Розвиток наукових основ раціонального використання сировинної бази Кривбасу при включенні в розробку втрачених руд і магнетитових кварцитів

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

КРИВОРІЗЬКИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

05.15.02 - підземна розробка родовищ корисних копалин

РОЗВИТОК НАУКОВИХ ОСНОВ РАЦІОНАЛЬНОГО ВИКОРИСТАННЯ СИРОВИННОЇ БАЗИ КРИВБАСУ ПРИ ВКЛЮЧЕННІ В РОЗРОБКУ ВТРАЧЕНИХ РУД І МАГНЕТИТОВИХ КВАРЦИТІВ

Калініченко Всеволод Олександрович

Кривий Ріг - 2008

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Гірничодобувна промисловість України є базовою галуззю народного господарства і в найближчі роки збереже свої лідируючі позиції. Це зумовлено тим, що продукція гірничодобувного комплексу є фундаментом для підприємств чорної металургії та забезпечує в комплексі з ними значну частину національного доходу країни.

Основна частина балансових запасів залізних руд України зосереджена в Кривому Розі. Це визначає особливе значення гірничодобувних підприємств Кривбасу в економіці України.

Однак наявність істотних запасів залізних руд не гарантує стабільної перспективи розвитку сировинної бази басейну, оскільки промислові запаси залізних руд у проектних контурах діючих кар'єрів і шахт складають лише 7,71 млрд т (43,1 % балансових запасів), з яких тільки 0,45 млрд. т - природно багаті залізні руди із вмістом заліза 54-62 %, а 7,26 млрд т складають бідні залізні руди та магнетитові кварцити із вмістом заліза магнетитового не більше 24-30 %.

Істотне зниження промислових запасів залізних руд у проектних контурах діючих шахт викликане тим, що глибина розробки на більшості шахт досягла 1200-1500 м, і подальше відпрацьовування балансових запасів на великих глибинах неможливе при існуючих схемах підйому руди. Застосування ж нових, комбінованих схем підйому вимагає вкладення величезних інвестицій, залучення яких на сучасному рівні економічного розвитку не виявляється можливим.

При цьому незайвим буде нагадати, що зниження обсягів наукових досліджень у гірничодобувній галузі привело до різкого зниження ефективності видобутку корисних копалин. Так, наприклад, нормативні й фактичні втрати багатих залізних руд за ВАТ «КЗРК» складають у даний час 19 % і 18,9 % відповідно, досягаючи 22 % на ш. «Родіна». Отже, кожна п'ята тонна підготовленої й відбитої руди втрачається у відпрацьовуваних блоках, погіршуючи й без того невисокі показники видобування.

Такі втрати багатих залізних руд несумісні із сучасними вимогами застосування високоефективних ресурсозберігаючих технологій і не можуть служити зразком дбайливого використання національних багатств України.

Отже, розвиток теоретичних основ керування показниками видобування багатих залізних руд і магнетитових кварцитів, уточнення закономірностей взаємодії відбитої руди, що випускається на контакті з обваленими пустими породами, обґрунтування принципів зниження втрат корисних копалин у надрах і розробка нових високоефективних варіантів ресурсозберігаючих технологій, які забезпечують раціональне використання сировинної бази Криворізького басейну, є актуальною науково-технічною проблемою, що має важливе народногосподарське значення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася відповідно до Концепції розвитку гірничо-металургійного комплексу України до 2010 року та відповідає тематиці виконаних Криворізьким технічним університетом науково-дослідних робіт, у яких автор брав участь як виконавець: «Исследование и разработка методов управления качеством руды, обеспечивающих снижение количественных и качественных потерь и повышение стабильности качества рудной массы» (№ УA01015020Р), «Вскрытие и отработка подземным способом балансовых запасов под дном и бортами Анновского карьера» (№ ДР 0103U007486).

Метою дисертаційної роботи є розвиток наукових основ раціонального використання сировинної бази Кривбасу за рахунок уточнення закономірностей взаємодії обвалених пустих порід і твердіючої закладки на контакті з рудою, що випускається, та вдосконалення параметрів систем розробки при залученні у видобуток втрачених руд і магнетитових кварцитів.

Для досягнення поставленої мети в дисертаційній роботі вирішувалися такі завдання:

1) проаналізувати раціональне використання сировинної бази Кривбасу з урахуванням закономірностей випуску руди на контакті з ущільненими пустими породами;

2) розробити методику дослідження взаємодії рудного масиву з розпушеними й ущільненими вибухом пустими породами;

3) дослідити вплив ущільнення й посування пустих порід, а також форми твірних поверхонь бічного контакту «обвалена руда - ущільнена порода» на форму й параметри фігур випуску відбитої руди;

4) визначити стійкість відслонень «піонер-камер» лежачого боку шляхом математичного моделювання;

5) визначити вплив параметрів штучних ціликів на формування фігур випуску обвалених магнетитових кварцитів у блоках другої черги;

6) визначити раціональні параметри технології формування штучного цілика, що перебуває в стані об'ємного стиснення обваленими гірськими породами;

7) виконати натурні дослідження стійкості «піонер-камер» лежачого боку й параметрів випуску обваленої руди на контакті з ущільненими вибухом пустими породами;

8) розробити методичні вказівки й типові паспорти систем розробки з випуском відбитої руди на границі з ущільненими пустими породами.

Ідея роботи полягає у використанні закономірностей взаємодії різномодульного сипучого середовища при випуску руди на контакті з ущільненими вибухом обваленими породами й штучними закладними масивами.

Об'єкт досліджень - процеси взаємодії різномодульного середовища при випуску відбитої руди на контакті зі штучно ущільненим породним масивом і твердіючою закладкою.

Предмет досліджень - технологія підземного видобутку втрачених багатих руд і магнетитових кварцитів і параметри фігур випуску відбитої руди на контакті з обваленими пустими породами й закладними масивами.

Методи досліджень. Для досягнення поставленої мети в роботі було використано комплексний метод досліджень, що включає аналіз та узагальнення літературних джерел; теорію планування експерименту; моделювання випуску обваленої руди з очисного блока на моделях з еквівалентних матеріалів; теорію пружності; метод кінцевих елементів; імітаційне моделювання стійкості відслонень; теорію статистики; багатофакторний аналіз; промисловий експеримент.

