4.2. Технологические приемы извлечения руд
Система разработки устанавливает определенный порядок очистной выемки руды и, прежде всего, способ поддержания очистного пространства, но не учитывает особенностей неравномерного распределения полезных компонентов в недрах.
Признак избирательности технологии является главнейшим для характеристики связи технологии горных работ с особенностями распределения полезных компонентов в массиве.
При ведении горных работ стремятся извлечь сорта руд требуемого качества и оставить в недрах некондиционную руду и пустую породу. Для этого в рудоносных породах выделяются очистные блоки, границами которых служат границы соответствующих сортов руд. Так как вкрест простирания рудных тел наблюдается наибольшая изменчивость распределения полезных компонентов – основным признаком избирательности технологии является разделение геологического рудного тела на выемочные участки по его мощности с целью выемки руд определенных сортов.
Под методом разработки понимается совокупность подготовительно-нарезных и очистных работ, предназначенных для отработки руд определенных сортов путем соответствующего выделения выемочных участков. Метод разработки может быть раздельным и совместным.
При раздельном методе промышленные участки орудинения, разобщенные по мощности геологического рудного тела некондиционными рудами или прослоями пустых пород подготавливаются и извлекаются отдельно. Прослои (включения некондиционных руд или пустых пород) остаются между выработанными пространствами.
После отработки соседних очистных блоков прослой пород, отрезанный очистными работами от боковых пород, можно рассматривать как плиту с наклонной высотой l (см. рис. 4.2), которая с окружающими породами связана посредством оставляемых целиков (целик шириной Вц). При ленточных целиках прослой можно рассматривать как плиту, жестко заделанную по всему контуру. При целиках в виде столбов прослой представляет собой плиту, покоящуюся на жестко связанных с ней колоннах.
Рис. 4.2. Схема положения прослоя пустой породы или
некондиционной руды вкрест простирания рудного тела после отработки смежных выемочных участков
Осуществление раздельного метода возможно при прослеживании границы между промышленной рудой и оставляемым в недрах прослоем при достаточной прочности прослоя, обеспечивающей его сохранность до полного извлечения промышленной руды. Прослеживание границы возможно при достаточной выдержанности прослоя по падению и простиранию, а также четком выделении промышленной руды по литолого-петрографическим или структурно-тектоническим признакам. Например, такое прослеживание возможно на одном из месторождений, где безрудные прослои, как правило, представлены красными песчаниками, а промышленные руды — серыми.
Прочность прослоя зависит от напряжений, возникающих в нем в результате приложения различных нагрузок (динамических и статических), и свойств пород прослоя. К динамическим нагрузкам относятся давление от действия взрыва при отбойке, кратковременное повышение давления руды, замагазинированной со стороны кровли прослоя, при ее выпуске (случай применения системы с магазинированием руды), сила удара обрушающихся кусков породы кровли после отработки верхнего рудного тела (при системах с открытым очистным пространством). К статическим нагрузкам относятся сила тяжести прослоя, замагазинированной руды или закладки (при применении систем с магазинированием или с закладкой), обрушенных пород (после обрушения пород в выработанном над прослоем пространстве), давление окружающего массива пород, передающееся на прослой через междуэтажные и междублоковые целики или крепь.
Наибольшие напряжения в прослое могут возникнуть в верхней заделке (см. рис. 4.2, точки 1, 3) или нижней заделке (точки 2, 4), в верхнем слое (точки 1, 2) или в нижнем слое (точки 3, 4). Напряжения в этих точках могут быть различными как по величине, так и по виду деформации, что зависит от величины и направления действующих сил. В зависимости от действия этих сил опасными могут быть как напряжения растяжения, так и напряжения сжатия. Поэтому в общем случае необходимо учитывать как напряжения растяжения, так и напряжения сжатия и делать выводы на основе рассмотрения величин напряжений в указанных четырех точках.
Напряжения в прослое зависят от двух групп факторов: естественных (условия залегания и физико-механические свойства пород) и технических (система разработки, ее параметры, порядок выемки соседних промышленных рудных тел и направление выемки руды в соседних очистных блоках). Естественные факторы задаются. Технические факторы могут быть выбраны таким образом, что напряжения будут минимальными. Для этого необходимо уменьшать нагрузки на прослой со стороны его кровли и возможность прогиба прослоя путем поддержания его закладкой, замагазинированной рудой, креплением, а также принимать соответствующие порядок, направление выемки и размеры очистного блока.
