КАМЕРНЫЙ СПОСОБ ОТРАБОТКИ МОЩНЫХ, ЦЕННЫХ, РЫХЛЫХ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
CHAMBER METHOD OF MINING HEAVY, VALUABLE, COMMINUTED ORE DEPOSITS

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при отработке рыхлых рудных месторождений, в том числе мощных и ценных, перекрытых слабыми наносными породами с послойной отбойкой руды и созданием вертикальных сотовых камер.
Известен способ разработки мощных крутопадающих рудных тел, включающий отбойку рудного тела сверху вниз послойно, выпуск руды на горизонт доставки, закладку выработанного пространства бетоном (SU 842196 А1, МПК Е21С 41/06, опубл. 30.06.1981).
Однако система такая мало рентабельна и убыточна из-за того, что выработанное пространство при отработке мощных рудных месторождений закладывается полностью бетоном, чтобы исключить обрушения вышележащих пород, в результате чего выработанное пространство невозможно использовать в дальнейшем, например в качестве хранилища. Закладка выработанного пространства бетоном полностью, при которой на один куб выработанной руды приходится один куб бетона, экономически не выгодна, так как приводит к значительному расходу бетона.
Известен способ разработки мощных месторождений полезных ископаемых при камерной системе разработки, включающий выемку полезного ископаемого, камерам придают форму, близкую к цилиндрической, а полезное ископаемое отбивают концентрическими слоями с использованием эффекта встречного радиально направленного выброса в центр камеры (SU 496365 А1, МПК Е21С 41/06, опубл. 25.12.1975).
Однако известный способ разработки месторождений обеспечивает только повышение несущей способности и сейсмической устойчивости целиков сложной формы переменного сечения и служит для поддержания выработанного пространства и вышележащих пород, а сечение камер в пределе круга позволяет обеспечить устойчивость камер при динамических нагрузках. Кроме того, камерные выработки в дальнейшем не используются, что экономически нецелесообразно.
Прототипом, наиболее близким к заявляемому изобретению по совокупности существенных признаков, является способ камерной разработки мощных месторождений полезных ископаемых с послойной отбойкой руды, отработку камер эллипсовидной формы, после выемки камеры заполняют бетоном (SU 134242 А1, МПК Е21С 41/22, опубл. 01.01.1960).
Недостатком известной системы является то, что такая система также убыточна тем, что выработанное пространство при отработке рудных месторождений также закладывается полностью бетоном для исключения обрушения вышележащих пород, что приводит к значительному расходу бетона. Кроме того, залитое бетоном пространство в дальнейшем, например, в качестве хранилища не используется, что экономически не выгодно.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение при отработке мощных, ценных, рыхлых рудных месторождений, является формирование бетонных сотовых камер одновременно с отработкой рудного тела с последующим использованием полученных камер в качестве подземного хранилища или для утилизации различных отходов, в том числе токсичных и опасных веществ, помещения для организации металлургических производственных процессов, а также значительное уменьшение затрат на отработку рудных месторождений путем сокращения расхода бетона.
Для достижения указанного технического результата в камерном способе отработки мощных, ценных, рыхлых рудных месторождений, включающем отработку руды с последующим формированием камеры, бетонную закладку, согласно изобретению, предварительно в надрудной толще налегающих пород формируют купол, предотвращающий обрушение налегающих пород, камеру формируют в рудном теле в виде пустотелой шестигранной призмы последовательно сверху вниз путем секторальной отработки руды с последующим формированием на каждом секторе бетонных стенок камеры, способных воспринимать нагрузки от горного давления, затем формируют аналогичным образом примыкающие к ней соседние камеры с образованием сотовой конструкции и соединяют их проходами, выполненными в стенах камер для удобства их обслуживания.
При этом пустотелые камеры формируют на всю глубину рудного тела, исключающие потери руды в целиках.
Формирование куполообразной кровли каждой камеры в надрудной толще из слабых наносных пород позволяет избежать потери руды в межкупольных целиках.
Формирование камеры на всю глубину рудного тела в виде пустотелой шестигранной призмы путем секторальной отработки руды с последующим возведением на каждом секторе бетонных стен пустотелой камеры обеспечивает возможность в дальнейшем использования ее в качестве полезной площади, например, подземного хранилища или для утилизации различных отходов, в том числе токсичных и опасных веществ. При таком обустройстве вертикальных сотовых камер совмещается не только бетонирование, выпуск руды и проходка, а также и ее главная функция - поддержание наносных налегающих пород и обустройство новых примыкающих камер в количестве геометрической прогрессии. Такие камеры позволяют выдавать руду селективно и без потерь в целиках. Кроме того, возможность создания нескольких аналогичных пустотелых камер в форме шестигранной призмы и расположение их в виде сотовой конструкции, а также соединение проходами, выполненными в стенах камер, обеспечивает получение целого комплекса подземных хранилищ и служит для удобства их обслуживания.
