Лекция 6. Способы отбойки породного и рудного слоев при селективной выемке

>В последнее время с увеличением глубины горных работ все чаще в эксплуатацию стали вовлекаться маломощные и тонкие рудные залежи, имеющие высокое содержание полезного компонента в добываемой руде. Эксплуатация таких месторождений, ввиду интенсивной опережающей выемки рудных тел с благоприятными горно-геологическими условиями, характеризуется с невысокими технико-экономическими показателями, малым уровнем механизации и большой трудоемкостью очистных работ из-за низкой эффективности применяемой системы разработки. Почти 50% запасов золоторудных и редкоземельных месторождений представлены маломощными рудными телами. Отработка таких месторождений ведется системами разработки с поддержанием очистного пространства закладкой материалами, полученными из внешних источников, а именно, используют сухую или гидравлическую закладку. Поскольку ширина очистного пространства при разработке маломощных рудных тел небольшая, то размещение такого типа закладки является трудоемким процессом. Кроме этого происходит проникновение отбитой рудной мелочи в закладочный материал, что приводит к увеличению и без этого высокого разубоживания достигающего на многих месторождениях до 80%. Малая ширина очистного пространства также затрудняет применение средств механизации, в частности, скреперных лебедок. Трудоемкость и сложность закладочных работ, многооперационность очистных работ приводит к большим затратам, а следовательно, к не рентабельности отработки рудных тел. В связи с этим, при разработке маломощных залежей с богатым содержанием полезного компонента большой интерес представляет система разработки с селективной выемкой и закладкой подрываемыми вмещающими породами.

Применяют различные варианты технологии селективной выемки с закладкой, получаемой от подрывки боковых вмещающих пород.

Несмотря на многочисленные исследования и практику применения различных вариантов этой системы разработки, она не нашла достаточно широкого применения по нескольким причинам.

Для обеспечения необходимого качества добываемой руды ширину очистного пространства оставляют минимально допустимой. Но это осложняет ведение очистных работ, применение средств механизации. Взрывные работы в условиях зажима приводят к тому, что большая часть энергии ВВ расходуется на переизмельчение отбиваемой руды. Причем при неблагоприятной ориентации системы трещин сейсмическое воздействие взрыва приводит к ослаблению обнаженных поверхностей (боковых и кровли) и последующему их отслоению, что способствует возрастанию вторичного разубоживания и тем самым ухудшению качества руды, осложнению очистных работ. Кроме этого, переизмельчение рудной массы с повышенным содержанием полезного компонента является источником потерь на различных стадиях добычи. Поэтому применение варианта селективной выемки с минимально допустимой шириной очистного пространства не эффективно.

Для улучшения технико-экономических показателей отработки маломощных рудных тел ширина породного прихвата определялась без учета коэффициента разрыхления, а соответственно гранулометрического состава, что приводило либо к недостаточному призабойному пространству, либо к слишком большому, нуждающемуся в дозакладке.

Причем в известных вариантах системы разработки с селективной выемкой рудный слой отбивался первым, а породный вторым. И рудный и породный слои отбивались сплошными зарядами. Так как рудный слой отбивался первым, то в отбитой руде преобладали куски мелких фракций, а в породном, который имел две, три плоскости обнажения наоборот крупные куски породы. Такой гранулометрический состав руды и породы способствовал просыпанию рудной мелочи в породную закладку, что приводило к значительным потерям наиболее обогащенной рудной мелочи.

При предлагаемом варианте отбойка руды ведется на закладочный массив, причем гранулометрический состав руды и породы различен. Отбойка вмещающих пород, формирующих закладочный массив, с двух сторон при встречном взрывании позволит получить ряд количественных и качественных преимуществ перед отбойкой одностороннего породного прослоя.

К количественным следует отнести обеспечение необходимого гранулометрического состава и заданный коэффициент разрыхления за счет дополнительного дробления соударяющихся кусков породы, что позволит разместить всю породу в выемочном пространстве.

