УДК 622.835 магистрант: Казыбек К.Б.

Модели при определении параметров отработки жильных месторождений

Отработка крутопадающих рудных месторождений подземным способом на всю высоту горизонта с последующим выпуском может привести к тому, что вокруг очистной выработки может образоваться зона разрушения или зона неупругих деформаций (з.н.д.) [1]. Данная зона разрушения образуется во вмещающих рудные тела породах.

При выпуске руды часть такой породы попадая в отбитое рудное тело вызовет неизбежное разубоживание полезного ископаемого.

Если размеры з.н.д. незначительны, то и разубоживание руды также будет незначительно. При образовании достаточно большой зоны разрушения разубоживание может достигать значительных величин. Это, в свою очередь, приведет к значительным дополнительным затратам на обогащении руды. В данном случае возникает экономическая целесообразность разработки технических мероприятий и дополнительного крепления отработанного пространства с целью предотвращения отслоения вмещающих горных пород в отбитую руду.

Для исследования возможных размеров з.н.д. вокруг очистных выработку в условиях рудника «Ушкатын-3» АО Жайремский ГОК было проведено математическое моделирование исследуемых процессов. Моделирование в данном случае было проведено для нескольких вариантов, как технологических параметров, так и горно-геологических условий.

В качестве исходного варианта был выбран блок с размерами по высоте 48 м и шириной 5, 6, 8, 10 м. Физико-механические свойства менялись в пределах существующих на руднике.

Проведенное предварительное математическое моделирование показало, что изменение угла отрабатываемой жилы в пределах от 90⁰ до 80⁰ и угла внутреннего трения от 30⁰ до 37⁰ не оказывают значительного влияния на размеры зоны разрушения вокруг выработки. Поэтому все дальнейшие расчеты были выполнены при следующих неизменных параметрах:

· высота горизонта 48 м;

· глубина залегания 150 м;

· угол залегания отработанного пространства 85⁰;

· угол внутреннего трения горных пород 33⁰;

· Объемная масса пород 2,6 г/см³.

При построении зоны неупругих деформаций осуществляется оценка прочности элементов массива по заранее заданным направлениям (лучам) просмотра.

Определение напряженно-деформированного состояния вокруг исследуемой выработки осуществлялось численным методом граничных интегральных уравнений по специально разработанной программе.

Данная программа позволяет учитывать физико-механические свойства горных пород, а также в косвенном виде временной фактор [2,3].

Особенностью работы программы по расчету напряженно-деформированного состояния вокруг выработок является то, что все прочностные параметры горных пород задаются в долях gН [4].

Результаты расчетов представлены в виде координат Х и У контура разрушения вокруг выработки. Кроме того, имеется возможность просмотра данной зоны разрушения в графическом виде.

Расчеты был выполнен для 24 вариантов изменения физико-механических свойств вмещающих горных пород и изменения ширины отрабатываемой жилы. В представленных вариантах также учитывался коэффициент ослабления вмещающих пород, который изменялся от 0,2 до 0,8.

Как показало математическое моделирование, при ширине отрабатываемой жилы равной 5 м и прочности вмещающих пород близкой к сыпучей среде зона разрушения вокруг выработки составляет в боках около 12 м, а в кровле - почве около 10 м. Т.е. в данном случае была определена максимально возможная зона разрушения в полностью нарушенных породах (см.рисунок 1). Такой случай возможен при попадании очистного участка работ в зону нарушения, с несвязанными сыпучими горными породами не может быть применим ко всему очистному блоку.

Рисунок 1 – Размеры зоны разрушения при прочности пород близкой к нулю

Однако следует отметить, что данный расчет проведен при отсутствии полезного ископаемого в очистной выработке. Наличие отбитой руды должно создать дополнительный отпор со стороны очистной полости и препятствовать расслоению выработанного пространства. В этом случае основное расслоение будет происходить в верхней части выработанного пространства, что позволит извлекать руду с меньшим разубоживанием, так как основное разрушенные породы будут находится в самой верхней части магазина. Это обстоятельство дает возможность контролировать извлечение горной массы до тех пор, пока не извлечется все полезное ископаемое

Наличие более прочных горных пород резко снижают размеры зоны разрушения вокруг выработки и тем самым дают возможность если не полностью исключить процесс разубоживания, то значительно его уменьшить.

Следует особо отметить, что если предельная прочность горных пород на растяжение превышает величину 6 МПа, то зона разрушения вокруг очистной выработки не образуется. И как следствие этого разубоживание полезного ископаемого не происходит.

Результаты моделирования были обработаны статистическими методами для нахождения аналитических зависимостей развития зоны разрушения от относительной крепости вмещающих горных пород.

Получена следующая аналитическая зависимость:

Рисунок 2 – Зависимость размеров зоны разрушения от прочности горных пород на растяжение при ширине выработки 6 м

В качестве уравнения для описания размеров зоны разрушения вокруг очистной выработки была принята полиноминальная линия тренда. Полученный коэффициент детерминации R²=0,9944 (см.рисунок 2) говорит о хорошем результате проведенной работы.

На основании выше изложенного можно сделать следующий вывод, что при стандартных существующих условиях на руднике «Ушкатын-3» устойчивость очистной выработки не вызывает сомнения. Однако значительные размеры очистной выработки (около 400 метров) создают большую вероятность варьирования физико-механическими свойствами вмещающих пород и возможным наличием незначительных нарушений в массиве. Большой срок эксплуатации очистной полости и возможное наличие влаги также не улучшают ее устойчивость.

Наиболее рациональным и приемлемым решением в данном случае, на наш взгляд, должно быть применение анкерной крепи для укрепления боков очистного пространства.

Параметры анкерного крепления и места его установки должны корректироваться с учетом конкретных горно-геологических условий. Т.е. в некоторых случаях при наличии слабых пород такое крепление должно производится в обязательном порядке с рациональным шагом. При наличии крепких вмещающих пород данный вид крепи может или вообще не использоваться или использоваться с увеличенным шагом.

Преимуществом указанного типа крепей является их низкая стоимость, металлоемкость, трудоемкость установки и высокая эффективность сопротивления силам горного давления.

Работа анкерной крепи позволяет использовать ее не только в качестве силового элемента, препятствующего расслоению пород и смещению их в полость выработки, но и элемента, обеспечивающего связь между отдельными фрагментами разрушенных пород по всем направлениям (радиальном, тангенциальном и вдоль оси выработки). Этим обеспечивается значительное повышение грузонесущей способности заанкерованной оболочки разрушенных пород за счет повышения их остаточной прочности.

Литература:

1. Картозия Б.А., Борисов В.Н. «Инженерные задачи механики подземных сооружений», М: 2001 г.

2. Колоколов С.Б. Расчет параметров поддерживающей и анкерной крепи горизонтальных горных выработок: //Учеб. пособие / Карагандинский политехнический институт. Караганда, 1990.

3. Колоколов С.Б. Численный анализ разрушения массива вокруг выработки // Физико- технические проблемы разработки подземных ископаемых. - 1988.- N 5.- С.114 - 117.

4. Колоколов С.Б. Определение границы неупругой области вокруг горной выработки// Известия вузов. Горный журнал.- 1988.- N 9. - С.39-41.