Подземная разработка месторождений

Предлагаемая методика дает возможность определить реальный уровень потерь неотбитых руд при использовании погрузодоставочной техники любых габаритов. Полученные величины потерь могут быть применены для экономического обоснования технологии ведения очистных работ.

Рис. 6.3. Распределение доли запасов руды в зависимости от средней мощности рудных тел по классам мощности: 1,2,3,4 соответственно классы

мощности 0,1-1,0; 1,1-2,0; 2,1-3,0; 3,1-4,0….

Рис. 6.4. Зависимость распределения содержания металла от среднего содержания металла по блоку:

1,2,3,4,5,6 – классы содержания 200, 150, 100, 75, 50, 0-40 в усл. ед.

251

Исходя из описанной методики, рассчитаны потери металла в неотбитых рудах в зависимости от среднего содержания и средней мощности рудных тел (рис. 6.5.) при заданной ширине очистного пространства 3,5 м, определяемой габаритами погрузодоставочной машины типа МПДН-1.

Рис. 6.5. Зависимость потерь металла в неотбитых рудах при нисходящей слоевой выемке: 1,2,3,4,5 – мощность рудных тел соответственно 1,2,3,4,5 м

При отработке запасов слоевой системой сверху вниз потери металла в неотбитых рудах закономерно уменьшаются для данных условий по мере увеличения мощности рудных тел и содержания в них полезного компонента (см. рис.6.5.). При отработке рудных тел малой мощности и с низким содержанием металла его потери в неотбитых рудах достигают десятков процентов, что свидетельствует о целесообразности применения в этих условиях погрузодоставочной машины меньших габаритов. При отработке мощных рудных тел с высоким содержанием полезного компонента потери в неотбитых рудах составляют лишь десятые доли процента.

Потери отбитой руды на почве очистного пространства образуются в части заходок, неподрабатывающейся нижним слоем.

Относительные потери отбитой руды на почве очистного пространства

где Кн – коэффициент неподработки очистного пространства, д. ед.;

hнч- толщина слоя рудной массы на почве очистной заходки после зачистки, м; Кр – коэффициент разрыхления, д.ед.;

h – высота очистной выработки, м.

Коэффициент неподработки очистного пространства рассчитывается по формуле

где Коб – коэффициент обогащения рудной мелочи на почве очистной выработки, д.ед.

На рис. 6.6. показана зависимость коэффициента обогащения рудной мелочи на почве очистной выработки от среднего содержания металла в недрах.

Рис. 6.6. Зависимость коэффициента неподработки от содержания полезного компонента в балансовых рудах

Потери отбитой руды в днище блока происходят в «гребешках» на междучечных

где h – высота рудного тела в пределах камеры, м.

6.5.3.Потери при отработке запасов подземным выщелачиванием

Потери руды и металла при отработке запасов системой «блоковое магазинирование со скважинной отбойкой руды и последующим ее выщелачиванием» на стадии отбойки не регламентируются.

минерального состава уранового оруденения, текстурных особенностей оруденения, размера куска горно-рудной массы, полученного в процессе отбойки камеры, содержания урана в рудах и других факторов. Наибольшую роль в этом перечне играет литологический состав вмещающих пород и содержание полезного компонента в рудах.

Фактические относительные потери при подземном выщелачивании скальных урановых руд определяются после завершения процесса выщелачивания по балансу металла

Мизвл - количество металла, извлеченное в процессе выщелачивания, т.

253

Контрольные вопросы

1.Классификация потерь руды по месту их образования?

2.Классификация разубоживания?

3.Методы определения фактических показателей извлечения руды?

4.Нормирование показателей извлечения руды?

5.Основные мероприятия по снижению потерь и разубоживания?

6.Разубоживание при добыче радиоактивных руд?

7.Потери при нисходящей слоевой выемке с закладкой выработанного пространства твердеющей смесью?

8.Потери при отработке запасов подземным выщелачиванием?

254

Глава 7

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ГОРНОГО МАССИВА

7.1. Факторы, определяющие напряженное состояние пород вокруг выработок А. Пространственно-геометрические параметры выработок - форма и размеры

поперечного сечения, близость соседних параллельных и пересекающих выработок. Наивысшей устойчивостью обладает выработка круглой формы или близкой к этому

эллиптической формы. Наиболее удобна прямоугольно-сводчатая форма поперечного сечения выработки с точки зрения ее крепления (рис. 7.1).

