книги / Моделирование технологических схем выемки калийных руд с закладкой
..pdfМОДЕЛИРОВАНИЕ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
СХЕМ
ВЫЕМКИ
КАЛИЙНЫХ
РУД С ЗАКЛАДКОЙ
МОСКВА "НЕДРА” 1994
ББК 33.34
М 74 УДК 5Г97б73;6б.0116;553.(?32;622.273.21;622,274.41
а в т о р ы :
П.Б. Степанов, Л.М. Папулоп, Е.П. Березин, С.И. Богодухов
Моделирование технологических схем выемки калийных М74 руд с закладкой / П.Б. Степанов, Л.М. Папулов, Е.П. Бе-
ре1 ш ч ^ - й Л и п Т ' , т - ' т с-: ” •
Приведен анализ систем разработки с закладкой выработанного пространства. Изложены методы математического моделирования техноло гических схем выемки калийных руд. Дано описание алгоритмов функцио нальных модулей и программного обеспечения системы имитационного
моделирования схем очистной выенки. Большое внимание уделено |
осно |
вам информационной технологии при проектировании, оптимизации |
и уп |
равлении производством.
Для инженерно-технических работников предприятий по добыче гор но-химического сырья. Может быть полезна преподавателям и студентам
горных вузов. |
|
2502030200 - 163 |
ББК 33.34 |
М 043(01)-94---------- без объявл. |
ПРОИЗВОДСТВЕННО-ПРАКТИЧЕСКОЕ ИЗДАНИЕ
Степанов Павел Борисович Папулов Лев Михайлович Березин Ефим Пинхусович Богодухов Сергей Иванович
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ВЫЕМКИ КАЛИЙНЫХ РУД С ЗАКЛАДКОЙ
Заведующий редакцией ЕМ. Кит, редактор издательства С.А. Моисееве, художест венный редактор М.П. Виноградова, обложка художника Б.К. Силаева, техниче ские редакторы Г.В. Лехова, С.В. Павлова, корректор И.П. Розанова, операторы Н.В. Валуева, И.В. Севалкина
ИБ № 9743
Лицензия ЛР № 010145 от 24 декабря 1992 г. Подписано в печать с репродуцирован ного оригинал-макета 22.06.93. Формат 60X88716. Гарнитура "Пресс-роман”. Печать офсетная. Уел. печ. л. 9,8. Уч.-изд. л. 10,27. Тираж 1060 экз. Зак. Н9Н ?$ /4307-1.
Набор выполнен на наборно-пишущей машине.
Издательство "Недра”. 125047 Москва, Тверская застава, 3.
Московская типография № 9 Министерства печати и информации Российской Федерации
109033 Москва, Волочаевская ул., 40
15ВИ 5-247-03412-0 |
© Коллектив авторов, 1994 |
Основой производства калийных удобрений является высоко эффективная технология добычи калийных руд с использованием современных методов информационного обеспечения перспектив ных технико-технологических решений.
Предприятия Верхнекамского калийного месторождения солей относятся к числу крупнейших производителей минеральных удобрений в мире. Два производственных объединения - "Урал калий” (г. Березники) и "Сильвинит” (г. Соликамск) по добыче калийных руд составляют горнотехнический комплекс. Исполь зование здесь единых для горнорудной промышленности техно логии вскрытия шахтных полей, систем разработки средств механизации очистной выемки, транспорта, закладки вырабо танного пространства и других работ не обеспечивают в полной мере эффективного процесса добычи калийных руд и поэтому все чаще возникает необходимость изменения технологий, позво ливших бы повысить степень извлечения полезных ископаемых при безопасном ведении горных работ, создать высокопроизво дительные горные машины, применить закладку выработанного пространства как элемент экологически чистого производства.
В связи с этим специалистам, работающим в калийной про мышленности, необходимы качественно новые решения проблем. Ученые различных научных направлений считают необходимым системное исследование объектов производства, только при котором может быть адекватно отражена сложная техническая система во всех ее взаимосвязях и взаимовлиянии составляющих частей. В системном подходе органично сочетаются анализ компонентов сложных систем при декомпозиции системы и синтез при функциональном воспроизведении целостного объекта.
При таком методе исследования сложных технических систем интегрируются классические подходы описания математическими моделями элементов изучаемых объектов и новая информационная технология разработки квазинатуральных технологических схем горного производства, транспорта и других подсистем, а также их объединений.
В качестве инструмента системного анализа можно исполь зовать метод имитационного моделирования, т.е. представление всех процессов логико-информационными моделями с реализацией их динамических структур в мощных вычислительных системах, а их управление в эквивалентах натурных экспериментов (ма шинных экспериментах) посредством интеллектуальных терми налов, например, персональных компьютеров.
