Способ подземной разработки месторождений полезных ископаемых

Изобретение относится к горному делу и, в частности, к подземной разработке месторождений полезных ископаемых. Техническим результатом изобретения является создание благоприятных условий для использования высокопроизводительных систем разработки, повышение безопасности и эффективности горных работ. Указанная цель достигается тем, что очистные работы ведут в три стадии: на первой стадии по всему периметру рудного тела или подготавливаемого к очистной выемке его участка возводят замкнутый оконтуривающий искусственный массив постоянной или изменяющейся в сторону внешнего контура ширины. На второй стадии запасы внутреннего объема оконтуренного участка путем возведения разделительных искусственных массивов разбивают на выемочные единицы. На третьей стадии отрабатывают выемочные единицы с применением технологий с принудительным отделением руды от массива или с самообрушением полезного ископаемого. Порядок отработки принимают таким, чтобы диагонали двух или более одновременно отрабатываемых выемочных единиц в плане всегда составляли прямую линию фронта перемещения очистных работ в отрабатываемом участке. При разработке месторождений полезных ископаемых, представленных неустойчивыми рудами и породами, на уровне верхней подсечки над каждой выемочной единицей создают защитный слой заданной формы. При наличии во вмещающих породах коллекторов с напорными флюидами параллельно с возведением искусственного оконтуривающего массива от его внешних границ вглубь породного массива сооружают противофильтрационную завесу. 5 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Изобретение относится к области горного дела и, в частности, к подземной разработке месторождений полезных ископаемых.

Известен способ подземной разработки мощных месторождений, заключающийся в блоковом самообрушении руды [1]. Недостатком данного способа является высокая трудоемкость проходки окаймляющих штреков, частичное и непрогнозируемое разрушение межблоковых целиков, высокие показатели потерь и разубоживания, а также незащищенность горных работ от выделений флюидонесущих коллекторов во вмещающих породах (при их наличии).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ разработки месторождений полезных ископаемых [2]. Недостатком данного способа является ограниченность области применения исключительно трубкообразными рудными телами, необходимость оставления в кратерной части трубки рудного предохранительного целика, отработка которого после выемки запасов этажа предлагаемым в патенте способом становится практически невозможной, что приводит к неоправданному росту конструктивных потерь неотбитой руды, а также отсутствие верхнего оконтуривающего искусственного массива, что увеличивает горное давление в камерах второй стадии за счет перераспределения опорного давления в процессе строительства кольцевых цилиндрических секций и пилонов между ними.

Целью изобретения является создание условий для использования высокопроизводительных систем разработки, повышение безопасности и эффективности горных работ, а также ослабление или исключение негативного влияния геофакторов.

Указанная цель достигается тем, что очистные работы ведут в три стадии: на первой стадии рудное тело разбивается на отрабатываемые участки путем выемки приконтурных запасов этих участков замкнутой или дискретной оконтуривающей выработкой щелеобразной формы, постоянной - при простом контакте рудного тела или изменяющейся - при сложном контакте, в сторону внешнего контура ширины с последующим возведением плоского защитного слоя и оконтуривающих искусственных массивов путем заполнения этих выработок высокопрочной закладкой с предварительным армированием или без него; на второй стадии отрабатываемый участок путем выемки части его запасов выработками щелеобразной формы с возведением в них разделительных искусственных массивов разбивают на выемочные единицы, размеры горизонтального сечения которых определяют по условию устойчивости обнажения при использовании впоследствии технологий с принудительным отделением руды от массива и по условиям неустойчивости обнажений - при использовании геотехнологии с самообрушением полезного ископаемого, при этом выемку запасов в пределах плоского защитного слоя, оконтуривающих и разделительных искусственных массивов ведут известными методами - этажной или подэтажной отбойкой скважинами из вертикальных или горизонтальных выработок, шпуровой отбойкой, выбуриванием, слоевой выемкой с применением комбайнов; на третьей стадии запасы выемочных единиц отрабатывают последовательно или параллельно теми же методами, а порядок отработки выемочных единиц принимают таким, чтобы диагонали двух или более одновременно отрабатываемых выемочных единиц - в горизонтальном сечении - всегда составляли прямую линию фронта перемещения очистных работ в отрабатываемом участке.

