Статья: Повышение промышленной безопасности и эффективности системы разработки этажного принудительного обрушения при отработке крепких руд на глубоких горизонтах

ГОБУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет»

Повышение промышленной безопасности и эффективности системы разработки этажного принудительного обрушения при отработке крепких руд на глубоких горизонтах

УДК 622.233:622.235:622.831

Волченко Григорий Николаевич канд. техн. наук, доцент E-mail: kvazar62@mail.ru

Фрянов Виктор Николаевич д-р техн. наук, проф., заведующий кафедрой E-mail: zzz338@rdtc.ru

Лебедев Анатолий Васильевич д-р техн. наук, проф., заместитель генерального директора ОАО «НЦ ВостНИИ» E-mail: ncvostnii@yandex.ru

Аннотации

Проведены анализ напряженно-деформированного состояния и оценка энергетической насыщенности горной породы в процессе добычи полезного ископаемого в условиях высокого горного давления. Предложен безопасный и ресурсосберегающий вариант системы разработки этажного принудительного обрушения при отработке крепких руд на глубоких горизонтах, позволяющий снизить объем применяемых промышленных взрывчатых материалов за счет рекуперации в процессе взрывной отбойки энергии горного давления.

Работа выполнена в соответствии с государственным контрактом № П1118 Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.

Ключевые слова: рудник, горный массив, заряд взрывчатого вещества, короткозамедленное взрывание, напряжения, деформации, система разработки

Increase of industrial safety and efficiency of level forced collapse mining system during working out of strong ores on deep horizons

G.N. Volchenko, V.N. Frianov, A.V. Lebedev

The analysis of intense-deformed condition and estimation of energy saturation of rock in the process of mineral extraction in conditions of high rock pressure are carried out. Safe and resource-saving variant of floor forced collapse working out system is offered at working off of strong ores on deep horizons allowing to reduce the explosive material amount due to rock pressure recuperation in the process of blasting.

Work is executed according to the State contract № P1118 of Federal target program «Scientific and scientific-pedagogical staff of innovative Russia» for 2009-2013.

Key words: mine, rock mass, explosive charge, short-delay blasting, stress, deformation, development system

С целью повышения промышленной безопасности горнодобывающего производства необходимо снижать долю буровзрывных работ (БВР) в технологии добычи полезного ископаемого [1]. Положительный опыт работы в этом направлении угледобывающих предприятий показывает, что долю взрывных работ можно свести к минимуму или вообще отказаться от них, перейдя на механические способы разрушения горной породы. Однако безвзрывное воздействие на технологические процессы возможно при малой крепости горных пород (коэффициент крепости по шкале проф. М.М. Протодьяконова f < 6 ? 8). При разрушении пород большой крепости без применения взрывных технологий пока не обойтись, однако для повышения промышленной безопасности и эффективности добычных работ необходим проверенный на практике методический подход к использованию природной энергии для разрушения таких пород. При этом долю выводимой энергии взрыва зарядов взрывчатых веществ (ВВ) в общем энергетическом балансе разрушения предлагается замещать эндогенной (внутренней) энергией напряженно-деформированного состояния разрушаемого объекта массива в сейсмоактивных зонах. Проблема промышленной безопасности при отработке крепких горных пород на глубоких горизонтах в сейсмоактивных регионах усугубляется возникновением проблемы разрушающего действия проявлений горного давления в динамической форме на горные выработки, провоцируемых взрывными работами. Установлено также [2], что энергетический класс геодинамических событий возрастает с увеличением массы взрываемых зарядов ВВ.

Оценка энергонасыщенности литосферы по исследованиям М.В. Гзовского, В.В. Адушкина и других [3, 4] показывает (таблица 1), что мощность длительных тектонических и кратковременных сейсмологических процессов в литосферных участках месторождений соизмерима с мощностью электростанций и ядерных взрывов. Из практики известно, что в случае накопления в твердой среде значительной по величине упругой энергии (например в результате предварительного сжатия) часто фиксируется самопроизвольное разрушение материала среды (например горные удары).

Таким образом, можно обоснованно ставить научную задачу об активном управлении напряженно-деформированным состоянием (НДС) на участках месторождений, в том числе тектоническими и сейсмических процессами, для рекуперации их энергии и решения производственных задач.

Таблица 1 - Энергетика природных и антропогенных источников [4]

Целенаправленное использование вышеуказанных источников энергии литосферы призвано создать «шахту будущего» на базе энергоресурсосберегающих технологий всего добычного процесса и его автономного энергообеспечения.