Влияние технических факторов на напряженное состояние прослоя велико. Например, сильно влияет на величину напряжений соотношение размеров очистного блока: при квадратной форме блока напряжения в прослое примерно в 2 раза меньше, чем при прямоугольной, когда при той же наклонной высоте очистной блок имеет значительную длину по простиранию. Повышенные напряжения в прослое возникают при отработке нижнего рудного тела, если в выработанном выше пространстве произошло обрушение пород кровли. Давление обрушенных пород прямо пропорционально высоте зоны обрушения и может достигать весьма больших значений, приводя к разрушению прослоя.
Применение системы разработки с закладкой на верхнем рудном теле и разработки с открытым очистным пространством на нижнем рудном теле нецелесообразно. Такое сочетание возможно лишь в редких случаях, когда лежащие выше рудные тела отработаны и заложены в предположении об отсутствии или некондиционности лежащих ниже сближенных рудных тел. При большом разрыве во времени между отработкой таких рудных тел могли произойти деформации и передвижки значительных масс вмещающих пород (вплоть до поверхности). Вопросы разработки таких надработанных рудных тел могут решаться лишь при изучении конкретных условий напряженного состояния массива горных пород.
Применение закладки на верхнем рудном теле при одновременном применении системы разработки с магазинированием руды на нижнем рудном теле нецелесообразно. Такой случай может быть как исключение. Применение системы разработки с магазинированием руды на верхнем рудном теле при разработке нижнего рудного тела с закладкой возможно при крутом падении. Опасность деформации прослоя в сторону заложенного пространства в этом случае исключается.
Системы разработки с креплением, а также с, креплением и закладкой существенно отличаются от других систем разработки тем, что крепь, предотвращая деформацию пород кровли, полностью или частично (это зависит от вида крепи) воспринимает и передает горное давление на почву очистного пространства. При разработке сближенных рудных тел кровля и почва очистных пространств представляют собой почву и кровлю прослоя, разделяющего промышленные рудные тела. При данных системах разработки прослой, образующий с крепью единую конструкцию, работает почти совместно с крепью (чего не наблюдается при других системах разработки).
Если система разработки с креплением применяется на нижнем рудном теле, т. е. когда со стороны лежачего бока данного рудного тела отсутствуют очистные выработки, крепь воспринимает горное давление, передаваемое прослоем, который является кровлей очистного пространства, и реакцию жесткого основания, являющегося почвой очистного пространства. Проявление деформации кровли в этом случае может быть почти полностью исключено независимо от пролета очистного пространства. Величина пролета закрепленного пространства, влияя на величину горного давления, определяет размеры и конструкцию крепи. Минимальная мощность прослоя, обеспечивающая возможность раздельной разработки, зависит от способа буровзрывных работ, а величина пролета очистного пространства может быть принята независимо от условий сближенности залежей. Это же положение остается в силе и в том случае, когда система разработки с креплением применяется не только на нижнем рудном теле, но и одновременно на верхнем (или на ряде верхних тел).
При применении системы разработки с креплением на верхнем рудном теле, когда на нижнем применяется система разработки с открытым очистным пространством или с магазинированием руды, повышенное давление на прослой, передаваемое крепью, может оказаться весьма неблагоприятным. Такой прослой не может служить жесткой опорой для крепи. Он начнет прогибаться и может разрушиться. Разрушение прослоя приведет к выходу из строя крепи и к обрушению кровли. Поэтому пролет очистного пространства ниже рудного тела, которое отрабатывается с применением системы разработки с креплением, должен быть выбран с учетом давления, передаваемого крепью. Чем больше рудных тел, расположенных выше рассматриваемого рудного тела, отрабатывается с применением системы разработки с креплением, тем большее давление будет передаваться на лежащий ниже прослой и тем меньше должен быть принят пролет на рассматриваемом рудном теле. Отсюда следует, что наименее целесообразно применять систему с креплением на лежащих выше рудных телах, если эта система не предполагается к применению на лежащем ниже рудном теле.
Система разработки с креплением и закладкой с точки зрения влияния средств поддержания на устойчивость прослоя отличается от системы разработки с креплением лишь большей жесткостью крепи и меньшей возможностью деформации прослоя в сторону отработанного пространства за счет наличия закладки.