При необходимости сокращения сроков начала очистной выемки первую и вторую стадии совмещают во времени.

При разработке месторождений полезных ископаемых с неустойчивыми рудами и налегающими породами защитному слою, в пределах горизонтального сечения всего отрабатываемого участка или каждой выемочной единицы, придают форму свода или купола.

При необходимости резкого снижения затрат на добычные работы величину горизонтального сечения каждой выемочной единицы определяют из условий неустойчивости обнажения и очистную выемку осуществляют послойным самообрушением руды, которое инициируют и поддерживают посредством секционного разрушения в пределах толщины обрушаемого слоя рудного массива в зоне замка свода естественного равновесия.

При наличии во вмещающих породах напорных флюидонесущих коллекторов, когда возведение оконтуривающего искусственного массива по руде связано с неизбежным проникновением флюидов - вода, рассол, нефть - в выработки отрабатываемого участка, оконтуривающий искусственный массив создают во вмещающих породах вдоль внешнего контура рудного тела путем бурения параллельно этому контуру одного или нескольких рядов скважин, упрочнения и гидроизоляции известными физико-химическими способами массива горных пород вокруг скважин и последующего их заполнения твердеющими закладочными смесями с предварительным армированием или без него.

При невозможности бурения во вмещающих породах скважин вдоль контакта руда - порода для защиты горных работ от напорных флюидов параллельно с возведением искусственного оконтуривающего массива по руде от его внешних границ вглубь массива вмещающих пород сооружают одним из известных способов противофильтрационную завесу, мощность которой определяют известными методами.

В случае необходимости решения экологических проблем, связанных с размещением в выработанном пространстве твердых отходов горно-обогатительного производства, количество выемочных единиц, используемых для этой цели, определяют из условия сохранения равенства величины горного давления и общей несущей способности закладочного массива, площадь горизонтального сечения которого уменьшена на величину суммарной площади выемочных единиц, заполненных твердыми отходами горно-обогатительного производства:

где N- число выемочных единиц, заполняемых твердыми отходами;

n - общее число выемочных единиц на отрабатываемом участке;

γ - объемный вес пород налегающей толщи;

Н- глубина разработки;

σ₁ и σ₂ - прочность на сжатие материала закладки в выемочной

единице и в искусственных массивах, соответственно;

S₁ и S₂ - площадь выемочной единицы и общая площадь всех

искусственных массивов, соответственно.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показано возведение защитного слоя, оконтуривающих и разделительных искусственных массивов при отработке рудного тела. На фиг.2 показано возведение защитного слоя, оконтуривающего и разделительных искусственных массивов при выемке отрабатываемого участка рудного тела и порядок отработки выемочных единиц в пределах этого участка. На фиг.3 показана очистная выемка руды в выемочной единице методом самообрушения и создание защитного слоя различной формы. На фиг.4 показана очистная выемка руды в выемочной единице методом самообрушения с послойным разрушением руды в замке свода естественного равновесия. На фиг.5 показана отработка месторождения с возведением искусственного оконтуривающего массива и сооружением, параллельно с ним, противофильтрационной завесы. На фиг.6 показана отработка выемочной единицы камерной системой с отбойкой руды горизонтальными скважинами из буровых восстающих с использованием очистных монорельсовых комплексов. На фиг.7 показано возведение защитного слоя, оконтуривающего и разделительных искусственных массивов с применением известных способов со взрывной и механической отбойкой руды. На фиг.8 показано заполнение выработанного пространства выемочных единиц твердеющей закладочной смесью, отходами горного, обогатительного и металлургического производства, бытовыми и другими твердыми отходами.