Наукові положення, які виносяться на захист.

1. Коефіцієнт видобування відбитої руди при системах розробки з обваленням руди і вмісних порід змінюється залежно від обсягу камерного виймання та кривизни бічного контакту «руда - порода» у межах 0,85-0,94, що разом з вибуховим ущільненням обвалених пустих порід дозволяє збільшити кількість видобутої відбитої руди на 8-12 % при величині збіднювання 5-7 %.

2. Коефіцієнт розпушення ущільнених вибухом обвалених пустих порід перебуває в логарифмічній залежності від кількості рядів свердловин, що підриваються, товщини ущільнюваного шару, коефіцієнта міцності й кускуватості порід і на відстані 0,1-0,5 м від контакту з обваленою рудою набуває значення 1,14-1,22, створюючи зону переущільнених порід, які дозволяють проводити випуск руди без бічного збіднювання.

3. Фігури випуску обваленої руди на границі з ущільненими породами набувають форми диспропорційних сегментних еліпсоїдів випуску з диферентними горизонтальними півосями, співвідношення розмірів яких прямо пропорційне величині посування контакту «руда - порода» й дорівнює 1,05-1,64, що дозволяє пропорційно збільшити відстань між випускними виробками й кількість руди, що випускається з однієї дучки, на об'єм додаткової сегментної частини.

4. Втрати магнетитових кварцитів у блоках другої черги зменшуються прямо пропорційно коефіцієнту диспропорційного розширення еліпсоїда випуску, що перебуває в лінійній залежності від кривизни сегмента бічної твірної твердіючої закладки та при значенні коефіцієнта 1,0-1,60 забезпечує зниження втрат руди у 2,8-3,2 разу.

Наукова новизна одержаних результатів:

- уперше встановлено закономірності зниження втрат руди при системах з обваленням в умовах широкої варіації параметрів «піонер-камери» лежачого боку, характеру контакту й кривизни бічної поверхні різномодульних середовищ на границі «руда - порода»;

- установлено закономірності зміни величини посування й товщини шару переущільненої пустої породи від фізичного стану масиву при різних схемах вибухового руйнування залізних руд і твірних поверхнях бічного контакту «обвалена руда - ущільнена пуста порода»;

- уперше встановлено закономірності формування диспропорційного сегментного еліпсоїда випуску й визначено залежності зміни величини диферентних горизонтальних півосей від кривизни бічної твірної при розширенні фігури випуску відбитої руди на контакті з ущільненими обваленими пустими породами;

- уперше встановлено залежність стійкості куполоподібної стелини «піонер-камери» лежачого боку від її товщини, кривизни твірної й кута нахилу основи площини купола, що дозволило обґрунтувати оптимальні параметри стійких відслонень «піонер-камери» лежачого боку при формуванні купола вибухом глибоких свердловин;

- установлено кількісні залежності показників видобутку магнетитових кварцитів залежно від коефіцієнта диспропорційного розширення еліпсоїда випуску при різній висоті обрушуваного шару;

- установлено залежності коефіцієнта стійкості масиву твердіючої закладки, що перебуває в стані об'ємного стиснення обваленою рудою й пустими породами, від широкого діапазону фізико-механічних характеристик гірничих порід і кривизни бічної поверхні твердіючого цілика;

- виконано подальший розвиток теоретичних основ випуску обваленої руди стосовно умов контакту з різномодульними середовищами ущільнених подрібнених породних масивів і штучних твердіючих ціликів.

Обґрунтованість і вірогідність положень, висновків і рекомендацій підтверджені використанням апробованих методів досліджень сипучого середовища, механіки гірничих порід, математичної статистики, адекватністю розроблених математичних моделей реальним об'єктам і процесам, коректним узгодженням результатів аналітичних досліджень з даними натурних спостережень (похибка не перевищує 10-15 %), результатами практичного використання розробок і рекомендацій.

Наукове значення роботи полягає в теоретичному обґрунтуванні закономірностей взаємодії різномодульного сипучого середовища при випуску руди на контакті з ущільненими обваленими породами й штучними закладними масивами, що дозволило вдосконалювати параметри систем розробки багатих руд і магнетитових кварцитів.

Практичне значення одержаних результатів полягає в розробці:

- методичних вказівок до розробки технологічних схем випуску руди на контакті з ущільненими вибухом пустими породами в умовах ш. «Родіна»;

- методики розрахунку геометричних параметрів відслонень «піонер-камери» лежачого боку при відпрацьовуванні панелі системою підповерхового обвалення руди й вмісних порід;

- методики визначення оптимальних параметрів технології відпрацьовування магнетитових кварцитів з формуванням комбінованих закладних масивів;

- принципів розв'язання проблеми раціонального використання сировинної бази Кривбасу, що базуються на технологіях відпрацьовування «умовно втрачених руд» і магнетитових кварцитів;

- нового підкласу систем розробки з обваленням руди і вмісних порід, у якому запаси «мертвої зони» лежачого боку покладу відпрацьовують очисною «піонер-камерою» з першочерговим випуском відбитої руди під прикриттям стелини, а випуск основного запасу блока здійснюють під налягаючими обваленими пустими породами;

- методів поліпшення показників видобутку відбитої руди за рахунок формування бічної поверхні контакту «руда - порода» у формі твірної еліпсоїда випуску з одночасним вибуховим ущільненням обвалених пустих порід;

- інженерних методів розрахунку структурних елементів диспропорційних сегментних еліпсоїдів випуску з диферентними горизонтальними півосями;

- методики розрахунку показників видобутку обвалених магнетитових кварцитів при очисному вийманні блоків другої черги на контакті із закладним твердіючим масивом;

- технологій очисного виймання «умовно втрачених руд» і магнетитових кварцитів на основі виявлених закономірностей взаємодії різномодульного сипучого середовища при випуску відбитої руди на контакті з ущільненими вибухом обваленими породами й штучними закладними масивами.