В предлагаемой книге изложены как технические проблемы технологии ведения горных работ по выемке калийных руд с за
кладкой выработанного пространства, так и методология и ме тоды функционально-структурного моделирования.
Авторы благодарят специалистов производственных служб ПО "Уралкалий” (г. Березняки) и научно-технических подразделе ний УФВНИИГ (г. Пермь) за помощь в решении задачи и сов местных разработках.
1. ПРОБЛЕМЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ОТРАБОТКИ КАЛИЙНЫХ ПЛАСТОВ
Необходимость увеличения выпуска калийных удобрений по требовала решения целого ряда задач, связанных с повышением эффективности разработки месторождений минеральных удобре ний. Уже в первой половине XIX в., когда началась активная разработка калийных месторождений в Германии и Франции, были поставлены вопросы интенсификации добычи руды, что отражено в многочисленных работах. Затем этими проблемами стали заниматься в Англии, США, Румынии, Канаде и других
странах, |
производящих калийные удобрения. В настоящее время |
в нашей |
стране основное внимание в этой области направлено |
на разработку наиболее перспективных месторождений калийных солей, среди которых первостепенное значение имеет Верхне камское.
1.1. КРАТКАЯ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА УСЛОВИЙ РАЗРАБОТКИ ВЕРХНЕКАМСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ КАЛИЙНЫХ СОЛЕЙ
Верхнекамское месторождение калийных и калийно-магниевых солей - одно из крупнейших в мире, здесь сосредоточено около 30% мировых запасов. Продуктивные пласты располагаются на части территории соляных пород бассейна, занимающих площадь
6.5тыс.км2. Калийные породы располагаются на площали около
3.5тыс.км2 внутри контура соляной толщи.
Галогенная формация Соликамской впадины, к которой при урочено Верхнекамское месторождение, включает отложения от почвы филипповского горизонта кунгурского яруса нижней Перми до кровли соляно-мергельной толщи уфимского яруса верхней Перми.
Соляная толща делится на пачки: подстилающую каменную соль, сильвинитовую, сильвинито-карналлитовую и покровную каменной соли.
Подстилающая каменная соль, залегающая в основании соля ной толщи, представлена однородной серой и светло-серой не равномерно-полосчатой с хорошо выраженными текстурами тече ния каменной солью. Мощность подстилающей каменной соли от 50 м в зонах выклинивания до 500-515 м во внутренних частях впадины.
Выше в разрезе соляной толщи залегает сильвинитовая пачка средней мощностью 21 м. Сложена чередующимися пластами красных сильвинитов (Кр.НГ, КрЛП6, Кр.Ш4, Кр.Н и Кр.1), полосчатого сильвинита (А) и каменной соли (Кр.НР - Кр.Ш6, Кр.Ш6 - Кр.ИГ, К рЛ Г - Кр.Н, Кр.Н - Кр.1, Кр.1-А).
Над сильвинитовой пачкой без разделяющего слоя каменной соли непосредственно над пластом А залегает сильвинитокарналлитовая пачка, сложенная чередующимися пластами ка лийно-магниевых солей и каменной соли. Пласты калийно магниевых солей на одной части площади представлены карналлитовой породой, на другой (основной) - пестрым сильвинитом. Общая мощность пачки 20-115 м, в среднем 60-70 м.
Выше в стратиграфической последовательности выделяется пачка покровной каменной соли средней мощностью 22 м. Общая мощность соленосного типа разреза иренского горизонта 400750 м.
Соляная толща месторождения перекрыта отложениями соляно мергельной и терригенно-карбонатной толщи.
Общая мощность перекрывающих соли отложений составляет в среднем 250-270 м.
В тектоническом плане соляная толща месторождения (зале гающая резко дисгармонично по отношению к подсолевым от ложениям) на фоне общей сгруктуры Соликамской впадины обра зует ряд субмеридионального простирания брахиантиклинальных и куполовидных поднятий. Амплитуда соляных структур законо мерно уменьшается в восточном направлении от 300-500 до 3050 м. По объему вовлеченных в деформацию пород внутриформационные складки могут быть разделены на следующие типы.
1. Микроскладки - дислоцированные отдельные годовые наборы соляных пород их серии (ширина с до 0,6 м, амплитуда
около |
10 см). |
складки |
образующиеся пакетами или слоями |
2. |
Слоевые |
||
(ширина 0,6-8 |
м, амплитуда 1-1,5 м) разнообразного строения, |
но с преобладанием простых асимметричной формы (81,9%). По степени сжатия наиболее распространены крутые (49,4%) и полукрутые (18,3%); затем сжатые (8,3%) и изоклинальные
(6,3%) складки. |
складчатые деформации, |
охватываю |
|
3. |
Пластовые складки |
||
щие |
весь пласт .или часть |
мощного сложного пласта |
(ширина - |
5-20 м, амплитуда 0,5-4 м. Морфология разнообразна: складки простого строения (69%), коробчатые (30%) и сложно-сводные (1%). По степени сжатия преобладают пологие (56,7%) и плос кие (26,7%); реже встречаются крутые и полукрутые, сжатые всего 0,5%.
