СИСТЕМЫ РАЗРАБОТКИ С ОБРУШЕНИЕМ РУДЫ И ВМЕЩАЮЩИХ ПОРОД

10.1. Общая характеристика

Одна из этих систем — система этажного принудительного обрушения со сплошной выемкой рассмотрена в общих чертах выше.

Эти системы (сокращенно - системы с массовым обрушением) очень распространены. На подземных рудниках СНГ их удельное значение составляет около 30%, основными они являются при добыче железных и фосфатных руд, например в Кривбассе Горной Шории, рудниках Нижне-Тагильского комбината; применяются на ряде крупных предприятий цветной металлургии (комбинаты Гырныаузский, Зыряновский, Салаирский, Лениногорский) и это положение в основном сохранится на долгое время, во всяком случае к 2000 г. ожидается лишь незначительное снижение их удельного значения.

Системы с массовым обрушением применяют в залежах мощных и средней мощности. Очистное пространство не поддерживается (за исключением образования камер или щелей для обрушения остальной части блока в некоторых системах) Отбойка преимущественно скважинная, иногда самообрушением.

Доставляют руду по очистному пространству силой тяжести и выпускают в нижней части блока или подэтажа. По мере общего выпуска обрушаются на отбитую руду вмещающие породы и заполняют выработанное пространство. В результате значительную часть руды выпускают под налегающими обрушенными породами, в чем и состоит основная особенность этих систем. Этажи в крутых залежах, а также подэтажи при выемке блока подэтажами, отрабатывают последовательно в нисходящем порядке в связи с обрушением пород.

Классификация систем с обрушением руды и вмещающих пород:

Группа А. Системы этажного обрушения (блок обрушают на полную высоту):

1. Этажное принудительное обрушение со сплошной выемкой (панель или блок обрушают скважинами подряд по длине, без деления на камеры и целики. Возможность разрыхления отбиваемой руды обеспечивается частичным выпуском руды, взорванной ранее).

2. Этажное принудительное обрушение с компенсационными камерами. (В блоке в первую очередь вынимают камеры в минимально необходимом объеме, чтобы создать свободное пространство для обрушения сразу всей остальной части блока).

3. Этажное самообрушение. (Блок подсекают и руда постепенно обрушается под действием силы тяжести и горного давления. Возможность разрыхления обеспечивается частичным выпуском).

Группа Б. Системы подэтажного обрушения. (блок делят на подэтажи, каждый подэтаж отрабатывают по таким же примерно схемам, что и блок при этажном обрушении).

4. Подэтажное обрушение с торцевым выпуском руды.

5. Подэтажное обрушение с донным выпуском руды.

Условия применения. Эти системы применяют в мощных и средней мощности залежах при условии, что не требуется поддерживать земную поверхность. Ценность руды, ограниченная в связи с повышенными ее потерями.

Запрещается применять эти системы при наличии в налегаю­щих породах плывунов, неосушенных песков и суглинков, а также карстов, заполненных водой или газом.

Ограничивает применение и большая (700—1200 м и более) глубина разработки, при которой обрушение висячего бока намного отстает от выемки, что угрожает породными взрывами и горными ударами, особенно при пологом или наклонном падении залежи.

При устойчивых породах висячего бока необходимо систематически наблюдать за состоянием и деформациями пород и оседанием земной поверхности с, тем, чтобы заблаговременно вывести людей и убрать оборудование из опасных мест. Зона возможного обрушения пород на поверхности должна быть ограждена.

Возможность применения перекрытий. Для снижения потерь руды были предложения и попытки оградить отбитую руду от обрушенных пород каким-то искусственным перекрытием, которым служили бы: породный блок, отрезанный по границам от массива;

толстая железобетонная плита; гибкие покрытия из металлической сетки. Обнадеживающих результатов на этом пути пока что не получено.

Технико-экономическая характеристика. Системы с массовым обрушением (как и системы с естественным поддержанием очистного пространства в мощных залежах) отличаются хорошими показателями по затратам на добычу руды, производительности труда и интенсивности разработки месторождения. Объясняется это отсутствием процессов закладки и крепления очистного пространства, массовой отбойкой и самотечной доставкой руды в очистном пространстве. Потери и разубоживание руды — повышенные в связи с выпуском под обрушенными породами.

