Рудных месторождений

Обоснованию принципов разделения систем подземной разработки посвящены работы крупнейших отечественных и зарубежных ученых и горных инженеров. Большинство из более 60-ти опубликованных классификаций подвергнуты критическому разбору в фундаментальных монографиях Н.И. Трушкова, М.И. Агошкова, О.А. Байконурова и В.Р. Именитова.

Одним из основных выводов Н.И. Трушкова было признание нецелесообразности попытки охватить в единой классификации систем разработки каменноугольных и рудных залежей, вследствие их " громоздкости, имеющихся противоречий и трудностях использования в практических целях". Многообразие рудных, в отличии от угольных, месторождений по форме и размерам, элементам залегания, физико-механическим свойствам, минералогическому составу и ценности полезного ископаемого обусловило применение на рудниках в ХХ столетии от 170 до 200 вариантов систем разработки.

Такое множество способов подземной выемки руд, с одной стороны, подчеркивает трудности построения их научной классификации, с другой – породило большое количество классификационных признаков для распределения систем разработки. У различных авторов за основу классификаций принимались следующие признаки:

· тип и размеры месторождения (W.R. Crane, G.J. Young, И. Покровский, Г.Е. Баканов, Л.И. Барон);

· способ поддержания выработанного пространства (F.W. Sperr, Y.H. Rayt, E.C. Mitke, В.Н. Семевский и др.);

· способ поддержания очистного пространства (J.F. Clelland, C.F. Sackson и E.D. Gardner, классификация Горного бюро США, Н.И. Трушков, Н.А. Стариков, Г.Н. Попов, В.Р. Именитов и др.);

· состояние очистного пространства (М.И. Агошков, Р.П. Каплунов и др.);

· поддержание в период выемки и последующего заполнения выработанного пространства (В.Т. Маркелов);

· тип забоя, способ поддержания кровли, способ подсечки блока (Американский институт горных инженеров и металлургов);

· направление фронта отработки и тип заполнения выработанного пространства (О.А. Байконуров);

· стадийность выемки (А.И. Стешенко).

Перечисленные Выше классификационные признаки в той или иной мере упорядочивают и характеризуют применяемые системы разработки руд. Но в практических целях для выбора и сравнительной оценки методов разработки большинство из них малопригодны. В России заслуженно получили признание и используются при проектировании подземных рудников классификации М.И. Агошкова и В.Р. Именитова. Системы разработки у М.И. Агошкова (табл. 9.1) разделены на классы по «состоянию очистного пространства в период добычи руды». В.Р. Именитов использовал несколько иной классификационный признак: «способ поддержания очистного пространства при выемке руды» (табл. 9.2). Признавая полезность и достоинства классификаций обоих авторов, отметим ряд замечаний.

Во-первых, обе классификации были разработаны в середине 60-х годов прошлого столетия. С тех пор произошла и продолжается заметная эволюция систем разработок. Многие из них при выемке рудных месторождений средней мощности до весьма мощных утратили свое практическое значение.

Современные методы подземной добычи руд базируются на применении мобильных комплексов самоходного оборудования (СО). Освоение самоходной техники позволило коренным образом упростить схемы подготовки, нарезки и очистной выемки, существенно интенсифицировать горные работы, добиться комплексной механизации и минимизировать объемы ручного труда в подземных условиях.

Способы разработки с использованием переносного горного оборудования с большим объемом тяжелого ручного труда уже сейчас сохраняются лишь при выемке маломощных рудных тел с высоким содержанием полезных компонентов. Применение подобной техники и технологий для отработки рудных залежей от средней мощности до весьма мощных на давно эксплуатируемых месторождениях обусловлено лишь наличием дешевой рабочей силы, сравнительно малой ценностью минерального сырья и не перспективностью предприятия для технического перевооружения и реконструкции.

Анализ практики добычи руд комплексами самоходных машин показывает, что использование их эффективно при многозабойной работе в ограниченных классах систем разработки:

· с закладкой выработанного пространства (сплошные слоевые и камерные, в том числе с камерно-целиковым порядком выемки);

· с открытым выработанным пространством (камерно-столбовые и камерные с плоским днищем);

· с обрушением руды и вмещающих пород (этажное и, особенно, подэтажное обрушение с торцовым или площадно-торцовым выпуском руды);

· комбинированные (например, с закладкой и обрушением).

Таблица 9.1

Классификация систем разработки рудных месторождений по М.И. Агошкову

Достигнутый технический уровень технологий подземных горных работ на базе самоходной техники, успехи ряда горнодобывающих компаний на ее основе в области роботизации и автоматизации процессов добычи руды приведет к дальнейшей унификации систем разработки.

Во-вторых, горные работы на рудниках ежегодно погружаются на 20–40 м, достигнув на рудниках Индии и Южной Африки глубины около 4 км. Уже сейчас более десятка рудников в США, Канаде, Южной Африке ведут добычу руды на глубинах свыше 2, 5 км.

