» » Устойчивая форма конструктивных элементов блоков для шахт ПАО «КЖРК»

Устойчивая форма конструктивных элементов блоков для шахт ПАО «КЖРК»

07.08.2016

Добыча более 70% богатых железных руд на шахтах Криворожского бассейна производится с помощью камерных систем разработки, которые обеспечивают более высокую производительность труда и характеризуются минимальными затратами на добычу. Очистные работы в бассейне ведутся на глубинах свыше 1300 м, где горное давление достигает 45 МПа и способствует все большему переходу на подэтажно-камерные системы, которые характеризуются более низкими технико-экономическими показателями по сравнению с этажно-камерными.
Помимо этого рудные залежи северной группы шахт характеризуются весьма сложными горно-геологическими и геоморфологическими условиями залегания. Их отработка приводит к образованию очистных камер более сложной формы, нежели регламентировано в официальных инструкциях, действующих в Кривбассе. Определение устойчивой формы таких камер осуществляется исходя из производственного опыта инженерно-технических работников шахт. Зачастую это приводит к завышению либо занижению прочности и устойчивости конструктивных элементов. Завышение размеров междукамерных и междуэтажных целиков приводит к возрастанию себестоимости добычи, а занижение - к снижению безопасности горных работ, ухудшению качества добываемой руды и повышению себестоимости добычи. В обоих случаях возрастают затраты на бурение и заряжание эксплуатационных скважин, выпуск и вторичное дробление руды. В этих условиях частичного снижения себестоимости добычи можно добиться за счет оптимизации формы конструктивных элементов камерных систем разработки и придания контурам обнажения массива более устойчивых форм -эллипсоидных.
Большой объем исследований, проведенных специалистами НИГРИ ГВУЗ «КНУ», а также «НГУ» и «КНУ», показал, что широко применяемая параллелограммная форма очистных камер не является прочной по фактору горного давления и устойчивой по фактору сейсмического воздействия взрывных волн. Эти факты генерировали проведение дальнейших исследований, направленных на повышение устойчивости обнажений междуэтажных и междукамерных целиков, а также обнажений пород висячего и лежачего боков в очистных камерах. Исследователями ГВУЗ «КНУ» была предложена наклонная форма потолочин, угол наклона которой рекомендуется принимать в соответствии с углом действия главного нормального напряжения в ненарушенном массиве пород. Это решение позволяет снизить растягивающие напряжения в обнажении массива потолочины. Данное технологическое решение не можно применять только при отработке рудных залежей средней мощности.
Одним из основных способов, широко применяемых в Кривбассе, позволяющих повысить устойчивость междукамерных и междуэтажных целиков в процессе достижения камерой проектных размеров, является формирование уступчатой линии очистного забоя. Криволинейная форма забоя, разработанная НИГРИ ГВУЗ «КНУ», придается обнажению массива руды по падению и простиранию залежи. Расположение уступов в очистной камере возможно горизонтальное, вертикальное или комбинированное, а также одно- и двухстороннее. Широкое применение в бассейне этажно-камерных систем разработки с отбойкой руды вертикальными веерами глубоких скважин осложняет формирование горизонтальных уступов в очистных камерах. Это вызвано недостаточной точностью оконтуривания обнажения массива руды. Помимо этого, для повышения устойчивости наклонных и горизонтальных обнажений массива руды, разработаны сводообразные и шатровые формы потолочин, располагающихся горизонтально и наклонно.
Выбор рациональных схем расположения уступов либо подбор формы потолочины производится из широкого спектра разработанных технологических решений повышения устойчивости обнажений без применения критерия оптимальности. Это и является основной причиной снижения устойчивости обнажений для камерных систем разработки при наличии достаточного объема разработанных технологических схем ведения очистных работ. Подвергая анализу эволюцию создания технологий, направленных на повышение устойчивости обнажений массива, автором установлено, что она протекает в направлении придания очистным выработкам оптимальных форм по фактору горного давления. С усовершенствованием аналитических методов исследования напряженно-деформированного состояния массива происходит постепенное приближение формы очистных камер к идеальным. Решение задач по оптимизации формы очистных камер и, соответственно форм очистных забоев, потолочин и целиков, целесообразно производить с использованием энергетического метода исследования. Оценку устойчивости очистных камер различной формы предлагается производить исходя из устойчивости очистной выработки оптимальной формы. Такая выработка представляет собой эллипсоид вращения. В рудных залежах средней мощности и мощных эллипсоид приобретает форму усеченной фигуры за счет оконтуривания камеры породами висячего и лежачего боков залежи (рис. 4.19).
Устойчивая форма конструктивных элементов блоков для шахт ПАО «КЖРК»

