Проблемы применения систем с принудительным обрушением при подземной разработке рудных месторождений

- © И.Н. Савич, 2014

УДК 622.646

И.Н. Савич

ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ СИСТЕМ С ПРИНУДИТЕЛЬНЫМ ОБРУШЕНИЕМ ПРИ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКЕ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Широкое распространение в зарубежной и отечественной практике получил послойно-торцевой способ с подэтажным выпуском рулы. Анализ российского и зарубежного опыта применения в горной промышленности технологии с подэтажным обрушением при торцевом выпуске рудной массы, показывает, что, на ряду, с обеспечением высокой производительности, существуют и широкие возможности в управлении количественными и качественными показателями извлечения руды.

Ключевые слова: системы с обрушением руды и вмещающих пород, компьютерное моделирование, потери руды, разубоживание руды, торцевой выпуск, фигура выпуска.

Системы с принудительным обрушением получили широкое распространение в России и за рубежом. Эти технологии позволяют достичь высокой концентрации и производительности горных работ по сравнению с другими технологиями в идентичных горнотехнических условиях при низкой себестоимости добычи, но требуют определенной тщательности в подходе к обоснованию их параметров, неверный выбор которых для конкретных условий отрицательно сказывается на показателях извлечения.

На разных этапах развития технологий с принудительным обрушением и самообрушением руды применяли: блочное принудительное обрушение; подэтажное обрушение при торцевом выпуске руды; кратерную выемку; блоковое принудительное или самообрушение.

Наиболее широкое распространение в зарубежной и отечественной практике получил послойно-торцевой способ с подэтажным выпуском руды.

Анализ российского и зарубежного опыта применения в горной промышленности технологии с подэтажным обрушением при торце-

366

вом выпуске рудной массы, показывает, что, на ряду, с обеспечением высокой производительности, существуют и широкие возможности в управлении количественными и качественными показателями извлечения руды. То есть если при применении технологий с подэтажным обрушением за выпуском рудной массы соблюдать четкий контроль, то можно избежать больших потерь и разубоживания руды.

Как известно, показатели извлечения рудной массы при торцевом выпуске зависят с высотой и шириной забоя, толщиной слоя и количеством отбиваемой за один прием руды. Имеет значение направление фронта отработки по горизонтали и вертикали, а также некоторые другие менее значимые факторы.

Увеличение толщины отбиваемого слоя ухудшает показатели выпуска, однако при одновременном увеличении высоты подэтажа — показатели выпуска улучшаются. Так, на ряде горных предприятий оптимальное значение толщины отбиваемого слоя, при высоте подэтажа 15 м составляет 3 м, а при высоте 30 м — 5 м.

В процессе анализа выпуска руды на подземных рудниках установлено, что решающее влияние на потери руды оказывает угол наклона слоя, а на разубоживание его высота.

При увеличении плотности руды, фигуры разрыхления и выпуска приобретают вытянутую форму, а угол выпуска становится более крутым. В этом случае процесс истечения материала из выпускного отверстия происходит с нарушением состояния равновесия. Силы трения и сцепления между частицами оказывают сопротивление первоначальному сдвигу частиц с места и их дальнейшему движению.

Нарушение условий равновесия внешним воздействием (взрыванием зарядов ВВ в производственных условиях или сотрясением модели при лабораторных испытаниях) приводят к образованию пустот эллипсоидальной формы. Увеличение размеров пустот сопровождается обрушением руды с образованием так называемых «труб», через которые прорываются налегающие породы, приводя к значительным потерям и разубоживанию.

К настоящему времени недостаточно изучен вопрос влияния гранулометрического состава на показатели извлечения при торцевом выпуске руды. В тоже время как показывают исследования по определению просачивания налегающих пустых пород сквозь руду, выполненные применительно к торцевому выпуску это влияние весьма значительно.

367

В процессе очистной выемки системами с обрушением отбитая руда может иметь один, два и три контакта с боковыми породами. Выпуск руды должен быть равномерно-последовательным, а верхний контакт с налегающими вмещающими породами может быть горизонтальным или наклонным.

Выпуск руды в системах с массовым обрушением характеризуется режимом и дозой. Под режимом выпуска понимается очередность обхода выпускных выработок и количество выпускаемой из них руды, а под дозой — количество рудной массы, которое выпускается из одной выработки непрерывно или с перерывами до того как перейти к следующей. При этом следующая доза из данной выработки выпускается после выпуска руды из смежных с ней буро-доставочных выработок.

Наиболее эффективным, характеризующимся высокими показателями извлечения полезного ископаемого, является равномерно-последовательный режим выпуска. Эффективность равномерно-последовательного режима не вызывает сомнений, но рекомендуемая при этом доза выпуска по минимуму составляет 20-30 тонн, а ее максимум не ограничивается. Главное заключается в том, чтобы контакт между рудой и породой опускался без значительных прогибов. Для этого необходимо установить допустимую разность между объемами руды, выпускаемой из смежных выработок, при которой обеспечивается минимальное изменение конфигурации контакта между рудой и обрушенными породами. При этом сохраняется основной признак равномерно-последовательного режима выпуска — близкое к горизонтальному положение контакта между рудой и обрушенной породой, что считается главным условием, определяющим высокие показатели извлечения полезного ископаемого по сравнению с другими режимами выпуска.

Обоснование параметров систем подэтажного обрушения базируется в основном на определении конфигурации фигур выпуска и соответствующих ей уровнях потерь и разубоживания. Однако, в большинстве случаев, применение классических схем подэтажного обрушения, которые создавались на основе этой теории, приводило к неудовлетворительным результатам. Системы отличались ранним разубоживанием при выпуске, низким извлечением руды и сравнительно большим расходом подготовительно-нарезных выработок.

