способ комплексного освоения и использования недр

Формула изобретения

1. Способ комплексного освоения и использования недр, включающий камерную выемку полезного ископаемого с оставлением целиков, последующими закладкой и хранением хвостов, отличающийся тем, что на отработанном участке рудного поля определяют две группы камер для разделенной по фракциям закладки, определяют направление и последовательность закладки камер, поток отходов горного производства направляемого в хвосты разделяют на песковую и пульповую фракции, образуя закладочный материал, и каждый поток раздельно направляют в камеры, предназначенные для заполнения, при этом каждую группу из двух групп камер формируют в подгруппы для заполнения определенным видом фракций, для песковой фракции камеры определяют преимущественно попарно смежно-состыкованными междукамерными целиками, а камеры для пульповой фракции выбирают кассетно, состыкованными общими междукамерными целиками, образуя цепочку камер, в верхней части целиков проходят выработку, соединяющую камеры, или производят разрыхляющий взрыв, определяют начало и конец цепочки камер, производят закладку камер песковой фракцией, заполняя их послойно, после уплотнения слоя цикл повторяют до полного заполнения камер с полным насыщением водой ее внутренних пустот, разделение закладки на фракции и заполнение камер производят непрерывно, при этом в кассетной части рудного поля пульповую фракцию направляют в начало цепочки камер, первую камеру полностью заполняют и через перелив в виде выработки или взрыхленной породы частично отстоявшаяся пульповая фракция перетекает в следующие камеры, постепенно их заполняя, в момент заполнения камер частички пульповой фракции осаждаются и заполняют камеры однородным закладочным материалом, повышая несущую способность междукамерных целиков, при этом в каждую последующую камеру пульпа переливается, отфильтровываясь от более крупных частиц фракций закладочного материала либо взрыхленной взрывом породой перелива, либо уложенными в выработки перелива кусками породы, из последней в цепочке камеры воду откачивают и пускают в оборот, после заполнения первой в цепочке камеры всю цепочку цикла перемещают на одну камеру вперед, при полном заполнении водонасыщенной песковой закладкой двух смежных, разделенных целиком камер, производят максимально допустимую по условиям устойчивости частичную отработку межкамерных целиков, образованных парами смежных заложенных камер, вторичными камерами, при этом фронт добычных работ продвигают по мере заполнения смежных пар камер закладочным материалом.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что частичную отработку целиков вторичными камерами ведут с отбойкой руды параллельными скважинами или веерами скважин из горизонтальных или восстающих выработок.

3. Способ по любому из пп. 1 и 2, отличающийся тем, что при отработке целиков вторичными камерами симметрично относительно длинной оси целиков вынимают долю ранее оставленных в этих целиках запасов, пропорциональную величине относительного прироста несущей способности целика за счет двухстороннего бокового подпора от материала, заполняющего первичные камеры, при этом вторичной камере в вертикальном сечении придают форму трапеции, высота которой определяется по формуле h_i = Н -h_ц, углы наклона боковых сторон определяются из выражения



а нижнее основание которой определяют по формуле



где Н - высота междукамерного целика, м;

h_ц - толщина потолочины, принимаемая по условиям геомеханической безопасности, м;

В - ширина междукамерного целика, м;

К_р > 1 - коэффициент увеличения несущей способности междукамерного целика за счет бокового подпора при заполнении отработанных камер гидравлическим материалом с объемной плотностью ₁.

4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что при отработке целиков вторичным камерам в вертикальном сечении придают форму прямоугольника, вписанного в трапецию, соотношение сторон которого определяют по формуле



где h_i - высота;

b_i - ширина вторичной камеры.

5. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что верхней поверхности вторичной камеры придают вкрест обоим горизонтальным осям ее сечения форму свода с углом наклона образующей, превышающим угол естественного откоса при растекании закладочного материала.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что из последней и предпоследней камер кассетной цепочки образуют систему сообщающихся сосудов, в последнюю камеру цепочки с поверхности земли пробуривают две скважины, водозаборную и компрессионную, устанавливают в них трубы или используют существующие трубопроводы, герметизируют их, нижний конец водозаборной трубы располагают ниже уровня забора воды в камере, а верхний конец подключают к водоотводной магистрали, компрессорную трубу подсоединяют к компрессору, создают в камере избыточное добавочное воздушное давление и поднимают воду на поверхность в магистраль методом артезианских скважин и пускают ее в оборот.