Реалізація роботи. На підставі виконаних досліджень:

- розроблено й затверджено «Методические указания к разработке технологических схем выпуска руды на контакте с уплотненными пустыми породами в условиях ш. “Родина”»;

- розроблено «Типові паспорти системи розробки підповерхового обвалення з випуском відбитої руди на контакті з ущільненими пустими породами для умов покладу «Основна-95» ш. «Родіна» ВАТ «КЗРК».

- упроваджено технологію відпрацьовування очисних блоків з формуванням у лежачому боці очисних «піонер-камер» гор. 800-850 м ш. «Центральна» ВАТ «ІнГЗК»;

- прийнято до впровадження ресурсозберігаючу технологію відпрацьовування покладу «Кар'єрна» у блоці в осях 222-230 у поверсі 1110/1032 м у північній камері в осях 227-230 при відбійці масиву гор. 1045 м ш. «Гвардійська» ДП «КДЗРК»;

- упроваджено технологію випуску руди при доробці запасів блока в панелі 82-80^а гор. 1270 м з бурового орту 82 осі гор. 1260 м, у панелі 136-134^а гор. 1270 м з бурового орту 136 осі гор. 1260 м, у панелі 130-134^а гор. 1270 м з бурового орту 130 осі гор. 1260 м ш. «Родіна» ДП «КДЗРК».

Особистий внесок здобувача в одержання наукових результатів, що виносяться на захист, полягає: у формулюванні мети, постановці завдань досліджень й обґрунтуванні наукових положень, висновків і рекомендацій, у розробці методик експериментальних досліджень у лабораторних умовах з дослідження стійкості масивів і випуску обваленої гірської маси, у створенні математичного опису й висновку ключових аналітичних залежностей, у розробці (у співавторстві) ресурсозберігаючих технологій з раціонального використання сировинної бази басейну, у впровадженні результатів досліджень у виробництво і навчальний процес.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи й результати досліджень доповідалися на: науково-технічних конференціях КТУ в 1998-2007 рр.; Міжнародному семінарі «Современные проблемы управления горной промышленностью» (Алма-Ата, Казахстан, 2000); II Міжнародній науково-практичній конференції «Динаміка наукових досліджень 2003» (Дніпропетровськ - Івано-Франківськ - Кривий Ріг, 2003); III Міжнародній науково-практичній конференції «Динаміка наукових досліджень 2004» (Дніпропетровськ, 2004); VIII Міжнародній науково-практичній конференції «Наука і освіта» (Дніпропетровськ, 2005).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 32 друковані праці, серед яких 2 монографії, 23 статті у фахових виданнях і патенти України на винаходи, 2 брошури, 5 доповідей на наукових конференціях і симпозіумах.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, 7 розділів, списку використаних джерел і додатків. Робота викладена на 270 сторінках машинописного тексту, включає 55 рисунків, 20 таблиць, список літератури з 209 найменувань і 6 додатків. Загальний обсяг роботи складає 332 сторінки.

Автор висловлює щиру подяку лауреатові Державної премії України, заслуженому діячу освіти України, доктору технічних наук, професору Ю. П. Капленку за наукові консультації, працівникам ВАТ «Криворізький залізорудний комбінат», «Суха Балка», «Інгулецький ГЗК» - за сприяння в проведенні досліджень і впровадженні їх результатів.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

руда видобуток сировинний кривбас

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету, ідею роботи, об'єкт і предмет досліджень, викладено завдання досліджень, основні наукові положення, що виносяться на захист, наукове й практичне значення роботи, реалізацію результатів роботи, публікації та структуру дисертації.

У розділі 1 проаналізовано стан проблеми раціонального використання сировинної бази Кривбасу, стан теоретичних і практичних досліджень щодо зниження втрат корисних копалин у надрах при підземному видобуванні руд.

Аналіз наведених даних показує, що приблизно 3,6 млрд т магнетитових кварцитів знаходиться на вищележачих горизонтах шахтних полів і характеризується як «потенційно втрачені запаси».

Крім цього, приблизно п'ята частина запасів багатих залізних руд, що знаходяться на працюючих та запроектованих горизонтах, в умовах існуючих технологій видобутку нормативно віднесена до майбутніх втрат і характеризується як «умовно втрачені руди».

Так, наприклад, при системах розробки з обваленням руди й вмісних порід втрати підготовленої й відбитої руди при її випуску складають на деяких шахтах понад 20 %.

Проблемою раціонального використання сировинної бази Кривбасу займалися В. Г. Близнюков, Ю. П. Капленко, В. О. Колосов, Б. І. Римарчук, А. Г. Темченко та інші дослідники. На їхню думку, основними напрямками вирішення цієї проблеми є включення в розробку втрачених багатих руд і магнетитових кварцитів.

Дослідженнями показників виймання при випуску обваленої руди займалися М. І. Агошков, Х. А. Балхавдаров, Л. І. Барон, П. М. Вольфсон, М. З. Галаєв, М. Г. Дубинін, В. Р. Іменітов, Ю. П. Капленко, Р. Квапіл, В. А. Корж, М. С. Кудрявцев, В. В. Куликов, І. К. Кунін, Г. М. Малахов, В. К. Мартинов, С. С. Мінаєв, П. Д. Петренко та інші.

На їхню думку, до числа основних характеристик обваленої руди, що впливають на показники виймання, варто віднести коефіцієнт розпушення та якість дроблення руди, яка випускається.

Вивченням впливу коефіцієнта розпушення на характер витікання обваленої руди займалися М. З. Галаєв, В. А. Корж, І. К. Кунін, Г. М. Малахов, О. С. Мозжегоров, О. І. Філліпенков та інші. Вивченням впливу кускуватості обваленої руди на показники виймання займалися В. А. Корж, Г. М. Малахов, І. Ф. Оксанич, В. І. Терентьєв, П. Й. Федоренко та інші дослідники.

Незважаючи на широкий спектр досліджуваних завдань, питання комплексного впливу коефіцієнта розпушення й кускуватості матеріалу з урахуванням форми бічної твірної поверхні контакту обвалених пустих порід на форму фігур випуску та показники виймання контактуючої рудної маси практично не вивчені.

