СПОСОБ ОТРАБОТКИ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ ПРИ МИНИМАЛЬНЫХ ПОТЕРЯХ И МАКСИМАЛЬНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ГОРНЫХ РАБОТ
DEVELOPMENT METHOD OF MINERAL RESOURCES AT MINIMUM LOSSES AND MAXIMUM MINE SAFETY

Изобретение относится к области горной промышленности, а в частности к камерной разработке полезных ископаемых, в том числе к отработке калийных, магниевых и каменных солей.
Известен способ разработки месторождений полезных ископаемых Л.Д.Шевякова, согласно которому междукамерные опорные целики оставляются по всему шахтному полю одинаковыми. Размеры этих целиков рассчитывают на восприятие давления от веса столба пород от почвы целика до земной поверхности [1].
Недостатком данного способа являются большие потери полезного ископаемого в целиках между камерами за счет сильного завышения веса столба пород, оказывающего давление на целик, в одних случаях и аварийного разрушения целиков за счет существенного занижения веса столба пород в других случаях. Этот недостаток обусловлен тем, что размеры целиков принимаются одинаковыми независимо от их местоположения в шахтном поле. При таких размерах целиков наибольшее сжатие получают целики, расположенные в центре выработанного пространства (фиг.1, целики 2, 3, 4), поскольку давление на них вышележащих пород значительно больше, чем давление на периферийные целики. Соответственно сжатие центральных целиков больше, чем периферийных. Поэтому слои вышележащих пород прогибаются в центре больше, чем у границ выработанного пространства и приобретает форму, приведенную на фиг.1. При этом на границе выемочных участков происходит резкий изгиб слоев, вызывающий образования в них секущихся трещин, приводящих в определенных условиях к разрушению слоев. Не исключено, что именно недоучет этого фактора на Верхнекамском месторождении калийно-магниевых солей привел к разрушению целиков и полному затоплению 1-го и 3-го Березниковских рудников, хотя потери полезного ископаемого в целиках достигали на этих рудниках чрезвычайно высоких величин, достигающих 70%.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ камерной системы разработки обширных пологих залежей различных полезных ископаемых Г.Е.Гулевича, согласно которому разрабатываемое поле разделяется на панели шириной, равной предельному пролету обнажения кровли, по границам которых оставляются сплошные ленточные целики - опорные, рассчитанные на восприятие всей налегающей толщи пород, а в интервале между опорными целиками располагаются искусственно податливые поддерживающие целики, рассчитанные на восприятие давления от веса пород, находящихся в своде естественного равновесия между двумя соседними опорными целиками [2].
Недостатком этого способа является увеличенное сжатие искусственных податливых целиков в центре выработанного пространства, ведущее к увеличению неравномерности прогиба вышележащих слоев и росту секущих трещин.
Целью изобретения является максимальное снижение потерь добываемого полезного ископаемого и повышение безопасности горных работ за счет дифференцированного подхода к определению размеров опорных целиков с учетом их местоположения в шахтном поле или применения закладки выработанного пространства разной плотности.
Указанная цель достигается тем, что вместо целиков одинакового размера, рассчитанных на восприятие давления веса столба пород, равного глубине горных работ, и вместо одинаковой плотности закладки на всем шахтном поле размеры междукамерных опорных целиков и плотность закладки выработанного пространства определяют с таким расчетом, чтобы слои горных пород над выработанным пространством изгибались выпуклостью вверх, как это показано на фиг.2. В этом случае горные породы будут работать подобно своду естественного равновесия, на сжатие, сопротивление которому у горных парод в несколько раз больше, чем растяжению. При применяемых в настоящее время способах отработки полезных ископаемых слои горных пород прогибаются преимущественно выпуклостью вниз, как это показано на фиг.1, т.е. работают на растяжение.
