Интенсификация комбайновой проходки восстающих в прочных горных породах с использованием энергии взрыва

Краткое описание

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ... 5

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЙ... 12

1.1. Краткая горно-геологическая характеристика месторо-

~ п 12

ждении Стрельцовского рудного поля...

1.2. Физико-технические свойства горных пород и породного массива Стрельцовской группы месторождений... 19

1.3. Общие сведения о применяемых системах разработки и технологии проведения вертикальных выработок... 25

1.4. Обоснование перспективного направления совершенствования технологии проведения выработок комбайном 2KB

в крепких породах... 32

1.5. Цель и задачи исследований... 50

ГЛАВА2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ВЗРЫВА НА ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНОГО МАССИВА... 53

2.1. Экспериментальные исследования по определению пара -метров зон раздавливания и радиального трещинообра-зования в ближней зоне действия взрыва... 54

2.2. Промышленные экспериментальные исследования по определению изменения физико-технических свойств массива с расстоянием от заряда ВВ... 59

2.3. Анализ результатов промышленных экспериментальных исследований... 63

2.4. Выводы... 68

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДЕЙСТВИЯ ВЗРЫВА НА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯ

3

НИЕ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД... 70

3.1 Анализ литературных источников по установлению влияния действия взрыва на напряженное состояние массива... 71

3.2. Методика определения напряженного состояния трещи -новатого массива горных пород... 74

3.3. Экспериментальные исследования по определению НДС

массива после взрывания зарядов ВВ... 82

3.4. Обоснование возможности эффективной проходки вое -стающих в удароопасных массивах горных пород... 86

3.5. Выводы... 89

ГЛАВА 4. ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ПРОВЕДЕНИЯ ВЫРАБОТОК КОМБАЙНОМ 2KB В ИЗМЕНЕННЫХ ВЗРЫВОМ И УДАРООПАСНЫХ МАССИВАХ ГОРНЫХ ПОРОД... 91

4.1. Методика промышленных испытаний способов интенси -фикации проходки восстающих комбайном 2KB... 92

4.2. Промышленные испытания комбайна 2KB в разупроч -ненных взрывом породных массивах... 93

4.3. Промышленные испытания интенсификации проходки восстающих комбайна 2KB в напряженных взрывом породных массивах... 97

4.4. Промышленные испытания и внедрение проходки вое -

стающих комбайном 2KB в удароопасных напряженных гранитных массивах... 107

4.5. Выводы... 109

ГЛАВА 5. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ СПОСОБОВ И РАЗРАБОТКА НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ ПО ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОВЕДЕНИЯ ВОС-

4

СТАЮЩИХ К0МБАЙН0М2КВ... Ill

5.1. Нормативно-техническая документация по интенсификации проходки восстающих комбайном 2KB с использованием энергии взрыва и в удароопасных гранитных массивах месторождения «Антей»... 112

5.2. Расчет экономического эффекта от внедрения технологии проведения восстающих комбайном 2KB с использова -

нием энергии взрыва и горного давления... 121

5.3. Определение области применения комбинированной технологии проведения восстающих комбайном 2KB с использованием энергии взрыва... 126

5.4. Выводы... 134

ЗАКЛЮЧЕНИЕ... 134

ЛИТЕРАТУРА... 138

ПРИЛОЖЕНИЯ... 143
Введение

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В настоящее время горные предприятия Российской Федерации все активнее переходят к рыночным отношениям, что настойчиво требует снижения себестоимости добываемого полезного ископаемого, особенно при подземной геотехнологии, отличающейся более высокими затратами по сравнению с открытыми горными работами.

Необходимым технологическим процессом подземной геотехнологии является подготовка блоков к выемке, включающая в частности проведение рудоспусков, ходовых, вентиляционных, закладочных и материальных восстающих. Наиболее прогрессивным способом проходки восстающих с точки зрения безопасности, экономики и социальной привлекательности является механическое бурение буровыми установками (комбайнами). Однако практика показала, что применяемые на рудниках ОАО «Приаргунское производственное горно-химическое объединение» (ОАО «ППГХО») комбайны 2KB эффективно работают в массивах горных пород с коэффициентом крепости по М.М. Протодъяконову/до10...12. В более крепких (прочных) породах технико-экономические показатели (ТЭП) проходки значительно ухудшаются. Поэтому создание технологии проходки восстающих комбайном 2KB в крепких горных породах, обеспечивающей повышение производительности труда и снижение расхода разрушающего инструмента является актуальной

6

научно-технической задачей, решение которой позволит рентабельно эксплуатировать буровые установки в нерегламентированных условиях.

Для повышения ТЭП проходки восстающих в прочных горных породах в настоящей работе предложено использовать энергию взрыва, т.е. направленно изменить физико-технические свойства массива (прочность, мик-ротрещиноватость) или его напряженное состояние перед проходкой восстающих комбайном 2KB.