При відпрацьовуванні магнетитових кварцитів підземним способом безсумнівний інтерес складають дослідження характеру витікання обвалених кварцитів з очисних блоків, які знаходяться в безпосередньому контакті зі штучними масивами твердіючої закладки. У зв'язку з цим дослідження міцності твердіючих штучних масивів, форми твірної бічного контакту «руда - закладка» та їх можливий вплив на показники засмічення відбитої рудної маси закладним матеріалом мають значний науковий інтерес.

Питаннями стійкості закладних масивів займалося багато дослідників, у числі яких О. А. Байконуров, Д. М. Бронніков, О. П. Вяткін, В. П. Кравченко, В. В. Куликов, А. Л. Требуков, В. І. Хомяков, М. М. Цигалов та інші. Розроблені на основі їхніх досліджень технологічні рішення враховують, як правило, фізико-механічні властивості закладного матеріалу й не розглядають вплив форми контакту бічної поверхні штучного цілика на показники виймання обваленої руди в приграничних блоках, а також вплив рудної маси, яка випускається, на компресійні властивості штучного масиву.

Отже, аналіз і оцінка ефективності процесу випуску відбитої руди на контакті з ущільненими вибухом обваленими пустими породами й штучними закладними масивами, які мають форму бічної поверхні, аналогічну формі твірної еліпсоїда випуску обваленої руди, дозволили обґрунтувати актуальність наукової проблеми, сформулювати мету й завдання досліджень.

У розділі 2 запропоновано комплексну методику дослідження гірничотехнічних завдань, яка забезпечує комплексну перевірку результатів теоретичних і практичних досліджень і гарантує високу достовірність отриманих результатів.

Моделювання випуску обваленої руди з блока виконано на статичних моделях випуску. У якості еквівалентного матеріалу, що моделює обвалену руду, використовувалася відповідна до масштабу моделювання фракція мартитової руди.

Для моделювання масиву твердіючої закладки використовувався відповідний еквівалентний матеріал, приготування якого здійснювалося за методикою, запропонованою лабораторією систем розробки Криворізького технічного університету.

Для приготування еквівалентних складів використовувалися збезводнені шлами збагачувальних фабрик Криворізького басейну в суміші з технічним парафіном. Зазначений еквівалентний матеріал є пружно-пластичним і за своїми фізико-механічними властивостями аналогічний модельованому масиву.

Моделювання ущільнення та переміщення пустих порід «піонер-камери» лежачого боку здійснювалося відповідно до технологій обвалення руди на компенсаційний простір і відбійки руди в затиснутому середовищі.

В якості еквівалентних матеріалів використовувалися дроблена пуста порода та магнетитова руда різних фракцій відповідно до прийнятого масштабу моделювання.

Обробка результатів моделювання здійснювалася методами математичної статистики.

Для визначення точності отриманих результатів було визначено коефіцієнт варіації, який чисельно дорівнює середньому квадратичному відхиленню, вираженому у відсотках.

У розділі 3 досліджено й розроблено технології очисного виймання багатих залізних руд, які забезпечують збільшення показника виймання запасів блока.

Для систем розробки з обваленням руди і вмісних порід основним питанням, яке впливає на повноту видобутку руди з обвалених блоків, є зменшення втрат відбитої руди в «мертвій зоні» лежачого боку покладу. На нашу думку, вирішити питання зниження втрат і збіднювання руди в блоці можна шляхом попереднього відпрацьовування в лежачому боці покладу очисної «піонер-камери» 1, яка має стійку склеписту стелину з похилою площиною склепіння, рис. 1.

Випуск запасів «мертвої зони» являє собою камерний випуск руди під прикриттям стелини з подальшим заповненням камери пустими породами шляхом обвалення стелини 7. Після цього відбивають основний запас блока (панелі), при цьому бічній поверхні 2 надають форми, аналогічної формі еліпсоїда випуску 3 обваленої руди на контакті з пустими породами «піонер-камери» лежачого боку.

Завдяки формуванню бічної поверхні «піонер-камери», аналогічної формі еліпсоїда випуску, досягається оптимальний контакт поверхні еліпсоїда випуску обваленої руди з пустою породою «піонер-камери» лежачого боку. Таким чином досягається значне зниження бічного збіднювання. Цьому також сприяє вибухове ущільнення пустої породи «піонер-камери» лежачого боку на контакті з рудним масивом, який відбивається.

Випуск обваленої руди запасів «піонер-камери» проводиться через перший ряд випускних воронок, розташованих у лежачому боці покладу.

Об'єм камерного запасу залежить від кута нахилу покладу і фізико-механічних характеристик рудного масиву.

У випадку, коли висота «піонер-камери» лежачого боку дорівнює висоті панелі, яка відпрацьовується, об'єм камерного запасу обчислюється за формулою

,(1)

де Q_пк - об'єм «піонер-камери» лежачого боку, м³; Н - висота панелі (підповерху), яка відпрацьовується, м; l - ширина панелі, яка відпрацьовується, м; б - кут нахилу покладу, град.; Q_вв - об'єм воронки випуску, м³; n - кількість випускних виробок у лежачому боці покладу; s - відстань між випускними виробками, м; r - радіус основи склепіння, м.

Дослідженнями встановлено, що коефіцієнт видобування відбитої руди змінюється залежно від об'єму камерного виймання та кривизни твірної бічного контакту «руда - порода» в межах 0,85-0,94, що разом з вибуховим ущільненням обвалених пустих порід дозволяє збільшити кількість відбитої руди, яка видобувається, на 8-12 % при величині збіднювання 5-7 %.

При дослідженні характеру випуску відбитої руди на контакті з пустими породами основна увага в сучасній теорії випуску приділяється вивченню коефіцієнта розпушення відбитої руди. Ця методика не викликає сумнівів, однак, на нашу думку, має досить значну величину похибки, оскільки не враховує характеристики обвалених пустих порід, які знаходяться на контакті з відбитою рудою.