Весьма эффективно применение рекомендуемого способа в сочетании с традиционным, как это показано на фиг.3, когда одна из смежных панелей отрабатывается традиционным способом, другая - рекомендуемым. В этом случае неравномерность изгиба вышележащих слоев будет минимальной. Соответственно уменьшается и их деформация.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показан прототип камерной системы разработки пласта с оставлением в пределах панели одинаковых целиков или применения закладки одинаковой плотности. На фиг.2 показана система разработки, с оставлением опорных целиков разного размера и (или) применения закладки разной плотности.
На чертежах показано А - границы панели; 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 - опорные целики; 8 - вышележащие слои горных пород; 9 - направление сдвижения слоев горных пород и направление сил бокового распора, вызванного весом вышележащей толщи пород.
Рекомендуемый способ отработки полезных ископаемых, например при камерной системе разработки месторождений, реализуется следующим образом, оставляют опорные целики разного размера или дополнительно применяют закладку смежных камер закладочной смесью разной плотности, при этом размеры междукамерных опорных целиков и плотность закладки выработанного пространства определяют с таким расчетом, чтобы слои горных пород над выработанным пространством изгибались выпуклостью вверх и работали подобно сводам естественного равновесия, при этом опорные междукамерные целики выполняют разного размера, а в центре шахтного поля или отрабатываемого участка оставляют целик со степенью нагружения не более C=0,25.
Регулирование степени нагружения целиков осуществляют выбором их размера и (или) полнотой и плотностью применяемой закладки выработанного пространства смежных камер.
Расчетная степень нагружения междукамерных целиков выражает отношение действующей нагрузки к его несущей способности и определяется по формуле
C=Q/P.
В качестве удельной нагрузки, приходящейся на междукамерные целики, принимается максимальная нагрузка, приходящаяся на целики расположенные в центре выработанного пространства. Она определяется по формуле
2
Q=γ·H(a+b), тс/м,
где H - мощность налегающей толщи пород, м;
3
γ - объемный вес пород, тс/м;
a - ширина камеры, м;
b - ширина междукамерного целика, м.
Несущая способность целика P определяется по формуле
сж
1
3
4
5
2
P=σkkkkb, тс/м,
сж
2
где σ - агрегатная прочность на одноосное сжатие пород, слагающих целик, тс/м;
1
1
k - коэффициент, учитывающий влияние масштабного фактора, принимается равным k=1,12;
3
3
3
-2
k - коэффициент, учитывающий влияние глинистых прослойков на прочность целика, k<1; определяется по формуле k=1-3,5(h/b).
4
4
k - коэффициент, характеризующий влияние отношения расчетной ширины целиков (b) к их расчетной высоте (h) рассчитывается по эмпирической формуле k=0,65(1+1,06 b/h).
5
5
к - коэффициент, учитывающий влияние продольной компоненты напряжений, действующих в целике. Для ленточных целиков k=1,25.
Степень нагружения междукамерных целиков и закладки выработанного пространства, расположенных на границе шахтного поля или его участка, принимают равной C=0,6, т.е. с запасом надежности 1,67, что превышает принятый в инженерных расчетах запас надежности, равный 1,3. При этом степень нагружения междукамерных целиков и плотность закладки выработанного пространства, расположенных между центральным целиком и целиками, находящимися на границе панели, линейно возрастают от центра к периферии, но не превышает величины C=0,6.
Таким образом, средняя степень нагружения на разрабатываемом участке шахтного поля составит C=0,42 при принятом C=0,3, т.е. на 40% больше принятой. Соответственно уменьшатся и потери в междукамерных целиках. При этом повысится безопасность горных работ, поскольку они будут вестись под защитой сводообразно изогнутых вышележащих слоев горных пород, что особенно эффективно при наличии в породной толще так называемых пород-мостов.
Источники информации
1. Шевяков Л.Д. Основы теории проектирования угольных шахт. - М.-Л., 1958 г.
2. Авторское свидетельство СССР №142978, Кл. Е21С 41/16, приоритет от 06.12.1960 г. (прототип).