авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 |

Снижение потерь руды в междукамерных целиках при разработке месторождений этажно-камерными системами (на примере рудника им. губкина)

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

КОРЖАВЫХ Павел Вячеславович

СНИЖЕНИЕ ПОТЕРЬ РУДЫ В МЕЖДУКАМЕРНЫХ ЦЕЛИКАХ ПРИ РАЗРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ЭТАЖНО-КАМЕРНЫМИ СИСТЕМАМИ

(на примере рудника им. Губкина)

Специальность 25.00.22 - Геотехнология (подземная,

открытая и строительная)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2012

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный горный университет.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Богуславский Эмиль Иосифович

Официальные оппоненты:

Калмыков Вячеслав Николаевич, доктор технических наук, профессор, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, заведующий кафедрой подземной разработки месторождений полезных ископаемых;

Смирнов Владимир Алексеевич, кандидат технических наук, Санкт-Петербургский государственный горный университет, ведущий научный сотрудник Научного центра геомеханики и проблем горного производства.

Ведущее предприятие - ООО «Институт Гипроникель».

Защита диссертации состоится 24 мая 2012  г. в  13  ч  15  мин на заседании диссертационного совета
Д 212.224.06 при Санкт-Петербургском государственном горном университете по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, дом 2 (boguslEI@yandex.ru), ауд. № 1166.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного университета.

Автореферат разослан 23 апреля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

д.т.н., профессор Г.А. ХОЛОДНЯКОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Борьба с потерями руды при подземной разработке месторождений полезных ископаемых существенно стимулируется дефицитом запасов, в том числе и железных руд, а также экономическими (повышение капиталоемкости продукции, снижение чистого дисконтированного дохода и др.) и социальными (занятость населения, стабильность инфраструктуры и др.) факторами. В настоящее время потери руды в недрах при технологии, применяемой на руднике им. Губкина достигают 60%, что приводит к значительному снижению извлекаемых запасов и экономическому ущербу. Проектирование нового рудника для отработки нижних горизонтов Коробковского месторождения осложняется необходимостью снижения потерь руды при отработке.

На руднике применяется этажно-камерная система разработки. Её развитию, совершенствованию и, в частности, определению устойчивых параметров междукамерных целиков посвящены работы отечественных и зарубежных ученых: М.И. Агошкова, Д.Р. Каплунова, С.Г. Борисенко, В.И. Голика, Ю.М. Либермана, М.М. Протодьяконова, К.В. Руппенейта, В.Д. Слесарева, П.М. Цимбаревича, Е. Церна, Л.Д. Шевякова и др.

При высокой производительности, сравнительно низкой себестоимости и других существенных достоинствах этой технологии, её применение характеризуется весьма значительными потерями руды в недрах. Поэтому основным направлением диссертационной работы является снижение потерь руды за счет уменьшения её запасов, оставляемых в междукамерных целиках (МКЦ). В работе предложены две альтернативные технологии: крепление целиков веерами тросовых штанг или частичная выемка целиков системой горизонтальных слоев с твердеющей закладкой.

Вопросу штангового крепления кровли выработок (преимущественно на угольных шахтах) или пород висячего бока камер с целью уменьшения потерь и разубоживания полезного ископаемого, а также повышения безопасности ведения горных работ, посвящено большое число исследований отечественных и зарубежных ученых. Наиболее широкую известность получили работы В.Н. Семевского, А.А. Борисова, В.Е. Ануфриева, К.А. Ардашева, А. Джонстона, Р. Кваптла, А. Коста, Е.Я. Махно, Б.К. Чукана, В.М. Шика, А.Т. Толпакороева, Л. Панека, Л. Рабкевича, Ж. Талобра, О.В. Тимофеева, А.П. Широкова, А. Югона, И.А. Юрченко и др.

Разработка и исследование новых технологий снижения потерь руды является актуальной задачей данной диссертационной работы.

Цель работы. Повышение экономической эффективности этажно-камерной системы разработки за счет снижения потерь руды при использовании технологий крепления целиков тросовыми штангами или их частичной отработки с твердеющей закладкой.