7. Способ по любому из пп. 1 и 6, отличающийся тем, что в отработанные камеры в качестве закладочного материала общим потоком без разделения заливают пульповую и песковую фракции отходов производства, образуя кассетное хвостохранилище, а очищенную воду пускают в оборот.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области горного дела и, в частности, к комплексному освоению и использованию недр месторождений полезных ископаемых.

Известен способ разработки месторождений, заключающийся в отработке полезных ископаемых с последующей закладкой выработок [1].

Недостатком данного способа является необходимость подготовки специального закладочного материала и создание хвостохранилищ для отходов горного производства.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ освоения месторождений полезных ископаемых, заключающийся в отработке полезных ископаемых слоями или камерами с оставлением целиков с последующей их закладкой породой и созданием на поверхности земли хвостохранилища [2].

Недостатком данного способа является потеря полезных ископаемых в целиках, спецзакладка, а также необходимость создания на поверхности земли хвостохранилища для отходов на значительном расстоянии от горно-обогатительного производства.

Целью изобретения является снижение потерь полезных ископаемых за счет отработки целиков повторными камерами, снижение финансовых затрат на создание хвостохранилища, транспортировку отходов производства в хвосты и использование оборотной воды.

Указанная цель достигается тем, что на отработанном участке рудного поля определяют две группы камер для их закладки разделенными по фракциям отходами производства, определяют направление и последовательность закладки камер, поток отходов горного производства, направляемый в хвосты, разделяют на песковую и пульповую фракции, образуя закладочный материал, и каждый поток раздельно направляют в камеры, предназначенные для заполнения; при этом каждую группу из двух групп камер формируют в подгруппы для заполнения определенным видом фракции, для песковой фракции камеры определяют преимущественно попарно состыкованными между камерными целиками, а камеры для пультовой фракции выбирают кассетно, состыкованными общими междукамерными целиками, образуя цепочку камер, в верхней части целиков проходят выработку, соединяющую камеры, или производят разрыхляющий взрыв, определяют начало и конец цепочки камер и производят закладку, песковую фракцию в виде мокрого песка направляют для отстоя в камеры с непроницаемыми для воды бортами, заполняя их послойно, оставляют отстояться после осаждения и уплотнения закладки, образовавшуюся на поверхности воду откачивают и пускают в оборот, а на образовавшийся слой водонасыщенной песковой закладки загружают следующий слой песковой фракции и цикл повторяют до полного заполнения камер песковой фракцией с полным насыщением водой ее внутренних пустот, разделение закладки на фракции и заполнение камер производят непрерывно, при этом в кассетной части рудного поля пульповую фракцию направляют в начало цепочки камер, первую камеру полностью заполняют и через перелив в виде выработки или взрыхленной породы частично отстоявшаяся пульповая фракция перетекает в следующие камеры, постепенно их заполняя, в момент заполнения камер частички пульповой фракции осаждаются, отстаиваясь, и заполняют камеры однородным закладочным материалом, повышая несущую способность междукамерных целиков, при этом в каждую последующую камеру пульпа переливается, отфильтровываясь от более крупных частиц фракций закладочного материала, либо через взрыхленные взрывом породы перелива, либо через уложенные в выработке перелива куски породы, из последней в цепочке камеры воду откачивают и пускают в оборот, после заполнения первой в цепочке камеры всю цепочку цикла перемещают на одну камеру вперед; при полном заполнении двух смежных разделенных целиком камер водо-насыщенной песковой закладкой производят максимально допустимую по горным условиям устойчивости целика частичную отработку межкамерных целиков, образованных парами камер (вторичных камер), при этом фронт добычных работ продвигают по мере заполнения смежных пар камер закладочным материалом, частичную отработку целиков вторичными камерами ведут с отбойкой руды параллельными скважинами или веерами скважин из горизонтальных или восстающих выработок, кроме того, при отработке целиков вторичными камерами, симметрично относительно их продольной оси, вынимают долю запасов, равную по величине относительному приросту несущей способности целика за счет двухстороннего бокового распора от закладочного материала в заполненных камерах, при этом в благоприятных геологических условиях отрабатываемая вторичная камера имеет в вертикальном сечении форму равносторонней трапеции с нижним основанием (М_о) равным:



