их районе уточняют с учетом конкретных механических свойств и природной нарушенности рудного массива. Зону разрушения рудного массива в проектных отметках почвы каждой отрабатываемой камеры формируют под воздействием взрыва на участках поперечных инициирующих полостей в процессе последовательной послойной отбойки руды веерами нисходящих буровзрывных скважин, а окончательный контур почвы каждой отрабатываемой камеры в проектных отметках по ее простиранию и вкрест ее простирания формируют после отгрузки отбитой руды в рудном массиве, после каждого цикла взрывных работ.
Указанная совокупность признаков позволяет повысить эффективность производства горных работ при нисходящей выемке запасов рудных месторождений за счет более точного формирования проектного профиля почвы отрабатываемых камер в рудном массиве путем предварительного направленного разупрочнения рудного массива, то есть локального ослабления стенок вертикальных нисходящих буровзрывных скважин на проектных отметках почвы отрабатываемых камер с помощью создания в них, на этих проектных отметках почвы, поперечных инициирующих полостей различной формы, например, дискообразной, с острой кромкой на ее периферии, на расчетную глубину прорезания, но не менее радиуса нисходящей буровзрывной скважины. Образование с помощью щелеобразователя поперечных инициирующих полостей такой формы и размеров обеспечивает под воздействием взрыва создание повышенных локальных концентраций напряжений по острой кромке этой полости и последующее направленное разрушение рудного массива в проектных отметках почвы отрабатываемых камер. Это позволяет существенно снизить дополнительные производственные затраты на формирование проектного профиля почвы отрабатываемых камер в проектных отметках, и тем самым уменьшить себестоимость конечной продукции за счет минимизации погонных метров бурения и расхода взрывчатых веществ при камерной отработке месторождения, а значит - повысить эффективность выполняемых производственных горных работ. Такой подход является наиболее правильным, потому что форму и размеры поперечных инициирующих полостей невозможно рассчитать с необходимой точностью заранее, так как они зависят от конкретных горно - геологических, геомеханических (в том числе, физико - механических свойств горных пород и природной нарушенности горного массива) и горнотехнических (геометрических параметров, способов разработки запасов) условий конкретного месторождения. Кроме того, увеличиваются размеры выемочной единицы, так как в процессе нисходящей выемки запасов месторождения под искусственным массивом и закладки выработанного пространства не происходит смешивание руды с горной породой. Также снижаются расходы на закладочные работы, так как почва отрабатываемых камер, создаваемая за счет направленного взрыва, являющаяся кровлей в последующей буровой выработке, имеет минимальные отклонения от горизонтальной плоскости, что позволят качественно заполнить это пространство (эту неровность) проводимой последующей закладкой, а значит - существенно снизить дополнительные производственные затраты, и тем самым повысить в целом эффективность производства горных работ.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется примером реализации способа разработки крутопадающих рудных тел с неустойчивыми рудами и чертежами, где на фиг. 1 показана проекция на вертикальную плоскость схемы отработки запасов месторождения отрабатываемыми камерами, продольный разрез отрабатываемой камеры, на фиг. 2 показан разрез А-А на фиг. 1.
На фиг. 1 изображена нисходящяя выемка запасов месторождения под искусственным массивом 1 отрабатываемыми камерами 2 в шахматном порядке со смещением на подэтаж и с приданием им в поперечном сечении вида вытянутого по вертикали шестигранника, формируемого послойной отбойкой руды в рудном массиве 3; веера 4 нисходящих буровзрывных скважин 5; буровая выработка 6 в верхней части каждой отрабатываемой камеры 2; отбитая руда 7 с почвы отрабатываемой камеры 2; самоходная машина 8 с дистанционным управлением; буровой станок 9.
На фиг. 2 показан разрез А - А на фиг.1 по вееру 4 нисходящих буровзрывных скважин 5, содержащему по меньшей мере две вертикальные нисходящие буровзрывные скважины 10 с нарезанными поперечными инициирующими полостями 11.
