§7.8. Утворення підсічних камер та відрізних щілин (компенсаційного простору)1

Процеси утворення різних за формою, розмірами, розташуванням у блоках (панелях) та технологією підсічних і відрізних просторів є характерними для переважної більшості систем розробки рудних родовищ і передують початку розвитку власне основних очисних робіт. Ці процеси є необхідними й дуже важливими, оскільки вони в значній мірі впливають на ефективність очисного виймання та кінцеві техніко-економічні показники. Роботи з утворення цих камер і щілин дуже трудомісткі, потребують значно більших витрат матеріалів у порівнянні з вийманням основної частини запасів, тому ступінь цього впливу визначається їх питомою вагою у загальних запасах виймальної одиниці.

Підсічні та відрізні камери, компенсаційні простори виконують дві основні функції:

1) створення вільної оголеної поверхні в рудному масиві, яка забезпечує успішну роботу зарядів ВР з відбійки та подрібнення руди;

2) компенсація збільшення об’єму обваленої при відбійці руди для створення сприятливих умов для її вільного випуску на приймальні горизонти (виробки доставки).

При камерних системах розробки головною є перша функція, бо відбійка шарів здійснюється послідовно і достатньо навіть відносно незначних за шириною (висотою) розмірів цих порожнин. Тому для цих систем більш правильно називати їх відрізними щілинами (якщо вони орієнтовані вертикально), або підсічними камерами чи просто підсічкою при їх розташуванні в нижній частині виймальної одиниці над випускними виробками.

При системах з масовим обваленням руди (системи підповерхового та поверхового примусового обвалення) важливими є обидві функції, але головна мета – забезпечення нормального коефіцієнта розпушення руди при її відбійці, який у більшості випадків знаходиться у межах 1,20…1,40, досягається створенням компенсаційного простору необхідного об’єму. Внаслідок цього, як правило, розміри компенсаційних камер будуть більшими, але технологія їх утворення у більшості випадків є однаковою або дуже подібною.

У загальному вигляді значення коефіцієнта розпушення К_р при масовому обваленні рудного масиву можна визначити з виразу, долі од.

, (7.5)

де V_рм – об’єм рудного масиву панелі (блока), м³; V_кк – об’єм компенсаційного простору, м³.

Стосовно другої функції слід також відзначити, що на практиці інколи руду відбивають і без наявності вільного компенсаційного простору, тобто на «затиснене» середовище, в якості якого виступає попередньо обвалена та розпушена частковим підвипуском руда або порода, яка має певні компенсаційні властивості й безпосередньо контактує з масивом, який підлягає обваленню. Більш детально про цей спосіб відбійки сказано в розділі 5 даного посібника.

На практиці відомо багато різних за формою, розмірами, технологією утворення та місцем розташування підсічних і відрізних просторів , які досить детально описано у деяких підручниках та посібниках, наприклад [6]. Ми розглянемо тільки основні способи їх утворення, а також питання, пов’язані з вибором, проектуванням та розрахунками утворення цих просторів.

За орієнтацією у просторі вони можуть бути горизонтальними, похилими або вертикальними (рис. 7.23). Вибір орієнтованості цих порожнин буде залежати, передусім, від способу обвалення рудного масиву та стійкості оголень рудного або породного масивів у конкретних умовах для забезпечення їх існування протягом необхідного терміну часу. Слід пам’ятати, що при всіх рівних інших умовах (тобто глибина розробки, міцність та стійкість порід, потужність рудного покладу, площа оголення й ін.), найбільш стійкими є вертикальні, найменш стійкими – горизонтальні оголення.

а) б) в)

Рис. 7.23. Схеми відбійки руди на горизонтальні (а), похилі (б) та вертикальні (в) компенсаційні камери

Їх утворення може здійснюватися із використанням дрібних шпурів діаметром 40…50 мм та довжиною до 2…2,5 м, які вибурюють переносними (ручними) або телескопними перфораторами, штанговими шпурами діаметром 50…85 мм довжиною до 5 м та штанговими свердловинами такого ж діаметра довжиною від 5 до 12…15 м, які вибурюють телескопними і потужними колонковими перфораторами, або глибокими свердловинами діаметром 85…110 мм та довжиною до 25…30 м, буріння яких здійснюють станками різних типів. Кожен з вищезазначених способів застосовують у певних умовах і, як правило, із збільшенням об’ємів цих просторів, що має місце при збільшенні потужності покладів, більш доцільною з економічної точки зору є свердловинна відбійка. Якщо, наприклад, прийняти показники шпурової відбійки (маються на увазі трудозатрати і собівартість) за 100%, то в однакових умовах при застосуванні штангових свердловин вони зменшуються до 70…80%, а глибоких свердловин – до 55…65%.