где В - ширина междукамерного целика, м;

К_р > 1 - коэффициент увеличения несущей способности междукамерного целика за счет бокового подпора при заполнении отработанных камер гидравлическим материалом с объемной плотностью ₁;

высота трапеции определяется по формуле:

h_i = H h_ц,

где Н - высота междукамерного целика, м;

h_ц - толщина потолочины, принимаемая по условиям геомеханической безопасности, м;

угол наклона боковых сторон, определяемый из условия:



При наличии в целиках геологических нарушений, осложняющих их отработку, создается дополнительный запас прочности целиков путем придания вторичным камерам формы прямоугольных щелей, высота (h_i) и ширина (b_i) которых всегда должны удовлетворять условию:



Для повышения безопасности работ и устойчивости кровли отрабатываемой камеры верхней поверхности вторичной камеры придают форму свода в крест обоим горизонтальным осям ее сечения с углом наклона образующей, превышающим угол естественного откоса при растекании закладочного материала, для откачки воды из последней и предпоследней камер кассетной цепочки образуют систему сообщающихся сосудов, в последнюю камеру цепочки с поверхности земли пробуривают две скважины, водозаборную и компрессионную, устанавливают в них трубы или используют существующие трубопроводы, герметизируют их, нижний конец водозаборной трубы располагают ниже уровня забора воды в камере, а верхний конец подключают к водоотводной магистрали, компрессорную трубу подсоединяют к компрессору, создают в камере добавочное избыточное воздушное давление и поднимают воду на поверхность в магистраль методом артезианских скважин и пускают ее в оборот.

В случае, когда отработка междукамерных целиков является неперспективной, в отработанные камеры в качестве закладочного материала общим потоком без разделения заливают пульповую и песковую фракции отходов производства, образуя кассетное хвостохранилище, а очищенную воду пускают в оборот.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 (а, б) показан механизм гравитационного разделения твердой и жидкой фаз хвостов при создании подземного хвостохранилища. На фиг.2 показана технологическая схема отработанного участка рудного поля при создании подземного хвостохранилища. На фиг. 3 показана схема подземного хвостохранилища с системой оборота воды. На фиг.4 приведена система водозабора, на фиг.5 (а и б) приведены технологические схемы отработки целиков. На фиг.6 приведена примерная схема и направление отработки междукамерных целиков в процессе закладки камер.

Система комплексного использования и освоения недр содержит устройство разделения хвостов отходов производства на песковую и пульповую фракции, например, гидроциклон 1, камеры 2 для песковой фракции (тип А), камеры 3 (тип Б) для пульповой фракции, образующие цепочку для осветления оборотной воды, выработки переливы 4 с кусками породы в них и выработки переливы 5, выполненные разрыхляющим взрывом, куски-препятствия 6, выполненные из крупных кусков породы и уложенные в переливах 4, труба водозабора 7 для откачки оборотной воды 8 (1-й вариант), водоотводная магистраль 9 с насосной станцией 10 для отвода оборотной воды 8, осажденный закладочный материал 11, поток песковой фракции 12, поток пульповой фракции 13, каналы 14 для заполнения камер 2 и 3 фракциями, выработка 15 в системе сообщающихся сосудов водозабора, представляющего собой предпоследнюю Б_n-1 и последнюю Б_n камеры 3 в кассете камер хвостохранилища, разделенных общим междукамерным целиком. В последней камере (Б_n), во втором варианте, бурят компрессионную скважину с установленной в ней трубой 16, подключенной к компрессорной станции 17 для создания избыточного давления (P_k) в надводном пространстве камеры Б_n. Для повышения давления в водозаборной камере Б_n свод камеры может быть обработан воздухонепроницаемым материалом, что позволит поднять суммарное давление (Р), которое складывается из Р - атмосферного давления на воду, Р - давления столба воды при разнице уровней в камерах Б_n и Б_n-1 и P_k - давления воздуха, подаваемого компрессором. После закладки пары камер 2 или 3 закладочным материалом 11 междукамерные целики 18 отрабатывают вторичными камерами 19 со сводами 20, наклон образующей свода которой равен углу естественного откоса материала песковой фракции. В своде выполняют выработку 21 для песковой фракции 12 закладочного материала 11, образованного из отходов продукта 22 горно-обогатительного предприятия 23.

