В статье рассматривается проблема рационального управления геомеханическими процессами при первичной и повторной разработке многоярусных пологих и наклонных перекрывающихся залежей высокопроизводительными вариантами камерно-столбовой системы в условиях прочных руд и вмещающих пород, что позволяет исключить катастрофические проявления горного давления, повысить безопасность отработки месторождений и полноту извлечения полезных ископаемых из недр.
Район Жезказганского меднорудного месторождения расположен в пределах Центрального Казахстана и приурочен к осадочному комплексу пород. Отличительными особенностями месторождения являются концентрация большого количества металла на довольно ограниченной площади, разобщенность рудных тел, ярко выраженная многоярусность оруденения, наличие прочных руд и вмещающих пород, что обусловило применение камерно-столбовой системы разработки.
Управление кровлей и налегающей толщей при камерно-столбовой системе разработки осуществляется последовательностью междукамерных целиков в сочетании с панельными или барьерными.
В связи с истощением запасов наиболее продуктивной центральной части рудного поля, подземные работы переместились на более глубокие горизонты и его фланги, а также в выработанное пространство для выемки целиков. За весь период отработки месторождения, на подземных рудниках накопилось более 150 млн. м3 выработанного пространства и 98 млн. м3 погашенных пустот, оформлено более 46 тысяч междукамерных целиков, в которых оставлено более 70 млн. т руды, и более 520 ленточных, барьерных и панельных целиков.
Возрастание напряженности массива, переоценка эффекта разгрузки МКЦ, частичная и полная выемка междукамерных, панельных и барьерных целиков и привели к появлению ослабленных участков и катастрофическим проявлениям горного давления в виде массовых обрушений. Основными причинами осложнения геомеханической ситуации при отработке Анненского района являются необоснованный перенос классического варианта камерно-столбовой системы разработки на наклонные залежи и замена барьерных целиков нерегулярно расположенными массивными целиками, что привело к массовым обрушениям (в потери списано более 20 млн. тонн руды).
Массовые обрушения приводят к увеличению потерь подготовленных запасов, при этом в зону обрушения попадают здания и сооружения на поверхности, росту травматизма.
В результате сложившейся геомеханической ситуации осложнились условия отработки наклонных залежей, накопленных запасов в целиках, размещенных в открытом очистном пространстве, у очагов массовых обрушений, как с выходом, так и с образованием «зависающих» сводов.
За более чем семидесятилетний период отработки Жезказганского месторождения камерно-столбовой системой в классическом ее варианте установлены сопутствующие проявления горного давления, которые реализуются в виде отслоений и «стреляний» пород кровли в очистных камерах, локальных проявлений горных ударов, частичного и полного разрушения МКЦ и массовых обрушений пород кровли и налегающей толщи.
Установлено, что массовые обрушения чаще возникают на перекрывающихся залежах, а очаги сосредоточены на нижней залежи в свите перекрытий.
По характеру проявлений массовые обрушения на Жезказганском месторождении можно разделить на 3 типа:
- отслоения пород кровли в очистных камерах;
- обрушение кровли и налегающей толщи с выходом на поверхность без разрушения целиков;
- обрушение пород кровли и подработанной толщи с массовым разрушением целиков с выходом и без выхода на поверхность.
Развитие процесса массового обрушения в шахтных условиях на перекрывающихся залежах можно представить в виде следующей схемы: локальные отслоения пород кровли и частичное или полное разрушение МКЦ в одной из панелей, дальнейшее развитие этого процесса в пределах панели, сопровождающееся обрушением междупластия и МКЦ на верхних залежах, обрушение пород кровли верхней залежи, развитие обрушения по площади, приводящее к образованию свода, развитие свода и полное обрушение налегающей толщи с выходом на поверхность.
Систематизация массовых обрушений пород кровли и налегающей толщи и характер их формирования позволили выявить сосредоточение массовых обрушений на перекрывающихся залежах, где сосредоточено 82% запасов и размещение очагов на нижней залежи в свите перекрытий (70% от общего их числа), что позволяет оценить динамику их развития и прогнозировать места возможного их проявления при проектировании отработки оставленных запасов.
Первоосновой для последующей оценки возникающих осложнений в виде очагов является нагруженность совокупности междукамерных и барьерных целиков при выемке камерных запасов, определяемая многофакторной нелинейной зависимостью от степени подработки налегающей толщи, мощности междупластия, изрезанности массива пород в пределах свиты перекрытий.
Возникновение и формирование очагов массовых обрушений с выходом и без выхода на земную поверхность нарушает первоначально установившееся равновесие пород в смежных с очагом панелях после выемки камерных запасов и приводит к формированию нового силового поля вокруг очистных выработок. Установлено, что в результате формирования опорного давления наиболее неблагоприятным и опасным с точки зрения устойчивости целиков в сопряженных панелях является момент разрушения междукамерных целиков в очаге и обрушения междупластий над ним.