При відпрацюванні малопотужних крутоспадних рудних тіл горизонтальні підсічні камери і виробки розташовують у нижній частині блоків на висоті 3…7 м від рівня відкотного горизонту або горизонту доставки. При горизонтальних і похилих покладах відрізні виробки розташовують на границі панелі або камери.

Крутоспадні поклади потужністю до 4…5 м можуть відпрацьовуватись системами з магазинуванням руди або горизонтальними шарами із закладкою, при яких запаси блока відпрацьовують шарами висотою 2…4 м знизу вверх з відбійкою руди стелеуступними вибоями. В таких випадках підсічка блоків здійснюється дрібношпуровим способом і її технологія мало чим відрізняється від проведення горизонтальних виробок. У період виконання підсічки (виймання першого шару) відкотний штрек ретельно закріплюється із встановленням випускних люків.

При відпрацюванні горизонтальних і похилих покладів із застосуванням різних варіантів суцільних, камерно-стовпових систем розробки, на границі камери (панелі) для початку розвитку очисних робіт проходять (утворюють) відрізну виробку (щілину) на всю потужність покладу шириною, яка визначається параметрами бурового і навантажувально-доставного устаткування, яке застосовується. Технологія їх утворення мало чим відрізняється від технології ведення очисних робіт при цих системах розробки. В обох вищезазначених випадках утворення підсічки та відрізки, їх проектування і розрахунок не викликають труднощів.

Роль і значення відрізних (підсічних) та компенсаційних просторів значно зростає при системах із масовим обваленням великих обсягів руди: підповерхово- та поверхово-камерних, підповерхового та поверхового примусового обвалення, які мають дуже широке застосування. При цих системах розробки на практиці відомо дуже багато способів утворення компенсаційних просторів, тому постає завдання вибору раціонального варіанта в конкретних умовах та, окрім цього, додаються інші важливі вимоги:

• забезпечення надійної стійкості компенсаційних камер та виробок доставки на весь термін відпрацювання блока (панелі);

• створення найбільш сприятливих умов успішної роботи зарядів ВР з відбійки та якісного подрібнення руди, що забезпечує добрі умови її випуску та високої продуктивності засобів доставки.

Деякі рекомендації щодо вирішення цих питань подано нижче.

Слід враховувати, що тип компенсаційного простору багато в чому визначає технологію відпрацювання виймального блока (панелі) в цілому, а особливо схему відбійки руди. Так, горизонтальна підсічка диктує необхідність застосування відбійки руди горизонтальними або похилими шарами у напрямку знизу вверх, а вертикальні відрізні щілини або компенсаційні камери визначають відбійку руди вертикальними шарами при одно- або двосторонньому напрямку розвитку фронту обвалення.

При веденні робіт в умовах помірного прояву гірського тиску застосування горизонтальних підсічних та компенсаційних камер є дуже поширеним. Підсічні камери утворюють, як відзначалося раніше, у нижній частині блока, здебільшого на 5…10 м вище рівня приймального горизонту.

У системах розробки з пошаровою відбійкою руди горизонтальними або похилими шарами достатньо низької підсічки (3…5 м), яка може бути утворена розширенням випускних дучок у приймальні воронки. При відбійці руди в камерах вертикальними шарами така підсічка виконується у міру відбійки камерного запасу.

Для деяких варіантів систем розробки поверхового та підповерхового обвалення необхідна висока (8…15 м) підсічка. Її утворюють за допомогою штангових або глибоких свердловин. Головна перевага високої підсічки – достатньо велика продуктивність блока в початковий період очисного виймання, а недолік – підвищені витрати на відбійку руди, пов’язані із збільшенням питомої ваги компенсаційних камер у загальних запасах блока (панелі).

На рис. 7.24 зображено деякі способи утворення горизонтальних підсічних камер.

