Результаты исследований по совершенствованию слоевой системы разработки кимберлитовых месторождений

© А.Н. Петров, Д.Д. Акимов, 2013

УДК 622.274.4

А.Н. Петров, Д.Д. Акимов

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ СЛОЕВОЙ СИСТЕМЫ РАЗРАБОТКИ КИМБЕРЛИТОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ*

Приведены результаты исследований по совершенствованию слоевой системы разработки кимберлитовых месторождений Якутии. Определены оптимальные параметры очистных заходок. Выполнена оценка напряженно-деформированного состояния массива вокруг заходок увеличенного сечения при различной глубине разработки.

Ключевые слова: кимберлит, рудное тело, комбайновая выемка, слоевая система разработки, буровзрывной способ, закладочный массив, комбинированная схема разработки, самоходная техника, напряженно-деформированное состояние.

В рамках выполнения СевероВосточным федеральным университетом им. М.К. Аммосова комплексной программы «Создание комплексной инновационной экологически безопасной технологии добычи и переработки алмазоносных руд в условиях Крайнего Севера», в период с октября 2010 г. по декабрь 2012 года, сотрудники кафедры Подземной разработки месторождений полезных ископаемых Горного факультета принимали участие в выполнении ряда технологических рабВопросам совершенствования слоевой системы разработки были посвящены работы:

№1239д - 10/1-3 «Разработка и внедрение рекомендаций по ведению очистных работ выработками с увеличенными параметрами с использованием комбайновой и буровзрывной отбойки при слоевой системе разра-

ботки на руднике «Айхал».

Цель НИР - разработка технологии ведения очистных работ лентами с увеличенными параметрами с применением комбинированной отбойки для достижения рудником проектной производительности при безусловном соблюдении требований безопасности ведения горных работ.

Работа 1239д - 10/1-6 «Разработка рекомендаций по ведению подготовительных и очистных работ на руднике «Интернациональный» с использованием очистных выработок увеличенного сечения с буровзрывной и комбайновой отбойкой руды».

Цель НИР - разработка технологии ведения очистных работ лентами с увеличенными параметрами с применением комбинированной отбойки для достижения рудником проектной производительности при безусловном соблюдении требований безопасно-

*Работа выполнена при финансовой поддержке министерства науки и образования РФ в рамках комплексного проекта № 2010-21801-001 по созданию высокотехнологичного производства, выполняемого с участием российского высшего учебного заведения.

сти ведения горных работ.

На первом этапе, был выполнен анализ опыта подземных горных работ по теме исследований и проведены патентные исследования по ГОСТ Р 15.011-96.

В выполнении НИР по работе 1239д - 10/1-3 принимали участие в качестве соисполнителей по договору субподряда специалисты УРАН ИПКОН (г. Москва). Также к работе были привлечены специалисты ИГДС СО РАН (г. Якутск) и лаборатории Подземных горных работ института Якутнипроалмаз (г. Мирный).

По рекомендациям разработанным УРАН ИПКОН с целью повышения эффективности отработки запасов кимберлита СевероВосточного рудного тела (СВРТ) в 2010 г. проведены опытно-промышленные работы по отработке в слоях №5 и №6 выемочной единицы №2 эксплуатационного блока №1 очистных заходок (лент) с увеличенной до 8м шириной и ориентированных по простиранию рудного тела, при этом средняя длина заходки составляет 75-80 м. По итогам испытаний обеспечено: увеличение коэффициента использования очистного комплекса (комбайн и погру-зочно-доставочная машина) с 0,55 до 0,66; снижение себестоимости добычи 1 т руды на 1599,52 руб.

Для выемки запасов руды в лентах слоев №5 и №6 применяется комбайн АМ-75 с максимальной шириной резания - 7,45 м. Исходя из этого, отработка заходки производится в две стадии. На первой стадии отрабатывается часть очистной заходки шириной 5,0 м и высотой 4,5 м на всю длину. На второй стадии отрабатывается оставшаяся боковая часть заходки шириной 3,0 м.