В диссертационной работе обобщены результаты многолетних исследований, проведенных при непосредственном участии и под руководством автора в рамках планов НИР ОАО «ППГХО».

Цель работы - повышение эффективности проходки восстающих комбайном 2KB в прочных массивах горных пород на основе использования энергии взрыва и горного давления.

Основная идея работы заключается в предварительном изменении физико-технических свойств и напряженного состояния горного массива энергией взрыва или применения комбайна 2KB в естественно напряженном удароопасном горном массиве.

Объект исследований - трещиноватый напряженный массив горных пород.

Предмет исследований - технология и основные процессы проведения восстающих комбайном 2KB.

7

Основные задачи исследований. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Установить влияние действия взрыва на физико-технические свойства и напряженно-деформированное состояние массива прочных горных пород .

2. Провести промышленные испытания технологии проведения восстающих комбайном 2KB в разупрочненных и напряженных массивах

3. Разработать нормативно-техническую документацию на использование способов интенсификации проходки восстающих комбайном 2KB, внедрить и определить область применения и экономическую эффективность предложенных способов.

Методы исследований. Реализация поставленной цели осуществлялась на основе комплекса современных методов, включающих: анализ литературных источников, промышленные экспериментальные и лабораторные исследования влияния действия взрыва на физико-технические свойства и НДС окружающего горного массива с использованием линейных замеров, поляризационного микроскопа, акустического прибора УКБ-1М, прибора определения коэффициента крепости, хронометражные наблюдения за скоростью проходки восстающих, технико-экономический анализ предложенной технологии, методы анализа и обработки результатов наблюдений с использованием математического аппарата теории вероятности и математической статистики.

8

Защищаемые научные положения.

1. Взрывание заряда ВВ в скважине, пробуренной по оси восстающего, разупрочняет массив в радиусе до 10... 12 его диаметра и увеличивает скорость проходки восстающего комбайном 2KB в крепких горных породах.

2. Формирование напряженного состояния массива путем взрывания скважин вне контуров проектируемого восстающего или использование высокого горного давления на больших глубинах позволяет повысить эффективность комбайновой проходки за счет взаимодействия его рабочего органа с напряженными породами.

Достоверность научных положений и выводов подтверждена: -достаточным и представительным объемом экспериментальных исследований основных процессов технологии проведенных восстающих комбайном 2KB;

- удовлетворительной сходимостью результатов теоретических расчетов, лабораторных исследований, промышленных экспериментов, положительными показателями внедрения разработанной технологии проведения восстающих комбайном 2KB в прочных породах.

Научная новизна исследований заключается в том, что:

- впервые на основе анализа теории и практики научно обоснован способ проведения восстающих комбайном 2KB с предварительным взрывным воздействием на массив прочных горных пород;

9

- экспериментально установлены зависимости изменения микротре-щи-новатости, скорости продольной волны и прочности крепких горных пород if = 8... 18) с расстоянием от взорванного заряда ВВ, причем разупрочнение массива происходит в радиусе 10... 12 диаметра заряда;

- выявлены основные закономерности изменения напряженно-деформированного состояния прочных гранитных массивов вокруг взорванного заряда и установлена зона повышенных напряжений на расстоянии от 10... 12 до 45...50 диаметров заряда;

- теоретически и экспериментально доказана возможность и определены условия повышения скорости проходки восстающих комбайном 2KB в измененных взрывом и удароопасных напряженных массивах крепких горных пород;

- разработаны технологические схемы проведения восстающих комбайном 2KB с предварительным взрывным воздействием и определена область их целесообразного применения в зависимости от крепости горных пород и назначения выработок.

Практическое значение работы заключается в разработке:

- методов повышения эффективности подземной геотехнологии на основе интенсификации проходки восстающих комбайном 2KB с использованием энергии взрыва и естественного горного давления;

10

- нормативно-технической документации по интенсификации проходки восстающих в различных горно-геологических и горнотехнических условиях.

Реализация работы. Разработанные в виде нормативно-технической документации рекомендации по интенсификации проходки восстающих комбайном 2KB внедрены на рудниках №1 и «Глубокий» ОАО «ППГХО» с экономическим эффектом 103,99 тыс. рублей (в ценах 1991 года) или 2,8 млн. рублей (в ценах 2003 года). Использование комбайнов 2KB в удароопасных гранитах месторождения «Антей», помимо повышения эффективности проходки, обеспечивает безопасность горных работ.