Способ реализуется следующим образом.

После отработки месторождения камерами 2 и 3 выбирают отработанный участок рудного поля, наиболее перспективный для создания хвостохранилища и отработки оставленных междукамерных целиков 18 вторичными камерами 19.

Основным требованием для образования хвостохранилища является соблюдение условия, когда все частицы с массой и размерами, обеспечивающими преодоление гидравлического сопротивления вертикальному движению, попадут в объем под кривой Стокса (фиг.1 а).

Конструкция подземного хвостохранилища, как системы камер, разделенных целиками, изменяет форму классической кривой раздела твердой и жидкой фаз. Она приобретает ступенчатую форму в аппроксимированном виде и значительно выполаживается по отношению к классической кривой Стокса (фиг. 1 б).

Геомеханически обусловленная конструкция подземного хвостохранилища, как системы емкостей и перегородок, через которые переливается осветляемая пульпа, изменяет условия осаждения твердой фазы по отношению к обычным прудам осаждения. С точки зрения рационального использования объемов отработанных камер и создания предпосылок для частичного освоения запасов, оставленных в междукамерных целиках, наиболее целесообразно выделение и отдельное складирование крупной песковой фракции. В этом случае размер подземного хвостохранилища, в котором будет осветляться остальная пульпа, не уменьшится, но время его существования увеличится пропорционально доле изъятий песковой фракции, что, в свою очередь, улучшит общие и удельные экономические показатели всей системы.

Поэтому подача пульпы в емкости камер без возбуждения турбулентных движений открывает перспективу интенсификации всего процесса и повышения его экономических показателей. Общая интенсивность процесса разделения фаз может быть увеличена, если разделение не будет прерываться при движении потока через целики, разделяющие камеры.

Эффективность разделения фаз может быть увеличена путем внешней физической или химической активизации этого процесса. Для этого на отработанном участке рудного поля намечают камеры 2 (тип А) для перспективного заполнения песковой фракцией 12 и цепочки камер 3 (тип Б) для заполнения пульповой фракцией 13. При этом камеры типа А и Б выбирают, располагая их таким образом, чтобы транспортировку пульпы на хвостохранилище и оборотной воды в производство производить по кратчайшему расстоянию. Определяют цикл осветления воды и цикл отстоя фракций, определяют и задают длину цепочек камер (длину кассеты камер) 3 (тип Б) и выполняют между камерами выработки переливы 4 и 5. В качестве переливов могут использоваться как выработки, пройденные в период отработки месторождения, так и вновь выполненные специально для создания переливов. Для улучшения осаждения в выработках перелива 4 укладывает куски породы 6. Выработки переливы 5 могут быть выполнены и разрыхляющим взрывом, что позволит быстрее отфильтровать и осветлять пульпу, укоротив цикл осветления воды. Также цикл осветления воды ускоряется разделением потока отходов производства, направляемых на хвосты, на песковую 12 и пульповую 13 фракции, гидроциклонном 1.

Наиболее надежным и простым техническим средством, позволяющим получить песковую фракцию для закладки камер и обеспечить эффективное осветление оборотной воды из хвостовых шламов являются гидроциклоны различных размеров и производительности.

