Способ управления горным давлением (деформациями) в массивах горных пород на месторождениях твердых полезных ископаемых

 

Сущность изобретения: создают опорные искусственные целики из высокоплотных закладочных смесей в камерах первой очередности в три стадии - уплотнением под действием собственного веса, дозакладкой и упрочнением целиков по контактам с подработанным пороным массивом в процессе компрессии. При этом целики выполняют по параметрам нагружения в условиях объемного сжатия, как податливые рудные целики с заданными для конкретных условий деформациями. Кроме того, производят измерения прироста напряжения в сопредельном с целиком рудном массиве и уровень их максимальных напряжений, затем определяют критический период релаксации по формуле. Первую стадию формирования целиков завершают через 90-110 дней, начало третьей совмещают с завершением дозакладки, а ее окончание - с резким повышением давления в системе нагнетания. Кроме того, высокоплотную смесь плотностью до 2100-2300 кг/м³ создают из условия сочетания крупных, мелких и тонких классов. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Предложенный спрособ относится к горному делу и подземному строительству.

Цель способа заключается в сокращении потерь полезного ископаемого в недрах при сохранении эффективности управления горным давлением (деформациями).

Известен способ управления горным давлением, по которому производят формирование опорных элементов в выработанном пространстве в виде рудных целиков, бетонных опор или закладки и поддерживание массива налегающей толщи пород этими опорными элементами и закладочным материалом (см. Именитов В.Р. Процессы подземных горных работ при разработке рудных месторождений, М. Недра, 1978, с. 393) Недостатками способа являются: неизбежные потери руды при формировании искусственных опор или необходимость дорогостоящих крепежных работ. В случае искусственных опор неизбежное появление концентраторов напряжения в рудном или породном массиве по мере очистной выемки. Потери руды по этому способу, судя по рудной практике, составляют обычно не менее 12-15% в самых благоприятных условиях.

Известен также способ управления горным давлением, по которому для поддержания налегающей толщи используют породные целики, предварительно вынимаемые из кровли или висячего бока залежи. При формировании опорного целика используют заполнитель с особыми прочностными свойствами и распорное приспособление (см. А.С. СССР N 1475237, кл. E 21 C 41/06, 1986).

Недостатками способа являются: опасные условия производства работ, надобность в распорном приспособлении, применение которого предполагает слабые кровли, а следовательно необходимость проходить выработку для выполнения нарезных щелей.

Ближайшим по технической сущности является способ управления горным давлением, по которому опорные элементы формируют оконтуриванием в массиве налегающей толщи породный целик, равный мощности выработанного пространства, затем породный целик перемещают и устанавливают как опору, а закладочный материал подают в образовавшуюся полость и в зазор между опорой и кровлей (А. С. СССР N 1397607, кл. E 21 C 41/06, 1988).

Недостатками этого способа являются: трудоемкость оконтуривания, перемещения и установки породного целика, опасность производства работ в выработанном пространстве без крепления.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе управления горным давлением (деформациями) в массивах горных пород на месторождениях твердых полезных ископаемых, включающем создание опорных элементов в выработанном пространстве в виде искусственных целиков, поддержание массива налегающей толщи пород опорными элементами и производство закладочных работ, опорные целики выполняют из высокоплотных закладочных смесей в камерах первой очередности, причем опорные искусственные целики формируют из закладки в три стадии: уплотнением под действием собственного веса, дозакладкой и упрочнением целиков по контактам с подработанным породным массивом в процессе компрессии.

При этом, опорные искусственные целики выполняют по параметрам нагружения в условиях объемного сжатия, как податливые рудные целики с заданными для конкретных условий деформациями.

Кроме того, производят измерения прироста напряжений в сопредельном с искусственной опорой рудном массиве и уровень их максимальных напряжений сжатия, затем определяют критический период релаксации по формуле T = σ/U (время), где σ максимальное напряжение сжатия, Н/м²; U прирост напряжения, Н/м², сут и при достижении критического значения периода релаксации для условий конкретного месторождения и способа его очистной выемки производят разгрузку концентрации напряжений в массиве.

При этом при образовании опорных целиков из высокоплотной закладки первую стадию их формирования завершают череp 90-110 дней, начало третьей стадии совпадает с завершением дозакладки, а ее окончание соответствует резкому повышению давления в системе нагнетания, вызывающему обратную циркуляцию уплотняющей смеси.

Кроме того, высокоплотную шламопородную смесь плотностью до 2100-2300 кг/м³ создают из условия сочетания крупных, мелких и тонких классов, по которому максимальная крупность ограничена 30-40 мм возможностями современного высоконапорного трубопроводного транспорта, содержание тонких классов меньше 0,025-0,05 мм доводят до 30-40% во избежание сегрегации цемента и коагуляции шламов, а содержание классов более 1,5-2 мм определяют по формуле где d и d_max соответственно граничные значения крупности мелкого и крупного классов, мм.

Пример.

Иллюстрируем способ условиями Ловозерского рудника, где в период 1991 г произошло серия горных ударов в горном массиве (см. А.В.Ловчиков и др. Анализ явлений, предшествующих горно-тектоническим ударом в Ловозерском массиве. Физ. техн. проблемы разработки полезных ископаемых, 1993, N 1, c. 13-21).