На рис. 4.19. приняты следующие условные обозначения: hк и lпр - вертикальный и горизонтальный пролеты очистной камеры, м; lн - наклонная длина очистной камеры по падению рудной залежи, м; lк - длина очистной камеры по простиранию рудной залежи, м; О - центр камеры, начало системы координат ZXY; а - вертикальная полуось эллипсоида, направленная вдоль оси Z, м; в - горизонтальная полуось эллипсоида, направленная вдоль оси X, вкрест простирания рудной залежи, м; с - горизонтальная полуось эллипсоида, направленная вдоль оси Y, по простиранию рудной залежи, м; r - малый радиус закругления массива руды, м; O1 - центр малого радиуса закругления r, R- большой радиус закругления массива руды, м; O2 - центр большого радиуса закругления R; θp -угол между главным нормальным напряжением и горизонтальной плоскостью, град; ψр - угол действия главного касательного напряжения, град.
Для определения оптимальной формы очистной камеры, при заданных ее геометрических размерах, использовалась усовершенствованная методика, разработанная для расчета оптимальной формы подготовительной выработки.
1. Размеры очистной выработки эллипсоидной формы характеризуются:
- вертикальной полуосью а, направленной вдоль оси OZ; определяется по формуле (4.11). Угол между главным нормальным напряжением, действующим в массиве руды, и горизонтальной плоскостью определяется по формуле (3.2). Коэффициент формы приконтурной энергетической зоны для массива руды λp определяется по рис. 3.7 б и по формуле (3.31). Угол действия главного касательного напряжения определяется по формуле (3.3);
- горизонтальной полуосью в, направленной вдоль оси ОХ; определяется по формуле (3.5);
- горизонтальной полуосью с, направленной вдоль оси OY; определяется по формуле (4.5).
2. Радиусы закругления обнажения массива руды, соответствующие вертикальным и горизонтальным проекциям эллипсоида.
2.1. Вдоль осей координат ZOX:
- малый радиус закругления массива, м
Устойчивая форма конструктивных элементов блоков для шахт ПАО «КЖРК»

- большой радиус закругления массива, м
Устойчивая форма конструктивных элементов блоков для шахт ПАО «КЖРК»

2.2. Вдоль осей координат ZOY:
- малый радиус закругления массива, м
Устойчивая форма конструктивных элементов блоков для шахт ПАО «КЖРК»

- большой радиус закругления массива, м
Устойчивая форма конструктивных элементов блоков для шахт ПАО «КЖРК»

2.3. Вдоль осей координат XOY:
- малый радиус закругления массива, м
Устойчивая форма конструктивных элементов блоков для шахт ПАО «КЖРК»

Методика расчета эллипсоидной формы камеры также может использоваться для оптимизации формы конструктивных элементов для камерных систем разработки. Оптимизации подлежит наименее устойчивый конструктивный элемент блока - потолочина. Так, например, устойчивость сводообразных потолочин, определяемых по официально действующей в Криворожском бассейне инструкции, является более низкой по сравнению с предлагаемой. Эллипсоидная форма очистной камеры помимо наивысшей прочности по фактору горного давления обладает высокой устойчивостью по факторам сейсмического воздействия ударных взрывных волн и динамического воздействия ударных воздушных волн. Это объясняется тем, что такая форма, максимально приближаясь к границе приконтурной энергетической зоны, сводит к минимуму растягивающие напряжения в обнажениях массива руды, тем самым исключая возможность отслоения слабоустойчивых слоев по контуру.
Широкий диапазон изменения горно-геологических условий залегания рудных тел по бассейну обусловливает применение потолочин различной формы (горизонтальной, наклонной сводообразной, шатровой, комбинированной). Результаты моделирования напряженно-деформированного состояния рудо-породных обнажений показали, что высокой прочностью и устойчивостью по сравнению с остальными формами обладают сводообразно-наклонные потолочины, определяемые по инструкции, которые в свою очередь уступают эллипсоидным потолочинам. Так, например, смоделированная эллипсоидная потолочина для условий залежи «Пужмерки-1» горизонта 1200 м шахты «Им. Ленина» ПАО «КЖРК» превысила на 10% прочность и устойчивость сводообразной потолочины, предложенной НИГРИ ГВУЗ «КНУ».
Приведенные результаты исследований получены без учета влияния энергетических зон на массив потолочины и областей опорного давления от отработки вышележащих горизонтов и смежных камер, а также не учтено давление обрушенных в выработанное пространство пород. При учете этих факторов различие в расчетных параметрах будет превышать 1,2-1,5 раза. Предложенный порядок расчета может также использоваться для определения устойчивой формы днищ блоков, междуэтажных и междукамерных целиков. Это позволит увеличить запас блока, вынимаемый камерой, и повысить безопасность очистных работ. Точность придания обнажениям устойчивых форм в реальных условиях сопряжена с техническими возможностями станков глубокого бурения и применяемыми способами разбуривания запасов, которые вынимаются камерой. Однако основная зависимость изменения радиусов закругления обнажений массива может быть выдержана. Придание устойчивой формы только потолочине выполнимо с более высокой точностью. Решение задачи по повышению устойчивости обнажений в очистных камерах конкретных залежей позволит оценить эффективность применения различных технологических решений по повышению устойчивости и снизить себестоимость добычи руды на глубоких горизонтах шахт Криворожского железорудного бассейна.