Обеспечение безопасности строительства горных выработок в условиях удароопасного массива

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОДЗЕМНОЙ РУДОДОБЫЧИ

© Ю.В. Михайлов, В.И. Давиденко, А.Е. Васильев, 2001

УДК 622.8

Ю.В. Михайлов, В.И. Давиденко, А.Е. Васильев

ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ СТРОИТЕЛЬСТВА ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК В УСЛОВИЯХ УДАРООПАСНОГО МАССИВА

П

одавляющее большинство горных выработок приходится проводить в напряженном горном массиве. Напряженное состояние массива, связанное с наличием зон высокой концентрацией энергии, обусловлено многими факторами: расположением в тектонической зоне; большой глубиной залегания; нарушением статического состояния горного массива наличием близко расположенных горных выработок, очистного пространства, выполненных ранее; динамикой проведения горных работ в период строительства подземных сооружений.

Управление напряженным состоянием массива в зоне проведения горных выработок (сооружений) заключается в выполнении следующих мероприятий: во-

первых, приконтурную область выработки или горный массив необходимо привести в неудароопасное состояние; во-вторых, предпринять ряд мер по обеспечению устойчивого состояния выработки на весь период ее эксплуатации. Первая часть задачи выполняется за счет создания деформированной защитной зоны перпендикулярной к направлению максимальных напряжений; вторая - за счет придания выработке сводчатой формы с оформлением контура выработки «гладким»

взрыванием; применения податливой крепи с обеспечением податливости в направлении максимальных напряжений; применения крепи, устойчивой к разнопеременным нагрузкам; прочностные свойства крепи должны рассчитываться по максимальным нагрузкам с учетом реологических свойств массива и перераспределения напряжений в результате строительства последующих подземных сооружений или ведения очистных работ.

В настоящей работе рассматривается возможность управления горным давлением при подготовке к разработке участка маломощного месторождения выбуриванием добычным комбайном КД800Э.

Выемочный участок (блок) рудной залежи в первую очередь подготавливается к отработке участковыми горными выработками (квершлага-ми, штреками, восстающими), расположенными вкрест или по простиранию рудного тела. Кроме того, их расположение и направление необходимо проектировать в соответствии с последовательностью проведения горных выработок и меняющимся полем напряженного состояния горного массива вследствие ведения этих работ. После решения этих вопросов необходимо приступать к выполнению строительства основных и подготовительных выработок, оконтуривающих блок.

При отработке маломощных месторождений крепких руд выбуриванием добычным комбайном КД800Э его можно использовать для строительства этих выработок (как горизонтальных, так и вертикальных). Применение добычного комбайна при проходке горных выработок позволяет объединить обе задачи управления горным давлением за счет выбуривания по центральной оси выработки опережающей скважины диаметром 0,3-0,8-1,2 м на всю длину выработки (например, штрека). Вначале бурят опережающую пилот-скважину диаметром 0,3 м по центральной оси штрека, а затем расширяют ее до диаметра 0,8 или 1,2 м в зависимости от длины штрека или технической необходимости.

Восстающие выработки можно проходить на полное сечение без применения взрывных работ - это сразу приводит к разгрузке напряженного состояния массива, предотвращению горных ударов и минимальному объему крепления. Круглое сечение выработки обеспечивает одинаковое сопротивление разрушению от проявлений горного давления при любом направлении максимальных напряжений.

Взрывание отбойных и контурных шпуров (скважин) при строительстве горизонтальных выработок осуществляют на образовавшееся свободное пространство. При этом наибольшая эффективность достигается при использовании парносближенных шпуров (скважин) или скважин (шпуров) с бороздами по контуру выработки [1].

Таким образом, бурение опережающей скважины добычным комбайном по оси выработки диаметром 0,3 - 1,2 м при проведении подготовительных работ для отработки рудного блока маломощной залежи крепких руд позволяет решить одновременно обе задачи

управления горным давлением удароопасных месторождений:

• привести напряженное состояние горного массива в неудароопасное за счет создания опережающего выработанного пространства, что приводит к перераспределению напряжений в горном массиве с выносом опасной зоны концентрации напряжений за область нахождения людей при проведении горных работ (более 30 м);

• обеспечивает устойчивую форму выработки за счет контурного взрывания, выполняемого в наиболее благоприятных условиях, таких, которые позволяют энергию взрыва максимально использовать для дробления и выброса породы за область ее разрушения с минимальным воздействием на приконтурную часть выработки. Это происходит потому, что действие взрыва в данном случае распространяется на две обнаженные поверхности - забой выработки и свободное пространство образованное центральной скважиной большого диаметра;

Однако при проведении горной выработки с опережающей центральной скважиной большого диаметра необходимо учитывать следующие обстоятельства. Во-первых, взрывные работы необходимо выполнять в строгом соответствии с паспортом взрывных работ, обеспечивающего применение оптимального удельного заряда ВВ, то есть такого заряда, при котором максимально используется его энергия на образование наибольшего объема воронки разрушения и качественного дробления руды (дробления, при котором вместе с отсутствием негабарита не происходит чрезмерного пере-измельчения руды). Каждому месторождению присущ свой удельный заряд ВВ, который является обобщающим показателем и зависит, как от горно-геологических условий месторождения, так и от физико-механических свойств

горных пород. Нами разработана и испытана в опытнопромышленных блоках методика определения оптимального заряда ВВ. В основу методики положена теория кратера Ливингстона.

Серии экспериментальных взрывов шпуровых зарядов различных диаметров проводили на Юкспорском и Кировском рудниках.