Идея работы. Снижение потерь руды в блоке следует обеспечивать уменьшением потерь в междукамерных целиках за счет их крепления тросовыми штангами или частичной отработки целиков системой горизонтальных слоев с твердеющей закладкой.

Основные задачи исследований:

  1. Анализ технологии разработки железорудного Коробковского месторождения (рудник им. Губкина ОАО «Комбинат «КМАруда»).
  2. Разработка технологических схем этажно-камерной отработки рудных тел, обеспечивающих снижение потерь в целиках.
  3. Анализ и обобщение современных методов и технических средств, применяемых для крепления пород тросовыми штангами.
  4. Разработка физической модели и методики проведения лабораторных экспериментов по оценке устойчивости междукамерных целиков при закреплении их тросовыми штангами.
  5. Оценка влияния установки тросовых штанг на параметры междукамерных целиков на базе физического моделирования.
  6. Физическое и математическое моделирование частичной отработки междукамерного целика с твердеющей закладкой.
  7. Определение технологической и экономической эффективности снижения потерь руды в междукамерных целиках при использовании разработанных способов снижения потерь руды.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использован комплексный метод исследований, включающий: анализ и обобщение опубликованных в горнотехнической литературе данных по проблеме упрочнения пород тросовыми штангами; технико-экономический анализ и оптимизацию параметров междукамерных целиков; физическое моделирование на эквивалентных материалах; математическое моделирование междукамерных целиков с использованием метода конечных элементов.

Научная новизна:

    • Определено влияние установки вееров тросовых штанг на напряженно-деформированное состояние междукамерных целиков и их параметры.
    • Установлена зависимость ширины оставляемых целиков в системе «целик-закладка-целик» от напряженно-деформированного состояния и коэффициента запаса их прочности.

Основные защищаемые положения:

1. С целью снижения потерь руды на руднике им. Губкина при этажно-камерной системе разработки следует уменьшать ширину междукамерных целиков с 25 до 19-21 м за счет их упрочнения веерами тросовых штанг, что обеспечит снижение этих потерь на 15-20%.

2. Частичная отработка междукамерных целиков системой горизонтальных слоев с твердеющей закладкой обеспечивает снижение потерь руды на 35-40% при сохранении устойчивости комбинированного целика (руда-закладка-руда) оставлением рудных боковых стенок толщиной не менее 7 м и ширине закладываемого пространства не более 11 м.

3. При упрочнении целиков веерами тросовых штанг или их частичной отработке снижение потерь руды следует определять с учетом разности между условной нормативной прибылью по очистным работам и затратами на укрепление целиков либо на ведение работ с упроченной закладкой.

Для геомеханически обоснованной ширины междукамерных целиков 19-21 м установка штанг экономически выгодна при норме прибыли не менее 15-20%.

Для минимально допустимой ширины оставленных стенок целика – 7 м экономически выгодно частично извлекать запасы целика при норме прибыли от 16 до 26% при изменении стоимости закладки от 600 до 1200 руб./м3.

Практическая значимость работы:

    • Разработаны новые технологические схемы отработки месторождений этажно-камерными системами, обеспечивающие снижение потерь руды в целиках на 15-20 %.
    • Разработаны рекомендации по отработке горизонта -250 м рудника им. Губкина этажно-камерной системой с упрочнением междукамерных целиков тросовыми штангами или их частичной отработкой горизонтальными слоями с твердеющей закладкой.
    • Разработан и запатентован способ упрочнения целиков веерами тросовых штанг.
    • Разработан способ частичной отработки междукамерных целиков системой горизонтальных слоев с твердеющей закладкой, позволяющий извлекать до 40 % руды от общего объема запасов руды в целике.

Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций обеспечивается их соответствием результатам, полученным при проведении лабораторных и математических исследований; представительностью и надежностью исходных данных; экспертной оценкой специалистов ЗАО «ПитерГОРпроект»; использованием современных апробированных методов исследований; значительным количеством данных, полученных при проведении исследований.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на: Международном форуме горняков и металлургов (Фрайберг, Германия, 2011 г.); научном симпозиуме «Неделя горняка - 2010» (МГГУ, г. Москва); ежегодных научных конференциях молодых ученых Санкт-Петербургского государственного горного университета «Полезные ископаемые России и их освоение» (Санкт-Петербург, 2009 г., 2010 г., 2011 г.); международной конференции молодых ученых «Проблемы освоения полезных ископаемых» (Санкт-Петербург, 2009 г.); научных семинарах кафедры «Разработки месторождений полезных ископаемых» СПГГУ.

