Повышение эффективности технологии разработки глубокозалегающего Тундрового месторождения Кольск (стр. 1 из 3)

Цель: Повышение эффективности технологии разработки глубокозалегающего Тундрового месторождения Кольской ГМК.

Идея работы: Отработка глубокозалегающих крутопадающих рудных тел Тундрового месторождения необходимо вести в восходяще-нисходящем порядке многостадийной системой разработки, при этом параметры схемы вскрытия и технологии очистной выемки руды в блоке необходимо определять на базе разработанных экономико-математических моделей для Тундрового месторождения Кольской ГМК.

Научная новизна:

- установлены зоны концентрации сжимающих и растягивающих напряжений при восходящем порядке ведения горных работ, располагаемые в горном массива вокруг верхней части камеры, а также параболические зависимости изменения сжимающих напряжений с глубиной;

- установлены зависимости размеров искусственных монолитных целиков от совместного влияния давления пород висячего бока и активного давления сыпучей породной закладки при изменении угла падения рудного тела;

- установлены качественные и количественные зависимости приведенных затрат от глубины первой ступени вскрытия при комбинированном восходяще-нисходящем порядке отработки месторождения: минимальная глубина первой ступени составляет 800 м, при ее увеличении значения приведенных затрат остаются постоянными; установлены параболические зависимости изменения удельных затрат на добычу руды от технологических параметров многостадийной системы разработки при восходящем порядке ведения работ.

Защищаемые научные положения:

1. Восходящий порядок отработки глубоких горизонтов крутопадающих месторождений позволяет эффективно управлять состоянием горного массива, так как обеспечивает более чем 2-х кратное снижение действующих сжимающих напряжений по сравнению с нисходящим порядком;

2. При восходяще-нисходящем порядке отработки месторождения высота первой ступени вскрытия определяется экономико-математическим моделированием с учетом капитальных затрат и эксплуатационных расходов при выемке как первой, так и второй ступени вскрытия; для рассматриваемого месторождения она составила 800 м;

3. Размеры искусственных монолитных целиков при многостадийной системе разработки должны определяться не только по величине горного давления пород висячего бока, но и с учетом активного давления сыпучей породной закладки камеры второй очереди; для условий Тундрового месторождения длина камер I очереди составляет 8 м, длина камер II очереди составляет 40 м, прочность твердеющей закладки – 3 МПа.

1. Восходящий порядок отработки глубоких горизонтов крутопадающих месторождений позволяет эффективно управлять состоянием горного массива, так как обеспечивает более чем 2-х кратное снижение действующих сжимающих напряжений по сравнению с нисходящим порядком.

Выемка запасов глубокозалегающих (более 1000 м) рудных тел накладывает существенные ограничения на технологию ведения работ. Связано это в первую очередь с высокими геостатическими и геодинамическими (тектоническими) напряжениями и большими размерами подработки пород висячего бока.

Для оценки НДС горного массива при отработке глубоких горизонтов Тундрового месторождения была составлена численная математическая модель. Методом конечных элементов в программном комплексе ABAQUS моделировались три варианта ведения работ:

1. Отработка всего рудного тела в нисходящем порядке;

2. Отработка всего рудного тела в восходящем порядке;

3. Многоступенчатое вскрытие рудного тела при ведении работ и в первой, и во второй ступени в восходящем порядке.

В результате моделирования были определены горизонтальные и вертикальные сжимающие и растягивающие напряжения в горном массиве и сделаны следующие выводы:

При отработке всего рудного тела в нисходящем порядке с увеличением глубины на границе выработанного пространства происходит постепенный рост значений сжимающих вертикальных (рис. 1) и горизонтальных напряжений, которые, при отработке глубоких горизонтов, могут привести к динамическим проявлениям горного давления. Данный рост объясняется повышением естественного поля напряжений (с ростом глубины ведения горных работ), а также увеличением пролета подработки пород висячего бока. Сжимающие напряжения сконцентрированы в висячем боку камеры на уровне откаточного горизонта. Днище блока и выработки закладочного горизонта будут испытывать повышенные сжимающие напряжения.

Растягивающие напряжения концентрируются в лежачем боку камеры на уровне откаточного горизонта. Выработки днища блока и подэтажный штрек будут испытывать повышенные растягивающие напряжения, что при отработке глубоких горизонтов может привести их деформации, появлению трещин и потере устойчивости горного массива вокруг них. Также растягивающие напряжения располагаются в кровле камеры в закладочном массиве вышерасположенного этажа, что приведет к его разрушению и увеличению разубоживания руды твердеющей закладкой.