При применении систем с обрушением вмещающих пород прослой не сохраняется, а обрушается вслед за выемкой нижележащего рудного тела. В силу своей ослабленности в определенных случаях прослой может обрушаться значительно скорее, чем основной массив вмещающих пород. При отсутствии контроля за ходом обрушения основного массива прослой, образуя при своем обрушении небольшую подушку, может вызвать неправильное представление о процессе обрушения пород, что не позволит быстро выявить зависания основного массива и может привести к опасным последствиям. Таким образом, способность прослоя к обрушению из-за малой мощности и наличия двухсторонней подрезки не может служить основанием для применения систем с обрушением вмещающих пород.
При небольшой высоте подэтажа (в случае применения подэтажного обрушения) прослой пород при достаточных размерах в плане не всегда способен самообрушаться. Оставление же его в целике также опасно, так как это может вызвать зависание обрушенных пород и нарушение планомерного хода обрушения основного массива пород, а также опасность проявления горных ударов.
Особенность систем разработки с обрушением определяет возможность отработки сближенных рудных тел только при соблюдении: определенного порядка их выемки, обеспечивающего неподрабатываемость одних рудных тел другими, и создании нормального процесса обрушения пород, контроль за которым и характер которого зависят от состояния прослоя.
Порядок отработки соседних рудных тел в пределах этажа может быть одновременным и последовательным. Последний может быть нисходящим (от лежащего выше рудного тела к лежащему ниже) и восходящим (от лежащего ниже рудного тела к лежащему выше). Выбор порядка отработки основывается на необходимости создания таких условий, которые исключали бы опасность ведения горных работ на одном рудном теле из-за отработки другого рудного тела. Для решения вопроса о порядке отработки необходимо учитывать геологическое строение вмещающих пород, их физико-механические свойства, угол падения рудных тел, их мощность и глубину залегания, систему разработки, интенсивность ведения горных работ.
При одновременной отработке сближенных рудных тел невозможно выдержать линии забоев в очистных блоках соседних рудных тел на одной прямой. Забой в одном блоке будет попеременно то отставать, то опережать забой соседнего блока. Наиболее нежелательным является положение, когда опережает забой лежащего ниже блока. В этом случае опорное давление, возникающее за счет образования верхнего очистного пространства, приходится на прослой, отрезанный нижним очистным пространством. Так как опорное давление может быть достаточно большим, необходимо, чтобы забои верхнего рудного тела имели опережение по отношению к забоям нижнего рудного тела. Исходя из практических соображений, такое опережение должно быть равным 1—2 циклам подвигания забоя.
При системе разработки с магазинированием руды важным для прочности прослоя является порядок выпуска отбитой руды из отбитых магазинов. Чтобы напряжения в прослое не возросли, выпуск руды из соседних магазинов необходимо производить равномерно при пониженном уровне руды в блоке лежащего выше рудного тела. Чем меньше угол падения и больше мощность лежащего выше рудного тела, тем ниже может быть уровень выпускаемой руды в лежащем выше рудном теле. Необходимость поддержания одного уровня отбитой руды в соседних магазинах возникает при повышенной мощности лежащего ниже рудного тела. Условие, при котором опережение выпуска руды в блоке на лежащем выше рудном теле нежелательно, ориентировочно определяется неравенством
(4.1)
При угле внутреннего трения = 45° и угле падения 75, 80 и 90° правая часть неравенства (4.1) равна соответственно 3, 2 и 1. Это означает, например, что при мощности лежащего ниже рудного тела более 3 м, мощности лежащего выше тела 1 м и угле падения 75° руда в магазинах должна быть на одном уровне, т. е. опережение выпуска руды на лежащем выше рудном теле нецелесообразно.
Направление выемки каждого рудного тела может осуществляться но восстанию, падению и простиранию рудных тел. При одновременной отработке соседних рудных тел направление подвигания забоя на всех рудных телах должно быть одинаковым с целью, избегания неравномерного и концентрированного давления на прослой со стороны боковых пород.
Совместный метод разработки предполагает наличие одного выемочного участка в пределах суммарной мощности нескольких слоев руд геологического тела и единую схему подготовки для извлечения руд разных сортов.
Выемка руд разного качества (сорта), объединенных в одно рудное тело, может осуществляться селективным (одностадийным или многостадийным) или валовым способом.