Рис. 7.24. Способи утворення горизонтальних підсічних камер: а – варіант «камера над дучками»; б – варіант «закрите віяло»; в – за один прийом відбійкою глибоких свердловин на компенсаційні виробки; г, д – траншейний: 1 – штрек скреперування; 2 – дучки; 3 – буровий штрек; 4 – буровий орт; 5 – бурова камера (вирівнюючий горизонт); 6 – компенсаційні виробки; 7 – відрізний підняттєвий; 8 – штангові шпури; 9 – свердловини для утворення підсічки

Варіант «камера над дучками» (рис. 7.24 а) дає можливість мати підсічку висотою до 12…15 м і застосовується при достатньо стійких рудах; варіант «закрите віяло» з розбурюванням масиву руди безпосередньо з дучок (рис. 7.24 б) застосовують при недостатній стійкості рудного масиву для утворення підсічки висотою до 8…10 м.

У слабких та нестійких рудах утворення горизонтального підсічного простору по всій площі панелі (блока) доцільно здійснювати горизонтальними свердловинами на спеціально пройдені компенсаційні виробки за один вибух (рис. 7.24 в), що дає змогу отримати підсічку (з урахуванням додаткової відбійки горизонтального шару руди з бурових камер) загальною висотою 8…10 м і є раціональним, у першу чергу, виходячи з умов безпеки ведення робіт.

При траншейному способі підсічки (рис. 7.24 г, д) над днищем приймального горизонту утворюють підсічну камеру трапецієподібної форми висотою від 5…8 до 15…20 м. У залежності від конструктивних особливостей днища та стійкості рудного масиву траншею утворюють суцільною на всю площу панелі (блока) – рис. 7.24 г, або утворюють декілька камер, розділених поміж собою тимчасовими ціликами, кожна з яких складається з 1-3 траншей (рис. 7.24 д).

У порівнянні з іншими способами підсічки траншейний спосіб забезпечує більшу продуктивність праці та безпеку робіт, дає можливість інтенсифікувати роботи за рахунок використання більшої кількості перфораторів або бурових установок у декількох вибоях чи мати єдиний буровий (підсічний) горизонт із застосуванням самохідних бурових станків, а також дозволяє створити похиле днище. Головним недоліком цього способу підсічки є необхідність здійснення великої кількості послідовних вибухів при її утворенні, що потребує збільшення затрат на підтримання підсічних виробок та звужує область застосування за рахунок підвищення вимог до стійкості рудного масиву.

У залежності від площі масиву, який підлягає обваленню, та його стійкості підсічка може бути або суцільною по всій площі (див. рис. 7.24 б, г), або у вигляді декількох камер із залишенням між ними тимчасових ціликів (див. рис. 7.24 а, в, д). Перший спосіб застосовують при відносно невеликій площі підсічки, другий – при значній площі блока (панелі) та недостатньо стійких рудах. Кількість підсічних камер та їх розміри залежать від допустимої площі оголення рудного масиву та часу їх стояння. Роботи з утворення горизонтального компенсаційного простору необхідно планувати з таким розрахунком, щоб вони закінчувалися одночасно із розбурюванням вищезалягаючого масиву руди в блоці (панелі).

У залежності від конструктивних, технологічних особливостей та стійкості руди ширину підсічних камер приймають кратною половині відстані між виробками випуску і доставки (див. рис. 7.24 а), а ширину тимчасових ціликів між підсічними камерами – кратною відстані між дучками або рівною половині відстані між виробками випуску і доставки.

Тимчасові цілики бажано розташовувати довгою стороною перпендикулярно до виробок приймального горизонту (окрім ціликів, які межують з обваленими породами). Усі тимчасові цілики розбурюють шпурами або свердловинами й обвалюють одночасно з масовим обваленням вищезалягаючого рудного масиву.

При камерних системах розробки горизонтальну підсічку утворюють по мірі відбійки камерного запасу, а її висота є мінімальною (окрім траншейної – рис. 7.24 г, коли її параметри залежать від конструктивних особливостей днища у конкретних умовах).

При утворенні горизонтальних компенсаційних камер при системах з масовим обваленням руди необхідну їх висоту визначають за формулами, м

• при суцільній підсічці без залишення ціликів:

; (7.6)

• при підсічці окремими камерами із залишенням тимчасових ціликів:

, (7.7)

де h – висота рудного масиву вище горизонту виробок доставки, м; L – довжина блока (панелі), м; К_р – коефіцієнт розпушення руди при відбійці (1,2…1,4); b – ширина тимчасового цілика, м; n – кількість тимчасових ціликів.

Із збільшенням глибини робіт значно зменшується стійкість горизонтальних та похилих оголень унаслідок підвищення гірського тиску. В таких умовах більш стійкими та надійними є вертикальні оголення, а відповідно, й вертикальні камери.