У проведених експериментах з моделювання коефіцієнта розпушення порід основна увага приділялася вивченню характеру ущільнення пустих порід 1 при переміщенні контакту 2 «відбита руда - пуста порода» в результаті ущільнення пустих порід вибухом похилих глибоких свердловин 3, рис. 2.

Як показали лабораторні дослідження, основне посування пустих порід відбувається після вибуху першого ряду свердловин у рудному масиві на контакті з пустими породами.

Величина посування контакту «руда-порода» характеризується показником Дl і визначається за формулою

,(2)

де Дl - посування контакту «руда - порода», м; l_у - товщина шару ущільненого матеріалу (пустих порід), м; k_р, k_р1 - усереднений коефіцієнт розпушення пустих порід відповідно до та після вибуху першого ряду свердловин; k_б - коефіцієнт бічного ущільнення, який залежить від ширини й характеру бічного контакту панелі, k_б = 0,9-1.

У результаті досліджень установлено, що на відстані 0,1-0,5 м від контакту з відбитою рудою створюється зона переущільненої обваленої породи з коефіцієнтом розпушення 1,14-1,22, яка характеризується слабко вираженими сипучими властивостями, що сприяє зниженню бічного збіднювавання та підвищенню загальних показників видобутку обваленої залізної руди.

Отже, на контакті з відбитою рудою формується захисний шар переущільненої пустої породи, який характеризується суттєвим зниженням сипучих властивостей пустих порід. При випуску відбитої руди, яка знаходиться на контакті з ущільненими пустими породами, створюються сприятливі умови для випуску відбитої руди з низьким рівнем бічного збіднювання.

Аналіз абсолютних величин ущільнення пустих порід дозволив виявити такі закономірності. Зниження абсолютної величини коефіцієнта розпушення на 20-24 % відбувалося на контакті «руда - порода», зменшуючись до лежачого боку покладу.

Виконаний аналіз експериментальних даних дозволив установити величину коефіцієнта розпушення гірничої маси для різної міцності та кускуватості гірничих порід. Величина коефіцієнта розпушення пустих гірничих порід добре описується функцією виду

,(3)

де k_pп - коефіцієнт розпушення обвалених гірничих порід; l_у - товщина шару ущільненого матеріалу масиву гірничих порід, м; f - коефіцієнт міцності гірничих порід; k_к - коефіцієнт кускуватості гірничих порід, k_к = 0,11 - для дрібних руд, k_к = 0,22 - для кускових руд.

Вибух наступного комплекту свердловин практично не впливає на величину переміщення породного масиву. Це можна пояснити тим, що після вибуху першого ряду свердловин переміщення породного масиву приводить до ущільнення пустої породи на контакті з відбитою рудою, при цьому коефіцієнт розпушення порід досягає своїх максимальних значень. Отже, подальше переміщення контакту «відбита руда - пуста порода» практично не відбувається.

Математична обробка результатів експериментальних досліджень показала, що величина коефіцієнта розпушення відбитої руди й обвалених пустих порід добре апроксимується функцією виду

,(4)

де k_p - коефіцієнт розпушення; Дl - величина переміщення контакту «руда - порода»; f - коефіцієнт міцності гірничих порід; k_к - коефіцієнт кускуватості відбитої руди; n - кількість свердловин, що одночасно підривається.

З метою підтвердження отриманих висновків і висловлених припущень, а також вивчення закономірностей формування і визначення контурів фігур випуску було виконано лабораторні дослідження щодо випуску відбитої руди на контакті з пустими породами «піонер-камери» лежачого боку. Коефіцієнт розпушення відбитої руди приймався з урахуванням додаткового об'єму контактної компенсаційної щілини, сформованої вибухом між поверхнею відбитої руди й обваленими пустими породами.

Об'єм контактної компенсаційної щілини визначається з виразу

,(5)

де V_ккщ - об'єм контактної компенсаційної щілини, м³; L - ширина панелі, м; b - мала піввісь еліпсоїда випуску, м; H - висота панелі, м.

Здатність відбитої руди до саморозпушення при наявності додаткового простору контактної компенсаційної щілини забезпечує збільшення об'ємів еліпсоїда випуску за рахунок додаткового розпушення відбитої руди на контакті з породами лежачого боку.

У цьому випадку величина коефіцієнта розпушення варіювалася в межах від 1,45 до 1,51, причому більша величина коефіцієнта розпушення характерна для частини об'єму фігури випуску на контакті з пустими породами.

Випуск відбитої розпушеної руди на контакті з переущільненими пустими породами зафіксував розширення еліпсоїда випуску вбік лежачого боку на величину, яка дорівнює величині переміщення пустих порід.

Одночасно спостерігалося збільшення малої півосі еліпсоїда випуску b₂ вбік порід «піонер-камери» лежачого боку. Поперечний переріз таких фігур випуску набуває форми диспропорційних сегментних еліпсоїдів з диферентними горизонтальними півосями (b₁ і b₂). Більша горизонтальна вісь b₂ спрямована вбік порід лежачого боку, рис. 5.

У результаті аналізу виконаних лабораторних досліджень виявлено такі закономірності.

Розширення фігури випуску відбитої руди відбувається за рахунок збільшення коефіцієнта розпушення при переміщенні й ущільненні порід лежачого боку і додаткового саморозпушення руди за наявності додаткового простору контактної компенсаційної щілини. Співвідношення розмірів горизонтальних півосей (b₂/b₁) залежить від величини посування пустих порід і перебуває в межах 1,05-1,64, що дозволяє пропорційно збільшити відстань між випускними виробками.

Для формування контурів фігури випуску обваленої руди досліджувану область доцільно розбити на елементи, подані у вигляді елементарних паралелепіпедів, величина яких залежить від масштабу досліджень, рис. 6.

Аналітичне визначення параметрів фігур випуску обваленої руди на контакті з ущільненими пустими породами очисної «піонер-камери» лежачого боку являє собою комплексний розрахунок геометричних параметрів на основі зміни фізико-механічних властивостей сипучих матеріалів.