Таблица 9.2

Классификация систем разработки рудных месторождений по В.Р. Именитову

С переходом на большие глубины резко ухудшаются условия разработок: повышается температура пород, изменяются их физико-механические свойства, выполаживаются углы сдвижения массива, нарастает горное давление и вероятность его проявления в динамической форме. Все больше разрабатываемых месторождений относятся к категории удароопасных.

Наукой и практикой выработаны основные принципы ведения горных работ в подобных условиях, позволяющих минимизировать опасные формы проявления горного давления. Напомним их:

· подготовку и отработку рудных тел следует производить при минимальной изрезанности горного массива без образования участков (целиков), выступов – концентраторов напряжений, способных вызывать взрывоподобное разрушение пород;

· проведение подготовительных и очистных выработок осуществлять преимущественно в направлении максимальных напряжений, действующих в горном массиве;

· развитие фронта горных работ и, соответственно, очистной выемки производить расходящимися фронтами или единым фронтом от фланга к флангу этажа.

Перечисленным выше требованиям в условиях больших глубин не отвечают и утрачивают самостоятельное значение целые классы систем разработки: с «магазинированием руды», с «открытым» у М.И. Агошкова или «естественным поддержанием очистного пространства» у В.Р. Именитова.

При различных вариантах систем с магазинированием руды, широко применяемых при отработке маломощных крутопадающих рудных тел, очистная выемка осуществляется в восходящем порядке на уменьшающийся целик, что не допустимо в массивах, склонных к горным ударам. На Южном полиметаллическом месторождении (ОАО «ГМК «Дальполиметалл») разрабатываются тонкие жилы с прочными рудами и вмещающими породами, способными к накоплению потенциальной энергии упругого сжатия и разрушению в динамической форме. На глубине 150–200 м от поверхности при отработке рудного тела системой с магазинированием и подходе к потолочному целику в ряде блоков произошли серии горных ударов с тяжелыми последствиями.

Крайне ограниченные возможности управлять горным давлением при системах с открытым очистным пространством и поддержанием кровли рудными целиками и крепью. Образующееся при этом выработанное пространство, с увеличением размеров теряет свое равновесное состояние. Возникают условия для разрушения горной конструкции в опасных динамических формах, нарастает вероятность обрушения пород большими массами.

Эти явления хорошо иллюстрируются практикой подземных рудников Жезказганского месторождения медистых песчаников, разрабатываемых системой с камерно-столбовой выемкой. Несмотря на увеличение площади оставляемых внутрикамерных и панельных целиков (до 40% и более от площади панели) с глубины 450 м участились случаи обрушения кровли и взрывоподобное разрушение целиков.

По расчетам на глубинах 1000 м при камерно-столбовой выемке для поддержания кровли более половины запасов должно оставляться в целиках.

Таким образом, специфика больших глубин, рост горного давления и нарастающие трудности обеспечения безопасности горных работ исключают из применения или лишают самостоятельного значения целые классы систем разработки в известных классификациях.

В-третьих, в классификациях М.И. Агошкова и В.Р. Именитова отсутствует группа камерных систем разработки с закладкой, которые, на наш взгляд, имеют самостоятельное значение. Эти геотехнологии применяются на глубинах 1000 и более метров в двух вариантах: сплошной и с камерно-целиковым порядком выемки.

Камерно-целиковая отработка с закладкой достаточно широко распространена на подземных рудниках Канады (рудники «Инко» «Геко» «Кид Крик» и др.), Финляндии («Оутокумпо»), Австралии («Маунт Айза»), СНГ («Гайский», «Лениногорский», «Зыряновский» и др.). По мнению ряда специалистов область применения подобных геотехнологий из-за заметного роста концентрации опорного давления после выемки первичных камер ограничивается глубиной 600–800 м. Разрушение вторичных камер (целиков), выработок горизонта выпуска обусловливает необходимость перехода на варианты сплошной камерной отработки, положительно зарекомендовавшей себя на рудниках Норильского региона.

Исходя из вышеизложенных жестких требований к отработке рудных месторождений, склонных к горным ударам, приемлемые системы разработки в таких условиях могут характеризоваться и разделяться по признакам:

· способу управления горным давлением или состоянию выработанного пространства;

· направлению движения фронта очистной выемки;

· способу отбойки и выпуска (доставки) руды.

Первый фактор – способ управления горным давлением – по сути определяет геотехнологию отработки месторождения. Являясь основополагающим и наиболее важным в условиях больших глубин, он обязательно выступает в характеристике и названии системы разработки. Поэтому правильно, на наш взгляд, признать его основным классификационным признаком.

Естественно, способ управления горным давлением может дополняться известными конструктивными решениями, направленными на увеличение деформационной способности разрабатываемого массива, регулирование уровня напряжений в призабойной зоне. В число таких вспомогательных процессов входит, например, надработка (подработка) рудной залежи, бурение опережающих скважин, камуфлетный прострел шпуров или скважин, проведение направленного флюидоразрыва и т.п. Но эти, нередко, вынужденные меры могут осуществляться при любых системах разработки и не являются их характерным признаком.