При камерних системах розробки відрізні щілини розташовують в залежності від напрямку відпрацювання камерного запасу:

• посередині або на фланзі камери при розташуванні камери довгою стороною за простяганням покладу (рис. 7.25 а);

• під висячим (лежачим) боком або посередині камери при її розташуванні по довжині навхрест простягання покладу (рис. 7.25 б, в).

Більш доцільно розташовувати відрізну щілину посередині камери із наступним розвитком очисних робіт у двох напрямках. При цьому вдвічі збільшується кількість вибоїв, де здійснюється буріння свердловин, що дозволяє підвищити інтенсивність бурових робіт, а також покращити якість подрібнення руди за рахунок зустрічного підривання та співударяння вертикальних шарів, що знаходяться з обох боків щілини.

При системах з масовим обваленням руди вертикальні компенсаційні камери необхідно розташовувати у центрі блока (панелі) або з деяким зміщенням їх у бік неторканого масиву (рис. 7.25 г, д) для забезпечення більш рівномірного розпушення руди по всьому об’ємі рудного масиву, який підлягає обваленню.

Вертикальні відрізні щілини та компенсаційні камери утворюють послідовною відбійкою зарядів ВР, розташованих у висхідних або низхідних свердловинах, на попередньо розширений відрізний підняттєвий (рис. 7.26). У залежності від міцності руди та ширини щілини застосовують віялове і паралельне розташування свердловин, а також пучки паралельно-зближених свердловин. При рудах середньої та нижче міцності свердловини розташовують у вигляді віяла, а в рудах вище середньої міцності та міцних – паралельно і паралельно-зближено.

Необхідну ширину вертикальних компенсаційних камер для забезпечення нормального розпушення руди при її масовому обваленні визначають із виразу, м

, (7.8)

де L₁ – довжина масиву у напрямку, перпендикулярному до

Рис. 7.25. Схеми розташування вертикальних відрізних щілин та компенсаційних камер: а – посередині або на фланзі камери при її розташуванні за простяганням покладу; б, в – під висячим боком або посередині камери при її відпрацюванні навхрест простягання покладу; г, д – у центрі блока (панелі) або зі зміщенням їх у бік неторканого масиву при системах з масовим обваленням руди і вміщуючих порід

площини оголення компенсаційної камери, який обвалюється за один вибух, м; λ_к = 1,05…1,2 – коефіцієнт, який враховує зменшення ширини компенсаційної камери при її утворенні.

При відбійці руди шарами товщиною 3…3,5 м при застосуванні камерних систем розробки в принципі достатньо створити відрізну щілину шириною 1…1,5 м. Але утворення щілини такої ширини і висотою 20…50 м та більше є складним завданням з технологічної точки зору та вимагає дуже значних затрат. Тому на практиці у більшості випадків, ширина відрізних щілин становить 4…6 м.

Рис. 7.26. Схема утворення вертикальної відрізної щілини: 1 – відрізні орти; 2 – бурові штреки; 3 – відрізний підняттєвий

Ширина вертикальних компенсаційних камер є, як правило, більшою (від 5…6 до 8…10 м). При їх утворенні над камерою залишається тимчасова стелинка, товщина якої при традиційній прямокутній формі камери коливається від 4 до 6…8 м (рис.7.27 а). У переважній більшості випадків ця частина масиву не розбурюється і її руйнування здійснюється при масовому обваленні тільки за рахунок падіння, що спричиняє погане подрібнення руди із витікаючими з цього наслідками.

Науковцями Криворізького технічного університету свого часу була запропонована конструкція вертикальної компенсаційної камери трапецієподібної форми [7], яка дає змогу за рахунок зменшення прогону стелинки значно підвищити її стійкість та зменшити її товщину, зменшити відстань між суміжними (з обох боків стелинки) зарядами ВР та покращити якість подрібнення руди у цій зоні (рис. 7.27 б).