Личный вклад автора состоит в:

- обобщении отечественного и зарубежного опыта применения комбайнов бурового типа и обосновании технологии проведения восстающих комбайном 2KB на основе изменения физико-технических свойств и напряженного состояния массива крепких горных пород;

- участии при разработке методик, проведении, обработке и анализе результатов исследований;

- разработке нормативно-технической документации, обосновании области применения, внедрении и технико-экономической оценке технологических схем проходки восстающих комбайном 2KB,

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на ежегодных заседаниях научно-технического совета ОАО

11 «ППГХО» (г.Краснокаменск, 1980-1993г.г., 1997-2004г.г.), региональных

научно-практических конференциях ЧитГУ (г. Чита, 2003-2004г.г.), научном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, 2004г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 научных работ, в том числе 2 патента РФ и авторское свидетельство СССР на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав и заключения, изложенных на 142 страницах машинописного текста, содержит 36 рисунков, 21 таблицу, список литературы из 40 наименований и 8 приложений.

Автор выражает глубокую благодарность и признательность научному консультанту д.т.н. Тюпину В.Н. и научному руководителю д.т.н., профессору Лизункину В.М. за участие в выборе направления исследований, постоянное внимание к работе и поддержку на всех этапах ее подготовки. Исключительную благодарность автор выражает сотрудникам Сибирского филиала ВНИПИПТ, ЧитГУ, работникам управления и подразделений ОАО «ППГХО» за помощь в проведении экспериментов, опытно-промышленной проверке и содействии

12

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Краткая горно-геологическая характеристика месторождений Стрельцовского рудного поля [1]

Стрельцовская группа урановых и молибдено-урановых месторождений образовалась в результате процессов, протекавших в связи с познемезо-зойской вулканомагматической активизацией, и объединена единой рудов-мещающей структурой - кальдерой проседания. Кальдера имеет сложную полигональную форму, площадь её составляет 120 км2. В строении кальдеры выделяются два структурных этажа: нижний - фундамент, представленный породами протерозоя и палеозоя, и верхний, сложенный осадочно-вулканогенными отложениями верхнеюрского и нижнемелового возрастов.

Фундамент кальдеры сложен метасоматическими гранитами палеозойского возраста с ксенолитами раннепротерозойских метаморфических пород, представленных доломитизированными известняками, кристаллическими сланцами, амфиболитами, кварцитами, филлитовидными сланцами.

Верхний структурный этаж представлен комплексом осадочных и вулканогенных пород, имеющим мощность 500...600 м. В наиболее погруженных участках кальдеры мощность верхнего структурного этажа достигает 1400 м и более. В разрезе этих отложений выделяется верхнеюрская Приар-гунская свита, состоящая из трех перемежающихся покровов базальтов и трех покровов трахидацитов, разделяемых горизонтами осадочных и туфо-

13

генно-осадочных пород. Приаргунская свита перекрывается тургинской свитой, относимой к нижнему мелу.

Разрывные нарушения, определяющие структуру Стрельцовской кальдеры, представлены тремя типами: 1) глубинные разломы меридионального и северо-восточного простирания, имеющие региональное значение и выходящие за пределы кальдеры; 2) бортовые разломы, ограничивающие кальдеру; 3) зоны тектонических нарушений, прослеживаемые на площади кальдеры. Урановое и молибденово-урановое оруденение, залегающие в породах верхнего структурного этажа, связано преимущественно с последним типом разрывных нарушений.

Позднемезозойская вулканотектоническая активизация завершилась в пределах Стрельцовской кальдеры мощным гидротермальным процессом, вызвавшим соответственное изменение пород и образование уранового и мо-либденово-уранового оруденения. Растворы, поднимаясь по крупным тектоническим разрывам, распространялись по более мелким трещинам, насыщая всю толщу раздробленных пород. Минералообразование происходило путем метосоматоза, так и выполнением открытых трещин.

Процесс рудообразования охватил всю толщу пород, участвующую в строении кальдеры. В связи с этим промышленные урановые и молибденово-урановые руды образовались как в породах фундамента - гранитах, доломи-тизированных известняках, так и во всех породах, слагающих верхний структурный этаж: базальных конгломератах, базальтах, трахидацитах, фельзитах

14

и в отдельных случаях в горизонтах осадочных пород, обогащенных органическим материалом, породах жерловых фракций. При этом более благоприятными для рудоотложения оказались породы среднего и кислого состава: трахидациты и фельзиты, с которыми связаны основные запасы урановых и молибденово-урановых руд.