Производительность, достигаемая комплексом при отработке заходок с

параметрами 4,5x8 м на 14 % выше производительности при отработке заходками с параметрами 5x4,5 м, что обеспечивается ростом скорости отработки комбайном расширяемой части заходки с улучшением показателей по производительности комбайна на 2-ой стадии отработки за-ходки. Вместе с тем, необходимо отметить, что конструктивные особенности комбайна (технология «резания») не рассчитаны на отработку массива при наличии дополнительной обнаженной плоскости по всей высоте. В этом случае происходит неравномерная нагрузка на исполнительный орган комбайна с неравномерным износом зубьев режущей головки. Наблюдается фактор «отталкивания» исполнительного органа комбайна в сторону обнажения, вследствие чего происходит «ступенчатое» оформление борта выработки.

С целью дальнейшего повышения эффективности слоевой системы разработки с нисходящим порядком выемки слоев, было рекомендовано провести опытно-промышленные работы по отработке очистных за-ходок с параметрами 8,0x8,0 м и применением буровзрывных работ на стадиях расширения разрезного штрека в заходке и отработке поч-воуступа.

Первые испытания буровзрывного способа отбойки руды проведены в 1 квартале 2011 г. на участке длиной около 20 м в заходке (ленте) №7 слоев 7-8 юго-западной части СВРТ [1]. Для бурения шпуров диаметром 4345 мм в борт и почву разрезного штрека в заходке применялась буровая установка «Бап^к», заезд которой на почву разрезного штрека осуществлялся по рудному орту №2. Высота стрелы буровой установки превышала высоту выработки, поэтому

Рис. 1. Комбинированная (комбайновая и мелкошпуровая отбойка) 11-х стадийная отработка

шпуры в почвоуступ бурились под углом 650. Бурение шпуров и взрывание осуществлялось сериями; в качестве первой серии было пробурено и взорвано 3 ряда шпуров по 14 шпуров в ряду (всего 42 шт.).

После проведения взрывных работ обследованием установлено, что на участке взрывной отбойки руды (20 м), в борту выработки (практически на всю высоту), произошло появление значительного количества техногенных трещин и раскрытие до 0,5-5 мм имеющихся геологических трещин. По трещинам (ориентированных под углом 30-45° к борту выработки) с «зеркалами» скольжения, происходило сползание и выпадение отдельных кусков руды.

Ввиду незначительного объема применения буровзрывного способа отбойки руды в заходке, по результатам опытно-промышленных работ сделаны предварительные рекомендации, которые сводятся к следующему:

1. Учитывая отрицательное влияние взрывных работ на состояние вертикальных обнажений, расшире-

ние в заходке разрезного штрека до 8,0 м буровзрывными работами не производить.

2. Буровзрывным способом отрабатывать только запасы почвоуступа, при этом высоту уступа целесообразно увеличить. Высоту уступа определять возможностями схемы подготовки и наличием средств механизированной оборки кровли и бортов. Рекомендуемая технологическая

Сечение ленты

Рис. 2. Сечение очистной ленты

Рис. 3. Изолинии степени гидратации цемента в центральном продольном сечении закладочного массива на вторые сутки твердения

схема отработки заходки приведены на рис. 1 и 2.

3. При отработке СВРТ очистные работы сконцентрированы на ограниченной площади и начинает сказываться негативное воздействие взрывных работ на состояние закладочных перемычек в смежной (-ых) заходке (-ах). Снизить влияние возможно за счет уменьшения частоты взрываний, т.е. за один взрыв взрывать значительно большее количество шпуров.

Для количественной оценки скорости твердения закладочного массива разработана трехмерная математическая модель, учитывающая теплообмен воздуха внутри нарезной выработки с горными породами и закладочным массивом; процесс распространения тепла в горном массиве, вмещающем нарезную выработку и закладочный массив; процесс распространения тепла в закладочном массиве. Трехмерность математической модели позволяет рассматривать очистной блок как единую теплоэнергетическую систему в реальных геометрических размерах.

В результате расчетов определяется распределение температуры в закладочном и окружающем горном массивах, а также количество про-гидратировавшего цемента. По степени гидратации связующего оценивается прочность закладочного массива.

На рис. 3 представлены изолинии степени гидратации в центральном продольном сечении закладочного массива на вторые сутки твердения, где толщина высокопрочного слоя равна 1,5 м. Из рисунка видно, что в нижней части закладочного массива степень гидратации равна 1, т.е. часть закладки с повышенным расходом цемента набрала прочность быстрее, чем верхняя часть с низким содержанием цемента.