Личный вклад автора. Анализ и обобщение существующего опыта и основных направлений совершенствования этажно-камерной системы, создание и научное обоснование новой технологии, формулировка задач исследований, разработка методики и проведение лабораторных исследований на эквивалентных материалах, формулировка основных научных положений и выводов, разработка практических рекомендаций.

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 10 работах, из них 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России и 3 патента на изобретение РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа общим объемом 155 страниц состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 74 источников, включает 95 рисунков и 25 таблиц.

Автор выражает благодарность научному руководителю д.т.н., проф. Э.И. Богуславскому за ценные консультации и помощь при проведении работы, к.т.н. Б.Ю. Зуеву за оказание помощи в разработке методики физического моделирования и проведении экспериментов, сотрудникам ЗАО «ПитерГОРпроект» и А.Б. Андрееву за ценные советы по технологии отработки горизонта -250 м рудника им. Губкина, сотрудникам кафедры Разработки месторождений полезных ископаемых за полезные замечания и помощь при выполнении работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава диссертации посвящена анализу специфики горно-геологических и горнотехнических условий Коробковского месторождения, отрабатываемого рудником им. Губкина. Выполнена оценка применяемых технологий отработки.

Во второй главе приведены предлагаемые технологии этажно-камерной системы разработки, обеспечивающие снижение потерь в целиках. Рассмотрен отечественный и зарубежный опыт применения тросовых штанг для упрочнения массива при подземной отработке рудных месторождений.

В третьей главе изложены результаты математического моделирования напряженно-деформированного состояния междукамерных целиков при изменении параметров этажно-камерной системы разработки и применении новых технологий отработки Коробковского месторождения.

В четвертой главе приведены результаты лабораторных исследований прочностных характеристик целиков на физических моделях из эквивалентных материалов.

В пятой главе приведены рекомендации по технологиям отработки горизонта -250 м рудника им. Губкина, изложены результаты технико-экономической оценки эффективности предложенных технологий, обеспечивающих снижение потерь в междукамерных целиках.

Основные результаты исследований отражены при доказательстве следующих защищаемых научных положений:

1. С целью снижения потерь руды на руднике им. Губкина при этажно-камерной системе разработки следует уменьшать ширину междукамерных целиков с 25 до 19-21 м за счет их упрочнения веерами тросовых штанг, что обеспечивает снижение этих потерь на 15-20%.

В диссертационной работе объектом исследований является рудник им. Губкина. Для разработки нижнего горизонта -250 м предложена, по аналогии с действующим горизонтом -125 м, этажно-камерная система разработки (рис. 1).

По данным рудника им. Губкина потери руды при отработке месторождения на горизонте -125 м составляют порядка 60%. Потери руды в блоке при этой системе разработки образуются, главным образом, в междукамерных целиках, расположенных по короткой стороне камеры.

С целью их снижения была разработана и запатентована технология отработки камер с креплением междукамерных целиков веерами тросовых штанг (патент РФ №2405109 от 27.11.2010 г.), позволяющая уменьшить ширину целика, обеспечив при этом его устойчивость (рис. 2).


Рис. 1. Система разработки, применяемая при выемке запасов

этажа -71/-125 м

Анализ опыта укрепления и упрочнения массива горных пород штанговой крепью подтверждает возможность повышения эффективности отработки месторождений за счет снижения потерь и разубоживания руды. Опыт применения тросовых штанг для укрепления горного массива в отечественной и зарубежной практике свидетельствует о большом разбросе параметров штангового крепления, что объясняется не только значительным разнообразием горно-геологических условий, но и отсутствием конкретных исследований напряженно-деформированного состояния укрепленного штангами массива. Условия упрочнения целиков тросовыми штангами существенно зависят от физико-механических свойств массива горных пород и параметров применяемой системы разработки.