Экономическое сравнение с системами предшествующего класса производится по условию максимизации дохода.

10.2. Системы этажного принудительного обрушения

Применяют эти системы в мощных залежах с рудой устойчивой и средней устойчивости. Руду обрушают скважинами или сосредоточенными зарядами на полную высоту этажа и выпускают через выработки в основании блока. По мере выпуска обрушаются вмещающие породы и заполняют освобождающееся пространство.

Основные системы этажного принудительного обрушения:со сплошной выемкой; с компенсационными камерами. В первом случае (см. рис. 10.1) отрабатывают блок частями подряд по длине во втором - вынимают около одной трети блока камерами, после чего взрывают за один прием остальную часть.

Рис. 10.1. Система разработки этажного принудительного обрушения:

а — стадия отбойки руды; б — стадия выпуска руды

Условия применения. Помимо общих условий применения систем с массовым обрушением для этажного принудительного обрушения имеются следующие ограничения.

Залежь должна быть мощной. При меньшей мощности и пологом падении не окупились бы расходы на проведение полевых выработок для выпуска и доставки руды; в случае же крутого падения при устойчивых боках целесообразнее извлечь возможно большую часть блока камерами, а при неустойчивых боках выгоднее обрушать и выпускать руду подэтажами (подэтажное обрушение), чтобы меньше засорять ее боковыми породами.

Руды — устойчивые и средней устойчивости, не слеживающиеся.

При возгораемости руды эти системы разработки, как правило, не используют.

В СНГ удельное значение этажного принудительного обрушения при подземной добыче руд составляет 12—15%. Применяют его на ряде рудников цветной металлургии, железных рудниках Горной Шории и Урала, на фосфатных рудниках.

Параметры системы. Оптимизацию высоты этажа (блока) производят по условию y=E_н k + c+ y_пр ® min, учитывая затраты: на проходку этажных выработок (в величинах k, с) и выработок для выпуска и доставки руды; при недостаточно крутом падении залежи — на подработку пород лежачего бока для 'придания ему более крутого наклона или на проходку в лежачем боку дополнительных выработок; на поддержание перечисленных выработок (при неустойчивых породах и большом горном давлении); на доставку материалов и оборудования; ущерб от потерь и разубоживания руды при выпуске.

Как видно, оптимальное значение высоты блока h_б зависит от объема выработок для выпуска и доставки руды, который, в свою очередь, зависит от расстояния D между выпускными отверстиями. Поэтому следует предварительно задаться h_б, применительно к ней выбрать D и затем рассчитать оптимальную высоту блока (и если она будет существенно отличаться от принятой предварительно, то внести коррективы в расчет).

Обычно высота этажа 70—80 м, при ограниченной мощности — до 20—30 м, при недостаточно крутом падении и неправильной форме залежей—45—60 м. В пологих залежах высота блока ограничивается мощностью залежи.

Ширина блока обычно равна мощности залежи, но не более 60-80 м.

При обособленном (или неправильном) залегании рудных тел длину блока часто принимают равной длине обособленного рудного тела (или раздува).

При большом горном давлении и не особенно крепкой руде ширина блока не должна превышать 40—50 м. Связь между шириной блока и горным давлением на его основание можно объяснить образованием свода естественного равновесия в отбитой руде.

Другое объяснение (акад. Г. М. Малахова): часть веса опускающейся отбитой руды передается за счет сил трения и зацепления.

Достоинства и недостатки систем этажного принудительного обрушения те же, что и вообще для систем с обрушением руды и вмещающих пород.

Сравнение между собой различных систем этажного принудительного обрушения и их вариантов чаще можно упростить до условия минимальных убытков, сравнение с другими системами — по доходу.

10.3. Этажное принудительное обрушение со сплошной выемкой

Руду отбивают подряд по длине этажа, панели (или блока, если панель разделена на блоки). Основные варианты системы разработки:

1) с отбойкой в зажиме и донным выпуском руды;

2) с отбойкой на подконсольное пространство (при которой выпуск возможен только донный);

3) с торцевым выпуском руды (при котором отбойка возможна только в зажиме).

В сороковых — пятидесятых годах руду отбивали на подконсольное пространство. Но при появлении отбойки в зажиме последняя постепенно стала основным методом работ. Выпуск руды преимущественно донный.