В Стрельцовское рудное поле входят около 19 основных урановых и молибденово-урановых месторождений. В настоящие время в промышленном освоении находятся следующие месторождения: Стрельцовское, Антей, Лучистое, Мартовское, Октябрьское и Мало-Тулукуевское. Эта группа месторождений является уникальным по запасам полезного ископаемого и содержанию металла в руде и характеризуется весьма разнообразными типами рудных залежей и сложными горно-геологическими условиями залегания.

i

Формы рудных залежей месторождений Стрельцовского рудного поля определила структурная подготовка. В зонах трещиноватости пород преимущественно среднего и кислого состава образовались штокверкоподобные рудные залежи (68 % суммарных запасов урана). Рудные залежи, контролируемые отдельными разрывами, распространенными в основных породах, имеют жилообразную рудную форму, в которых сосредоточено 24 % запасов урана. Рудные залежи в горизонтах осадочных пород представлены пласто-образными рудными телами (8% запасов урана).

Размеры рудных залежей колеблются по простиранию от первых сотен метров до одного и более километра, с отдельными перерывами. Ширина за-

15

лежей достигает 200...300 м. Рудные залежи состоят из более мелких образований - рудных тел, являющихся объектами отработки. Рудные тела имеют размеры по простиранию от 20...30 до 250...300 м, по падению до 150...200 м. Мощности рудных тел колеблются от долей метра до 50...70 м.

Вертикальный размах оруденения весьма значителен. В породах верхнего структурного этажа промышленное оруденение, в отдельных случаях приближаясь к поверхности, прослеживается до глубины 400...500 м. В породах фундамента промышленные руды установлены на глубине 1500... 1800 м и не оконтурены.

На месторождениях Стрельцовского рудного поля выделены следующие типы рудных тел, приуроченных к определенным рудовмещающим разрывным нарушениям:

1) Жильные, жилообразные и линзообразные рудные тела, качество руд высокое. Протяженность рудных тел изменяется в пределах 40...300 м по простиранию и 20...250 м по падению, мощность варьируется от 2 до 16 м. Рудные тела локализованны в зонах дробления и брекчирования сквозных разрывов, пересекающих всю вулканогенно-осадочную толщу пород и уходящих в фундамент.

2) Жилы и линзы, имеющие большую прерывистость и рассредото-ченность в контуре залежи, качество руд рядовое. Размеры обособленных рудных тел по падению и по простиранию не превышают 120... 160 м, средняя мощность составляет 3...6 м. Рудные тела, локализованы в зонах доста-

16 точно выдержанных по падению и простиранию тектонических разрывов,

проявленных только в породах чехла или фундамента. Границей их развития является контакт структурных этажей.

3) Жилообразные рудные тела, являющиеся элементами штокверкоподобных залежей, руды рядовые. Длина их по простиранию колеблется от первых десятков до 200...300 м, по падению - не более 60...80 м, мощность составляет 2...3 м. Рудные тела, приурочены к тектоническим разрывам, проявленным только в породах нижней и верхней толщи стратиграфического разреза верхнего структурного этажа. В большей своей части они относятся к трещинам опережения сквозных и внутриэтажных тектонических швов и зачастую представлены серией сближенных кулис.

4) Линзы, гнезда и неправильной формы рудные скопления, составляющие основную часть рудной площади штокверкоподобных залежей, руды богатые. Размеры таких залежей по простиранию и мощности редко превышают соответственно 10...Ими 1...2м.

Рудные тела приурочены к небольшим трещинам и зонам мелкой тре-щиноватости, развитым внутри отдельных покровов эффузивов, и ограничены по вертикали пологими срывами по их контактам.

5) Пластообразные рудные тела вытянуты вдоль крутопадающих разрывных нарушений в плане, качество руд рядовое. Длина рудных тел 1600... 1800 м, ширина от 60...80 м до 300...400 м, мощность колеблется в пределах 0,5... 6,0 м.

17

Рудные тела сформированы в месте пересечения крутопадающими разрывами маломощных прослоев туфогенно-осадочных пород, по контакту которых с подстилающими и перекрывающими породами развиты пологие тектонические срывы.

Руды Стрельцовской группы месторождений по качественной характеристике разделяются на контрастные и высококонтрастные. По результатам опробования выделяют следующие технологические сорта руд:

забалансовые руды с содержанием металла от нижнего предела до бортового содержания 0,011... 0,030 %;

беднобалансовые руды с содержанием 0,03...0,16 %;

рядовые руды с содержанием металла от нижнего предела до верхнего предела, принятого для обогащения руды на РОФ 0,16...0,30 %;

богатые руды с содержанием металла выше установленного верхнего придела для рядовых руд и весьма богатые руды 0,30 %.

По характеру распределения запасов были выделены три типа рудных залежей [1].

I тип - мощные рудные залежи, крутопадающие рудные столбы и уплощенные мощные образования с высоким коэффициентом рудоносности, характеризуются бимодальным распределением запасов руды по классам мощности. Средняя мощность рудных тел более'5м;

II тип - штокверкоподобные залежи, характеризуются также как и залежи I типа бимодальным распределением запасов руды по классам мощно-

Список литературы