Кроме того, создание пустотелых камер предлагаемым способом способствует значительному сокращению расхода бетона, который расходуется только на образование стенок камер, а не на заполнение выработанных пустот. По предварительным расчетам расход бетона может сократиться в 12-18 раз. Бетонные камеры создают в основном на рыхлых рудных месторождениях, способных к обрушению, на твердых же месторождениях нет необходимости создания подобных камер, их вырабатывают из скальной породы.
Предлагаемый способ отличается от известного вышеизложенной последовательностью операций и направлением горных работ. Изложенные в данной совокупности признаки отсутствуют в известных решениях и обеспечивают получение положительного эффекта - решение поставленной задачи. Предлагаемый способ обладает свойствами, не совпадающими со свойствами признаков известных решений. Анализ известных решений показал, что сущность заявляемого решения в них не раскрыта, она не очевидна и характеризуется новой совокупностью признаков, что позволяет считать его соответствующим критериям «новизна» и «изобретательский уровень».
Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где:
- на фиг.1 показано бурение скважины на глубину верхней части вертикальной сотовой камеры и начало формирования купола сотовой камеры;
- на фиг.2 показано расположение штрека под будущий купол камеры, переходящий в восстающий, бетоновод, образование верхней части купола, выполнение сектора купола сотовой камеры;
- на фиг.3 показана послойная выработка руды при формировании купола камеры;
- на фиг.4 показан сформированный готовый купол и начало формирования стен камеры;
- на фиг.5 показана сформированная сотовая камера;
- на фиг.6 показаны камеры в виде единой сотовой конструкции, соединенные проходами, выполненными в стенах соседних камер.
Отработка рудного месторождения предлагаемым способом может быть осуществлена следующим образом.
Для создания пустотелой камеры с поверхности шахтного поля бурят вертикальную скважину 1 по центру будущей камеры на глубину купола 2 будущей вертикальной сотовой камеры 3. Глубина скважины 1 зависит от толщины наносных налегающих пород, находящихся над рудным месторождением (фиг.1). В качестве наносных пород может быть мел, глина, известняк. В процессе бурения скважину 1 бурят с тампонажным раствором (цемент, белая глина), то есть на бур через буровой снаряд подают тампонирующий раствор. В результате, по мере углубления бура стенки скважины 1 покрываются тампонирующим раствором, что предотвращает обрушение ее стенок и засыпку скважины 1 и предохраняет от проникновения воды из верхних слоев в скважину 1. Затем в скважину 1 вставляют металлическую трубу 4 до свода камеры 2. Труба 4 будет служить бетоноводом для бетонирования камеры 3. Далее формируют верхнюю часть купола 2 будущей камеры 3. Купол 2 проектируют в надрудной толще (мел, глина, известняк) для исключения потерь руды в межкупольных целиках (фиг.2). От рабочих стволов (не показаны), расположенных вне рудной зоны, делают штрек 5 под будущий купол 2 камеры 3, который переходит в восстающий 6 под самый купол 2 камеры 3, пересекая скважину 1. В конце восстающего 6 разрабатывают первую, верхнюю секцию купола 2 со скважиной 1. Отработанные наносные породы удаляют через восстающий 6 и штрек 5. Затем в трубе 4 на уровне верхней части купола 2 выполняют отверстия для подачи бетона (не показаны), нижний конец трубы 4 заваривают или заглушивают. Труба 4 в дальнейшем будет служить бетоноводом. Далее восстающий 6 отделяют опалубкой 7 от выработки 8 (фиг.3) и заполняют высокомарочным бетоном 9 с земной поверхности через отверстия, прорезанные в заглушенной трубе 4 (бетоноводе). После строительства купола скважину 1 бурят на всю мощность рудного тела 10, на расчетную глубину в подстилающую породу 11, в качестве которой может быть гранит. Затем скважину 1 разбуривают под рудоспуск 12 до накопительной ниши 13 и откаточной выработки 14. После застывания и набора прочности бетона 9, трубу 4 разбуривают от оставшегося в нем бетона для выполнения следующей нижней секции купола 2. Затем аналогично выполняют последовательно следующие части купола 2, расположенные ниже (фиг.3, 4) с расширением бетонируемых ниш до вертикальных стен шестигранной призмы, в результате создается мощная верхняя часть куполообразной кровли с основанием шестигранной призмы будущей вертикальной сотовой камеры 3. Далее аналогичным способом формируют прямые стены сотовой камеры 3, разрабатывают посекционно стенки камеры 3 в центре со спуском руды по рудоспуску 12. Так же после отработки руды делают опалубку 7 под вертикальные стены и заливают их бетоном 9 с земной поверхности через наращенный бетоновод 15 от трубы 4 (фиг.4). После отработки каждой секции стен и набора прочности бетона 9, создается пустотелая вертикальная камера 3 с бетонными стенами на всю мощность рудного тела (фиг.5). В верхней части выполнен бетонный купол 2, а в нижней - вертикальная сотовая камера 3 в виде бетонной шестигранной призмы, опирающейся на скальную вмещающую породу, образуя пустотелую сваю. Такое обустройство вертикальных сотовых камер 3 совмещает выпуск руды, проходку, бетонирование, поддержание наносных налегающих пород и обустройство новых примыкающих камер в количестве геометрической прогрессии. Примыкающие друг к другу камеры 3 образуют сотовую конструкцию, очень надежную для дальнейшего ее использования. Камеры 3 сотовой конструкции соединяют проходами 16, выполненными в стенах соседних камер для удобства их обслуживания (фиг.6). После выпуска руды камеры 3 могут использоваться не только как хранилище опасных веществ, опасных производств и АЭС, но и служить для дальнейшего их использования, например, в качестве производственных помещений для металлургических процессов.