Взрывы шпуровых зарядов диаметром 40 мм проводили в условиях Юкспорского месторождения в блоке 8-12. Взорвано 20 экспериментальных шпуров с ЛНС 0,5; 0,6; 0,7; 0,9; 1,1 м. Длина шпуров во всех случаях составляла 2,5 м. Взрывание проводили гранулитом АС-8, зарядка шпуров - зарядчиком ЗП-1. Величина заряда в шпуре составляла 3,5 кг; конструкция его представляла собой сплошной колонковый заряд с расположением патрона-боевика первым от забоя шпура. В качестве патрона-боевика использовали патроны аммонита № 6 ЖВ весом 250 г с капсюлем-детона-тором мгновенного действия.

В условиях Кировского рудника проводили взрывы шпуровых зарядов диаметром 56 и 78 мм. При этом интервал исследуемой ЛНС составлял при диаметре 56 мм - 0,9; 1,1; 1,3; 1,5 м, а при диаметре 78 мм - 1,3; 1,6; 1,9 м. Вес заряда соответственно составлял 5,0 11,5 кг АС-8. Остальные условия те же, что и при взрывании шпуровых зарядов диаметром 40 мм.

Результаты проведенных экспериментов наиболее полно представлены в работе [2] и показывают, что оптимальный удельный заряд ВВ необходимо определять по формуле qopt = 1/ K2opt n , кг/м2,

где qopt - оптимальный удель-ный заряд ВВ, кг/м3; K0pt - оптимальный коэффициент деформации породы (коэф-фициент приведенной ЛНС; Kopt=W/GI/2,где W - линия наименьшего сопротивления;

G - вес заряда ВВ, приведенного на 1 пог. м); п - показатель степени дробления, n=r/W=tgJ, (г - радиус воронки, 2J - угол раскрытия воронки).

Вычисленный по (1) оптимальный удельный заряд ВВ для апати-то-нефелиновых руд равен q0pt = 1,37 кг/м2, что хорошо согласуется с нормативным удельным расходом ВВ, принятым на предприятии и составляющем 1,35-1,45 кг/м2.

Таким образом, применение для взрывных работ оптимального удельного заряда ВВ позволяет максимально использовать энергию взрыва с минимальным воздействием на формируемый контур выработки и приконтурную часть массива и минимальным расходом самого ВВ.

Во-вторых, необходимо оптимизировать длину уходки отбойными и оконтуривающими шпурами за один цикл. Длина отбойки и образовавшаяся взорванная масса должны рассчитываться таким образом, чтобы не допустить запрессовку центральной скважины с целью возможности ее дальнейшего использования. Другими словами должны увязываться как длина уходки за один цикл, так и различные ступени замедления взрыва при различных диаметрах центральной скважины (0,3-0,81,2 м). Кроме того, объем отбиваемой горной массы необходимо увязывать с производительностью уборочно-доставочной техники, чтобы обеспечить цикличнопоточную технологию. Таким образом, сечение штрека (минимальные размеры которого зависят от габаритов добычного комбайна), диаметр центральной опережающей скважины и паспорт взрывных работ должны быть взаимоувязаны.

В-третьих, учитывая сложность комбинации отбойных и контурных шпуров, необходимость обеспечения «гладкой» поверхности контура выработки и не допуще-

ния запрессовки центральной скважины, отбойка должна выполняться только электровзрывным короткозамедленным способом. Особенности электровзрывания и условия его безопасного применения подробно изложены в работе [3]. Высокая степень безопасности проведения горных выработок в условиях удароопасного месторождения обеспечивается также за счет применения крепи с разнопеременными нагрузками на массив [4, 5].

Вместе с тем, опережающее бурение центральной скважины при проведении горных выработок (оконтури-вающих рудный блок) позволяет получить чистую рудную массу с минимальным разу-

боживанием руды вследствие возможности ее селективной выемки при проходке по рудному телу.

Резюмируя вышеизложенное, необходимо отметить, что безопасность строительства горных выработок в условиях удароопасного массива при разработке месторождений выбуриванием обеспечивается за счет, во-первых, приведением горного массива в неудароопасное состояние за счет переноса опасной зоны концентрации напряжений вне сферы деятельности людей более 30 м бурением центральной скважины большого диаметра; во-вторых, за счет принятия мер по обеспечению устойчивого состояния выработки на весь период ее

эксплуатации: придание выработке сводчатой формы с оформлением контура выработки «гладким» взрыванием с применением оптимального удельного заряда ВВ; применение короткозамедленного электровзрывания; применение податливой крепи с обеспечением податливости в направлении максимальных напряжений; применение крепи, обеспечивающей разнопеременные нагрузки на массив с учетом реологических свойств массива и перераспределения напряжений в результате строительства последующих подземных сооружений или ведения очистных работ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. А.с. 1422777 А1 СССР, кл. F 42 D 3/ 04. Способ буровзрывной отбойки горных пород. 1986 // Михайлов Ю.В. и другие.

2. Михайлов Ю.В., Мец Е.С. Определение оптимального удельного заряда ВВ для апатитовых руд. //Научные труды МГИ, М., 1973, с. 17-21.

3. Инструкция по электрическому способу взрывания в условиях Учалинского ГОКа. // Труды Гипроцветмета. - М.: 1992, - 21 с.

4. Михайлов Ю.В. и др. Способ проведения горных выработок в условиях повышенного горного давления. // Авт.св. СССР, № 1643726, кл. Е 21 D 13/00, 1990.

5. Михайлов Ю.В., Золотухин Ю.И. Испытания пнев-мобалонной крепи при сплошной слоевой системе разработки с закладкой. // Цветная металлургия, 1986, № 2, с 26-30.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Михайлов Юрий Васильевич — профессор, доктор технических наук, Московский государственный открытый университет.

Давиденко Виктор Иванович — Московский государственный открытый университет.

Васильев Александр Евгеньевич — Московский государственный открытый университет.