Величина нагрузок на целики при формировании очага массового обрушения изменяется от высоты свода обрушения по нелинейной монотонной зависимости вида:
-
Кн/БЦ
=1/(0,24+0,1hсв/Н),
- Кн/МКЦ=1/(1,2+0,6hсв/Н) , где hсв - высота свода обрушения;
Н – глубина отработки.
Формула справедлива для условий изменения 0 ≤ hсв/Н ≤ 1.
Закономерности развития разрушающих процессов в очагах массовых обрушений при отработке запасов центрального рудного поля использованы при выемке запасов МКЦ из открытого выработанного пространства (ОВП), при котором образуются две области: область выемки МКЦ, где формируется выработанное пространство с неподдерживаемой кровлей и область возникновения опорного давления, в пределах которой происходит пригружение приграничных целиков.
В
результате теоретических исследований и экспериментальных работ, была
получена закономерность формирования опорного давления в зависимости
от пролета неподдерживаемой кровли. Пролет играет роль регулятора
формирования опорного давления и величин пригруза на МКЦ и
установлено, что изменение величины опорного давления в зависимости
от пролета неподдерживаемого выработанного пространства, где
произведена выемка МКЦ (L)
описывается уравнением вида: R=
7,4
– 6,5. Формула действительна в диапазоне изменения L
= 40-150 м.
Установлено, что при выемке МКЦ из открытого выработанного пространства догружение приграничных целиков, особенно 1-го ряда происходит весьма интенсивно, и устойчивость последних будет находиться в зависимости от первоначального значения коэффициента запаса прочности. С увеличением пролета запас прочности снижается до 1,0 - 1,5 и вызывает появление разрушающих процессов в приграничных целиках.
После обрушения потолочины и образования свода в налегающей толще опорное давление снижается, соответственно уменьшаются нагрузки на приграничные целики, если они не разрушены и увеличивается коэффициент их запаса прочности.
Для предотвращения негативных последствий шаг обрушения пород неподдерживаемой кровли из серых песчаников не должен превышать 50÷60 м (выемка 2-х рядов МКЦ), при красных песчаниках - 20÷30 м (один ряд МКЦ), не допуская увеличения пролета «зависающей» потолочины свыше указанных значений для чего следует ее принудительно обрушать.
Отсюда следует, что эффективная и безопасная отработка запасов руды в целиках из открытого выработанного пространства с последующим обрушением пород кровли и налегающей толщи регулируется установленной нелинейной зависимостью уровня нагруженности целиков и снижения коэффициента запаса прочности от величины шага обрушения и допустимого пролета неподдерживаемой кровли на участке выемки целиков, что исключает возможность возникновения цепной реакции разрушения междукамерных целиков в приграничном пространстве.
В настоящее время основным рудодобывающим участком является Анненский район. Стремление сохранить высокопроизводительную камерно-столбовую систему разработки с применением самоходного оборудования на флангах месторождения, вызвало серьезные осложнения при производстве очистных работ. Замена БЦ на МЦ с целью уменьшения потерь в целиках при сетке их размещения свыше 120 метров оказалась не равноценной. Практика отработки наклонных залежей с МЦ доказали необходимость отказа от них и возвращению к способу поддержания очистного пространства МКЦ и БЦ. Все это привело к увеличению нагрузок на МКЦ за счет снижения эффекта разгрузки. Целики, первоначально рассчитанные на разгрузку их барьерными, при замене последних на массивные, не выдержав давления, стали разрушаться. Угол наклона залежей также оказал негативное влияние. Осложнение геомеханической ситуации обусловило необходимость видоизменения конструкции системы и корректировки ее параметров.
Полнота отработки наклонных залежей средней мощности комбинированными вариантами с последующим обрушением пород кровли и налегающей толщи обеспечивается 3-х этапной отработкой запасов: первоначально камерных с оставлением ленточных целиков, последующей их прорезкой и формированием на их месте ряда столбчатых целиков, и на заключительном этапе при выемке междукамерных целиков – порядной отработкой оставленной совокупности столбчатых целиков из открытого выработанного пространства с шагом обрушения и предельно-допустимым пролетом неподдерживаемой кровли аналогичным выемке междукамерных целиков Полнота и безопасность отработки мощных рудных наклонных залежей обеспечивается формированием двухъярусного очистного пространства, поддержанием выработанного пространства взаимоупрочняемой совокупностью междукамерных столбчатых целиков и горизонтально-ступенчатых потолочин- «мостов», мощность которых определяется степенной зависимостью от состава пород и высоты столба обрушенных пород, опережением фронта очистных работ на верхнем слое, первичной отработкой междукамерных целиков на верхнем слое и совместной отработкой рудного «моста» и междукамерных целиков нижнего слоя с погашением выработанного пространства обрушением налегающей толщи пород.
