Обрушение покрывающих пород на руднике "Заполярный"

Пластообразная залежь медно-никелевых руд средней мощностью 18 м падает под углом 10—20°. Кровля залежи представлена габродиабазом мощностью около 30 м, над ним залегают эффузивные диабазы и небольшой слой наносов.

В руде и вмещающих породах развита трещиноватость в различных направлениях.

Суммарная вертикальная мощность покрывающих пород над разрабатываемыми в настоящее время участками составляет 120—200 м. В почве залегают интрузивные безрудные породы.

Основная система разработки — этажное принудительное обрушение с вертикальными компенсационными камерами и отбойкой скважинами.

Этаж разделен по падению па панели, панели отрабатывают блоками подряд по длине. После выемки одной или нескольких камер, совмещенных по падению в панелях этажа, обрушают оставшиеся целики.

Значительные трудности возникают из-за большого горного давления, которое особенно ощутимо в связи с трещиноватостью руды.

До 1954 г. не проходили выработок для посадки кровли (или проходили их с запозданием), и опорное горное давление настолько возрастало, что целики и скреперные выработки разрушались.

В подэтажных выработках, пройденных в целиках, слышалось потрескивание, происходили смещения устьев скважин, пережимы скважин и вывалы руды с образованием окон из выработки в камеру. В результате сокращался фронт очистных работ, требовалось проходить дублирующие скреперные выработки и разбуривать рудный массив из выпускных дучек.

За период с 1954 по 1957 г. были испытаны различные способы принудительного обрушения налегающих пород при обрушении целиков.

Первую посадку кровли осуществили в сентябре 1954 г. Участок площадью 10 300 м2 был окружен массивом и состоял из двух панелей, в каждой из которых было пять камер шириной 14 м и четыре целика шириной 7 м.

Через 2 сек после обрушения целиков обрушили сосредоточенными зарядами общим весом 30 г слон пород толщиной 17 м (обрушение распространилось еще на 6—7 м выше). Показатели принудительного обрушения кровли приведены в табл. 16.

Спустя 6—7 мес. после посадки кровли, развилось опорное давление в соседних (по простиранию) блоках, полностью разрушившее целики и выработки горизонта скреперования. Трещины на земной поверхности над обрушенным участком появились лишь через год, затем поверхность осела и давление в соседних блоках резко упало.

Задержке в обрушении поверхности тогда не придали должного значения. Раздавливание целиков в соседних блоках отнесли за счет длительной их отработки, малой ширины и несвоевременной посадки кровли. Основное внимание было направлено на поиски более быстрых и дешевых способов принудительного обрушения пород.

Для удешевления работ применили глубокие скважины диаметром 106 мм, пробуренные станками БМК-2Б (см. рис. 40).

Подготовку к обрушению кровли вели недостаточно интенсивно, поэтому в ряде блоков быстрый рост горного давления заставил прекратить работы ввиду начинающегося разрушения уже обуренных целиков и ограничиться взрыванием готовых скважин.

Первую более или менее удачную посадку кровли скважинами осуществили в мае 1956 г. (рис. 72). Средняя мощность рудного тела составляла 16 м, толщина обуриваемого слоя пород 12—15 м, площадь обрушения 12 000 м2. Скважины в налегающих породах бурили станками БМК-2Б в виде горизонтальных вееров, Л.н.с. равнялась 3,7 м, расстояние между концами скважин 5 м, средняя глубина 27 м. Заряжали скважины аммонитом № 6 в патронах диаметром 90 мм местного изготовления общий вес зарядов (в кровле) 50 г. Мгновенно взорвали все скважины в целиках, после чего последовательно замедлением 2 сек — нижний, средний и верхний комплекты скважин в кровле.

При обрушении кровли скважинами продолжительность подготовки к обрушению сократилась в 2,5 раза по сравнению с обрушением сосредоточенными зарядами, себестоимость посадки уменьшилась почти на 30% (см. табл. 16).

Кровля обрушилась на проектную толщину. Горное давление в соседних отрабатываемых блоках снизилось до нормального, но через 5 мес. снова начало возрастать и в декабре 1956 г. достигло такой величины, что большинство выработок, пройденных для обрушения блоков, вышло из строя.

В 1957 г. с помощью скважин, пробуренных станками БМК-2Б, произвели еще две посадки кровли (31 января и 24 февраля); данные по одной из них приведены в табл. 16.

В том же году отрабатывалась часть рудного поля длиной 230 м по падению 63 м по простиранию. Посадка кровли в блоках, расположенных южнее, была произведена в январе 1957 г. Отработку камер в данной части рудного поля начали в апреле—мае 1957 г. В период выемки камер разбуривали целики и готовились к посадке кровли, в которой станками БМК-2Б бурили горизонтальные скважины.