Подготовка аналогична применяемой при камерной системе: на подэтажах проходят выработки для бурения скважин, а в основании блока — для выпуска и доставки руды.

Очистная выемка при отбойке в зажиме и донном выпуске руды. Взрывают руду вертикальными или крутонаклонными слоями на обрушенную горную массу (рис. XIII. 18). Особые требования к технологии буровзрывных работ и частичного (15—20%) выпуска руды при отбойке в зажиме освещены выше. Общий выпуск ведут с поддержанием горизонтальной или, реже, наклонной поверхности отбитой руды.

При устойчивой кровле обрушают принудительно нижний слой пород кровли для образования предохранительной подушки. Обрушение ведут вместе с отбойкой слоев или с отставанием и крупными участками. В первом случае часть восходящих скважин, предназначенных для отбойки руды, пробуривают глубже с тем, чтобы обрушить ими и слой кровли. На выпуске и доставке руды применяют питателя, самоходные машины или скреперы.

Вариант с отбойкой в зажиме и донным выпуском руды применяют, например, на рудниках комбинатов Зыряновского, Тырныаузокого и «Каратау» в мощных крутых залежах крепких руд и комбината «Апатит» в сверхмощных наклонных залежах руд средней крепости.

Есть промежуточная модификация между оплошной выемкой с отбойкой в зажиме и этажным принудительным обрушением с компенсационными камерами. Применяют ее, в частности, в Горной Шории. В блоке часть его шириной 12—18 м отделяют от массива щелью шириной 6—10 м, имеющей потолочину. Затем обрушают на щель за один прием отрезанную от .массива часть блока и примерно такую же по размеру часть с другой стороны. Вертикальные комплекты скважин взрывают с замедлением, начиная от щели, при этом второй и последующие комплекты работают в зажиме. Эта модификация позволяет взрывать более широкие слои. Важно это там, где в связи с наличием глинообразныx включений или другими специфическими условиями отбойка в зажиме в чистом ее виде возможна лишь небольшими слоями.

При отбойке на подконсольное пространство панель или блок делят на вертикальные секции. Секцию полностью подсекают, в основании ее образуют траншеи или воронки и затем обрушают - постепенно, горизонтальными слоями (начиная с нижнего слоя), с помощью горизонтальных и наклонных скважин, пробуренных из соседней, еще не отрабатываемой секции.

После каждого взрывания выпускают излишек (20—25%) руды, чтобы создать свободное пространство для очередного обрушения. К общему выпуску руды приступают не ранее окончания отбойки в следующей секции.

Нарушенная предшествующими взрывами рудная консоль частично самообрушается, что увеличивает выход негабарита и отрицательно сказывается на производительности работ и показателях извлечения. В связи с этим отбойку на подконсольное пространство почти полностью вытеснила отбойка в зажиме.

Вариант атажного обрушения с торцевым выпуском рудыпредложен Именитовым В.Р. еще в 1959 г. и впервые осуществлен на Зыряновском комбинате). Этому варианту свойственны связанные с торцевым выпуском особенности в конструкции основания блока (панели) и технологии очистных работ.

Добычной горизонт в блоке подготовляют только ортами или штреками. Взрывные скважины бурят в виде вееров из добычных и буровых ортов. Руду отбивают скважинами в зажиме, обрушают блок (панель) в отступающем порядке вертикальными и крутонаклонными слоями по всей высоте от уровня добычного горизонта.

По мере выпуска освобождающееся пространство заполняют обрушенные породы. После отбойки каждого слоя выпускают всю руду. На выпуске и доставке руды используют самоходное оборудование или передвижные вибропитатели в комплексе с секционными конвейерами.

Угол наклона слоев и их толщину выбирают по условиям максимального извлечения (количественного и качественного) руды при выпуске и достаточной устойчивости массива. Наклон забоя в сторону (взорванной части блока под углом около 75° возможен лишь при устойчивой руде. Он улучшает извлечение руды, если обрушенные породы мельче, так как при данном положении слоя они не просочатся в руду.