Чем меньше размеры выработки, тем выше ее устойчивость, но минимальные размеры определяются назначением выработки, зазорами между используемыми здесь машинами и стенками.

В кровле и бортах выработок расположена зона повышенных напряжений, поэтому ближайшие выработки могут вызвать наложение своих зон опорного давления (обычно ширина зоны составляет 1,5-2 ширины выработки) на целик и привести к его разрушению.

Б. Деформационные характеристики вмещающих пород

Упругие вмещающие породы под действием внешнего давления «уходят» из-под нагрузки, т.е. напряжения реализуются (рис. 7.1.). Распределение напряжений в стенках и кровле выработки прямоугольной (а) и прямоугольно-сводчатой (б) форм поперечного сечения пород (конечно, до определенного момента). Кроме того, часть внешнего давления породы за счет релаксации просто «перерабатывают» с изменением в кристаллической решетке. Таким образом, можно существенно уменьшить внешнюю нагрузку на достаточно продолжительный период времени. На использовании деформационных характеристик пород основано применение податливой крепи и целиков. Податливость крепи обеспечивается особенностями конструкции сочленения звеньев металлической арки, податливость же целиков обусловлена созданием в нем, например, маломощным взрывом или же бурением параллельных скважин через 200 -250 мм зоны раздробленных пород (рис. 7.2).

255

Рис. 7.1. Распределение напряжений в стенках и кровле выработки прямоугольной (а) и прямоугольно-сводчатой (б) форм поперечного сечения

Рис. 8.1. Распределение напряжений в стенках и кровле выработки прямоугольной (а)

ипрямоугольно-сводчатой (б) форм поперечного сечения

а- трехзвенная; б - пятизвенная; 1 - верхняк; 2 - боковые стойки; 3 -податливая ножка

256

В. Особенности начального поля напряжений нетронутого массива

В зоне влияния выработки может быть изначально избыточное горное давление, вызванное, например, большой глубиной, близлежащим тектоническим разломом или обрушением опорных целиков.

Г. Характеристики воздействия на породы при проходке и эксплуатации выработок

Скорость проходки выработки, взрывная отбойка оказывают существенное влияние на формирование волны давления перед забоем. При высокой скорости породы не успевают скомпенсировать часть опорного давления, что может привести, например, к горному удару в хрупких породах или к обрушению в пластичных породах.

7.2.Прогнозирование палеонапряжений

ввулканических кальдерах и динамика разрушения горных пород

Считается, что породы на разрабатываемом месторождении когда-то многократно испытали чрезвычайно высокие напряжения или какие-то другие воздействия, которых в настоящее время нет, вызвавшие современное поле напряжений в горном массиве. Но это суждение, по мнению М.А. Иофиса, ошибочно1. Ведь с уменьшением скорости деформации снижается и сопротивление твердого тела изменению его формы. Таким образом, сопротивление изменению формы (интенсивность напряжений) у горных пород не является характеристикой прочности, а зависит от деформационного процесса при очень медленных изменениях формы. Вследствие этого напряжения в земных недрах будут определяться кинематикой перемещения масс в поле силы тяжести. Несколько упрощая, можно утверждать, что напряженное состояние в недрах Земли определяется гравитационным полем и кинематикой движения масс, так что структура поля напряжений есть следствие, а не причина движения.

Тензор напряжений в нетронутом массиве горных порол традиционно определяется совокупностью гравитационных и тектонических напряжений, МПа,'

257

Таблица 7.1.

μ- коэффициент поперечных деформаций (Пуассона); μ =εпопер/εпрод =0-0,5.

Вблизи горных выработок напряжения нетронутого массива преобразуются в опорное давление за счет перераспределения нагрузок над выработкой-полостью на окружающий массив.

Ширина зоны опорного давления, м, обычно определяется зависимостью:

(370)

где В - ширина пролета выработки, м; К1 - коэффициент влияния ширины пролета выработки, К1= 0,5-1 при В = 30-3 м; К2 - коэффициент влияния свойств пород, К2 = 0,8-1,5 для крепких, монолитных, трещиноватых пород; К3 - коэффициент влияния глубины разработки, при глубинах 300-600 м, К3 = 1, затем немного увеличивается.

