Способ разработки удароопасных рудных месторождений

 

Изобретение относится к горной промышленности, к разработке крутопадающих рудных месторождений в удароопасных условиях. Способ разработки удароопасных рудных месторождений включает опережающую относительно друг друга отработку этажей сверху вниз, от центра к флангам рудных тел с образованием контура очистного пространства путем бурения, заряжания и взрывания скважин. Контур очистного пространства ведут на верхних этажах цепно-линейным в соответствии с выражением Z/Z_m=(Ch2(y/Z_m)-1)/2, а на нижних этажах параболическим в соответствии с выражением Z/Z_m=(y/Z_m)², по простиранию у направлением x=const, ориентируя его в противонаправлении действия максимальных горизонтальных сжимающих напряжений σ_max в нетронутом массиве, причем скважины на границах с очистным пространством бурят на каждом нижнем этаже под углом α, определяемым по формуле а на верхних этажах под углом α естественного скалывания, равным где Z - высота этажа, отсчитываемая от начала координат, совмещенного с глубиной выемки Z_m; Z_m - глубина выемки, y - расстояние по простиранию; х - направление вкрест простирания. Изобретение позволяет снизить потери пройденных выработок и пробуренных скважин. 2 ил.

Изобретение относится к горнорудной промышленности и может быть использовано для разработки крутопадающих рудных месторождений в удароопасных условиях.

Известен способ разработки мощных рудных месторождений, включающий опережающую относительно друг друга отработку этажей сверху вниз, от центра к флангам рудных тел с образованием соответствующего контура очистного забоя (см. А.Н. Инфантьев. Вскрытие и подготовка мощных рудных месторождений. - М. : Недра, 1978г., с.66).

Недостатком известного способа является то, что при его применении не учитывают разрушающее воздействие горного давления на отрабатываемый призабойный массив.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому по технической сущности является способ разработки удароопасных рудных месторождений, включающий отработку блоков в этаже с вертикальным контуром очистного забоя (Малахов Г. М., Черноус А.П., Киселев В.М. Разработка рудных залежей Криворожского бассейна на больших глубинах. - Госгортехиздат, 1961, с.26).

Недостатком данного способа является низкая устойчивость отрабатываемого массива в призабойной части, что проявляется в скалывании и смятии граничных с выработанным пространством участков рудного массива под воздействием горного давления, а это ведет к потере пройденных выработок и пробуренных скважин.

Технической задачей предлагаемого решения является снижение потерь пройденных выработок и пробуренных скважин за счет повышения устойчивости отрабатываемого массива в призабойной части очистного пространства.

Поставленная задача решается следующим образом.

В способе разработки удароопасных рудных месторождений, включающем опережающую относительно друг друга отработку этажей сверху вниз, от центра к флангам рудных тел с образованием контура очистного пространства путем бурения, заряжания и взрывания скважин, согласно техническому решению, контур очистного пространства ведут на верхних этажах цепнолинейным в соответствии с выражением а на нижних этажах параболическим в соответствии с выражением по простиранию у направлением х=const, ориентируя его в противонаправлении действия максимальных горизонтальных сжимающих напряжений σ_max в нетронутом массиве, причем скважины на границах с очистным пространством бурят на каждом нижнем этаже под углом α, определяемым по формуле а на верхних этажах под углом α естественного скалывания, равным где Z - высота этажа, отсчитываемая от начала координат, совмещенного с глубиной выемки Z_m; Z_m - глубина выемки;
y - расстояние по простиранию;
х - направление вкрест простирания.

Бурение, заряжание и взрывание скважин в каждом этаже на границе с очистным пространством под указанными углами α, один из которых не превышает угол естественного скалывания, а второй равен углу естественного скалывания, позволяет предупредить скалывание (обрушение) массива в призабойной его части под действием горного давления - снизить потери пройденных выработок и пробуренных скважин за счет повышения устойчивости.

Формирование цепнолинейного на верхних этажах или параболического на нижних этажах направления очистных работ по простиранию у при x=const и ориентирование его в противонаправлении действия максимальных горизонтальных сжимающих напряжений σ_max в нетронутом массиве позволяет за счет формы очистного пространства, на границе которого действуют минимально-возможные касательные напряжения, повысить устойчивость нетронутого массива на этой границе, то есть также снизить потери пройденных выработок и пробуренных скважин.

Сущность технического решения поясняется примером реализации и чертежами, где на фиг.1 представлены цепнолинейное (кривая 1) и параболическое (кривая 2) направления очистных работ в относительных координатах; на фиг.2 - вертикальный разрез по рудному месторождению вкрест простирания.

Расчетные формулы (1)...(4) для осуществления способа получают следующим образом.