Второй фактор достаточно часто присутствует в формулировании системы разработки и поясняет способ ведения добычных работ. Например, система разработки горизонтальными слоями с закладкой выработанного пространства может исполняться в восходящем и нисходящем порядке. Отработка крутопадающих жил в удароопасных условиях ведется подэтажной выемкой по падению или простиранию.

Третий фактор также наполняет содержанием системы разработки. Выемка рудных залежей камерными системами уточняется способом выпуска руды: площадным (из заездов), торцовым или площадно-торцовым. Отбойка камер может проводиться способом VCR, параллельными скважинами или веерами скважин.

Таким образом, второй и третий признаки могут и должны использоваться для разделения систем разработки на группы и виды.

Предлагая вариант классификации систем разработки рудных месторождений, склонным к горным ударам, исходим из следующих принципов.

Во-первых, системы разработки обязательно должны отвечать жестким требованиям ведения горных работ в удароопасных условиях, отмеченных выше.

Во-вторых, классификация ориентирована на индустриальные способы разработки. Исключение составляют лишь геотехнологии добычи руд из маломощных залежей, где в стесненных условиях неизбежно использование переносной горной техники.

В-третьих, необходимо избежать многих второстепенных признаков для выделения отдельных видов систем разработки. Например, выемка по простиранию или вкрест простирания залежей определяется не столько системой разработки, сколько параметрами залежей, горнотехническими и геомеханическими условиями залегания месторождения.

В-четвертых, из классификации исключены системы разработки с креплением, полагая, что крепление выработок используется во всех известных способах выемки.

В-пятых, выбранный основной классификационный признак позволяет вписать в классификацию любые созданные новые варианты систем разработки.

Итак, в соответствии с существующими способами управления горным давлением, системы разработки на больших глубинах делятся на три класса:

I – с закладкой выработанного пространства;

II – с обрушением налегающих (вмещающих) пород;

III – комбинированные с закладкой и обрушением.

Первые два класса систем разработки хорошо известны из технической литературы и практики подземной добычи. Отметим лишь, что при системах с обрушением руды и вмещающих пород в удароопасных условиях крайне нежелательно вести отбойку большими массами с площадным выпуском руды. Мощные заряды ВВ с выделением огромной энергии провоцируют срывы крупных структурных блоков, вызывая динамические события в массиве с разрушением ослабленного многочисленными выработками горизонта выпуска руды.

Такие явления периодически повторяются на Таштагольском железорудном месторождении, отрабатываемом системой этажного обрушения с вибровыпуском руды по площади и массовой отбойкой крупными блоками. В подобных геомеханических условиях с аналогичной глубиной ведения горных работ на руднике Кируна (Швеция) при подэтажном обрушении с послойной отбойкой и торцовым выпуском руды динамические проявления горного давления отсутствуют. Поэтому в группу систем с обрушением предлагаемой классификации включены лишь варианты с послойной отбойкой и торцовым или площадно-торцовым выпуском руды.

Геотехнологии с комбинированным способом управления горным давлением требуют некоторого пояснения. Высокая стоимость твердеющей закладки предопределяет необходимость поиска менее затратных способов разработки залежей с малой и средней ценностью руд. В частности, при выемке мощных и весьма мощных пологих и слабонаклонных залежей для управления кровлей, обеспечения плавной ее посадки, ограничения скорости сдвижений и величины деформаций допустимо в ряде условий лишь частично закладывать выработанное пространство. При этом участки, заполненные закладкой, чередуются с запасами, отрабатываемыми под обрушенной кровлей в форме устойчивого свода или шатра.

В первую очередь разрабатываются участки, на которых возводятся искусственные целики. Между ними отрабатываются временные рудные целики, погашаемые с отставанием во вторую очередь. Функции, обеспечивающие плавное оседание кровли, выполняют искусственные целики. Их параметры должны ограничивать скорость и величину оседания кровли до значений равных, как при полной закладке выработанного пространства. Ширина временных рудных целиков устанавливается в зависимости от допустимого устойчивого пролета кровли.

В зависимости от устойчивости руд и пород, мощности залежи, отработка участка с твердеющей закладкой может осуществляться горизонтальными слоями с восходящей (нисходящей) выемкой или камерами, временные рудные целики – подэтажным (весьма мощные) или этажным (мощные залежи) обрушением.

В заключении приведем сводную таблицу предлагаемой классификации (табл. 9.3).

Таблица 9.3

Классификация систем разработки рудных месторождений, склонных и опасных по горным ударам

Контрольные вопросы и задания к главе 9

1. Опишите классификационные признаки, разделяющие системы разработки.

2. Основное отличие между классификацией систем разработки по М.И. Агошкову и В.Р. Именитову.

3. Какие классы систем разработки рудных месторождений выделены В.Р. Именитовым?

4. По каким признакам характеризуются системы разработки при отработке удароопасных месторождений?

5. Охарактеризуйте новую классификацию систем разработки рудных месторождений, склонных и опасных по горным ударам.