Для оценки возможности применения и эффективности реализации этой технологии был произведен анализ методов моделирования, который позволил выбрать два наиболее применяемых и достаточно достоверных метода: физическое моделирование на эквивалентных материалах и численное моделирование с использованием метода конечных элементов.

Рис. 2. Система разработки, рекомендуемая при выемке запасов горизонта -250 м

1 - вентиляционный восстающий; 2 - вентиляционный орт; 3 – откаточный орт; 4 - буровой штрек вентиляционного горизонта; 5 – подэтажный штрек; 6 – доставочный штрек; 7 – буровой штрек; 8 – рудоспуск; 9 – заезды; 10 – сбойка с рудоспуском; 11 – транспортный орт; 12 – подэтажная сбойка; 13 – вентиляционный подэтажный орт; 14 – фланговый подэтажный вентиляционный орт; 15 – подэтажный камерный орт; 16 – веера тросовых штанг.

Для проведения исследований эффективности крепления междукамерных целиков веерами тросовых штанг была разработана методика и создана модель из эквивалентных материалов, воспроизводящая основные свойства исследуемого массива (рис. 3). Отработка модели заключалась в пошаговом уменьшении ширины целиков №1 (эталонного) и №2 (с креплением веерами тросовых штанг) при постоянном давлении толщи вышележащих пород. При минимально допустимой ширине целика 12 м, было увеличено давление пригрузочного устройства и установлен предел прочности целиков (рис. 3, 4). Исследования на физических моделях из эквивалентных материалов позволили определить качественную характеристику влияния вееров тросовых штанг на устойчивость междукамерных целиков. При повышении давления на модель определены максимальные величины относительных напряжений ( - напряжения одноосного сжатия к допустимой прочности пород на сжатие) при креплении целика №2 и без крепления - №1. Они соответственно составили 1,16 и 0,97 (рис. 4).

В результате проведенных исследований был сделан вывод о положительном влиянии тросового крепления на устойчивость целика. Коэффициент запаса прочности целика №2, при его креплении веерами тросовых штанг, превысил результаты испытаний эталонного целика №1 на 17-22% (рис. 4).

Определение параметров сетки штанг рационально выполнять при проектировании эксплуатационных блоков после получения уточненной информации о физико-механических свойствах отрабатываемых руд.

2. Частичная отработка междукамерных целиков системой горизонтальных слоев с твердеющей закладкой обеспечивает снижение потерь руды на 35-40% при сохранении устойчивости комбинированного целика (руда-закладка-руда) оставлением рудных боковых стенок толщиной не менее 7 м и ширине закладываемого пространства не более 11 м.

С целью решения задачи снижения потерь руды при отработке месторождений этажно-камерными системами предложен способ частичной отработки междукамерных целиков горизонтальными слоями с твердеющей закладкой и креплением целиков сквозными тросовыми штангами (рис. 5).

Целик отрабатывается горизонтальными слоями высотой 45 м в восходящем порядке. При этом выработанное пространство заполняют твердеющей закладкой 5 и упрочняют стенки целика сквозными горизонтальными тросовыми штангами 4, тем самым, образуя новую комбинированную несущую конструкцию «целик-закладка-целик». На ее устойчивость максимальное влияние оказывает ширина оставленного рудного целика. Кроме того, на целостность конструкции влияют горнотехнические факторы: сетка установки горизонтальных тросовых штанг, тип закладки, мощность закладываемого слоя, порядок отработки, высота заходки, прочность руды и вмещающих пород. Для определения напряженно-деформационного состояния комбинированного целика, а также несущей способности оставленных стенок использован метод конечных элементов с применением программного комплекса Simulia Abaqus. Математическое моделирование позволило установить напряжения, возникающие в системе «целик-закладка-целик» (рис. 6), при ширине оставленных стенок целиков 5, 6, 7 и 7,5 м. Величины относительных напряжений () составили, соответственно, 0,71, 0,59, 0,52 и 0,48 при = 80 МПа.

Рис. 5. Принципиальная схема этажно-камерной системы разработки с частичной выемкой целиков



Pages:   || 2 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.