Система разработки месторождений полезных ископаемых содержит этажные подготовительные выработки 7, внешний контур 2 с локальными неровностями 3 во вмещающих породах 4 и внутренний прямоугольный контур 5 отрабатываемого участка рудного тела 6, нижнюю 7 и верхнюю 8 контурные нарезные выработки, оконтуривающий искусственный массив 9, защитный слой заданной формы - плоскость 10, свод 11 или купол 12 - с почвой на уровне верхней подсечки, нижние 13 и верхние 14 нарезные выработки и восстающие 15 разделительных искусственных массивов 16, оконтуренные этими массивами выемочные единицы 17, отрабатываемые 18 и заполняемые твердеющей закладкой 19 в таком порядке, чтобы фронт перемещения очистных работ 20 проходил бы через диагонали выемочных единиц; каждая из которых имеет оформленное днище 27; нижнюю подсечку 22, верхнюю буровую выработку 23, взрывные скважины 24 для инициирования и поддержания посредством секционного разрушения, в пределах толщины слоя самообрушения 25, обрушенную в выемочной единице рудную массу 26, выпускаемую на доставочные выработки нижнего горизонта 27; противофильтрационную завесу 28, возводимую путем бурения вееров цементационных скважин 29 либо параллельно контуру рудного тела 2 из нижней 30 и верхней 31 буровых выработок во вмещающих породах, либо путем бурения этих скважин из слоевых выработок 32 при наличии во вмещающих породах напорных флюидонесущих коллекторов 33; отработку выемочных единиц 17 известными способами со взрывной отбойкой руды, например горизонтальными скважинами 34 из буровых восстающих 35 с использованием очистных монорельсовых комплексов 36; отработку руды в пределах оконтуривающего 9 и разделительных 16 искусственных массивов путем использования известных способов с магазинированием руды 37, с отбойкой руды из подэтажных штреков 38, с отбойкой руды прирезками 39 из буровых восстающих 35 монорельсовыми комплексами 36, слоевой выемки 40 с применением комбайнов, выбуриванием 41 и заполнением отработанного пространства высокопрочными закладочными смесями 42, с армированием или без него; выработанное пространство 43 выемочных единиц 77, заполненное твердеющей закладочной смесью 44, пустыми породами 45, хвостами обогащения 46, металлургическими шлаками 47, бытовыми 48 и другими твердыми отходами 49.

Способ реализуется следующим образом. После проходки на уровне верхнего и нижнего горизонтов этажных подготовительных выработок 7 вдоль внешнего контура 2 отрабатываемого участка рудного тела 6 проходят замкнутые контурные нарезные выработки - нижнюю 7 и верхнюю 8 оконтуривающего искусственного массива 9. Затем проходят нижние 13 и верхние 14 нарезные выработки каждого из намеченных разделительных искусственных массивов 16. Из верхних выработок нарезных 14 и контурных 8 возводят защитный слой необходимой формы - плоской 10, сводчатой 11 или куполообразной 12 - нижняя поверхность которого находится на уровне кровли нарезных 14 и контурных 8 выработок. Из нижних нарезных выработок 7 и 13 начинают возведение снизу вверх оконтуривающего 9 и разделительных 16 искусственных массивов, применяя технологию горизонтальных слоев с твердеющей закладкой или другие известные методы - этажную или подэтажную отбойку скважинами из вертикальных или горизонтальных выработок, шпуровую отбойку, выбуривание, слоевую выемку с применением комбайнов. Для выдачи руды и вентиляции работ вдоль внутреннего контура оконтуривающего искусственного массива 9 проходят восстающие 15, которые затем частично выкрепляются при проведении закладочных работ. При этом, в зависимости от формы внешнего контура 2 отрабатываемого участка рудного тела 6, толщина возводимого оконтуривающего искусственного массива 9 может изменяться за счет отработки локальных неровностей 3 внешнего контура 2 (фиг.1).

После возведения защитного слоя 10, искусственных массивов 9 и 16 в образованных ими выемочных единицах 17 ведут очистную выемку. Порядок отработки выемочных единиц 17 в пределах отрабатываемого участка рудного тела 6 принимают таким, чтобы при ведении очистных работ в любой отрабатываемой выемочной единице 18 смежные с ней по всем четырем сторонам выемочные единицы были бы или не отработаны 77 или заполнены закладкой 19, что обеспечивает сохранность участков разделительных искусственных массивов 16, формирующих отрабатываемую выемочную единицу. Это достигается путем такого порядка отработки выемочных единиц, при котором диагонали двух или более одновременно отрабатываемых выемочных единиц 18 всегда составляли бы прямую линию фронта перемещения очистных работ 20 в отрабатываемом участке (фиг.2).