Контурами паралелепіпедів служать границі шарів руди, поданих різними коефіцієнтами розпушення. У цьому випадку кожен елементарний паралелепіпед Р_i задається координатами x_i, y_i, величина яких визначається коефіцієнтами розпушення k_pi і k_pгi відповідно. Тоді кожен елементарний об'єм паралелепіпеда буде мати коефіцієнт розпушення, який дорівнює середньому арифметичному від суми: (k_pi (x_i) + k_pгi (y_i))/2.

Формування твірної кривої фігури випуску, що перетинає елементарні паралелепіпеди з різними коефіцієнтами розпушення, відбувається в такій послідовності.

У межах елементарного паралелепіпеда Р_i (x_i, y_i) з коефіцієнтом розпушення k_pi будується контур твірної фігури випуску, характерної для еліпсоїда Q_i з коефіцієнтом розпушення k_pi.

При досягненні наступного елементарного паралелепіпеда Р_i+1 (x_i+1, y_i+1) з коефіцієнтом розпушення k_pi+1 будується контур твірної фігури випуску, характерний для еліпсоїда випуску обваленої руди Q_i+1 з коефіцієнтом розпушення k_pi+1. Перетинаючи черговий елементарний паралелепіпед Р_i+2 (x_i+2, y_i+2) з коефіцієнтом розпушення k_pi+2, твірна крива фігури випуску набуває форми, характерної для еліпсоїда випуску обваленої руди Q_i+2 з коефіцієнтом розпушення k_pi+2. Формування твірної фігури випуску закінчується в кінцевому елементарному паралелепіпеді Р_n (x_n, y_n) з коефіцієнтом розпушення k_pn, де твірна крива фігури випуску набуває форми, характерної для еліпсоїда випуску обваленої руди Q_n з коефіцієнтом розпушення k_pn, що знаходиться на контакті з початковим елементарним паралелепіпедом Р_i (x_i, y_i). Контроль закінчення розрахунків з визначення контурів фігури випуску обваленої руди можна вести за збігом початкових і кінцевих координат. Якщо збіг результатів підтверджено графічним закінченням формування контурів фігури випуску, процедуру розрахунку можна вважати закінченою.

Об'єм комбінованого сегментного еліпсоїда випуску визначають як суму об'ємів еліпсоїда випуску нормальної висоти Н та об'єму додаткової сегментної частини

,(6)

де Q_c - об'єм комбінованого сегментного еліпсоїда випуску обваленої руди, м³; Q_н - об'єм еліпсоїда випуску нормальної висоти Н, м³; V_д - об'єм додаткової сегментної частини, м³;

(7)

де а - велика піввісь еліпсоїда випуску; b - мала піввісь еліпсоїда випуску.

У розділі 4 розглянуто теоретичні основи та практичні аспекти стійкості відслонень «піонер-камери» лежачого боку. Формування в лежачому боці покладу очисної «піонер-камери» для вилучення «умовно втрачених» руд «мертвої зони» викликає зміну природного поля напружень рудного та породного оточуючого масивів. Напружений стан масиву при формуванні очисної «піонер-камери» лежачого боку залежить від форми поперечного перерізу покрівлі камери.

У куполоподібній стелині величина розтяжних напружень на контурі стелини залежить від кривизни склепистої поверхні (h_к/а_к) і кута нахилу площини склепіння до горизонтальної поверхні. Характер змін цих напружень подано на рис. 7.

Формування склепистої стелини знижує величину розтяжних напружень у порівнянні з плоскими стелинами. Величина напружень зменшується на 14-42 % при кривизні склепіння h_к/а_к = 0,1 при кутах нахилу площини склепіння відповідно ц = 10° і ц = 25°. При кривизні склепіння h_к/а_к = 0,4 розтяжні напруження у₃ зменшуються на 28-84 % при кутах нахилу площини склепіння відповідно ц = 10° і ц = 25°.

Аналіз отриманої залежності показує, що збільшення коефіцієнта стійкості стелини зі збільшенням кута нахилу площини склепіння нерівнозначне для склепінь, які мають різну кривизну поверхні покрівлі. Так збільшення кута нахилу площини склепіння від 0 до 30° приводить до збільшення коефіцієнта стійкості склепистої стелини на 42-46 % при кривизні склепіння h_к/а_к = 0,2. У той же час аналогічне збільшення кута нахилу площини покрівлі при кривизні склепіння h_к/а_к = 0,4 сприяє підвищенню коефіцієнта стійкості склепистої стелини лише на 12-16 % і практично не впливає на стійкість покрівлі при кривизні склепіння h_к/а_к ? 0,5. Отримана закономірність характеризується тим, що при h_к/а_к = 0,5 поверхня склепіння набуває форми півкола, при якому кут нахилу склепіння практично не має значення. При кутах нахилу площини стелини ц ? 25° і кривизні склепіння, що перевищує h_к/а_к > 0,2 розтяжні напруження у покрівлі камери перетворюються у стискальні. При цьому коефіцієнт стійкості стелини набуває значення k_y ? 1.

Отже, з урахуванням технологічної трудомісткості формування кривизни склепіння зі збільшеним радіусом заокруглення можна рекомендувати технологію формування «піонер-камери» лежачого боку зі стійкою склепистою стелиною, що має мінімальний радіус заокруглення h_к/а_к ? 0,2, при цьому кут нахилу площини склепіння повинен мати значення ц ? 25°.

Зміна висоти (товщини) стелини приводить до збільшення коефіцієнта стійкості склепистої стелини. Вплив висоти стелини на коефіцієнт стійкості покрівлі камери різний залежно від кривизни склепіння. При малій кривизні склепіння h_к/а_к ? 0,3 вплив висоти стелини досить значний. Спостерігається стійка тенденція збільшення коефіцієнта стійкості зі збільшенням товщини стелини, хоча характер кривої стійкості трохи виположується при товщині стелини h_п/l_к = 0,5-0,6.