Преимущества и технический эффект от заявленного технического решения в сравнении с прототипом и другими известными решениями заключаются в следующем:
1) позволяет вырабатывать мощные, ценные, рыхлые месторождения руды с одновременным формированием сотовых камер, а также с эффективным поддержанием наносных налегающих пород;
2) возможность использования созданного пространства в дальнейшем в качестве производственного помещения для металлургических процессов, под хранилище, например, зерна, сыпучих материалов, бытового мусора и т.д.;
3) камеры позволяют выдавать руду селективно и без потерь в целиках;
4) расход бетона уменьшается в 12-18 раз в сравнении с известными способами добычи.
Предлагаемым способом отработали рудное месторождение на действующей шахте Яковлевского рудника. Предварительно провели расчеты и определили, что руда залегает на глубине 500 м. Над рудным месторождением залегают наносные породы на глубине до 500 м, руда простирается на 750 м. Расчетным путем определили: диаметр каждой камеры составляет 40 м, высотой 250 м, стенки камер толщиной 2 м, купол высотой 20 м. Расположение камер будет в виде сот, подобно пчелиным, так как сотовая конструкция - это шестигранная призма, очень прочная. Сбоку под известняком на уровне начала залегания руды с помощью проходческого комбайна сделали штольню (штрек) размером 3×4 м для подвода механизированного оборудования для выработки руды. На поверхности земли - буровую вышку для бурения скважины. Пробурили скважину диаметром 200 см на глубину 530 м до залегания руды. Это место начала формирования свода камеры. Одновременно с бурением в бур закачивали тампонажную среду (глину с цементом) для исключения скважины от обрушения и от плывунов. В скважину вставили трубу диаметром 160 мм. Через эту трубу будут проводить работы по заливке бетона для формирования стенок камеры. После всех приготовлений начали формировать купол. Для этого выработали один слой в виде сектора, высотой 3 м, наносную породу выдали на поверхность через штольню и штрек. Поставили опалубку под продолжение строительства и залили бетоном. Бетон подавали через отверстия в трубе, установленной в скважине. После застывания бетона выработали следующий сектор, расположенный ниже, и снова поставили опалубку под стены шириной 2 м, являющуюся продолжением купола. Отработанную руду удалили через штольню и штрек. Так постепенно сформировали свод купола. Далее в рудном теле пробурили скважину диаметром 200 см на всю глубину залегания руды до подстилающей породы из гранита и разбурили в граните накопительную нишу для руды. Скважину разбурили до диаметра 500 мм. Скважина в дальнейшем служит рудоспуском. Из накопительной ниши после ее заполнения руду комбайнами и подъемным транспортом поднимали наверх через дополнительные штольни. Затем таким же образом выработали послойно или по секторам руду и через рудоспуск опустили в накопительную нишу. На каждом секторе устанавливали опалубку под будущие стены и заливали бетоном. Из накопительной ниши после ее заполнения руду комбайнами и подъемным транспортом поднимали наверх через дополнительные штольни. Работу делали до тех пор, пока не выработали всю руду до подстилающей руды (гранита). Таким же образом выработали еще четыре соседние, примыкающие друг к другу камеры. Получилась камерная сотовая конструкция, пригодная для дальнейшей эксплуатации в качестве подземного хранилища. В камерах сделали проходы для транспорта и обслуживающего персонала и удобства пользования ими.
Таким образом, предлагаемый способ направлен на отработку мощных, ценных, рыхлых рудных месторождений с одновременным формированием вертикальных сотовых камер, при котором уменьшаются значительно затраты на отработку рудных месторождений путем сокращения расхода бетона, а также возможность использования полученных камер в качестве подземного хранилища.