Способ разработки крутопадающих рудных тел с неустойчивыми рудами осуществляют следующим образом (см. фиг. 1). По всей площади месторождения формируют искусственный массив 1 проходкой и закладкой заходок на разрезном и подразрезном слоях в рудном массиве 3. Далее производят нисходящую выемку запасов месторождения под искусственным массивом 1 отрабатываемыми камерами 2 в шахматном порядке со смещением на подэтаж и с приданием им в поперечном сечении вида вытянутого по вертикали шестигранника (см. фиг. 2), формируемого послойной отбойкой руды в рудном массиве 3 с использованием вееров 4 нисходящих буровзрывных скважин 5. При этом в процессе нисходящей выемки запасов месторождения под искусственным массивом 1 отрабатываемыми камерами 2, предварительно, до начала ведения буровзрывных работ проходят в верхней части каждой отрабатываемой камеры 2 буровую выработку 6, фактические отметки кровли которой совпадают с фактическими отметками почвы вышележащей отработанной и заложенной камеры 2, и используют ее для бурения с помощью бурового станка 9 нисходящих буровзрывных скважин 5 веерами 4. Для этих целей используют станки типа БЖ с буровой коронкой диаметром 45-46 мм. При этом в каждом веере 4 нисходящих буровзрывных скважин 5 выполняют бурение не менее двух вертикальных нисходящих буровзрывных скважин 10, после чего на их стенках, на проектных отметках почвы отрабатываемых камер 2, производят нарезание поперечных инициирующих полостей 11 (см. фиг. 2). Для этого после бурения вертикальных нисходящих буровзрывных скважин 10 буровую коронку снимают с бурового става бурового станка 9 и на ее место устанавливают устройство для нарезания поперечных инициирующих полостей 11, например, щелеобразователь (на фиг. 2 не показан), с помощью которого производят их нарезание. Поперечные инициирующие полости 11 обеспечивают локальное ослабление рудного массива 3 и задают направление взрывных работ. Выбор режима нарезания зависит от прочности пород рудного массива 3. Нарезание поперечных инициирующих полостей 11 осуществляют последовательно в каждой вертикальной нисходящей буровзрывной скважине 10, в каждом веере 4. Поперечные инициирующие полости 11 выполняют, например, дискообразной формы с острой кромкой на ее периферии и на расчетную глубину прорезания, но не менее радиуса нисходящей буровзрывной скважины 10. Количество n (см. фиг. 2) вертикальных нисходящих буровзрывных скважин 10 с поперечными инициирующими полостями 11 в веере 4 выбирают из соотношения:
n
> ,
где n - целое число;
b - проектная ширина почвы отрабатываемой камеры 2;
a - расстояние между веерами 4 нисходящих буровзрывных скважин 5. Причем расстояние c (см. фиг. 2) от боковых контактов почвы отрабатываемой камеры 2 с рудным массивом 3 до вертикальных нисходящих буровзрывных скважин 10 с поперечными инициирующими полостями 11 принимают меньше расстояния a между веерами 4. Расстояние h (см. фиг. 2) между вертикальными нисходящими буровзрывными скважинами 10 с поперечными инициирующими полостями 11 принимают меньше 2a. Фактические расстояния c и h, глубину поперечных инициирующих полостей 11 и массу взрывчатых веществ в их районе уточняют с учетом конкретных механических свойств и природной нарушенности рудного массива 3. Зону разрушения рудного массива 3 в проектных отметках почвы каждой отрабатываемой камеры 2 формируют под воздействием взрыва на участках поперечных инициирующих полостей 11 в процессе последовательной отбойки руды веерами 4 нисходящих буровзрывных скважин 5. Окончательный контур почвы каждой отрабатываемой камеры 2 в проектных отметках по ее простиранию и вкрест ее простирания формируют после отгрузки отбитой руды 7 в рудном массиве 3, после каждого цикла взрывных работ. Отбитую руду 7 с почвы отрабатываемых камер 2 убирают самоходными машинами 8 с дистанционным управлением. После полной очистки отрабатываемых камер 2 выполняют их закладку твердеющей смесью не менее 2/3 их высоты. Оставшуюся часть отрабатываемой камеры 2 заполняют пустой породой или закладкой нулевой прочности.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет повысить эффективность производства горных работ при нисходящей выемке запасов месторождений.