Способ разработки мощных пластов полезных ископаемых

 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при подземной разработке пластов полезных ископаемых. Способ включает разделение пласта на слои, которые последовательно отрабатывают в нисходящем порядке, проведение участковых подготовительных выработок и монтажных камер, оконтуривающих столбы полезного ископаемого, отработку столбов лавами с полным обрушением пород кровли в выработанном пространстве. Монтажные камеры для лав надработанного слоя проходят под выработанным пространством на расстоянии от монтажных камер лав вышерасположенного слоя, большем величины шага первого обрушения пород основной кровли в выработанном пространстве лав вышерасположенного слоя при отходе их от монтажных камер, а очистные работы в лавах надработанного слоя прекращают при подходе этих лав к линиям остановки лав вышерасположенного слоя на расстояние, превышающее ширину зоны пониженного горного давления, возникающей в выработанном пространстве у границ массива полезного ископаемого. Способ позволяет повысить эффективность отработки мощных пластов полезных ископаемых. 3 ил.

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при подземной разработке пластов полезных ископаемых для повышения эффективности управления горным давлением в лавах.

Известны (В кн. А.С.Бурчакова, Н.К.Гринько, А.Б.Ковальчука. Технология подземной разработки пластовых месторождений полезных ископаемых. М., Недра, 1978 г., с. 118-122) способы разработки мощных пластов полезных ископаемых, включающие разделение пластов на слои, проведение участковых подготовительных выработок и монтажных камер, оконтуривающих в пределах слоев столбы полезного ископаемого, и одновременную отработку столбов в вышерасположенных (надрабатывающих) и надрабатываемых слоях длинными очистными забоями с определенным опережением лав вышерасположенных слоев.

При отработке слоев производится полное обрушение пород кровли в выработанном пространстве. Расстояние между лавами вышерасположенных и надрабатываемых слоев принимают равным 2-3-м шагам обрушения пород основной кровли в лавах вышерасположенного слоев.

Недостатками данных способов являются динамические обрушения пород кровли в выработанном пространстве, приводящие к вывалам пород кровли, повышенным нагрузкам на крепь, зажатию и деформированию секций крепи в лавах надрабатываемых слоев. Это объясняется тем, что, в связи с относительно небольшим опережением очистных работ по вышерасположенным слоям (1-2 месяца), лавы надрабатываемого слоя отрабатываются в условиях, характеризующихся повышенной интенсивностью деформирования породной толщи, подработанной лавой вышерасположенного слоя. Кроме того, кровлей надработанных слоев являются не слежавшиеся (не уплотненные горным давлением) породы. Во многих случаях между породными блоками отсутствуют контактные связи и силы распора, имеются полости.

Равновесие образовавшихся в выработанном пространстве лав вышерасположенного слоя арочных шарнирных систем из породных блоков обеспечивается только силами распора и силами трения между отдельными блоками. Передней опорой шарнирных систем является массив полезного ископаемого впереди забоя лавы и крепь очистного забоя, задней опорой - породы, ранее обрушившиеся на надрабатываемый слой. При выемке надработанного слоя происходит резкое увеличение опусканий породных блоков, снижение сил распора между ними и разрушение шарнирных систем. Разрушения шарнирных систем, происходящие в небольшие промежутки времени, являются наиболее опасными для механизированных крепей очистных забоев и состояния кровли в призабойном пространстве лав. Как правило, обрушения пород кровли в призабойное пространство лав и зажатие крепей "нажестко" происходит именно в эти периоды времени. Следует также отметить, что прогнозирование мест протекания указанных случайных процессов практически невозможно.

Известен способ (В кн. А.С.Бурчаков и др. Технология подземной разработки пластовых месторождений полезных ископаемых, Москва, Недра, 1983 г, с. 331-333) разработки мощных пластов полезных ископаемых, включающий разделение пластов на слои, проведение участковых подготовительных выработок и монтажных камер, оконтуривающих в пределах слоев столбы полезного ископаемого, и последовательную отработку слоев в нисходящем порядке лавами с полным обрушением пород кровли в выработанном пространстве.