Известно, что взрыв это быстрое физическое или химическое превращение вещества, сопровождающееся переходом его потенциальной энергии в кинетическую энергию газообразных продуктов. Существенным признаком взрыва является резкий скачок давления в окружающей среде, что служит причиной возникновения в ней ударной волны, а в горных породах – поля напряжений.

В момент детонации ВВ под воздействием высокого давления продуктов детонации окружающий зарядную полость массив начинает смещаться и уже через 1-2 мкс его скорость смещения достигает через 10-20 мкс и практически на этом уровне сохраняется в течение нескольких сот мкс, а затем постепенно уменьшается. При этом диаметр зарядной полости увеличивается в 1,5-2 раза. Спустя 1-2 мкс устанавливается овазистатическое напряженное состояние, которое сохраняется в течение 10-15 мс, вплоть до выброса продуктов детонации из зарядной полости. В соответствии с динамикой смещения стенок зарядной полости происходит передача энергии в окружающую среду и возникновение волны напряжений высокой интенсивности. При этом количественные значения упругих параметров среды сильно изменяются. Коэффициент Пуассона возрастает до значений 0,3-0,4, скорости и Юнга возрастают в 1,5-2 раза.

Вблизи зарядной полости образуется пластически деформируемая зона – зона переизмельчение, размеры которой достигают 3-5 радиусов. За ее пределами скорости продольной и поперечной волны быстро уменьшаются и вырождаются в звуковые. Волна напряжений в этот момент времени представлена тремя сжимающими компонентами – радиальной, тангенциальной и осевой, а разрушение массива происходит за счет сдвига. Чем выше величина максимальных колебательных напряжений, тем быстрее наступает процесс его разрушения. За счет геометрического расхождения и диссинации энергии величины напряжений быстро уменьшаются. Граница зоны сдвига устанавливается на расстоянии от зарядной полости, где возникают условия перехода тангенциальных напряжений из сжимающих в растягивающие и образуются радиальные трещины. Несмотря на образования радиальных трещин, массив обладающий упругими свойствами, накапливает определенную величину потенциальной энергии сжатия.

После снижения давления в зарядной полости потенциальная энергия сжатия реализуется и массив приобретает определенную скорость смещения в сторону зарядной полости. При достижении критических значений скоростей на растяжение происходит образования кольцевых трещин.

При взрыве заряда у свободной поверхности механизм разрушения в близи зарядной полости ни чем не отличается от рассмотренного.

При удалении волны напряжений от заряда начинает сказываться влияние статического поля напряжений, выражающееся в изменении скорости распространения фронта волны. Несколько медленнее он распространяется в сторону ЛНС, где массив наиболее разрушен от статических напряжений, но вместе с тем по ЛНС наименьшее расстояние до свободной поверхности, поэтому фронт прямой волны выполаживается.

Благодаря этому уменьшается геометрическое расхождение напряжений и повышается эффективность взрывного разрушения.

Поэтому наибольший интерес представляет использование энергии направленного взрыва на улучшение качества отбиваемой горной массы. Основной целью рекомендованного авторами варианта системы разработки с селективной выемкой и закладкой подрываемыми вмещающими породами является обеспечение оптимального гранулометрического состава отбитой руды и породы, а именно, порода должна отбиваться с преобладанием мелочи, а руда иметь фракции таких размеров, которые обеспечат минимальное их проникновение в породную закладку. Все это приводит к снижению разубоживания и потерь наиболее ценной рудной мелочи. Рассматриваемая схема будет жизнеспособна в том случае, когда рудная мелочь не сегрегирует в породу.

Поскольку особенностью предлагаемой системы является использования в качестве закладки подрываемых вмещающих пород, то их объем должен быть таким, чтобы полностью заполнить ими необходимый объем выработанного пространства.