Валовой выемкой называется совокупное извлечение нескольких совместно залегающих видов полезных ископаемых. При валовой выемке руды не разделяются по сортам.
Селективной выемкой называется раздельное извлечение каждого из совместно залегающих полезных ископаемых. Селективная выемка предопределяет особый порядок ведения горных работ. Селективную выемку возможно применять при четком различии в сортах руд. Для применения селективной выемки необходимо также, чтобы размеры участков, отличающихся между собой по сорту (качеству) руды, были достаточны для их раздельной отбойки.
Смысл селективной или раздельной выемки руд различных сортов состоит в том, что при последующем обогащении руд по сортам, за счет обеспечения возможности «индивидуального» подхода к каждому сорту руды, повышается степень извлечения полезных компонентов.
Различают одностадийную селективную выемку руды и многостадийную.
Одностадийная селективная выемка определяет поочередную отбойку руды различных сортов. Участки руд, отбиваемые отдельно должны быть различимы визуально и по данным практики минимальный размер таких участков по мощности можно принять равным 0,2 м, а по падению и простиранию — 1-1,5 м. Отсутствие четких границ между сортами руд и различий в их физико-механических свойствах, одинаковая трещиноватость и неустойчивость всех сортов руд не благоприятствуют применению селективной одностадийной выемки. Последняя не лимитируется типом оруденения.
В общем случае селективная одностадийная выемка может осуществляться при системах разработки с открытым очистным пространством (за исключением системы подэтажных штреков или ортов), закладкой, креплением, креплением и закладкой. В ограниченных случаях (при извлечении всех отбиваемых сортов руд) она может также применяться при слоевом обрушении.
Многостадийная селективная выемка предполагает поочередную отработку слоев руды в пределах всего очистного блока. Применяется она в случае выдержанности сортов руд по простиранию и падению, возможности визуально или оперативными методами опробования установить границы селективно отбиваемых сортов руд, а также такой мощности слоев руд, которая технически позволяет вести раздельную отбойку. Необходимость размещения людей и механизмов в очистном пространстве требует, чтобы извлекаемый в первую очередь слой руды имел мощность не менее 0,8—1 м. Этим требованиям могут удовлетворять залежи с простым и сложным орудинением.
Селективная выемка в несколько стадий может осуществляться с предварительной выемкой наиболее богатой руды, предварительной выемкой некондиционной руды или пустых пород, послойной выемкой сортов руды. Многостадийная выемка исключает смешивание в очистном пространстве отбитой руды разных сортов и делает простой организацию очистных работ, так как руда разных сортов добывается последовательно в больших объемах. При многостадийной выемке применимы те же системы разработки, что и при одностадийной, а в некоторых случаях применима и система разработки подэтажными штреками.
С экономической точки зрения чаще целесообразно наиболее ценную руду (как в отношении концентрации полезного компонента в ней, так и в отношении ее обогатимости) извлекать в первую очередь. Наибольшего эффекта можно достигнуть при такой многостадийной выемке, при которой возможен значительный разрыв между стадиями во времени (в частности, между первой и второй стадиями отработки очистного блока). В этом случае отрабатываются наиболее ценные руды последовательно в каждом эксплуатационном блоке, оставляя добычу в каждом блоке незавершенной. Возможность последующей отработки менее ценных руд должна быть предусмотрена и обеспечена заранее. Период отработки бедных руд настанет, когда на месторождении (или на большой его части) будет закончена выемка более ценных руд. При такой выемке должны применяться варианты комбинированных систем разработки.
Разработка с предварительной выемкой наиболее богатой руды применяется на ряде рудников. На одном из рудников, отрабатывающем месторождение с простым орудинением, богатые сульфидные руды (мощность до 8—10 м) подстилают залежь бедных вкрапленных руд (мощность 10—50 м). Селективная двухстадийная выемка руд позволяет эффективно перерабатывать их раздельно (богатые сульфидные руды подаются непосредственно на металлургический завод, бедные вкрапленные руды предварительно обогащаются).
Разработка с предварительной выемкой некондиционных руд или пустых пород (рис. 4.3). Этот вариант разработан применительно к условиям одного из месторождений со сложным орудинением для участков с крутым падением. Геологическое рудное тело на этом месторождении представлено двумя пластами с повышенной концентрацией полезного компонента, разобщенными прослоем бедных руд. Прослой непрочен и позволяет производить раздельную разработку лишь при системах разработки с низкими технико-экономическими показателями.