Данный способ является наиболее близким аналогом к заявляемому способу по совокупности существенных признаков.

Недостатками данных способов являются динамические обрушения пород кровли в выработанном пространстве, приводящие к вывалам, повышенным нагрузкам на крепь и зажатию секций крепи в лавах надрабатываемых слоев в периоды ведения очистных работ на концевых участках столбов полезного ископаемого, прилегающих к монтажным камерам и линиям остановки лав вышерасположенных слоев на демонтаж. Это связано с тем, что указанные участки характеризуются пониженным горным давлением на обрушившиеся породы кровли. В результате этого породы непосредственной кровли пласта, обрушившиеся при отработке вышерасположенного слоя, на указанных участках не уплотняются горным давлением (не слеживаются). Как показывают шахтные и лабораторные исследования, эффект разгрузки надработанной породной толщи вблизи краевых частей массива полезного ископаемого сохраняется в течение 5-7 лет и более. Т.е. решить проблему управления кровлей на концевых участках столбов полезного ископаемого путем увеличения промежутка времени между отработкой вышерасположенного и подрабатываемого слоев практически невозможно.

Наиболее сложным решением вопросов управления кровлей в лавах надработанного слоя является при отходе их от монтажных камер лав вышерасположенного слоя на расстояния, примерно равные 0,4-0,5 и 0,9-1,0 первого шага обрушения основной кровли в лавах вышерасположенного слоя. Это объясняется тем, что при указанных положениях лав надработанного слоя происходит подработка ранее обрушившихся породных блоков основной кровли в местах возникновения трещин разломов. Породные блоки, размеры которых достигают 70-90 м и более, опираются одним своим концом на обрушенные породы в выработанном пространстве, а вторым - на разрушенные породы непосредственной кровли, лежащие на крепи лавы. Пригрузка, передаваемая через непосредственную кровлю на крепь, при этом может достигать значений, при которых крепь лавы начинает работать в режиме заданной деформации, и не влияет на величины опускания кровли над призабойным пространством лавы. Прекращение данного процесса наступает, как правило, при посадке крепи "нажестко" или в результате самопроизвольного расклинивания опускающихся породных слоев. Скорость протекания процесса определяется условиями взаимодействия блока основной кровли, опирающегося на крепь, с породами кровли, расположенными впереди забоя лавы и в выработанном пространстве.

Наиболее опасными для крепи лав являются случаи, когда происходит проскальзывание блоков пород основной кровли по разделяющим их трещинам. В таких случаях в движение приходит не только блок основной кровли, но и значительные массы более слабых пород, расположенных выше этого блока. При этом возникают огромные нагрузки на лавную крепь, противодействовать которым применяемые в настоящее время крепи не могут.

Задачей заявляемого способа является повышение эффективности отработки мощных пластов полезных ископаемых за счет предотвращения динамических обрушений пород кровли в выработанном пространстве, приводящих к вывалам пород и деформированию секций крепи в лавах надработанных слоев в периоды отработки концевых участков столбов полезного ископаемого, прилегающих к монтажным камерам и линиям остановки лав вышерасположенных слоев на демонтаж.

Задача решается тем, что пласт разделяют на слои, которые последовательно отрабатывают в нисходящем порядке, проводят участковые подготовительные выработки и монтажные камеры, оконтуривающие столбы полезного ископаемого, и отрабатывают столбы полезного ископаемого лавами с полным обрушением пород кровли в выработанном пространстве лав.

Заявляемый способ отличается от известных тем, что монтажные камеры для лав надработанного слоя проходят под выработанным пространством на расстоянии от монтажных камер лав вышерасположенного слоя, большем величины шага первого обрушения пород основной кровли в выработанном пространстве лав вышерасположенного слоя при отходе их от монтажных камер. Очистные работы в лавах надработанного слоя прекращают при подходе этих лав к линиям остановки лав вышерасположенного слоя на расстояние, превышающее ширину зоны пониженного горного давления, возникающей в выработанном пространстве у границ массива полезного ископаемого.