Вертикальное положение слоев приемлемо в большинстве случаев. Если же руда значительно мельче обрушенных пород, то во избежание ее просачивания в них возможен обратный наклон забоя в сторону массива под углом 80—70°. Тогда при выпуске из каждого слоя оставляют в контакте с массивом часть взорванной руды и извлекают ее после — вместе с очередным слоем. Переходящий объем отбитой руды принимает форму, близкую к фигуре истечения, что позволяет иметь приемлемые потери и разубоживание руды.

Толщина отбиваемого слоя составляет от 8 до 12 м и находится в прямой зависимости от высоты блока. Снизу, на высоту 8—12 м толщина слоя должна быть уменьшена до 3—6 м за счет оставления временного выступа для более полного выпуска из вышележащей части слоя. Этот выступ или разбуривают обособленно, или образуют за счет того, что участки скважин в проектных его границах временно оставляют незаряженными.

Отсасывать загрязненный воздух из добычной выработки можно местным вентилятором по трубе. Применялся вариант со спаренными добычной и вентиляционной выработками.

Этажное принудительное обрушение с торцевым выпуском руды обладает общими преимуществами торцевого выпуска. Можно применять самоходное погрузочно-доставочное оборудование при небольшой высоте этажа (что чаще 'неприемлемо при донном выпуске из-за чрезмерного увеличения расстояния между пунктам выпуска. Недостатки: толщину взрываемых слоев приходится уменьшать так как при каждом слое руда контактирует с обрушением.

Применение целесообразно при ограниченной высоте этажа и отсутствии условий, способствующих просачиванию обрушенных пород в отбитую руду. Правила безопасности при этажном принудительном обрушении связаны с обслуживанием машин и механизмов, проведением массовых взрывов, выпуском руды.

Технико-экономическая характеристика. При крепкой руде производительность труда забойного рабочего составляет 50-110 т/смену. Производительность блока 50—200 тыс. т/мес. Потери руды 10—20%, примерно такое же разубоживание, суммарные потери и paзyбoживaниe 20—30% (не считая конструктивного разубоживания). Расход подготовительно-нарезных выработок 1,5—4м/1000т.

Сравнительная оценка. Этажное принудительное обрушение со сплошной выемкой имеет перед системой с компенсационными камерами следующие преимущества: устраняется необходимость вы емки камер, приводящей к нарушениям остального массива, следовательно, к увеличению выхода негабарита три обрушения блока; снижается на 20—30% объем подготовительно-нарезных выработок, так как исчезает необходимость в обособленных подходах к камерам и целикам; работы по подготовке, разбуриванию, обрушению и выпуску руды производятся в каждом блоке (панели) подряд, без перерывов; в связи с тремя вышеуказанным преимуществами повышается концентрация горных работ; работы более однотипны в связи с отсутствием стадии камерной выемки; стабильное качество рудной массы; используются преимущества этой отбойки в зажиме.

С другой стороны, извлечение чистой руды гарантируется лишь в объеме частичного выпуска (20—25%), что меньше объема компенсационных камер (30—35%); пункты добычи руды в данную смену строго заданы порядком сплошной выемки, что может мешать усреднению качества рудной массы в масштабе рудника.

Этажное принудительное обрушение со сплошной выемкой обычно заслуживает предпочтения перед системой с компенсационными камерами, за исключением условий, в которых его указанные недостатки особенно существенны.

10.4. Этажное принудительное обрушение с компенсационными камерами

В блоке вынимают 25—35% руды компенсационными камерами, а затем обрушают сразу, с замедлением по комплектам скважин, всю остальную часть блока, и блок заполняется отбитой рудой (рис. 10.). Отбойка руды скважинная, гораздо реже — минная; выпуск донный.

Компенсационные камеры почти всегда вертикальные, т. е. обычной формы, что допускает пониженную устойчивость руды и позволяет отбивать руду и в камерах, и в остальной части блока вертикальными комплектами окважин.

Горизонтальные (подсечные) камеры подобны высокой подсечке, применялись лишь в Кривбассе в сороковых—пятидесятых годах.

Длина блока по простиранию 30—100 м и более, что позволяет разместить в нем от 1—2 до 4—5 камер. В целях концентрации работ принимают по возможности такую длину блока, чтобы в нем разместилось максимальное число камер, которое можно иметь в одновременной выемке. Это число ограничивается заданной производительностью (по данному качеству руды) рудника.