На практике разубоживание проявлялось после выпуска 20+30% руды и достигало 20+40% с потерями до 40%. Характеристики рудной

368

массы, получаемые после взрыва (подвижка контакта руды и породы, различная форма и размеры кусков руды) в значительной степени зависят от схемы расположения выработок и параметров отбойки.

Немаловажное влияние на показатели извлечения оказывают разрыхление руды и уплотнение пустых пород.

Регулируя ширину пунктов выпуска и расстояние между ними можно регулировать показатели извлечения, исходя из того, что чем меньше расстояние между буровыпускными выработками, тем ниже высота взаимодействия фигур выпуска и больше их взаимное влияние. В совокупности это позволяет снизить уровень потерь и разубоживания руды.

Таким образом, при выборе параметров систем подэтажного обрушения с торцевым выпуском рудной массы необходимо исходить из следующих основных положений:

• устойчивость породы определяется степенью трещиноватости и их характеристиками. В устойчивом массиве можно увеличивать ширину выпускных выработок, в неустойчивых — их сечение ограничено, а направление по возможности должно соответствовать основным направлениям систем трещин;

• уменьшение сечения буровыпускных выработок и увеличение расстояния между ними (по горизонтали и вертикали) для снижения объема подготовительно-нарезных работ приводит к низкому извлечению руды;

• расположение выработок с небольшим интервалом и увеличение сечения выработок для более полного извлечения руды из недр приведет к дополнительным расходам на их проходку и крепление;

• схемы вкрест или по простиранию рудного тела (ортовая или штрековая подготовка) выбираются исходя из числа факторов, таких как: основное направление действующих напряжений в массиве, угол падения и склонение рудного тела, его размеры и наличие основных систем трещин и в нем, нарушения, контакты с вмещающими породами. Если условия на разных участках изменяются в большом диапазоне, то необходимо корректировать параметры системы в соответствии с этими изменениями;

• расстояние между смежными выработками зависит от их формы, размеров и нагрузки на целики и должно обеспечивать взаимодействие фигур выпуска;

• при крутом падении рудных тел, пустые породы могут поступать в основном от контактов с вмещающими породами, следовательно,

369

чем больше мощность рудного тела, тем меньший объем разубоживания. Наличие полезного компонента в разубоживающей массе снижает негативный эффект разубоживания;

• налегающие породы должны свободно обрушаться при продвижении фронта работ с созданием определенной площади обнажения.

Учесть все указанные нюансы и установить параметры систем с обрушением в каждом конкретном случае возможно только при моделировании процессов очистной выемки рудной массы. Для этого в Московском государственном горном университете разработана компьютерная модель, позволяющая имитировать практически любые горнотехнические условия разработки, включая распределение полезных компонентов в рудном теле. В качестве целевой операционной системы была выбрана Microsoft Windows XP, в связи с большей ее распространённостью.

МГГУ - MineCAD

Рис. 1. Внешний вид разработанного приложения

370

При разработке методики принятия проектных решений в условиях неопределённости технологических параметров основными требованиями являлись:

• достаточно высокая точность и скорость расчётов;

• предоставление большого набора изменяемых параметров и наглядность расчётов;

• удобство настройки модели при соответствии большинству требований и условий;

Разработанная компьютерная модель позволяет учитывать разнообразные параметры выпуска:

• параметры объёма рудного тела;

• расположение и размеры вмещающих пород;

• параметры и расположение выработок;

• интервалы задержек и последовательности выпуска из выработок;

• изменение содержания полезного компонента в руде по мощности;

а б в

Рис. 2. Виды визуализации процесса выпуска: а — содержание полезного компонента в руде; б — динамическое формирование фигур выпуска и разрыхления; в — внедрение породы в руду и отображение траекторий движения кусков

371

• различные экономические факторы;

• свойства сыпучести руды;

• влияние выпускаемых выработок друг на друга и др.

Было подтверждено соответствие между показателями физического моделирования, результатами математических расчётов и практическими данными предприятий, что доказывает состоятельность полученной компьютерной модели как методики.

Полученный программный комплекс позволяет буквально за считанные минуты определить параметры и показатели выпуска, при этом по результатам многочисленных экспериментов удалось достичь отклонения не превышающего 5%.

Визуализация процесса выпуска, также является важным элементом для понимания процессов происходящих внутри выпускаемого

Рис. 3. Ведение подробной статистики выпуска по каждой из выработок и формирование графиков потерь, разубоживания и экономического эффекта

372

блока (отслеживание движения кусков руды, перекрытие фигур выпуска, рост уровня разубоживания и т.п.), так как проследив зависимость, можно понять какой из параметров в схеме выпуска следует менять.

Использование возможностей современных многоядерных процессоров и технологий вывода больших скоплений частиц, с изрядной долей оптимизации, позволило отображать ход выпуска в реальном времени.

Ведение подробной статистики по каждой из выработок, позволяет своевременно корректировать их расположение, размер, последовательность выпуска и прочие параметры для наиболее полного извлечения руды в итоге. Вывод данных в файлы электронных таблиц Excel, даёт возможность дополнительной их обработки и формировании отчётов в последствии.

С текущей и экспериментально одобренной базой, появилась возможность её программной адаптации для любых горнотехнических условий при разработке рудных месторождений системами с принудительным обрушением и выпуском под обрушенными породами для обоснования нормативов потерь и разубоживания. ДШЗ

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -

Савич Игорь Николаевич — доктор технических наук, профессор, Московский государственный горный университет, tpr_msmu@mail.ru

373