При разработке месторождений полезных ископаемых, представленных неустойчивыми рудами и налегающими породами, форму плоского защитного слоя 10 изменяют на сводчатую 11 или куполообразную 12, а мощность определяют из условия его устойчивости по известным методикам (фиг.3).

Подготовка каждой выемочной единицы 17 включает в себя формирование днища 21 одной из известных конструкций, проведение нижней подсечки 22 и бурение из верхней буровой выработки 23 одного или нескольких рядов взрывных скважин 24, проходящих через зону замка сводов естественного равновесия. Технологический процесс послойного самообрушения инициируют и поддерживают путем заряжания и взрывания скважин 24 секциями, длина которых равна толщине самообрушаемого слоя 25. Полученная в процессе самообрушения рудная масса 26 выпускается через выработки днища 21 на доставочные выработки нижнего горизонта 27 (фиг.4).

В сложных гидрогеологических условиях, особенно при наличии напорных флюидонесущих коллекторов 32, возникает необходимость дополнительной защиты внешнего контура 2 отрабатываемого участка рудного тела за счет возведения противофильтрационной завесы 28. Эту завесу возводят на стадии возведения оконтуривающего искусственного массива 9 от его внешней границы 2 вглубь массива вмещающих пород 4. Одновременно с проведением слоевой выработки 33 в сторону массива вмещающих пород 4 бурят цементационные скважины 29 и одним из известных физико-химических способов проводят укрепление и гидроизоляцию пород, прилегающих к слоевой выработке 33 (фиг.5).

При отработке участков месторождений с локальным увеличением устойчивости рудного массива до средней и выше средней и кимберлитовых трубок небольшого диаметра отрабатываемый участок рудного тела 6 вынимают с применением камерной системы разработки с отбойкой руды горизонтальными скважинами 34 из буровых восстающих 35 с использованием очистных монорельсовых комплексов 36 (фиг.6).

При отработке участков или целых месторождений с рудами и вмещающими породами выше средней устойчивости и устойчивыми при создании оконтуривающего 9 и разделительных 16 искусственных массивов применяют известные способы разработки со взрывной или механической отбойкой руды, например систему с магазинированием руды 37, систему подэтажных штреков 38, систему с отбойкой руды прирезками 39 из буровых восстающих 35 монорельсовыми комплексами 36, слоевую выемку 40 с применением комбайнов, выбуривание 41. По мере отработки запасов в пределах оконтуривающего 9 и разделительных 16 искусственных массивов отработанное пространство заполняется высокопрочными закладочными смесями 42 с предварительным армированием или без него (фиг.7).

После возведения оконтуривающего 9 и разделительных 16 искусственных массивов и набора высокопрочной закладкой паспортной прочности, выемочные единицы 17 отрабатывают в диагональном порядке (см. фиг.2) с применением известных для условий разработки мощных рудных месторождений камерных систем разработки со взрывной отбойкой руды, а выработанное пространство 43 этих камер заполняют твердеющими закладочными смесями 44, твердыми отходами горного производства, например пустыми породами 45, отходами горно-обогатительного производства - хвостами обогащения 46, металлургического передела - шлаками 47, а также бытовыми 48 и другими видами твердых отходов 49 (фиг.8).

Так как отработанные выемочные единицы 43 при заполнении их различными видами отходов 45, 46, 47, 48, 49 не могут воспринимать горное давление, оно компенсируется за счет несущей способности камер, заполненных твердеющими закладочными смесями 44, и возведенных оконтуривающего 9 и разделительных 16 искусственных массивов, то устойчивость всей системы будет обеспечена, если количество заполненных отходами камер (N) будет связано с прочностью на сжатие закладочных смесей в выемочной единице (σ₁) и в искусственных массивах (σ₂) следующим соотношением:

где n - общее число выемочных единиц на отрабатываемом участке, ед.;

γ - объемный вес пород налегающей толщи, т/м³;

H - глубина разработки, м;

S₁ и S₂ - площадь выемочной единицы и общая площадь всех искусственных массивов, соответственно, м²;

σ₁ - предел прочности на сжатие закладочной смеси в выемочной единице, т/м²;

σ₂ - предел прочности на сжатие закладочного материала в искусственных оконтуривающих и разделительных массивах, т/м².