Расчеты проведены для условий рудника «Айхал» при отработке очистных заходок с увеличенными параметрами как по ширине, так и по высоте, для следующих исходных данных: первые по высоте 1,5 м выработки закладываются высокопрочными составами М60, остальная часть выработки закладывается малопрочными составами М20, высота заходки

равна 6,75 м, ширина - 8 м. Начальная температура закладочного массива принята равной 15 °С. Расчеты показали, что при толщине слоя 1,5 м с прочностью М60 закладочный массив набирает прочность на 3 суток раньше по сравнению с однородным закладочным массивом с прочностью М20. При этом оба варианта обеспечивают нормативную прочность при пролете обнажения 8 м, однако при разнопрочных слоях происходит экономия цемента по сравнению с однородным массивом с прочностью М60 [2].

Практически аналогичная цель была поставлена при выполнении работы 1239д - 10/1-6 которая была выполнена силами сотрудников кафедры подземной разработки и лаборатории подземных горных работ института Якутнипроалмаз, с привлечением специалистов ИГДС СО РАН (г. Якутск) и МГГУ (г. Москва).

Для определения оптимальных параметров системы разработки, сбора данных о технико-экономических показателях и наработки опыта технологии выемки кимберлитовых руд предлагаемой системой, были проанализированы результаты опытно-промышленных испытаний технологии добычи руды с увеличенными параметрами очистных камер. Рассматривались результаты испытаний следующих вариантов слоевой системы разработки с закладкой с нисходящей выемкой:

- слоевая система разработки с полной закладкой выработанного пространства с механической (комбайновой) отбойкой руды тупиковыми заходками с увеличенными параметрами по камерно-целиковой схеме, при нисходящем порядке выемки слоев (встречные забои);

- слоевая система разработки с полной закладкой выработанного пространства с комбинированным спосо-

бом отбойки руды (комбайновая и мелкошпуровая отбойка) тупиковыми за-ходками с увеличенными параметрами по камерно-целиковой схеме, при нисходящем порядке выемки слоев.

Опытно-промышленная отработка слоя №15/14 осуществлялась в период с декабря 2008 года по октябрь 2009 г. Общий объем отбитой руды в слое составил 114634 тонны (47566 м3). Фактические показатели разубожи-вания и потерь в слое составили 7,1 % и 0,51 %, при проектных показателях, соответственно, 7,5 % и 0,53 %.

Производительность комбайна при отработке запасов 1-х стадий в лентах изменялась от 225 м3/сутки (лента №4) до 372 м3/сутки (лента №11), а

запасов вторых стадий - от 101

33

м3/сутки (лента №4) до 316 м3/сутки (лента №2).

Анализ производительности комбайна по стадиям отработки показал, что при отработке второй стадии производительность ниже на 40 % (в среднем). В случае отработки слоя №15/14 площадь сечения забоя второй стадии в лентах составляла около 30 % от площади забоя первой стадии, производительность комбайна на второй стадии составила 60 % от производительности на первой стадии.

Выполнено сравнение достигнутой при отработке слоя №15/14 производительности очистного комплекса с производительностью при отработке слоев лентами с проектными параметрами (5,4x4,5 м). Производительность определялась на основе фактических данных по результатам отработки лент в слоях №24 и №19 ЭБ №7/8 в период ноябрь 2008 г. - март 2009 г. Годовая производительность очистного комплекса при отработке слоев лентами с проектными параметрами составляет 200-205 тыс. т/год. При двухстадийной отработке

эксплуатационная производительность комбайна при отработке первой стадии составила 254 тыс. т/год, при отработке второй стадии - 157 тыс. т/год, а при отработке слоя №15/14 в целом - 224 тыс. т/год. В расчете годовой производительности учитывалось только время, затраченное непосредственно на очистные работы [3].