При отработке всего рудного тела в восходящем порядке сжимающие напряжения сначала растут, затем стабилизируются и постепенно снижаются (рис. 1). Это объясняется тем, что при восходящем порядке горные работы начинают вести на большой глубине в зоне высоких естественных напряжений. Размер подработки пород висячего бока при этом минимален. С развитием горных работ естественные напряжения массива снижаются, что ведет к уменьшению опорного давления. Одновременно растет размер подработки пород висячего бока, что увеличивает значения опорного давления. Их суммарное действие и приводит к указанной выше зависимости.

Рис. 1 Зависимость вертикальных сжимающих напряжений от глубины при восходящем и нисходящем порядках ведения работ.

Зона опорного давления (как горизонтальных, так и вертикальных сжимающих напряжений) расположена в лежачем боку камеры на уровне вентиляционного горизонта. В этой зоне находятся выработки вентиляционно-закладочного горизонта. Днище блока, подготовительные и нарезные выработки не испытывают повышенных сжимающих напряжений. Растягивающие напряжения сконцентрированы в висячем боку рудного тела на уровне вентиляционного горизонта. В этой зоне не предусмотрено проведения выработок.

Сравнивая нисходящую и восходящую технологии можно отметить, что при отработке глубоких горизонтов вертикальные сжимающие напряжения при восходящем порядке в 2 раза меньше, чем при нисходящем порядке (рис. 1). При этом на всех глубинах они не превышают пределы горного массива на разрушение.

При многоступенчатом вскрытии рудного тела применение восходящего порядка для отработки запасов второй ступени вызовет рост сжимающих напряжений в рудном целике между ступенями вскрытия. Значения данных напряжений более чем в 1.5 раза превышают предел прочности рудного тела на сжатие, что приведет либо к повсеместным горным ударам различной ступени интенсивности, либо к полной потере устойчивости данным целиком и невозможности не только его отработки, но даже проведения в нем подготовительных и нарезных выработок. Повышенные значения сжимающих напряжений связаны с большими размерами подработки пород висячего бока выше и ниже рудного целика, большой глубиной ведения горных работ, высокой жесткостью рудного целика.

Таким образом, анализ напряженно-деформированного состояния горного массива установил, что нисходящий порядок не обеспечивает безопасных условий отработки глубоких горизонтов Тундрового месторождения. Восходящая технология, напротив, позволяет снизить (до 2-х раз) сжимающие напряжения при ведении работ на больших глубинах и смещает зону концентрации растягивающих напряжений в верхнюю часть этажа, где отсутствуют горные выработки, обеспечивая тем самым безопасные условия ведения горных работ.

2. При восходяще-нисходящем порядке отработки месторождения высота первой ступени вскрытия определяется экономико-математическим моделированием с учетом капитальных затрат и эксплуатационных расходов при выемке как первой, так и второй ступени вскрытия; для рассматриваемого месторождения она составила 800 м.

Все современные схемы вскрытия крутопадающих рудных месторождений условно можно разделить на две группы: одноступенчатые и многоступенчатые. При одноступенчатом вскрытии стволы проходят сразу на всю глубину распространения рудного тела, где создают концентрационный горизонт. Данный вариант отличается огромными единовременными капитало-вложениями, довольно большим сроком строительства и ввода рудника в эксплуатацию, большим периодом возврата инвестиций.

Вариант многоступенчатого вскрытия отличается тем, что стволы проходят лишь на определенную глубину, где создают концентрационный горизонт, предназначенный для приема руды только первой очереди вскрытия. После отработки запасов первой очереди производят вскрытие запасов второй путем углубки существующих или проведения слепых стволов. Данный вариант отличается меньшими первоначальными капиталовложениями на проведение выработок первой очереди, более коротким сроком строительства рудника. Однако, стоимость углубки (проведения слепых) стволов примерно на 40% дороже проведения таких же стволов с поверхности. Возникают трудности по совмещению подъема руды и породы от проведения выработок второй ступени по одному стволу и с одного концентрационного горизонта.

Как показали расчеты, выполненные для условий рассматриваемого месторождения, применение восходящего порядка позволяет снизить удельные затраты на добычу руды в блоке более чем на 30%. Это достигается изменением схем подготовки и нарезки блока, уменьшением объема подготовительно-нарезных работ, применения комбинированной закладки блока, и др. Однако, вести работы с самого нижнего горизонта месторождения в восходящем порядке невыгодно из-за высоких первоначальных инвестиций в строительство рудника.