» » Порядок разработки, оценки и внедрения технологических решений добычи руд с использованием энергии горного давления

Порядок разработки, оценки и внедрения технологических решений добычи руд с использованием энергии горного давления

07.08.2016

Соответствие технологических решений принципам управления энергией горного давления

Для оценки уровня энергосбережения технологическими решениями необходимо выполнить анализ соответствия широко применяемых и новых научно-производственных принципов управления энергетическим состоянием массива. Современные научные и производственные представления, на которых базируется большинство отечественных и зарубежных технологий разработки месторождений твердых полезных ископаемых, обеспечивают устойчивость горных выработок, исходя из двух основных принципов. Первый - противодействие крепи разрушению вмещающего массива за счет подбора видов крепей, параметров установки и условий их эксплуатации. Второй - предупреждение (уравновешивание) разрушения массива за счет уравновешивания устойчивости массива с размерами, формой и трассами заложения горных выработок. Усложнение горнотехнических условий, связанных с увеличением глубины горных работ, до настоящего времени вызывало адекватное изменение конструкций крепей и параметров систем разработки лишь с целью минимизации затрат.
Проблема использования энергии объемного сжатия пород как основного ресурса в повышении эффективности эксплуатации горных выработок, качества их крепления и поддержания оставалась нерешенной до установления автором закономерностей управления энергетическим состоянием предохранительных капсул, формирующихся вокруг горных выработок, что позволило разработать ресурсосберегающие технологические решения, базирующиеся на новых принципах управления энергетическим состоянием массива при выполнении горных работ, которые реализуется благодаря содействию, устранению и перенесению разрушения массива в областях интенсивного деформирования пород. Порядок использования принципов раскрывает эволюцию развития технологий поддержания и сохранения горных выработок. Так, одним из первых технологических решений, которое получило широкое распространение и используется до сегодняшних дней, - это противодействие разрушению массива за счет подбора видов, параметров и условий эксплуатации крепей. Используя этот принцип, реализуется задача отпора развивающихся деформаций и смещений в массиве, в основном при проведении подготовительных выработок. Далее было замечено, что на определенном этапе активное разрушение пород затухает, и горная выработка приобретает устойчивые контуры, что стало толчком для создания нового принципа.
Принцип уравновешивания параметров горного давления с размерами и формой горных выработок нашел широкое применение при отработке очистных камер и подготовительных выработок без крепи. Принцип содействия разрушению пород реализуется в основном при производстве буровзрывных работ. За счет обрушения областей интенсивного деформирования массива решается задача ресурсосбережения. Устранение разрушений возможно при придании обнажениям подготовительных и очистных выработок устойчивых контуров, соответствующим параметрам горного давления. Помимо этого, эффективное использование данного принципа возможно при заложении горных выработок в областях массива с пониженной напряженностью массива, т.е. на границе энергетических зон, в которых уровень горного давления соответствует состоянию ненарушенном массива горных пород. Принцип перенесения используется в технологических решениях с наивысшим уровнем использования энергии горных пород благодаря управлению процессами разрушения, которые переносятся вглубь массива.
Систематизация принципов управления энергией нарушенного массива

Каждый из описанных принципов управления состоянием горных пород в предохранительной капсуле выработки использует различное относительное количество энергии массива. Для определения этого количества энергии при креплении и поддержании выработок необходимо найти разницу между вертикальным давлением массива на крепь и величиной отпора, создаваемой крепежной системой выработки. Для этого воспользуемся экспресс-методикой, основанной на учете изменения формы энергетических зон λ. Уменьшение коэффициента λ от 1 до 0 отображает возрастание горного давления пород на крепь выработки, величина которого на 1 м2 крепи со стороны кровли определяется как объем массива, заключенного в приконтурной энергетической зоне, и находится как разность между вертикальной полуосью приконтурной зоны а и половиной высоты подготовительной 0,5h или очистной 0,5lnp выработки, МПа
Порядок разработки, оценки и внедрения технологических решений добычи руд с использованием энергии горного давления