Увеличение горного давления по сравнению с давлением в нетронутом массиве характеризуется концентрацией опорного давления. Коэффициент концентрации напряжений определяется по известной формуле:

(371)

где К4 - коэффициент формы выработки в плане: К4 - 0,7 при квадратной форме (камере) и

К4 - 1 для протяженных выработок (орт, штрек).

Условие устойчивости выработки: kKk3imyH < ζсжмас, где Кзап - коэффициент запаса; ζсжмас - предел прочности на сжатие пород в массиве, МПа.

Рассмотрим тектоническую составляющую тензора напряжений произвольного гидротермального месторождения (большинство месторождений руд цветных, редких и радиоактивных металлов), приуроченного к вулканической кальдере.

258

Процессы формирования вулканической кальдеры, палеонапряжений растяжения - сжатия, вызванные депрессией потоков магмы, определяют уровень горного давления гидротермального месторождения. Оценку действующих напряжений в пределах кальдеры невозможно осуществить традиционно используемыми гипотезами Гейма, Динника и др. Тензор тектонических напряжений напрямую зависит от координат рассматриваемой точки горного массива относительно очага вулканического возмущения, поэтому очень важно знать, в какой части кальдеры (в зоне сжатия, растяжения или на их границе) ведется отработка рудного тела.

Предположим, что формирование кальдеры происходит следующим образом. Магматический очаг представим и первом приближении как шар с избыточным внутренним давлением, которое разрывает горные породы, по швам, на земную поверхность изливается магма, а толща пород проседает с образованием вулканической кальдеры.

Рассмотрим механику распределения палеонапряжений и толще пород, обладающих анизотропией общего вида и подчиняющихся закону взаимодействия масс материи (закон всемирного тяготения). Согласно этому закону напряженность поля, вызванная точечным, объемным или линейным источником возмущения, снижается с удалением от источника обратно пропорционально квадрату расстояния до него. В векторной форме эта зависимость имеет вид

где E0 - величина начальной напряженности возмущения; R - скалярная величина радиус-

вектора: R - радиус-вектор от источника до точки наблюдения с координатами А(х, у, z);

Если источник возмущения - сфера радиусом rо с начальной напряженностью поля

E0= 4/3*Π rо3 (375)

то, переходя от интенсивности объема фиктивной сферы к абсолютной величине смещения ее центра, получаем

(376)

В декартовых координатах смещения

(377)

Коэффициент К = 2 формуле для вертикальных смещений Uz объясняется тем, что фиктивно сфера расположена симметрично поверхности, а фактически она должна располагаться лишь в нижнем полупространстве.

Величины деформаций определяются после дифференцирования функций смещений:

259

(378)

Напряжения и деформации в произвольной точке упругого тела связаны между собой известной зависимостью :

(379)

(380)

При этом среднее нормальное напряжение в этой произвольной точке

ζо =ЕΘ/3(1-2μ), (383))

Напряжения гравитационных, тектонических сил и представление толщи горных пород как упругопластической среды с элементами ползучести можно учесть путем введения в

формулы (3) и (4) соответствующих известных функциональных зависимостей.

Известны следующие реологические модели поведения горных пород3: а) Ньютона; б) СенВенана; в) Максвелла; г) Кельвина - Фойгта; д) Шведова - Бингама; е) Пойтинга - Томсона. Последняя модель, по общему мнению, наиболее полно соответствует реальному процессу деформирования горных пород во времени. Деформации определяются следующим образом:

(384)

где ζ - напряжение, МПа; Едл - длительный модуль упругости, МПа; Е - мгновенный модуль упругости, МПа; t - интересуемый интервал времени, сут; η0 - время релаксации, за которое напряжения уменьшатся в е = 2,718 раз по сравнению с первоначальными, сут.

Кроме того, полную деформацию горных пород в любой момент времени можно получить по зависимости Больцмана - Вольтерра - Ержанова, основанной на уравнении состояния с сингулярным ядром Дюффинга4:

260