Зная закономерности перераспределения природного состояния массива горных пород, определяемого интегральным действием гравитационно-тектонических и техногенных напряжений вокруг горных выработок любого назначения, можно создавать инженерные способы по уменьшению концентрации напряжений в различных элементах систем разработки для обеспечения устойчивости выработок и снижения энергоресурсопотребления на их поддержание. Решение обратных задач геомеханики обеспечит создание условий для управляемого разрушения массива с целью снижения энергоресурсопотребления для обеспечения качественного дробления полезного ископаемого. Отличительной особенностью систем управления горным давлением является то, что для обеспечения регулируемого разрушения горного массива в комплексе с промышленными видами энергии (ВВ и др.) можно использовать и потенциальную энергию упругих деформаций горного массива. Энергия упругих деформаций горного массива, особенно на больших глубинах, является альтернативным источником энергии [5]. Разработка способов рационального и целенаправленного использования данного вида энергии призвана снизить энергоресурсоемкость и безопасность основных технологических процессов выемки полезного ископаемого. Результаты исследования процесса разрушения пород составляют основу создания новой техники и технологии ведения горных работ в сложных горно-геологических условиях, позволяющих комплексно использовать промышленные виды энергии и энергию горного давления.

Как указано выше, параметры НДС определяются действием квазистатических и динамических напряжений. Принципы их действия, природа возникновения, энергетические параметры и т.д. обусловлены высокой вариативностью. Горные породы также характеризуются вариативностью, стохастичностью распределения в пространстве различных свойств, поэтому возникает необходимость в группировке объектов исследования в соответствии с их общими признаками. Классификация, являясь условной, позволит упростить понимание, определить закономерности сложного процесса комплексного взаимодействия дискретных полей напряжений различной природы в массиве горных пород, который сам характеризуется сложно изменяющимся НДС, физико-механическими и другими характеристиками.

Многочисленными инструментальными измерениями подтверждается, что горный массив находится в постоянном движении, причем ведение горных работ интенсифицирует подвижки и особенно сдвиговые. Анализ геомеханической обстановки на месторождениях Горной Шории и Хакасии [2] позволил классифицировать напряжения, которым подвержены технологические блоки, горные выработки и др. в процессе отработки, и энергетические источники их формирования (рисунок 1). Более подробно о предложенной классификации можно узнать из работы [6].

Рисунок 1 - Классификация основных действующих напряжений в технологических блоках и их источников энергии при отработке месторождений Горной Шории и Хакасии

В работе [7] отмечается, что фактические напряжения у_ф в любой точке горного массива есть функция гравитационных Н и тектонических Т сил, упругих постоянных горных пород Е и их напряжений у_ост , а также напряжений, вызванных тектоническими нарушениями у_нар, многокомпонентностью массива у_мн и неучтенных сил у_неучт:

у_ф = f (г, Н, М, Е, Т у_ост, у_нар, у_мн, у_неучт) (1)

Таким образом, динамическое проявление горного давления в массиве горных пород действующего горнодобывающего предприятия является результатом взаимодействия двух полей напряжений: естественного, определяемого природными факторами, и техногенного, создаваемого инженерной деятельностью человека в процессе отработки месторождения. Природные факторы играют главенствующую роль, а техногенные, накладываясь на природные, выступают в роли «спускового крючка» [2].

В связи с понижением горных работ и увеличением горного давления системы разработки постоянно совершенствуются посредством повышения устойчивости ее элементов. В результате технической эволюции классическая система разработки этажного принудительного обрушения на Таштагольском руднике трансформировалась в систему этажного принудительного обрушения с отбойкой в полузажатой среде на эллипсовидные отрезные камеры, с криволинейным вогнутым забоем, низкой (арочной) подсечкой, с буровым горизонтом, опущенным на 10-12 м ниже верхнего откаточного горизонта (рисунок 2).