Реализация указанной выше совокупности признаков позволяет повысить эффективность отработки мощных пластов полезных ископаемых за счет предотвращения динамических обрушений пород кровли в лавах в периоды отработки концевых участков выемочных столбов, прилегающих к монтажным камерам и линиям остановки лав вышерасположенных слоев на демонтаж.

Сущность заявляемого способа поясняется схемами, представленными на чертежах.

На фиг.1 приведена принципиальная схема разделения пласта полезного ископаемого на слои; на фиг.2 - эпюра распределения по длине столба горного давления на породы непосредственной кровли пласта, обрушившиеся при отработке вышерасположенного слоя; на фиг.3 - принципиальная схема разрушения пород основной кровли в выработанном пространстве лавы вышерасположенного слоя.

На чертежах: m_п - мощность пласта полезного ископаемого; m_в - мощность вышерасположенного слоя; m_н - мощность надрабатываемого слоя; L₁ - длина выемочного столба вышерасположенного слоя (под столбом полезного ископаемого понимают часть общего объема полезного ископаемого, отрабатываемую одной лавой. В плане столб имеет форму вытянутого прямоугольника, одна сторона которого равна длине лавы, другая - длине столба L); L₂ - длина выемочного столба надрабатываемого слоя; S - расстояние между монтажными камерами лав вышерасположенного и надрабатываемого слоев; Х - расстояние между линиями остановки лав вышерасположенного и надрабатываемого слоев; 1 - лава вышерасположенного слоя; 2 - лава надрабатываемого слоя;
3 - монтажная камера лавы вышерасположенного слоя;
4 - монтажная камера лавы надрабатываемого слоя;
5 - эпюра распределения по длине столба горного давления на породы непосредственной кровли пласта, обрушившиеся при отработке вышерасположенного слоя;
6 - граница массива полезного ископаемого по вышерасположенному слою;
9 - линия остановки лавы вышерасположенного слоя (граница массива полезного ископаемого по вышерасположенному слою);
10 - линия остановки лавы надрабатываемого слоя (граница массива полезного ископаемого по надрабатываемому);
7 и 8 - породные блоки, образовавшиеся при первом обрушении основной кровли в 1-ой лаве вышерасположенного слоя;
а - ширина зоны пониженного горного давления на обрушившиеся породы непосредственной кровли, возникающей в выработанном пространстве вблизи границ 6 и 9 массива полезного ископаемого по вышерасположенному слою;
1_п - величина шага первого обрушения пород основной кровли при отходе лав вышерасположенного слоя от монтажной камеры 3;
1_у - величина установившегося шага обрушения пород основной кровли пласта в выработанном пространстве лав вышерасположенного слоя.

Обоснование существенности отличительных признаков. При проходке монтажной камеры 4 лавы 2 надработанного слоя под выработанным пространством на расстоянии S от монтажной камеры 3 лавы 1 вышерасположенного слоя (фиг.1), большем величины шага 1_п первого обрушения пород основной кровли, исключаются динамические обрушения подрабатываемых пород, приводящие к вывалам пород кровли и деформированию крепи в лаве 2 надрабатываемого слоя в начальный период ее работы при отходе от монтажной камеры 4. Это объясняется тем, что в этот период лава 2 отрабатывается за пределами зоны пониженного горного давления (шириной "а", фиг.2), возникающей у границы массива полезного ископаемого 6, а также тем, что на формирование нагрузок на крепь не влияют породные блоки 7 и 8, образовавшиеся при первом обрушении основной кровли в лаве 1.

При прекращении очистных работ в лаве 2 при подходе ее к линии 9 остановки лавы 1 вышерасположенного слоя на расстояние Х ≥ а (фиг.1), исключается работа лавы 2 в зоне пониженного горного давления, возникающей у границы массива полезного ископаемого 9, а следовательно, исключаются и динамические обрушения пород кровли в лаве 2 при доработке столба.