В блоке проходят выработки для выпуска и доставки руды и для бурения взрывных скважин.

Камеры вынимают камерной системой разработки. В остальной части блока помимо скважин для ее обрушения пробуривают скважины или шпуры для образования воронок. Взрывают их мгновенно, а остальные скважины — с коротким замедлением. Вместе с обрушением блока при необходимости обрушают принудительно часть устойчивых налегающих пород для образования предохранительной породной подушки.

Технико-экономическая характеристика и сравнительная оценка. Против этажного принудительного обрушения со сплошной выемкой производительность труда забойного рабочего ниже на 10-30%.

Достоинства и недостатки противоположны указанным выше для этажного принудительного обрушения со сплошной выемкой.

10.5. Этажное самообрушение

Этажное самообрушение осуществимо только в мощных залежах и только при рудах, которые при подсечке на значительной площади начинают не позднее чем через 1-3 мес. обрушаться сами и дробиться при этом на сравнительно небольшие куски.

В основании панели или блока по всей площади проходят выработки для донного выпуска руды (рис. XIII.23). Над ними массив полностью подсекают и руда из него постепенно обрушается под действием собственного веса и горного давления.

Связь с окружающим массивом ослабляют отсечными (отрезными) выработками. Они способствуют разрушению замков, сводов естественного равновесия, образующихся при самообрушении руды (рис. XIII.24), тем самым ускоряют обрушение и ограничивают его проектными контурами. Для этой же цели используют пучки взрывных скважин.

В процессе обрушения выпускают излишек (около 30%) руды, чтобы обрушение продолжалось. После полного обрушения рудного массива приступают к общему выпуску руды, по мере которого обрушаются налегающие породы и заполняют выработанное пространство; в процессе выпуска руда, перетираясь под большим давлением, дополнительно измельчается.

Выемку осуществляют с разделением этажа (панели) на блоки или (в последние годы чаще) всплошную. Этажное самообрушение применяют при мощности залежи не менее 20—30 м.

Руда должна быть слабой или иметь густую сеть трещин и слабых прослойков.

Руда не должна слеживаться, так как обрушенной рудой заполняется весь блок, и не должна возгораться, так как в выработанном пространстве остается навсегда много обрушенной руды.

Основные условия применения те же, что и вообще для систем с обрушением руды и вмещающих пород.

Высота этажа 70—100 м, при очень крутом падении залежи - до 150 ,м. Основной ограничивающий фактор-это срок службы выпускных выработок, которые изнашиваются в связи с пониженной прочностью руды и взрывной ликвидацией заторов.

Расстояние по вертикали между отсечными выработками 8— 10 м, в нижней части этажа и выше увеличивают его до 12—15 м, так как массив здесь успевает нарушиться, а крупные куски отсюда частью измельчаются при опускании в процессе выпуска.

Вариант этажного самообрушения со сплошной выемкой. Сущность (см. рис. XIII.23). Этаж разделяют на панели, длина которых в несколько раз превышает обычный поперечный размер блока.

Панель разрезают поперек щелью и затем постепенно подсекают по длине, вызывая этим самообрушение массива с отставанием на 20—60 м от подсечки. Отсечные выработки или заменяющие их пучки взрывных скважин располагают по боковым границам панели. Этот вариант эффективен при более или менее выдержанных элементах залегания и сравнительно постоянном качестве руд.

Выработки для доставки руды обычно закрепляют бетоном, реже — штангами. Подсечка траншейная.

Очистные работы заключаются в выпуске и доставке руды, включая вторичное дробление. Иногда ускоряют обрушение руды взрыванием зарядов (сосредоточенных или скважинных) на подэтажах. Частичный выпуск, особенно в начальной его стадии, надо вести так, чтобы высота свободного пространства под обрушаемым массивом не превышала приблизительно 5 м во избежание крупных вывалов и образования воздушных ударов. В первые 1—2 месяца после подсечки выпуск должен быть мало интенсивным, так как подсеченный массив деформируется, расчленяется микротрещинами, «созревает». С опережением выпускают руду со стороны лежачего бока во избежание преждевременной посадки висячего бока.

Вместо ослабляющих выработок применяют иногда отрезку веерами скважин. Доставка руды скреперная или самоходным оборудованием.