К октябрю 1957 г. целики подверглись сильному горному давлению, выработки верхнего (расположенного у кровли залежи) подэтажа начали обрушаться, скважины в кровле смешались. В ноябре уцелевшая обуренная часть целиков была принудительно обрушена, из уцелевших фланговых восстающих произведена обрезка кровли. На участке, где один целик удалось взорвать лишь с первого подэтажа, а другой пришлось после посадки кровли разбурить из выпускных дучек, к апрелю 1958 г. почти все скреперные выработки пришли в аварийное состояние.

Таким образом, задержка на 1—2 мес. отработки камер и обуривания целиков привела к серьезным затруднениям.

Опыт рудника показывает следующее:

1) обрушение целиков снимает увеличенную нагрузку с днища данного блока (вне зависимости от посадки кровли);

2) если хотя бы один из целиков обрушается неполностью, то расположенные под ним скреперные выработки подвергаются сильному горному давлению и через 2—3 мес. выходят из строя;

3) в тех случаях, когда обрушение целиков производится без принудительной посадки кровли, в соседнем блоке развивается большое опорное давление, разрушаются целики вместе с недоработанными еще участками камер и выходят из строя скреперные выработки (тем более, что они уже нарушены взрыванием зарядов в дучках);

4) разрушение целиков начинается со смещения пробуренных скважин, образования трещин, характерного потрескивания и отслаивания от массива кусков руды. Продолжается оно обычно 15—40 дней;

5) принудительная посадка кровли при обрушении целиков уменьшает горное давление не только на днище данного блока, но и на массив соседнего блока (это имеет место не только при 1% полном обрушении налегающих пород с оседанием земной поверхности в этом случае причина снижения давления в соседнем блоке очевидна; уменьшение давления происходит и тогда, когда вместе с целиками обрушают лишь нижний слои налегающих пород толщиной 12—17 м).

В Ленинградском горном институте моделировали (методом эквивалентных материалов) обрушение налегающих пород применительно к условиям рудника «Заполярный». Обрушение слоя пород толщиной 20—30 м (в пересчете на натуру) снижало давление у границ рудного массива лишь на 10—15%, что соответствует уменьшению веса подработанной толщи. В натуре давления не измеряли, однако по состоянию целиков и выработок можно предполагать, что в случае принудительного обрушения пород кровли давление снижалось гораздо больше чем на 10—15%. Объяснения этого явления, насколько известно, еще не найдено.

Однако частичное обрушение кровли (на высоту 12—17 м) не обеспечивает длительного снижения горного давления. Через 5—6 мес. давление снова достигнет разрушительной величины (вышеупомянутые лабораторные опыты Ленинградского горного института подтвердили, что с течением времени горное давление значительно возрастает). Причем отработка крупных блоков площадью приблизительно от 10 тыс. м2 всегда занимала более 5—6 мес. и поэтому закапчивалась в тяжелых условиях.

Как следует из общеизвестной гипотезы «консольной плиты» и опытов Ленинградского горного института, давление возрастает с шириной блока, т. е. с увеличением в нем числа камер и целиков по длине панели.

На основании опыта рудника можно сделать следующие выводы.

1. Для снижения горного давления ширина блока (перпендикулярно границе обрушения) должна быть возможно меньшей.

2. При посадке блока необходимо обрушать налегающие породы принудительно во избежание развития сильного опорного давления в соседних блоках.

3. Посадка блока должна быть осуществлена не позже чем через 5—6 мес. после начала отработки камер. В противном случае возросшее горное давление начнет разрушать выработки верхнего подэтажа и раздавливать целики, мешая полному их обрушению скважинами; неполное обрушение целиков, помимо увеличения объема вторичного дробления руды и ее потерь, приводит к резкому повышению горного давления на горизонте скреперования.

4. С точки зрения продолжительности и себестоимости работ по обрушению кровли при относительно небольшой толщине обрушаемого слоя взрывные скважины имеют преимущество перед сосредоточенными зарядами. Однако при толщине слоя 12—17 м горное давление снижается лишь на ограниченный, обычно недостаточный, срок.

5. Возможно, что увеличение толщины обрушаемого слоя налегающих пород примерно до 30—40 м обеспечит более длительное снижение горного давления в связи с подрывом эффузивной толщи пород, залегающей над габбро-диабазами. При такой толщине слоя минное обрушение пород будет дешевле обрушения взрывными скважинами.

6. При несвоевременной или недостаточной по объему посадке кровли любая практически возможная ширина целиков вряд ли обеспечит нм необходимую устойчивость.

7. Выбор длины блока (в направлении вдоль границы обрушения) зависит от интенсивности выемки камер. Площадь посадки должна быть не слишком большой, чтобы успеть полностью отработать камерный запас до усиления давления на целики. При существующей интенсивности камерной выемки площадь посадки в 10 000 м2 слишком велика. Вместе с тем для более полного обрушения кровли желательно увеличение площади посадки и, следовательно, длины блока. Поэтому для эффективного обрушения кровли необходимо повысить производительность камер.

Заметим, что часть этих выводов нельзя относить к этажному принудительному обрушению со сплошной выемкой, испытываемому на руднике.