Разделенные гидроциклоном 1 потоки направляют в предназначенные для них камеры: песковую - в камеру 2 (тип А), а пульповую (хвостовый шлам) в камеру - 3 (тип Б).

Песковая фракция поступает в камеру 2 порциями. Порция, поступившая в первую камеру 2, отстаивается и уплотняется, в то время как загружают следующую камеру типа А. Загрузочные каналы 14 располагают таким образом, чтобы при загрузке в камере не оставалось пустот. Для этого своды камер выполняют с наклоном под углом естественного откоса при растекании песковой фракции. Загрузку камер 2 (тип А) производят одновременно с загрузкой камер 3 (тип Б). Пульповая фракция заливается в первую камеру 3 (Б₁) цепочки камер, заводняют камеру до перелива 4 и пульпа перетекает в следующую за ней камеру (Б₂). В период заполнения камер частицы пульповой фракции осаждаются и уплотняются, а при перетекании через переливы 4 и 5 частично отфильтровываются. После заполнения, отстоя и уплотнения закладки (пульповой фракции) первой (Б₁) в цепочке камеры цепочка передвигается на шаг вперед, вторая камера (Б₂) становится первой и цикл продолжается. Таким образом цикл заполнения камер закладкой является непрерывным и разнесенным во времени на длительный период. Цепочка может быть расчетной, т.е. рассчитывают длительность цепочки до момента осветления воды. Такая цепочка является минимально короткой по количеству камер, и при заполнении первой камеры вся цепочка (9) перемещается на одну камеру вперед Б_n+1 (ползущая цепочка).

Во втором случае цепочка выполняется длиной на максимальное возможное количество камер, при этом последняя камера (Б_n) является фиксировано водозаборной, а первая камера, после полного ее заполнения, исключается из процесса и консервируется. В случае образования остаточных пустот камера дозаполняется песковой фракцией 12. В последней камере (Б_n) цепочки выполняют водозабор для отбора воды 8 в оборот.

В первом варианте воду 8 откачивают через скважину 7 насосом насосной станции 10 и направляют в магистраль 9 водоотвода. Во втором варианте с поверхности бурят две скважины или используют ранее пробуренные скважины, либо используют шахтные трубопроводы. В одну скважину вставляют трубу 16 компрессорной станции 17, подключенную к компрессору, а в другую скважину вставляют трубу 7 водозабора, подключенную к магистрали 9 через насосную станцию 10. Трубы 7 и 16 герметизируют по периметру, а последнюю Б_n и предпоследние Б_n-1 камеры 3 выполняют в виде системы сообщающихся сосудов, соединяя их между собой выработкой 15, располагая ее ниже уровня перелива (или используют ранее выполненную выработку), при этом, чем ниже будет выработка 15 по отношению к уровню в предпоследней камере, тем больше будет суммарное давление воздуха (Р) в последней камере (Б_n) при заполнении водой обеих камер (Б_n-1 и Б_n) и тем легче создается избыточное компрессионное воздушное давление в водозаборной камере Б_n в надводном ее пространстве. Избыточное давление (P_k), создаваемое компрессором компрессорной станции 17, создает эффект артезианской скважины в водозаборной скважине 7 и вода 8 самостоятельно поступает в магистраль 9. В случае недостаточности суммарного давления (Р) в надводном пространстве водозаборной камеры (Б_n) для подъема воды на поверхность в магистраль 9, включает насос насосной станции 10. Для исключения утечки воздуха и повышения давления свод камеры может быть обработан воздухонепроницаемым материалом.

При условии обеспечения гидроциклонами песковой фракции с влажностью до 25-30%, обеспечивающей заполнение водой межзернового пространства при закладке отработанных камер, позволяет производить частичную отработку междукамерных целиков, при этом, если целики находятся в сухой или гидравлической закладке, то их несущая способность увеличивается в 1,5 раза, если они находятся в твердеющей закладке, то в 2 раза.