Рисунок 2 - Система этажно-принудительного обрушения со сплошной отбойкой в полузажатой среде на эллипсовидные отрезные камеры [2] Вертикальные разрезы: а - по простиранию; б - вкрест простирания рудного тела; в - план бурового горизонта

В перспективе Шерегешский и Абаканский рудники будут вынуждены использовать проверенные на Таштагольском руднике элементы системы разработки, обеспечивающие безопасность работ в удароопасных условиях [2]. взрывчатый горный ископаемое

В зоне очистной выемки для Таштагольского, Шерегешевского, Абаканского месторождений Алтае-Саянского сейсмически активного региона соотношение значений составляющих главных напряжений имеет вид у₁: у₂: у₃ = 3,3?5,2 : 2,8?3,8 : 1. При этом у_max = у₁ и действует вкрест простирания рудного тела, у₂ - по простиранию, у₃ - вертикально и формируется за счет веса налегающих пород гН. Все три главных напряжения линейно увеличиваются с глубиной ? на 4 МПа на каждые 100 м глубины [2]. Взрываемый блок (панель) примыкает торцами к массиву горных пород и находится на больших глубинах под действием максимальных сжимающих напряжений, направленных вкрест простирания рудного тела. По длине панели, обуславливаемой мощностью рудного тела, блок граничит с одной стороны с ранее обрушенным блоком, а с другой - компенсационными полостями различной формы, что разгружает блок от напряжений у₂. При обычно применяемых схемах короткозамедленного взрывания (КЗВ), когда первыми ступенями замедления формируют компенсационное пространство на всю длину блока и осуществляют подвижку материала зажимающей среды, действие у₂ прекращается. Днище блока разгружается от напряжений у₃ выработками подсечки. Поэтому упрощенно блок перед массовым взрывом можно рассматривать как параллелепипед, находящийся в условиях одноосного сжатия, где максимальная составляющая тензора напряжений у_max = у₁ и действует со стороны вмещающих пород (рисунок 3).

Рисунок 3 - Модель геомеханического состояния панели технологического блока у ₁, у₂, у₃ - главные напряжения тензора, МПа; МЗС - материал зажимающей среды

Оценка действующих значений комплексных напряжений и значений пределов прочности руд и пород позволяет сделать вывод, что существующая в массиве упругая энергия в отдельных блоках достигает более половины численных значений предела прочности пород на сжатие и превышает предел прочности на растяжение и сдвиг, т.е. в реальном массиве уже существует энергия для его разрушения, что подтверждается многочисленными динамическими проявлениями горного давления [2 - 4].

Из анализа большого объема ранее выполненных исследований по этому направлению [2- 9] и на основании геомеханического обоснования предлагаемой технологии методами математического и физического моделирования, описанными в работах [6, 10], где исследовалась схема короткозамедленного взрывания зарядов ВВ «синусоида», используя разработанные технические решения [11 - 13], можно сделать вывод о возможности управляемого использования энергии исходного поля напряжений для хрупкого разрушения горных пород в рамках системы разработки этажного принудительного обрушения. Из результатов исследований на физических моделях [10] гранулометрического состава взорванной массы следует, что с увеличением сжимающей нагрузки применение схемы КЗВ «синусоида» с пониженным на 45% удельным расходом ВВ позволяет улучшить качество дробления модельного материала по сравнению с применяемой в настоящее время схемой КЗВ. Используемая на практике схема КЗВ характеризуется прямолинейным фронтом отбойки зарядов ВВ, параллельным максимальным сжимающим напряжениям со стороны вмещающих пород, что снижает дробящий эффект взрыва за счет усиления взаимодействия зарядов ВВ в рядах при применяемой в настоящее время системе разработки (рисунок 2).

В работе [7] для уменьшения затрат ВВ рекомендуется применять самообрушение вмещающих пород, создавая такие условия, при которых напряжения в породах превышали бы предел прочности. Поскольку эти условия создаются искусственно, метод называется управляемым самообрушением. Метод управляемого самообрушения крепких и устойчивых налегающих пород основан на мгновенной ликвидации их подпора (взрывное разрушение поддерживающих целиков) в определенное время на площади, превышающей расчетно-предельную по условиям их устойчивости, и использовании для разрушения горных пород энергии горного давления.

Управление горным давлением и его использование при блоковом самообрушении [5] дает большую экономию трудовых и материальных затрат. Однако при осуществлении данного метода в условиях действия максимальных горизонтальных напряжений трудно регулировать области самообрушения руды по высоте блока. При этом необходим длительный временной интервал для полного самообрушения блока, в течение которого ведение горных работ вблизи блока опасно из-за последствий неконтролируемого обрушения (ударно-воздушная волна из выработок выпуска и др.). Однако данные разработки являются базовыми для создания более совершенных энергосберегающих методов управления НДС при блоковом самообрушении.