Граничным значением является устойчивость контура выработки, при котором минимальное значение λ принимают равным 0,5, что соответствует использованию принципов уравновешивания, содействия и устранения. Если значение λ приближается к 0,5, то давление пород на крепь существенно возрастает и предопределяет применение при разработке крепежных и поддерживающих систем принципов перенесения, и противодействия. Расчеты показали, что, например, для подготовительной выработки, проводимой в породах прочностью 80 МПа, значении λ = 0,9 - а = 0,44 м, при 0,8 - а = 0,68 м, при 0,7 - а = 1,0 м, при 0,6 - а = 1,42 м, при 0,5 - а = 2,0 м и при 0,1 - а = 16 м. Для очистных выработок эти значения в среднем в 2 раза выше. Помимо этого, относительное количество используемой энергии находится в эквивалентном отношении к давлению массива на контуре выработки, значения которого представлены в табл. 4.1.
Порядок разработки, оценки и внедрения технологических решений добычи руд с использованием энергии горного давления

Из табл. 4.1 видно, что технические средства крепления, базирующиеся на традиционно применяемом принципе противодействия, не используют энергию массива, а наоборот, для противодействия этой энергии затрачивают ее в эквивалентном или зачастую превышающем объеме, в соответствии с запасом прочности крепи п, т.е. n = 1 - противодействие 100%, n = 2 - 200% и т.д. Принцип уравновешивания, используя баланс между факторами энергии массива, с одной стороны, и размерами и формой выработок, с другой, позволяет находить между ними баланс и практически не использовать энергию для крепления и поддержания выработок (0 - 10,0%). Принципы содействия и устранения близки по уровню используемой энергии массива (10,0 - 35,0%). Разница в том, что принцип содействия применяют для очистных выработок при производстве добычных работ, а принцип устранения - при сохранении устойчивости подготовительных выработок. Самым эффективным методологическим принципом является принцип перенесения, который позволяет использовать до 86% энергии массива, применением саморегулируемого анкерного крепления, которое нейтрализует конвергенцию массива за счет энергии дивергенции, согласно параболо-гиперболической зависимости (рис. 4.1).
Максимальный эффект достигается при комбинировании нескольких принципов в одном технологическом решении. Это совместное использование устойчивой формы и саморегулируемого крепления в плоскости забоя и в сечении подготовительной выработки или применение устойчивой формы и анкерного крепления очистных камер и др.
Порядок разработки, оценки и внедрения технологических решений добычи руд с использованием энергии горного давления