При великому радіусі заокруглення вплив висоти стелини простежується до значень h_п/l_к = 0,4-0,6, потім величина коефіцієнта стійкості практично стабілізується. При збільшенні товщини стелини з h_п/l_к = 0,2 до h_п/l_к = 0,6 коефіцієнт стійкості збільшується на 82-96 %, у той час, як при подальшому збільшенні товщини стелини з h_п/l_к = 0,6 до h_п/l_к = 1,0 коефіцієнт стійкості збільшується лише на 2-8 %.

При склепистій покрівлі «піонер-камери» лежачого боку область поширення й абсолютна величина розтяжних напружень у стелині зменшуються зі збільшенням кривизни склепіння і збільшенням кута нахилу площини стелини. При кривизні склепіння h_к/а_к > 0,2 і кутах нахилу площини стелини ц ? 25° розтяжні напруження взагалі не виникають.

Збільшення коефіцієнта стійкості стелини зі збільшенням кута нахилу площини стелини нерівнозначне для стелин, що мають різну кривизну поверхні покрівлі. При малій кривизні склепіння збільшення кута нахилу площини покрівлі значно впливає на збільшення стійкості стелини, у той час, як аналогічне збільшення кута нахилу площини покрівлі при радіусі заокруглення, що дорівнює половині прольоту склепіння, сприяє підвищенню коефіцієнта стійкості склепистої стелини лише на 12-16 %. При h_к/а_к = 0,5 поверхня склепіння набуває форми півкола, при якому кут нахилу склепіння не має значення.

При великому радіусі заокруглення вплив товщини стелини простежується до значень h_п/l_к = 0,4-0,6, потім величина коефіцієнта стійкості практично стабілізується.

З урахуванням технологічної трудомісткості формування кривизни склепіння при збільшеному радіусі заокруглення рекомендується технологія формування «піонер-камери» лежачого боку зі стійкою склепистою стелиною, яка має мінімальний радіус заокруглення h_к/а_к ? 0,2 при куті нахилу площини склепіння ц ? 25° і товщині стелини h_п/l_к ? 0,4.

Залежність коефіцієнта стійкості від основних факторів, визначена за методикою проф. М. М. Протодьяконова, може бути подана у вигляді комплексного показника стійкості склепистої стелини, вираженого такою функцією

,(8)

Розділ 5 присвячено дослідженню і розробці технологій підземного видобування магнетитових кварцитів з використанням комбінованих закладних масивів. З метою розширення сировинної бази Кривбасу в даний час планується поновлення підземної розробки магнетитових кварцитів, запаси яких обчислюються мільярдами тонн. Розташовані на вищележачих горизонтах діючих шахт, ці запаси можуть бути доступні при проведенні мінімальної реконструкції відпрацьованих горизонтів.

З огляду на екологічні переваги підземного видобутку, а також можливість утилізації відвалів пустих порід у підземних пустотах пропоновані технології дозволять отримати високоефективний видобуток корисних копалин екологічно чистими ресурсозберігаючими технологіями.

Сутність пропонованих технологічних схем видобутку магнетитових кварцитів підземним способом полягає в тому, що ділянка, яка відпрацьовується (поверх), розділяється на очисні блоки I і II черги за принципом «камера - цілик». Відпрацьовування запасів очисних блоків I черги здійснюють камерною системою розробки. Після відпрацьовування запасів вироблений простір камер I черги заповнюють твердіючою закладкою зі зниженою витратою в'яжучого компонента. Після набирання твердіючою закладкою нормативної міцності переходять до відпрацьовування міжкамерних ціликів (очисних блоків II черги).

Відпрацьовування міжкамерних ціликів здійснюються системою розробки з обваленням руди та вмісних порід, що дозволяє штучному масиву твердіючої закладки камер I черги постійно перебувати у стані об'ємного стиску. Перебуваючи у стані об'ємного стиску, штучний масив твердіючої закладки зі зниженою витратою в'яжучого компонента набуває високої несучої здатності. Отже, досягається зниження собівартості закладки без порушення міцнісних характеристик штучного масиву.

Випуск обваленої руди в очисних блоках II черги здійснюється під пустими налягаючими породами. В якості породної закладки можуть використовуватися як породи від проходки виробок, так і породи відвалів, які можуть перепускатися спеціально в камеру за породоперепускними підняттєвими. За наявності відходів збагачення можлива комбінована закладка очисного простору камер II черги сумішшю пустих порід і хвостів збагачення. Така суміш має підвищену щільність і менший коефіцієнт усадки порівняно з пустими породами.

Основною проблемою при відпрацьовуванні камер другої черги є зниження рівня втрат магнетитових кварцитів і засмічення рудної маси твердіючою закладкою при випуску обвалених магнетитових кварцитів на контакті з бічною поверхнею штучних ціликів камер I черги.

З метою зниження втрат магнетитових кварцитів на контакті зі штучним масивом закладки і запобігання засміченню обваленої рудної маси закладкою було розроблено технологічну схему відпрацьовування блоків I і II черги, сутність якої подано на рис. 10.

Основна ідея пропонованої технології полягає в тому, що бічній поверхні штучного масиву надається форма, аналогічна формі твірної еліпсоїда випуску обваленої рудної маси.

У першу чергу відпрацьовуються запаси руди в камерах I черги. Розбурювання основного масиву камер I черги здійснюється глибокими свердловинами 7. Похилі глибокі свердловини 5, пробурені по границях камери I черги, служать для додання їх бічним поверхням 4 форми, характерної для твірної еліпсоїда випуску обваленої руди 3 блоків II черги.

Після відбійки та випуску обваленої руди через випускні виробки 8 очисний простір камер I черги заповнюють закладними твердіючими сумішами зі зниженою витратою в'яжучого.

Після набирання штучним масивом нормативної міцності переходять до відпрацьовування запасів магнетитових кварцитів у блоках II черги системами розробки з обваленням руди та вмісних порід. Ширина блоків II черги визначається на стадії проектування і приймається кратною «2b», де b - мала піввісь еліпсоїда випуску.

Остаточно ширина блока приймається з урахуванням мінімально припустимої відстані між сусідніми випускними виробками. Випускні виробки на контакті зі штучним масивом проектуються за умови, що відстань від вертикальної осі еліпсоїда випуску обваленої рудної маси до максимально віддаленої точки на поверхні бічної твірної штучного масиву дорівнює величині малої півосі еліпсоїда випуску.