После заполнения первой пары камер, разделенных общим междукамерным целиком (МКЦ), производят его частичную отработку вторичными камерами 19. Например, по схеме, приведенной на фиг.6, где стрелками показано движение фронта добычных работ по мере заполнения камер закладочным материалом. При отработке целиков вторичными камерами 19 вынимаемую часть (долю) целика располагают симметрично относительно его продольной оси. Вынимают долю запасов, равную по величине относительному приросту несущей способности целика за счет двухстороннего бокового распора от закладочного материала в заложенных камерах, при этом в благоприятных геологических условиях отрабатываемая вторичная камера имеет в вертикальном сечении форму равносторонней трапеции с нижним основанием (М_о - ширина междукамерного целика), равным:



где В - ширина междукамерного целика, м;

К_р > 1 - коэффициент увеличения несущей способности междукамерного целика за счет бокового подпора при заполнении отработанных камер гидравлическим материалом с объемной плотностью ₁;

высота трапеции определяется по формуле:

h_i = H h_ц,

где Н - высота междукамерного целика, м;

h_ц - толщина потолочины, принимаемая по условиям геомеханической безопасности, м;

угол наклона боковых сторон, определяемый из условия:



При наличии в целиках геологических нарушений, осложняющих их отработку, создается дополнительный запас прочности целиков путем придания вторичным камерам формы прямоугольных щелей, высота (h_i) и ширина (b_i) которых всегда должны удовлетворять условию:



Примеры технологической схемы отработки междукамерных целиков (МКЦ) представлены на фиг.5.

Подготовительные работы включают: проходку разрезного штрека по оси целика, его расширение до проектной ширины вторичной камеры, проходку вертикального восстающего на вентиляционный горизонт.

Очистные работы включают: разделку восстающего в отрезную щель до проектной ширины вторичной камеры, обуривание вертикальными параллельными или веерными скважинами рудного массива на высоту вторичной камеры и их поэтапную отбойку. При этом оформляемая кровля вторичной камеры должна иметь углы наклона от восстающего к краевым ее границам не менее 10^o, обеспечивающие последующее полное, гарантированное заполнение ее песковой фракцией через восстающий с вентиляционного горизонта.

Отгрузка руды из камеры производится самоходной электрической ПДМ с дистанционным управлением в образованный в панельном (охранном) целике с откаточного штрека наклонный рудоспуск (бункер) емкостью 30-40 м³ и оборудованный ВДПУ.

Доставку ПДМ на отметку подсечки целиков осуществляют через съезды с откаточных штреков и по образованным в панельном целике, параллельно откаточным, штрекам.

Возможен вариант высокопроизводительной отработки целиков на плоское днище с использованием очистного и проходческого монорельсовых комплексов КОВ-25 и ПВ-1000, с отбойкой горизонтальными или наклонными веерными скважинами с высокой механизацией нарезных и очистных работ.

Ориентировочный расчет показывает, что из целиков можно извлечь до 30-40% запасов, а общее количество целиков, подлежащих частичной отработке составляет до 60-70% от их общего числа с учетом отчуждения камер и целиков для создания подземных хвостохранилищ хвостового слива.

Важнейшим фактором, определяющим пригодность и возможность применения разработок в горном деле, является непременное обеспечение безопасности горных работ.

Выполненные в целиках камеры в форме сводчатых арок и заполненные гарантированно под кровлю песчаной фракцией хвостов являются, как известно, одной из самых устойчивых конструкций.

Для этого верхней поверхности свода вторичной камеры 19 придают форму свода в крест по направлению обоих горизонтальных осей с углом наклона образующей, превышающим угол естественного откоса при растекании закладочного материала. В случае, когда отработка целиков считается неперспективной, в отработанных камерах можно создавать хвостохранилища для хранения отходов любого производства, в том числе токсичных и радиоактивных. После отработки вторичных камер 19 их заполняют песковой фракцией 12 через специально выполненные каналы 21.

Источники информации

1. Именитов И.Р. "Технология, механизация и организация производственных процессов при подземной разработке рудных месторождений". Москва, изд. "Недра", 1973, с. 283-286

2. Там же. С. 180-181 (прототип).