Разработка и внедрение в производство технологических решений

Порядок разработки технологических решений формировался в ходе выполнения ряда научно-исследовательских работ, которые далее защищались в виде квалификационных работ. Речь идет о научных исследованиях, выполненных в рамках магистерских работ, кандидатских и докторских диссертаций, а также госбюджетных и коммерческих научных тематик, которые решали отдельные задачи общей проблемы управления энергетическим состоянием горных пород. Основными производственными базами проведения исследований являлись ПАО «КЖРК», ЧАО «ЗЖРК», ГП «ВостГОК» и ПАО «МГОК», на которых проводили промышленные исследования, апробацию технологических решений и внедрение разработанных технологий в технические проекты предприятий. Остальные предприятия, анализ которых представлен был ранее, тоже являются потребителями научных разработок и для них также рекомендуются предлагаемые технологии.
Первоначальные исследования и внедрение результатов в производство проводились для простейших технологических решений. Это связано с тем, что исследования такого уровня базируются на доступных технических подходах, связанных с воздействием на область интенсивного деформирования горных пород, которая формируется на контуре горных выработок. При проведении подготовительных и формировании очистных выработок реализовывалось крепление областей деформирования, а при производстве буровзрывных работ производилось эффективное разрушение этих областей. Так, для условий ПАО «МГОК» предложена конструкция временного крепления плоскости забоя подготовительных выработок, состоящая из многоразовых забивных анкеров, которая предохраняет обрушение забоя на длительный срок. В условиях ГП «ВостГОК» прошло апробирование технологическое решение по усовершенствованию технологии буровзрывных работ, которое позволяет производить отбойку массива руды только в областях интенсивного разрушения, формирующихся одновременно с увеличением очистных камер.
Разработка и внедрение технологических решений следующего уровня сложности осуществлялись после детального анализа результатов внедрения проектов предыдущего технического уровня. Было установлено, что в большинстве случаев крепление областей интенсивного деформирования пород можно избежать за счет придания подготовительным и очистным выработкам более устойчивых форм или закладывать их в областях массива с пониженным энергетическим состоянием горных пород. Благодаря этому повышается уровень ресурсосбережения за счет упразднения процесса крепления, проведения дополнительных (обгонных) выработок вместо разрушенных, исключения аварийных ситуаций, травмированию рабочих и других факторов, повышающих себестоимость добычи.
Так, для условий шахт ПАО «КЖРК», ПАО «ЕВРАЗ Сухая Балка» и ПАО «Арселор-Миттал Кривой Рог» предложена новая форма плоскости забоя и поперечного сечения подготовительных выработок, которая исключает разрушение пород, применение временного крепления забоя и использование трудоемких врубов. Для шахт Криворожского бассейна, которые используют камерные системы разработки с отбойкой руды из буровых штреков, пройденных по породе, технологическое решение предоставляет возможность определения рациональных мест заложения буровых штреков, которые находятся за переделами областей интенсивного расслоения пород лежачего бока. Как следствие внедрения указанных разработок, для этих же предприятий предложен ряд решений, позволяющих придать конструктивным элементам камерных систем разработки (потолочинам, днищам, междукамерным целикам) прочные и устойчивые формы, которые исключают возможность интенсивного образования областей деформирования массива горных пород. Для условий ЧАО «ЗЖРК» разработана технология усовершенствованная параметров буровзрывных работ, которая позволяет учитывать напряженность массива руды путем выбора направления бурения эксплуатационных скважин. При этом углы бурения скважин относительно очистного пространства камеры определяются таким образом, чтобы каждый из них находился в однородно-напряженной области массива. Это исключает возможность самопроизвольного обрушения руды и потери части пробуренных и заряженных скважин.
Разработка технологических решений, которые относятся к наивысшему уровню использования энергии горного давления, осуществлялась также после детального анализа результатов внедрения разработок предыдущих уровней. Установлено, что при производстве горных работ на глубинах свыше 1600 м закрепление области разрушения и придание устойчивых форм выработкам или заложение их по рациональным трассам не позволяет добиться высоких результатов в ресурсосбережении, а самое главное, при этом отсутствует полнота использования технологическими параметрами упругой энергии объемного сжатия пород. Для подготовки запасов ПАО «КЖРК» на глубинах свыше 1600 м эффективным является придание выработкам эллипсоидной формы поперечного сечения совместно с анкерным креплением новой конструкции, которая противодействует процессам разрушения пород на контуре выработки, за счет использования энергии объемного сжатия пород. Подготовка и нарезка запасов при отработке месторождений ЧАО «ЗЖРК» на глубинах свыше 600 м целесообразна с применением эллипсоидной формы поперечного сечения штреков совместно с выбором рациональных трасс заложения, которые прокладываются по границам приконтурной и первой зон термодинамического дисбаланса энергии, сформированных вокруг соответствующих очистных камер.
На глубинах свыше 800 м на ЧАО «ЗЖРК» эффективной показала себя технология одновременного применения подсечки и отрезки запасов очистных камер. При этом форма первичного очистного пространства должна соответствовать размерам и форме эллипсоида с минимальными механическими напряжениями для различных горнотехнических условий отработки запасов руд. Само компенсационное пространство располагается по центру камеры, и каждый этап его увеличения соответствует параметрам устойчивого эллипсоида. Это позволяет исключить самопроизвольное обрушение массива руды. Описанные технологические решения сведены в табл. 4.1, в которой фоном выделены технологии, внедренные в технические проекты действующих горнодобывающих предприятий Украины с участием автора, а также указаны рациональные глубины применения и используемые принципы управления энергией массива.
Порядок разработки, оценки и внедрения технологических решений добычи руд с использованием энергии горного давления