4. Межпластовые складки - складчатые деформации двух или нескольких пластов, включающие и межпластовую каменную соль (ширина 15-40 м, амплитуда 1,5-10 м). Складки простого строения составляют 53%, коробчатого - 47%. Углы падения
крыльев 25-35 |
деформации, в строении которых |
5. Зональные складки |
участвуют серии пластов, охватывающие сильвинитовую и часть сильвинито-карналлитовой пачек (ширина 25-75 м, амплитуда 5-25 м). Характерно развитие сложноскладчатых (коробчатых)
форм, особенно с увеличением размеров складок. Участки соб
б
спокойным залеганием пластов на глубинах более 250 м пред ставляют большую опасность для ведения горных работ, чем участки складчатого строения. На участках со спокойным за леганием под влиянием горного давления и веса пород в горных выработках интенсивно развивается расслоение и происходит обрушение пород кровли по плоскостям глинистых прослоев. На участках складчатого строения при общем удовлетворительном состоянии кровли характерны внезапные обрушения пород из подрезанных и незакрепленных замков антиклинальных складок.
Особенность Верхнекамского месторождения - безводность соляных отложений и обильная обводненность пород, вмещающих соляную залежь. В связи с таким разнообразием литологиче ского состава надсолевых пород и разной степенью их трещи новатости водоносность покрывающих пород изменчива в верти кальном и горизонтальном направлениях. Верхний пласт камен ной соли переходной пачки (нижняя часть соляно-мергельной толщи) является практически водоупором, предохраняющим ка лийные рудники от затопления. Общий водопроток из подсоляных пород в шахтный ствол может составить 1000-1500 м3/сутки и более. Из-за высокой водообильности требуются: проходка шахтных стволов с соответствующими средствами водоподавления (тампонаж и замораживание пород); сохранение сплошности водозащитной толщи за счет выемки не более трех пластов калийно-магниевых солей из 15; оставление предохранительных целиков вокруг геологоразведочных скважин, потерь значи тельной части балансовых запасов (до 70%) в различного вида поддерживающих целиках вокруг горных выработок, а также применения и дугие меры защиты калийных рудников от затоп ления.
Промышленные калийные пласты представлены красными (КрЛН, Кр.П), полосчатыми (А) и пестрыми (Б, В) сильви нитами. Красные и полосчатые сильвиниты характеризуются неравномерным полосчато-слоистым строением.
Качество хлористого калия калийных солей на месторождении определяется содержанием в них соединений КС1 и хлористого магния М§СЬ, а также нерастворимого остатка НО. По дейст вующим в настоящее время кондициям, сильвинитовые руды должны содержать не менее 21-22%, КС1 и не более 1% М§С12. Максимальное количество НО кондициями пока не регламенти ровано, но в практике разведки месторождения к балансовым
запасам |
относятся |
руды с содержанием нерастворимого остатка |
не более |
10%. |
хлористого калия и нерастворимого остатка в |
Распределение |
промышленных пластах характеризуется большой изменчивостью. Общая закономерность для месторождения - повышение их со держания в направлениях с севера на юг и с запада на восток.
Разрабатываемые пласты и вмещающие породы Верхнекамского месторождения содержат в микровключенном и свободном виде природные газы метан, тяжелые углеводороды, водород, серо-
водород и др. Скопления свободных газов наблюдаются в двух формах - приконтактной (прикоржевые) и гнездовой (очаговые)» Распределение газов, их количественный и качественный состав как по месторождению, так и по отдельным шахтным полям, пластам, участкам, крайне неравномерны и носят локальный характер.
Газоносность пород по горючим газам (метан + водород) колеблется от 0 до 1,5-1,7 мУм3 пород. Породы отличаются весьма низкой газопроницаемостью. Относительная газообильность выработок составляет 0,15-0,2 м3/м3 горной массы по сильвинитовым пластам и 1,2 мУм3 по карналлитовому пласту. Гнездовые скопления представляют собой зоны с повышенной пористостью пород, заполненные газом под большим давлением (до 8,0 МПа). При вскрытии их шпурами, скважинами, исполни тельными органами комбайнов и путем взрывных работ возможны газодинамические явления (ГДЯ): внезапные выбросы соли и газа, обрушение пород с попутным газовыделением, явления комбинированного типа и суфлярные выделения газа.
В настоящее время основное промышленное значение на месторождении имеет сильвинитовый пласт ”Красный-И” (Кр.П). Пласт АБ на большей части месторождения сложен смешанными сильвинито-карналлитовыми породами и из-за от сутствия промышленной технологии переработки их на этих площадках не отрабатывается.