Область рационального использования данного способа связана с отработкой подземным способом соляных и угольных пластов мощностью более 3,5 м при применении столбовых систем разработки с разделением пластов на слои.

Данный способ позволяет исключить до 50-70% завалов лав и зажатий крепи лав "нажестко" от общего их числа, зафиксированного при отработке всего столба полезного ископаемого. Получение экономического эффекта связано со снижением потерь добычи, обусловленных простоями лав при ликвидации последствий обрушений кровли и замене деформированной крепи; со снижением затрат на замену деформированной крепи очистных забоев. Кроме того, при использовании заявляемого способа повышается безопасность труда горнорабочих.

Параметры, необходимые для реализации заявляемого способа, а именно величину шага первого обрушения пород основной кровли, ширину зоны пониженного горного давления, возникающей в выработанном пространстве у границ массива полезного ископаемого, определяют путем шахтных, лабораторных или аналитических исследований с учетом конкретных горно-геологических условий отработки пластов.

Пример конкретного использования заявляемого способа при отработке Третьего калийного пласта на Первом рудоуправлении ПО "Беларусь калий".

Третий калийный пласт мощностью 4,5 м отрабатывается на глубинах 600-800 м от поверхности. Угол падения пласта - 1-3^o.

Система отработки пласта - длинными столбами. Длина столба составляет 1500 м, длина лав 180-190 м.

По данным статистических исследований первый шаг обрушения пород основной кровли в выработанном пространстве лав в начальные периоды их работы при отходе от монтажных камер составляет 180-200 м. Ширина зоны пониженного горного давления, возникающей в выработанном пространстве у границ массива полезного ископаемого, составляет 40-60 м.

Для отработки Третий калийный пласт делят на два слоя мощностью 1,3 и 2,3 м. Между слоями оставляют пачку галита (пустая порода) мощностью 0,9 м.

Слои отрабатывают последовательно в нисходящем порядке: вначале отрабатывают вышерасположенный слой мощностью 1,3 м, затем надрабатываемый - мощностью 2,3 м.

Расстояние между монтажными камерами вышерасположенного и подрабатываемого слоев принимают равным 200 м. Очистные работы в лавах надработанного слоя прекращают при их подходе к линиям остановки лав вышерасположенного слоя на расстояние, равное 60 м.

Использование предложенного способа в рассматриваемых условиях позволяет исключить до 60-70% динамических обрушений пород кровли в выработанном пространстве лав надработанного слоя в период отработки ими концевых участков выемочных столбов полезного ископаемого, прилегающих к монтажным камерам и линиям остановки лав вышерасположенного слоя на демонтаж.

Отработку концевых участков столбов полезного ископаемого в надработанном слое с размерами S и X, прилегающих к границам массива полезного ископаемого по вышерасположенному слою, производят камерами. Ширину камер принимают равной 3,0 м, расстояние между камерами - 1,5-2,0 м.

Формула изобретения

Способ разработки мощных пластов полезных ископаемых, включающий разделение пласта на слои, которые последовательно отрабатывают в нисходящем порядке, проведение участковых подготовительных выработок и монтажных камер, оконтуривающих столбы полезного ископаемого, и отработку столбов лавами с полным обрушением пород кровли в выработанном пространстве, отличающийся тем, что монтажные камеры для лав надработанного слоя проходят под выработанным пространством на расстоянии от монтажных камер лав вышерасположенного слоя, большем величины шага первого обрушения пород основной кровли в выработанном пространстве лав вышерасположенного слоя при отходе их от монтажных камер, а очистные работы в лавах надработанного слоя прекращают при подходе этих лав к линиям остановки лав вышерасположенного слоя на расстояние, превышающее ширину зоны пониженного горного давления, возникающей в выработанном пространстве у границ массива полезного ископаемого.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3