Известно, что тяжелая нить (цепь), закрепленная на концах, провисает по закону цепной линии

где Z₁ - длина цепи;
а - показывает высоту точки (линии) максимального провисания над началом отсчета (y₁=0; Z₁=a; x=Const);
косинус гиперболический;
y₁; х - переменные величины.

Для совмещения этой точки (линии) с началом отсчета производят замену переменных

Тяжелая поверхность провисает по этому же закону

Известно, что вдоль цепной линии (поверхности) касательные напряжения минимальные, что ведет к максимальной устойчивости такой системы.

Уравнение цепной поверхности преобразуют к виду:

Уравнение (8) преобразуют, ограничиваясь положительным корнем

Затем находят производную dZ/dy, которая является тангенсом угла α наклона касательной к кривой (8)

и после этого функцию (9) подставляют в выражение (10), записанное в виде

В результате получают следующее значение угла α наклона касательной к кривой

Полученные закономерности распространяют на цепнолинейное направление очистного пространства для придания контуру пространства максимальной устойчивости, при этом получают задачу о выборе параметра а.

Используют два пути выбора параметра а: математический и физический.

В первом из них уравнение (5) аппроксимируют параболой

к которой также применяют преобразование (6) и получают аппроксимацию

в новых координатах справедливую при малых значениях у. Затем находят простейший вид уравнения (13) в относительных координатах (Z/Z_m, y/Z_m). Простейший вид (без эмпирических коэффициентов) достигается при a=Z_m/2 (см. формулу (2)). Физический путь основан на том факте, что при кривая 1 фиг. 1 очень круто возрастает, а при больших углах контура очистного пространства наблюдаются сколы, поэтому полагают, что условием естественного скалывания для абсолютно твердого тела является угол
α≤arctge=69,8^o≈70^o.

Этот угол совмещают с углом наклона контакта цепнолинейного очистного пространства на самом верхнем этаже и из этого условия выбирают параметр a. Иначе, получают условие

из которого определяют а:

физический корень которого

Далее подставляют условие a=Z_m/2 в формулы (12), (8) и (13), получают расчетные формулы (1), (3) и (4).

На фиг. 2 показаны цепнолинейное и параболическое (в противонаправлении действия σ_max в нетронутом массиве) направления развития очистного пространства, например, четырех этажей, за счет формирования контура очистного пространства, определяемого углом α естественного скалывания и расчетными углами α.
Отработку мощного крутопадающего рудного тела 1 (фиг.2) ведут блоками 2 в этаже 3, смещенными относительно друг друга на высоту этажа. Для отбойки запасов блоков 2 бурят наклонные скважины 4. Контур 5 очистного пространства блоков 2 в каждом этаже, отрабатываемом от центра к флангам рудного тела, выполняют в соответствии с полученным углом α путем взрывания наклонных скважин 4.

Создание контура 5 очистного пространства наклонным в каждом отрабатываемом этаже 3 позволяет сформировать контур 6 на верхнем этаже цепнолинейный, а на нижних этажах параболический по простиранию в противоположном направлении действия максимальных горизонтальных сжимающих напряжений σ_max в нетронутом массиве. Угол α скалывания (обрушения, сдвижения) для прочных руд составляет 65-70^o, а для слабых и средней прочности - 45-50^o (см. отчет ВостНИГРИ "Исследование и обоснование возможности возникновения механизма формирования очагов горных ударов в геотектонических полях месторождений Горной Шории и Хакасии ГР 018400456, г. Новокузнецк, 1966).

Предлагаемый способ обеспечивает снижение потерь пройденных выработок и пробуренных скважин за счет повышения устойчивости отрабатываемого массива в призабойной части очистного пространства.

Формула изобретения

Способ разработки удароопасных рудных месторождений, включающий опережающую относительно друг друга отработку этажей сверху вниз, от центра к флангам рудных тел с образованием контура очистного пространства путем бурения, заряжания и взрывания скважин, отличающийся тем, что контур очистного пространства ведут на верхних этажах цепнолинейным в соответствии с выражением

а на нижних этажах параболическим в соответствии с выражением

по простиранию у направлением x= const, ориентируя его в противонаправлении действия максимальных горизонтальных сжимающих напряжений σ_max в нетронутом массиве, причем скважины на границах с очистным пространством бурят на каждом нижнем этаже под углом α, определяемым по формуле

а на верхних этажах под углом α естественного скалывания, равным

где Z - высота этажа, отсчитываемая от начала координат, совмещенного с глубиной выемки Z_m;
Z_m - глубина выемки;
у - расстояние по простиранию;
х - направление вкрест простирания.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2