Рис. 7.27. Способи утворення вертикальних компенсаційних камер: а – прямокутної форми; б – трапецієподібної форми: 1 – штрек скреперування; 2 – дучки; 3 – відрізний підняттєвий; 4 – буровий штрек; 5 – відрізний орт; 6 – віяла глибоких свердловин для утворення вертикальної компенсаційної камери; 7 – віяла глибоких свердловин для обвалення запасу панелі; 8 – штангові шпури для розвороту воронок

Параметри БПР при утворенні відрізних (підсічних) щілин та камер суттєво відрізняються від тих, які мають місце при відбійці камерного запасу або при масовому обваленні рудного масиву. Це пов’язано, у першу чергу, із значно гіршими умовами роботи зарядів ВР, що є наслідком невеликої ширини (висоти) цих камер та зумовлює переважну дію значних стискуючих напружень. Тому розміри сітки свердловин необхідно приймати на 20…40% менше, а питомі витрати ВР в 1,3…1,6 рази більше, ніж при відбійці у камері або масовому обваленні масиву та коригувати їх, узгоджуючи з виробничими даними

При виборі типу, місця розташування, розмірів відрізних (підсічних) щілин і камер та способу їх утворення важливо не тільки забезпечити умови виконання ними основних функцій, але й всебічно враховувати: ступінь прояву гірського тиску та його вплив на стійкість оголень рудного масиву, якість подрібнення руди при відбійці основного запасу блока (панелі), збереження виробок прийомного горизонту на час відпрацювання запасів блока (панелі) та отримання високих техніко-економічних показників при утворенні цих відрізних (підсічних) і компенсаційних просторів. Особливе значення ці питання мають при системах розробки з масовим обваленням руди в умовах недостатньо високої міцності та стійкості рудного масиву, а також при підвищеному прояві гірського тиску, яким супроводжується збільшення глибини розробки.

Результати багатьох досліджень, великий практичний досвід роботи рудників і шахт дають можливість сформулювати деякі загальні положення та рекомендації, якими слід керуватися при вирішенні питань утворення відрізних (підсічних) просторів та компенсаційних камер. Вони полягають у наступному:

• при всіх інших рівних умовах стійкість вертикальних відрізних (компенсаційних) камер в 1,3…1,8 рази більше у порівнянні з горизонтальними;

• із збільшенням глибини робіт та прояву гірського тиску, особливо при пониженій міцності та стійкості рудного масиву, значно зростає вірогідність розвитку процесів утворення склепінь над горизонтальними підсічними (компенсаційними) камерами, що неминуче призводить до зрушення (зсуву) масиву у межах склепіння з можливим порушенням та втратою частини свердловин внаслідок унеможливлення їх заряджання (часткового по довжині або повного). Це призводить до погіршення якості подрібнення руди при відбійці основного запасу, суттєвого зниження продуктивності праці на випуску і доставці руди, збільшення обсягів робіт із ліквідації зависань та вторинного подрібнення руди, передчасного порушення й руйнування виробок приймального горизонту. Згідно з осередненими даними практики втрати площі перерізу цих виробок за час їх роботи складають: 15…25% для ортів та до 35…45% для штреків. Затрати на ремонт виробок (їх перекріплення) складають 40…45% для ортів і 55…60% для штреків від вартості їх проведення та характеризуються підвищеною небезпекою цих робіт;

• при інших рівних умовах якість подрібнення руди при її відбійці вертикальними шарами на відрізні щілини (камери) покращується у порівнянні з відбійкою горизонтальними шарами внаслідок збільшення частини енергії вибуху, яка витрачається на подрібнення руди за рахунок використання зустрічно-направленого підривання зарядів ВР. Покрещання якості подрібнення руди дає можливість зменшити обсяги робіт з вторинного подрібнення негабариту та ліквідації зависань, підвищує продуктивність доставки та сприяє збільшенню терміну роботи приймальних виробок;

• при відбійці горизонтальними або похилими шарами на горизонтальну підсічку виробки прийомного горизонту сприймають значні динамічні удари при масових вибухах, оскільки результуюча дії вибуху та падіння обваленої руди спрямована прямо на ці виробки. Це прискорює руйнування їх кріплення, збільшує обсяги перекріплення та спричиняє порушення ритмічності випуску і доставки руди з блока (панелі);

• параметри буро-підривних робіт при утворенні відрізних (підсічних) і компенсаційних камер необхідно зменшувати на 20…40%, а питомі витрати ВР – збільшувати в 1,3…1,6 рази у порівнянні з тими, які розраховані для масового обвалення руди, що зумовлено важкими умовами роботи зарядів при незначній ширині (висоті) цих просторів;

• організацію робіт з утворення компенсаційного простору і розбурювання основного запасу руди в блоці (панелі) необхідно планувати таким чином, щоб ці роботи закінчувалися приблизно одночасно, щоб до мінімуму скоротити час стояння оголень;

• вибір раціонального варіанта утворення компенсаційного простору необхідно здійснювати за наступними критеріями: за мінімальною трудомісткості, вартістю та часом виконання робіт при більш простій їх конструкції та технології утворення.