В очистном блоке, окруженном выработанным пространством и охранным рудным целиком, по измерениям геофоном и деформометром в течение года, предшествовавшего горным ударам, нарастало напряжение в массиве от максимального уровня до 50-70 МПа. При значениях предела прочности на сжатие массива в пределах 190-320 МПа напряжения в нем повысились до кризисного значения, примерно, в 3-4 раза и составили в момент горного удара в сентябре 1991 г около 200-280 МПа (в среднем 260 МПа). Если принять, что в течение года в среднем прирост напряжений составлял 260-60=200 МПа, U=200/360≈0,7 МПа в сутки, то критический период релаксации должен быть около Tσ/U 260/0,7 ≈370 сут, т.е. примерно 1 год.

Следовательно, при использовании предложенного технического решения можно было предупредить возникновение горных ударов и не иметь огромных разрушений рудного массива. Применяя предложенный способ, следовало бы не допускать наличия пустот, т.е. вести выемку опорными искусственными целиками и полной закладкой. Обрушения просто не могли произойти. Концентрация опасных напряжений в охранных целиках если бы и произошла, то могла быть легко подавлена.

На фиг. 1 представлена схема нагнетания гидросмеси в закладочный массив через скважины в восстающем, на фиг. 2 схема нагнетания закладочной смеси в локальные полости массива через шпуры.

Схемы включают в себя: выработку 1, трубопровод 2, пробковые затворы 3, тампон 4, инъектор 5, обсадную трубу 6, зону нагнетания 7, смеситель 8, насос 9, трубопровод к локальной плоскости 10, шланг 11, запорные вентили 12, бетонную подушку 13, зоны нагнетания 14 и фильтр 15.

В подтверждение принятых в формуле соотношений поясняем. Относительно временных интервалов при исполнении опорного целика из закладки в три стадии сошлемся на непосредственные измерения на твердеющих и бесцементных массивах, которые свидетельствуют, что уплотнение от собственного веса массива практически завершается через 200 дней, хотя в основном твердение смеси завершается через 90-110 дней. При выполнении вблизи массива массовых взрывов уплотнение происходит примерно вдвое быстрее. Поэтому первая стадия формирования должна завершаться в пределах 90-110 дней. В свою очередь начало третьей стадии совпадает с завершением дозакладки, время на которую определяется объемом камеры при усадке в процессе уплотнения обычно в пределах 2-6% в зависимости от количества вяжущего (при бесцементной закладке 10-15% ). Роль упрочняющего нагнетателя под давлением состоит в заполнении возможных пустот, раковин в местах сегрегации цемента и для обеспечения полного контакта закладки с вмещающими породами. Завершение нагнетания контролируют резким повышением давления в системе или обратной циркуляцией упрочняющей смеси.

Относительно выбора дисперсного состава следует отметить, что высокоплотную закладочную смесь создают из условия определенного сочетания и мелких фракций сыпучего материала. Рекомендуется для получения плотности смеси до 2100-2300 кг/м³ шламопородные смеси с максимальной крупностью при трубопроводном транспорте до 30-40 мм. Содержание тонких классов менее 0,025-0,-5 мм до 30-40% ограничивается с целью не допустить сегрегации цемента и образования в шламовой части коагуляционных структур. Для определения соотношения крупных и мелких классов в высокоплотной дающей максимальную плотность смеси предлагается соотношение вида: где d и d_max - соответственно граничные значения размера мелких и крупных классов, мм. Это соотношение хорошо соответствует кривой Фуллера, по которой подбирают состав крупного и мелкого заполнителя для высококачественных бетонов.

Основная идея способа заключается в сочетании положительных сторон способов управления горным давлением, оставлением опорных целиков и полной закладкой выработанного пространства. Стадийность формирования опорных целиков обеспечивает возможность применять цементные и бесцементные методы закладки.

Формула изобретения

1. Способ управления горным давлением (деформациями) в массивах горных пород на месторождениях твердых полезных ископаемых, включающий создание опорных элементов в выработанном пространстве в виде искусственных целиков, поддержание массива налегающей толщи пород опорными элементами и производство закладочных работ, отличающийся тем, что опорные искусственные целики выполняют из высокоплотных закладочных смесей в камерах первой очередности, причем опорные искусственные целики формируют из закладки в три стадии - уплотнением под действием собственного веса, дозакладкой и упрочнением целиков по контактам с подработанным породным массивом в процессе компрессии.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что опорные искусственные целики выполняют по параметрам нагружения в условиях объемного сжатия, как податливые рудные целики с заданными для конкретных условий деформациями.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что производят измерения прироста напряжений в сопредельном с опорным искусственным целиком рудном массиве и уровень их максимальных напряжений, затем определяют критический период релаксации по формуле T = σ/U, где σ максимальное напряжение, Н/м², U - прирост напряжения, Н/м², и по достижении критического значения периода релаксации для условий конкретного месторождения и способа его очистной выемки производят разгрузку концентраций напряжений в массиве.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что первую стадию формирования опорных искусственных целиков из высокоплотных закладочных смесей завершают через 90 110 дней, начало третьей стадии совмещают с завершением дозакладки, а ее окончание с резким повышением давления в системе нагнетания, вызывающим обратную циркуляцию смеси.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что высокоплотную смесь плотностью до 2100 2300 кг/м³ создают из условия сочетания крупных, мелких и тонких классов, по которому максимальная крупность ограничена 30 40 мм возможностями высоконапорного трубопроводного транспорта, содержание тонких классов меньше 0,025 0,05 мм доводят до 30 40% во избежание сегрегации цемента и коагуляции шламов, а содержание классов более 1,5 2 мм определяют по формуле
где d, d_max соответственно граничные значения крупности мелкого и крупного классов, мм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2