В результате выполненного анализа сделан вывод о том, что применение двухстадийной схемы формирования заходок с комбайновой отбойкой руды целесообразно при условии, что будет обоснована возможность увеличения высоты очистных выработок до 9-11 м, а рудник будет обеспечен техническими средствами для контроля устойчивости обнажений и механизированной оборки кровли. Выемка запасов, как первой, так и второй стадии должна производиться сечением, приближенным к технически возможному по условиям резания комбайна, то есть высота слоев должна составлять 4,5-5,5 м. Схема подготовительно-нарезных работ должна быть изменена таким образом, чтобы обеспечивать выемку запасов 1-й и 2-й стадии с противоположных флангов рудного тела. Это необходимо для уменьшения высоты слоевых заездов, а также для ограничения высоты закладочных перемычек.

При применении комбинированной двухстадийной схемы с отработкой первой стадии заходок комбайновым способом, а второй стадии - буровзрывным способом, высота слоя, отрабатываемая комбайнам должна составлять не менее 0,8 от технически возможной по условиям резания комбайна. Для отработки запасов второй стадии буровзрывным способом руднику требуется приобретение самоходной бурильной установки. Для реализации

схемы требуется проведение работ, направленных на совершенствование схемы подготовительно-нарезных работ с целью исключения из технологического цикла непроизводительных операций, связанных с формированием заездов на слои.

Отработку лент с испытанными параметрами 6x6,75 м целесообразнее вести комбинированным способом: запасы первой стадии отрабатывать комбайном, запасы второй стадии - буровзрывным способом с применением самоходной буровой техники.

Испытания по применению буровзрывного способа показали отсутствие вредного воздействия взрывной отбойки запасов второй стадии (уступов) на безопасное состояние вертикальных (рудных) и горизонтальных (искусственных) обнажений в лентах. Способ может быть конкурентным способу с применением комбайна при условии бурения шпуров самоходными буровыми установками.

Опытными взрываниями установлено, что схема обуривания с формированием клиновидного вруба, который располагался в центре отбиваемого участка обеспечивает лучшие показатели по дроблению руды (выход негабарита с размерами более 0,5x0,5 м составил менее 2 %).

Для обеспечения устойчивости обнажений и для снижения зависимости очистных работ по отработке запасов 1-й и 2-й стадии в условиях ограниченной площади рудного тела целесообразно вести отработку запасов слоя камерно-целиковым порядком с разделением на заходки двух очередей. Ширину заходок первой очереди принять равной 6 м, а заходок второй очереди - 7-8 м. (см. рис. 4) [4].

С целью оценки качественного изменения напряженно-деформирован-

отроки хоте щнижнжи пртщчг:еж> енгьккз 01т кташ 2 о; га г пркыгшм™ еер

Последовательность отоаботки камеи в слое

1-В 1 Г Г I

!

Рис. 4. Схема двухстадийной отработки с комбинированной отбойкой и последовательность отработки камер в слое

ного состояния закладочного массива и руды при увеличении параметров очистных заходок были проведены расчеты методом конечных элементов с использованием программы ДЬаяиэ 6.10.

В качестве начальных условий принимались следующие расчетные данные: Глубина залегания выработки от дна карьера - до 900 метров. Размеры выработки 5х5 и 5х8 метров. Размер расчётной области принимается, как пять размеров пролёта выработки в каждую из сторон: высота 55 м, ширина 55 м.

Физико-механические свойства массива:

- вмещающая порода: Е = 43,1 ГПа (модуль упругости); ц = 0,27 (коэффициент Пуассона); р = 2640

кг/м3 (плотность); Прочность кимберлитов 5сж колеблется от 1,93*34,87 МПа, 5раст. - 0,13*3,85 МПа;

- средние пределы прочности кимберлитов: 5сж=11,17 МПа; 5раст.=1,16 МПа. Закладка: Е = 20 ГПа; ц = 0,3; р = 2000 кг/м3.

В качестве нагрузки принимаются действующие на массив гравитационные силы, создающие горное давление. Нагрузка от пород, лежащих выше глубины 900 м, заменяется эквивалентным давлением.

Результаты моделирования напряженно-деформированного состояния породного массива (НДС) показали следующее:

вертикальные напряжения по оси оу больше, чем горизонтальные Ох и о2;

и 1-1

Рис. 5. Изолинии напряжений по осям ёх, тху (а, б) и по оси ёу (в) при ширине ка меры 5 м и высоте 8 м

• вокруг камеры происходит незначительные деформации и перемещения горных пород;

• наличие закладки в кровле и боку камеры имеет незначительное влияние на формирование НДС породного массива вокруг камеры.