Рис. 4.3. Схема разработки с предварительной выемкой пустых пород: 1 — промышленная руда; 2 — прослой; 3 — подэтажный штрек; 4 — подэтажный орт из восстающего; 5 — восстающий; 6 — этажный штрек; 7 — ходок в блок; 8 — заезд к выпускной дучке; 9 — выпускная дучка
Прослой пород отрабатывается с применением системы разработки с магазинированием, после его отработки отбитая порода из магазина выпускается полностью или частично (в зависимости от устойчивости руды промышленных залежей). На образованную продольную отрезную щель скважинными зарядами отбивают руду промышленных залежей. Бурение скважин заканчивается к моменту окончания магазинирования породы прослоя. Отбойка промышленных залежей производится в отступающем порядке (от центра блока к флангам и от верхнего подэтажа к нижнему). Если обнажение промышленных тел, которое получается при выпуске всей породы из магазина, недопустимо, порода выпускается частично (лишь до уровня отрабатываемого подэтажа). В этом случае отбитые руды ложатся поверх замагазинированной породы и выпускаются после выпуска последней. При этом некоторая часть богатых руд перемешивается с породой. При недостаточной устойчивости подсеченных магазином промышленных тел порода может не выпускаться и служить закладкой. Руда отбивается в зажиме на замагазинированную породу. В этом случае только 40—50% объема прослоя будет исключено из попадания в руду, но и это даст значительное повышение содержания полезного ископаемого в сравнении с содержанием, которое может быть при валовой выемке.
При разработке с послойной селективной выемкой схема подготовки аналогична схеме подготовки, применяемой на руднике при камерно-столбовой системе разработки с валовой выемкой всех залежей (рис. 4.4, 4.5). Выемка ведется послойно в нисходящем порядке от верхней залежи к нижней. Добычные работы начинаются на верхней залежи после проходки разрезного восстающего. В результате выемки залежи образуется верхняя подсечка, из которой по мере подвигания забоя производится крепление кровли камеры штанговой железобетонной крепью. После отработки верхней залежи начинается выемка прослоя, который отрабатывается одним уступом на всю мощность. Для исключения прихвата богатых руд нижней залежи на последней оставляется неотбитым приконтактный прослой мощностью 0,2—0,3 м. Отбитая некондиционная руда поступает или в соседние камеры для закладки, или выдается на поверхность в отвал. Нижняя залежь отрабатывается также по почвоуступной схеме.
Рис. 4.4. Схема раздельной послойной выемки богатых и бедных руд при камерно – столбовой системе разработки с применением самоходного оборудования (угол падения до 80): а, б, в – соответственно первая, вторая и третья стадии ведения горных работ; 1 – откаточный штрек; 2 – восстающий для подъема оборудования и материалов; 3 – штрек скреперных лебедок; 4 – рудоспуск; 5 – ходки; 6 – ходовой восстающий
Просечка целиков по каждой залежи производится по мере их выемки. При угле падения до 8° (рис. 4.4) и выемке маломощной верхней залежи, а также при угле падения 8—35° (рис. 4.5) и выемке всех залежей предусматриваются традиционное оборудование и скреперная доставка.
При выемке второго и третьего слоя при угле падения не более 8° целесообразно применение самоходного оборудования.
Рис. 4.5. Схема раздельной послойной выемки богатых и бедных руд при камерно-столбовой системе разработки со скреперной доставкой (угол падения более 8°): 1 — откаточный штрек; 2 — рудоспуск; 3 — орт (заезд), 4 — восстающий; 5 — штрек скреперных лебедок; 6 — камера скреперной лебедки; 7 — разрезной восстающий
Валовая выемка руд разных сортов или руды и пустой породы весьма широко распространена в отечественной практике подземных горных работ. Объясняется это простотой технического исполнения, отсутствием строгого контроля ведения очистных работ. Такая выемка возможна при любом типе оруденения. Применению валовой выемки способствуют отсутствие маркирующих границ между рудой и породой (или между кондиционной и некондиционной рудой), малые размеры тел включений разных сортов руд, большая трещиноватость и неустойчивость извлекаемых руд и пород.