Источники информации

1. Каплунов Р.П., Прокопьев Е.П., Стариков Н.А., Бричкин А.В. Подземная разработка рудных и россыпных месторождений. М.: Металлургиздат, 1955, с.551-561.

2. Патент 2078209 РФ, МКИ Е21С41/00. Способ разработки месторождений полезных ископаемых и суперструктура для его осуществления / Черней Э.И., Ус Б.П., Байбаков С.Н., Лазарев В.Н. - Дата публикации 27.04.1997.

1. Способ подземной разработки месторождений полезных ископаемых, включающий в себя подготовительные и нарезные работы, очистные работы, проводимые в несколько стадий, включающие выемку части рудного тела оконтуривающими и разделительными выработками с последующим возведением оконтуривающих и разделительных искусственных массивов путем заполнения этих выработок высокопрочной закладкой с предварительным армированием или без него, разбиение рудного тела на отрабатываемые участки, а этих участков - на выемочные единицы, их отработку и закладку выработанного пространства, отличающийся тем, что очистные работы ведут в три стадии: на первой стадии рудное тело разбивается на отрабатываемые участки путем выемки приконтурных запасов этих участков замкнутой или дискретной оконтуривающей выработкой щелеобразной формы, постоянной при простом контакте рудного тела или изменяющейся в сторону внешнего контура ширины при сложном контакте рудного тела с возведением в этих выработках плоского защитного слоя и боковых оконтуривающих искусственных массивов, на второй стадии отрабатываемый участок путем выемки его запасов выработками щелеобразной формы с возведением в них разделительных искусственных массивов разбивают на выемочные единицы, размеры горизонтального сечения которых определяют по условию устойчивости обнажения при использовании впоследствии геотехнологий с принудительным отделением руды от массива и по условиям неустойчивости обнажений - при использовании геотехнологии с самообрушением руды, при этом выемку запасов приконтурной части рудного тела и разделительных массивов ведут известными методами - этажной или подэтажной отбойкой скважинами из вертикальных или горизонтальных выработок, шпуровой отбойкой, выбуриванием или слоевой выемкой с применением комбайнов, а выемочные единицы отрабатывают на третьей стадии теми же методами последовательно или параллельно, при этом порядок отработки выемочных единиц принимают таким, чтобы диагонали двух или более отрабатываемых выемочных единиц в горизонтальном сечении всегда составляли прямую линию фронта перемещения очистных работ в отрабатываемом участке.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что первую и вторую стадии совмещают во времени.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что при разработке месторождений полезных ископаемых, представленных неустойчивыми рудами и налегающими породами, защитному слою в пределах горизонтального сечения всего отрабатываемого участка или каждой выемочной единицы придают форму свода или купола.

4. Способ по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что очистную выемку в каждой выемочной единице осуществляют послойным самообрушением руды, которое инициируют и поддерживают посредством секционного разрушения, в пределах толщины обрушаемого слоя, рудного массива в зоне замка свода естественного равновесия.

5. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что при наличии во вмещающих породах коллекторов с напорными флюидами параллельно с возведением искусственного оконтуривающего массива от внешних границ вглубь породного массива сооружают противофильтрационную завесу.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что выработанное пространство части отработанных камер заполняют твердыми отходами горного, обогатительного и металлургического переделов или непромышленными и бытовыми твердыми отходами, при этом количество камер, используемых для этих целей в пределах отрабатываемого участка, определяют из выражения

где n - общее число выемочных единиц на отрабатываемом участке, ед.;

γ - объемный вес пород налегающей толщи, т/м³;

Н - глубина разработки, м;

S₁ и S₂ - площадь выемочной единицы и общая площадь всех искусственных массивов, соответственно, м²;

σ₁ - предел прочности на сжатие закладочной смеси в выемочной единице,

т/м²;

σ₂ - предел прочности на сжатие закладочного материала в искусственных оконтуривающих и разделительных массивах, т/м².