На рис. 5 приведены изолинии напряжений по осям 5х, тху (а, б) и по оси 5у (в) при ширине камеры 5 м и высоте 8 м.

Таким образом, устойчивость выработок в условиях рудника «Интернациональный» на глубинах порядка 900 метров от дна карьера находится на удовлетворительном уровне. Дальнейшее увеличение глубины заложения выработок может привести к потере их устойчивости [5].

Выполнены расчеты сроков твердения закладочных массивов при применении слоевой системы разработки с увеличенными параметрами очистных камер при комбинированной отбойке руды для условий рудника «Интернациональный».

Расчеты проведены для условий рудника «Интернациональный» при отработке очистных заходок с увеличенными параметрами как по ширине, так и по высоте при отработке выемочной единицы №4 (отм. -490,2/503,7). При увеличении параметров заходки (ширина - до 8 м, высота - до 6 м) сокращается срок набора необходимой прочности закладки до 6 суток по сравнению с 8 сутками при размере заходки 6х4 м [2].

Как правило, несущая часть закладочного массива в отработанных лентах разрезных и рядовых слоев формируется высотой не менее 1,5 м закладочными смесями с марочной прочностью М60. Проведены расчеты при следующих исходных данных: нижняя часть выработки закладываются высокопрочными составами М60, остальная часть выработки закладывается малопрочными составами М20, высота заходки равна 6 м, ширина - 8 м. Начальная температура закладочного массива принята равной 15 °С. Расчеты показали, что наличие высокопрочного слоя убыстряет процесс твердения закла-

дочного массива: при толщине высокопрочного слоя 1,5 м продолжительность твердения убыстряется на 1 сутки и составляет 9 суток, а при толщине 3 м - сокращается на 2 суток и составляет 8 суток.

В целом проведенные исследования показали принципиальную возможность применения на рудниках ОАО АК АЁРОСА слоевой системы разработки с закладкой выработанного пространства с нисходящей выемкой с увеличенными параметрами за-ходок. Результаты исследований переданы для внедрения в проекты отработки рудников "Интернациональный" и "Айхал" [4].

1. Анохин Р.В., Петров А.Н. Первый опыт применения слоевой системы разработки с увеличенными параметрами очистных выработок на руднике "Интернациональный". Горный информационно-аналитический бюллетень. 2011, №12. М.: изд-во "Горная книга" МГГУ, - С.11-15.

2. Курилко A.C., Хохолов Ю.А., Романова Е.К., Заровняев Б.Н., Петров А.Н. Тепловое взаимодействие породных и закладочных массивов при отработке кимберлитов. Проблемы и пути эффективной отработки алмазоносных месторождений: Труды Международной научно-технической конференции. - Новосибирск: Наука, 2011. - С. 211-214.

3. Петров А.Н., Дугарцыренов A.B., Марков B.C. Оценка напряженного состояния породного массива вокруг очистных выработок увеличенного сечения на руднике «Интернациональный». Горный журнал. -Москва, 2012. - №12. - С.10-15.

4. Петров А.Н., Кульминский A.C., Курилко A. C. Разработка рекомендаций

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

по ведению очистных работ выработками с увеличенными параметрами с использованием комбайновой и буровзрывной отбойки при слоевой системе разработки на руднике «Айхал». Геомеханические и геотехнологические проблемы эффективного освоения месторождений твердых полезных ископаемых северо-восточных регионов России: Труды Всероссийской научно-практической конференции памяти чл.-корр. РАН Новопашина М.Д. (Якутск, 1315 сентября 2011 г.). - Якутск: Изд-во Института мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН, 2011. - С. 106108.

5. Петров А.Н., Марков B.C., Акимов Д.Д., Павлов А.А. Опыт ведения очистных работ выработками с увеличенными параметрами на рудниках ОАО "Алроса". Форум горняков - 2012: материалы международной конференции; 3-6 октября 2012 г. - Днепропетровск: Национальный горный университет, 2012. - Т.2. - С. 257. 1233

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Петров Андрей Николаевич - заведующий кафедрой, petrow_andrei@mail.ru Акимов Д.Д. - аспирант,

Северо-Восточный федеральный университет.