Основной недостаток сухой породной закладки, несмотря на низкую стоимость, доступность и простоту технологии закладочных работ, это неоднородная ее плотность, что не позволяет эффективно управлять горным давлением и обеспечивать необходимую безопасность ведения горных работ, а следовательно, ограничивает область ее применения.

Улучшение физико-механических свойств закладочного материала, образованного подрываемыми вмещающими породами, осуществляется подбором гранулометрического состава закладки.

Влияние гранулометрического состава на плотность закладки исследовалось В.И. Геронтьевым, В.В. Охотиным, В.В. Добровольским, В.И. Симоновым, Г.М. Ляховым, Н.А. Красниковым и др.

А.А. Фурман предложил приближенную формулу для определения давления летящего куска в момент его внедрения в массив.

При взрыве только небольшая часть энергии ВВ расходуется непосредственно на разрушение массива, а остальная идет на разброс отбитой горной массы. Причем с увеличением степени дробления массива взрывом удельный вес энергии ВВ, расходуемый на разброс отбитой горной массы, возрастает. К моменту завершения процесса отрыва массива движущаяся часть взорванной горной массы располагает определенным запасом кинетической энергии, которую можно использовать на дополнительное дробление. Использование ее возможно в том случае, когда куски отбитой породы будут двигаться навстречу или под углом друг к другу и соударяться.

Исследования по изучению соударения взорванных кусков на качество дробления проводились А.З. Гребеньковым на Зыряновском руднике. На отрезную щель шириной 2,5 м навстречу друг другу взорвали два ряда скважин по одному с каждой стороны щели. Затем на открытую камеру взорвали два ряда скважин порядно.

Эксперименты показали, что при порядной отбойке, где направление соударения кусков отсутствует, выход негабарита составил от 12% до 20%, а при встречной 2-3%. При встречно-направленном взрывании порядка 80-90% составляли куски диаметром 8-10 см. Практически негабарит отсутствовал. Соударение кусков позволило снизить выход негабарита в 4-6 раз.

Аналогичные результаты получены в Кривом Роге на шахте «Коммунар» при системе подэтажного обрушения с отбойкой слоев руды вертикальными веерами на вертикальную компенсационную камеру. При вскрытии слоев применяли встречно-направленное взрывание. Это обеспечило хорошее измельчение руды, снижение расхода ВВ на вторичное дробление. Отбойка массива вертикальными слоями при встречно-направленном взрывании их на компенсационную камеру с применением короткозамедленного взрывания позволило на шахте «Победа» того же рудоуправления снизить выход негабарита до 1,5-2 %.

Эксперименты, проведенные А.З. Гребеньковым на Зыряновском руднике показали, что с увеличением угла соударения улучшаются качество дробления и все остальные показатели отбойки, причем наилучшее дробление наблюдается при встречной отбойке с углом соударения - 180⁰.

Все исследования А.З. Гребенькова, А.Ф. Хивренко, В.В. Нестеренко, А.И. Ляхова и других проводились при взрывании скважинных зарядов. Рассматриваемая система разработки с селективной выемкой и закладкой подрываемыми вмещающими породами предусматривает шпуровую отбойку. Причем при отработке маломощных рудных тел вариантом системы разработки с отбойкой двухстороннего породного прихвата, используемого в качестве закладки, эффект дополнительного дробления при соударении играет основную роль для достижения необходимого качества дробления. Породная закладка должна содержать максимум мелких фракций, чтобы обеспечить минимальное проникновение крупнокусковой руды в нее. Кинетическая энергия движущихся кусков горной массы в момент соударения увеличивается, а следовательно, улучшается качество дробления взорванной массы.

Теоретически эффект дополнительного дробления для элементарного объема, сечением 1 см², можно описать следующим образом.

Известно, что сила

F = ma,

где a - ускорение, см/сек²

;

m – масса куска, вовлеченная в движение

-скорость полета куска, см/сек; t – время развития скорости от 0 до , сек; V - объем куска, см³; γ – плотность пород, г/см³; g - ускорение силы тяжести, см/сек²;