Балансовые запасы пласта Кр. И составляют более 70% от запасов сильвинитовых пластов по действующим рудникам. В связи с этим вопросам совершенствования технологии отработки этого пласта и повышению извлечения руды при его отработке следует уделить первостепенное значение.
1.2. ВАРИАНТЫ КАМЕРНОЙ СИСТЕМЫ РАЗРАБОТКИ И СХЕМЫ ЗАКЛАДОЧНЫХ РАБОТ
Все продуктивные пласты, в том числе Кр.П, Верхнекам ского месторождения отрабатываются камерной системой раз работки. Параметры системы определены геомеханическими условиями и типом применяемого оборудования. Вплоть до 60-х годов, когда была широко внедрена механизированная выемка, руду отбивали буровзрывным способом, а для ее доставки при меняли скреперные лебедки ”Калий-4”. При этом от канатоемкосги барабанов лебедки - зависела максимальная длина ка мер - 200 м.
Ширина камеры определялась по максимальному устойчивому пролету кровли. Так как в этот период отрабатывались лишь участки с минимальным содержанием глины в сильвинитовых пластах и породах кровли, то устойчивый пролет был 15-16 м. Ширину целиков принимали 10-12 м (рис. 1.1). Коэффициент (степень) нагружения целиков С отношение нагрузки к его
Рис. 1.1. |
Варианты камерной системы разработки при буровзрывной (а) и |
|||||
1, 2 |
|
машинной (б) выемках камерами большого сечения: |
||||
выемочный и |
вентиляционный штреки; 3 |
скребковый конвейер; 4 |
||||
скреперная |
лебедка; |
5 |
разрезной штрек; |
6 |
комбайн; 4 7 |
|
|
|
бункер-перегружатель; 8 - самоходный вагон |
|
несущей способности - в зависимости от геологических условий (прежде всего от глубины разработки) составил 0,25-0,4. Параметры системы жестко регламентировались нормативными документами, что сдерживало их совершенствование.
Механизированные комплексы, созданные в 60-70 годы для добычи калийных руд, предназначались в основном для работы при указанных параметрах. Первые комбайны ПК-8 работали по двум вариантам: с выемкой пласта по всему сечению камеры с наложением одного хода на другой и отдельными ходами с оставлением технологических целиков (рис. 1.2). При выемке пласта Кр.П мощностью до 6,2 м по высоте делалось два хода, при мощности 6,5-7,5 - три. Ходы проходили в разных поряд
ках: в пределах 16-метровой камеры вписывалось четыре хода, с поддерживающими целиками - 1-1,2 м.
При применении комбайнов "Караганда” и "Урал” в пределах камеры по ее ширине при поддерживающем целике 0,7 м прохо дили три хода, при ширине рабочего органа, комбайна 4,9 м и
.менее, при большей ширине - два.
Ограничение параметров камер и целиков нормативными доку ментами обусловливало снижение извлечения руды при внедрении комбайновой выемки. Поэтому потребовался переход от норма тивных параметров к расчетным в зависимости от горно геологических и технических условий. При отработке пласта Кр.П стали применять различные варианты камерной системы:
как |
с жесткими целиками (С = 0 ,3 -5 -0 ,4), так и податливыми |
(С = |
0,5). |
В условиях рудника Первого Березниковского рудоуправления |
при отработке пласта Кр.П под городской и заводской за стройкой из-за отсутствия обоснованных методик расчета цели ков при применении закладки и технологических схем ведения очистных работ совместно с закладкой, где бы она учитывалась как несущий элемент системы, нашли применение варианты ком байновой выемки (рис. 1.3).
Переход на отработку пласта Кр.П на больших глубинах потребовал изменения не только параметров системы, но и схемы вскрытия и подготовки. В связи с осуществлением дли тельного поддержания основных вскрывающих транспортных вы работок возникла необходимость выноса их из зоны опорного давления и, соответственно, перехода от прямой подготовки панелей к обратной с отработкой пласта по блоковой схеме. При этом параметры системы в случаях отработки пласта под незастроенной территорией были изменены: принять опорные целики с большим коэффициентом нагружения (0,8-1,2).
Технология выемки пластов в основном не менялась. Для выемки руды применяются добычные комбайны ПК-8, Урал-20, Урал-10 различного исполнения (КС, КСА) в комплексе с бункером-перегружателем БП-2 или БП-3. Руда из забоя транс портируется самоходными вагонами 5ВС-15М до линии участковых •ленточных конвейров. С 1982 г. начато внедрение промежуточ-
Горные пароды
Соль каменная В массиве
Рис У.2. Вариант выемки пласта ”Кра- сный-Н” комбайном ПК-8:
У 8 - очередность отработки ходов