З огляду на те, що сформована бічна поверхня штучного масиву закладки камер I черги аналогічна формі твірної еліпсоїда випуску відбитої рудної маси блоків II черги, випуск обвалених магнетитових кварцитів відбувається без бічного засмічення рудної маси матеріалом штучного масиву камер I черги.

Для дослідження якісних характеристик показників виймання було проведено лабораторні експерименти з випуску відбитої рудної маси на контакті зі штучним закладним масивом камер першої черги. Вивчався вплив відстані l_им від осі випускного отвору (вертикальної осі обертання еліпсоїда випуску) до бічної поверхні штучного масиву на втрати корисних копалин при їх випуску на контакті з масивом твердіючої закладки. Серія експериментів проводилася для різної висоти блоків Н_сл = 25 і 35 см при незмінних фізико-механічних характеристиках рудної маси, закладного масиву та пустих порід.

Характер випуску обвалених магнетитових кварцитів на контакті з криволінійною бічною поверхнею штучного цілика дозволяє говорити про безпосередній вплив кривизни бічної поверхні k_б на характер формування фігури випуску обваленої рудної маси та величину відносних втрат руди.

Експериментальні дослідження показали, що при повній симетричності твірної еліпсоїда випуску та бічної поверхні штучного масиву однобічне збільшення еліпсоїда випуску обваленої рудної маси характеризується коефіцієнтом диспропорційного розширення еліпсоїда випуску. Оптимальна величина коефіцієнта складає k_р = 1,6. Величина втрат магнетитових кварцитів залежить від кривизни бічної поверхні штучного масиву і складає П = 4-8 % при k_р = 1,6, що значно менше, ніж П = 18,9-22,5 % при вертикальному бічному контакті. Таким чином, втрати магнетитових кварцитів у блоках другої черги зменшуються прямо пропорційно коефіцієнту диспропорційного розширення еліпсоїда випуску, що перебуває в лінійній залежності від кривизни сегмента бічної твірної твердіючої закладки та при значенні коефіцієнта 1,0-1,60 забезпечує зниження втрат руди у 2,8-3,2 разу.

Розділ 6 присвячено дослідженням стійкості та несучої здатності комбінованих штучних масивів.

Напружено-деформований стан закладного масиву в загальному вигляді можна подати як суму початкового поля напружень і зсувів недоторканого масиву та додаткового поля напружень і зсувів, що є результатом відпрацьовування покладу та заповнення виробленого простору очисної камери закладним матеріалом. Отже, для одержання необхідних чисельних значень дослідження напружено-деформованого стану необхідно розбити на етапи, прив'язані до технологічних циклів відпрацьовування покладів. Відповідно до даної методики ми маємо такі технологічні етапи: 1 - відпрацьовування камер першої черги; 2 - заповнення відпрацьованої камери твердіючою закладкою; 3 - відпрацьовування камер другої черги з одночасним заповненням камери дробленою пустою породою.

Для запобігання появі критичних напружень розтягнення та появі випуклих ділянок було прийнято криволінійну форму контуру бічної поверхні штучного масиву. Характер розподілу головних мінімальних і максимальних напружень у штучних масивах з криволінійними бічними поверхнями подано на рис. 11.

Поперечний переріз цілика в такій моделі в середній його частині зменшувався на 7-25 % і характеризувався коефіцієнтом кривизни бічної поверхні k_б.

Аналіз розподілу головних напружень у₁ і у₃ у штучному цілику показав, що поряд з деяким збільшенням абсолютних значень стискальних напружень (на 7-12 %) порівняно з ціликом, який має вертикальні відслонення, спостерігається загальне зниження концентрацій напружень у кутах цілика. Одночасно спостерігається більш рівномірний розподіл напружень по контуру штучного масиву.

Основним позитивним ефектом, досягнутим при формуванні криволінійної бічної поверхні штучного цілика, є зниження величини розтяжних напружень.

Додаткове зниження величини розтяжних напружень і підвищення загальної стійкості штучних масивів спостерігалися при заповненні сусідніх блоків II черги дробленою пустою породою.

Виконаними дослідженнями визначено, що основними факторами, які впливають на стійкість штучних масивів, є: відношення висоти до ширини цілика, величина об'ємного тиску (бічного розпору) та форма бічної поверхні штучного масиву твердіючої закладки.

Дослідження проводилися за умови заповнення приграничних блоків другої черги дробленими пустими породами (експеримент I) та збезводненими хвостами збагачувальних фабрик (експеримент II). Експеримент III виконано для аналогічного закладного твердіючого масиву, що перебуває в стані одноосьового стиску.

Математичне моделювання розподілу головних мінімальних у₁ і максимальних у₃ напружень у штучному цілику дозволяє зробити висновок, що створення умов об'ємного стиску штучного масиву дробленими пустими породами дозволяє запобігти появі розтяжних напружень на границі цілика та підвищити загальну стійкість штучного масиву зі зниженою витратою в'яжучого компонента. Крім цього, створення умов об'ємного стиску для штучного масиву дозволяє запобігти появі дотичних напружень, величина яких при визначених навантаженнях може перевищити опір твердіючої закладки на зсув, що приводить до появи площин ковзання, які викликають руйнування штучного масиву.

Дані моделювання дозволили одержати залежності коефіцієнта стійкості штучного масиву від впливових факторів і порівняти їх з результатами аналогічних досліджень, відомих з літератури, рис. 12.

Порівняльний аналіз отриманих результатів показує, що на величину коефіцієнта стійкості найбільший вплив мають фізико-механічні властивості закладного матеріалу, коефіцієнт форми цілика, який виражається відношенням k_ф = h_ц/L_ц, і коефіцієнт кривизни бічної поверхні k_б.

Залежність коефіцієнта стійкості штучного масиву від основних факторів визначається за методикою М. М. Протодьяконова і має вигляд

,(9)

де k_уп - коефіцієнт зміцнення, який характеризує ступінь підвищення несучої здатності комбінованих штучних масивів і визначається з виразу

...