Месторождения Донских хромитов по своим природным параметрам отличаются уникальностью не только по объемам и богатому содержанию полезного ископаемого, но и неоднородностью и высокой сложностью горно-геологических условий залегания рудных тел и структурной нарушенностью массива.
Горнорудные предприятия Донского ГОКа, отрабатывающие мощные рудные залежи месторождений хромитовых руд, являются наиболее показательными объектами, применяющими системы с обрушением.
Массив Донских хромитов относится к четвертой и пятой категориям устойчивости, что и предопределило возможность применения системы с самообрушением на нижних горизонтах.
Исходя из геомеханических и горно-геологических условий залегания месторождения и особенностей строения массива на шахтах Донского ГОКа принята блоковая система с самообрушением. Для данной системы, как и для других подобных конструкций, наиболее сложным местом является вопрос устойчивости и надежности выработок днища блока, их сохранность на весь период очистной выемки. Эта проблема является одной из наиболее важных и актуальных, особенно с переходом горных работ на более глубокие горизонты, где геомеханическая ситуация на отдельных участках шахтного поля значительно осложняется.
В процессе развития самообрушения в очистных блоках непрерывно меняется поле напряжений в окружающем массиве пород, в пределах которого расположены выработки различного технологического назначения и потому находящиеся в неоднозначных геомеханических условиях. Условно они разделены на четыре группы.
В первую группу включены преимущественно капитальные горные выработки, расположенные вне зоны влияния очистных работ и пройденные в основном в породном массиве.
Выработки второй группы выработки нижележащего горизонта расположенные в массиве, под обрушенными породами вышележащего горизонта
Третью группу составляют выработки, срок эксплуатации которых ограничен началом очистных работ. Это, в первую очередь, буровой штрек и вспомогательные выработки при сооружении искусственного днища при отработке второй очереди.
В наиболее сложных условиях, с точки зрения геомеханики, находится четвертая группа, выработки которой расположены в днище блока, и обслуживают технологический процесс очистной выемки. В первую очередь, это штреки скреперования, эксплуатационный срок которых завершается с окончанием очистных работ.
Практика отработки месторождения с интенсивно нарушенным массивом показывает, что подготовительные и нарезные выработки пройденные и закрепленные обычным порядком не выдерживают полного срока службы без перекрепления, а эта процедура достаточно трудоемкая, небезопасная и требует значительных материальных затрат, нарушая технологический режим очистной выемки. Анализируя состояние перекрепляемых выработок, пройденных в породном интенсивно трещиноватом массиве установлено, что вокруг них образуется зона неупругих деформаций (ЗНД), размеры которой находятся в зависимости от ширины выработки. Вследствие проявления неуправляемых дилатансионных процессов, происходит смещение пород в незакрепленных выработках, величина которого достигает 20-50 и более сантиметров. Для компенсации природных смещений и обеспечения дальнейшего надежного поддержания выработок необходимо применение высокоподатливых крепей, взрывная забутовка закрепного пространства, снижающая развитие неупругих деформаций в окружающем массиве, формирующие конструкцию «крепь-забутовка-вмещающие породы».
Известны многие способы крепления горных выработок, основное назначение которых обеспечение их устойчивости и надежности.
Как показала практика, однослойное крепление при достаточно плотной установке рам не всегда оказывалось надежным и устойчивым. Большое количество выработок (до 60-70%), преимущественно штреков скреперования, выходили из строя, не отслужив полного срока эксплуатации. Приходилось выполнять перекрепку и восстановление, что неизбежно приводило к значительным материальным и финансовым затратам, а в итоге, повышению себестоимости добываемой руды и, что немаловажно, снижению безопасности горных работ и нарушению ритмичности основных технологических процессов.
В последние годы одним из способов повышения устойчивости горных выработок является применение двух, трехслойных металлических рамных крепей.
Количество слоев крепи устанавливается преимущественно исходя из параметров очистной камеры и срока ее отработки и соответствующими расчетными данными.
Природная среда (порода, руда) играет большое значение при определении способов крепления, в частности, определения плотности установки металлических рам.
Основными условиями, обеспечивающими повышение устойчивости горных выработок с увеличением глубины разработки являются:
1. Получение наиболее полной информации о геомеханическом состоянии массива в зоне проведения горных выработок и особенностей формирования горного давления в результате отработки вышележащего горизонта на различных участках шахтного поля.
2. Применение методической схемы расчета нагрузок на крепь горных выработок, наиболее полно учитывающей реальные геомеханические, горно-геологические и геотехнические условия в районе проведения выработок.
3. Выбор средств и способов крепления горных выработок с учетом особенностей поведения массива и характера формирования нагрузок в конкретных геомеханических условиях.
В горной практике известны способы применения энергии взрыва для производства забутовки и использование вяжущих материалов. Эти технологические приемы имеют ряд недостатков.
Известен способ крепления горной выработки, в котором после установки металлических рам, затяжки железобетонными элементами, размещают на затяжках по периметру крепи контейнеры с вяжущим веществом. Под воздействием горного давления, превышающего предельную величину, породы по контуру выработки обрушаются. Обрушенные породы разрушают контейнеры с вяжущим раствором, смесь выдавливается в закрепное пространство и скрепляет обрушенные породы. В данном способе крепления горной выработки не предусмотрено то обстоятельство, что деформирование и разрушение пород происходит не мгновенно, а в течение длительного времени. Тем самым контейнеры будут разрушены преждевременно, до полной забутовки закрепного пространства и большая часть пород не будет обработана раствором, что значительно снижает ожидаемый эффект.
Известен способ крепления выработки, предусматривающий бурение вееров скважин глубиной, равной радиусу зоны неупругих деформаций вмещающих пород, возведение временной и постоянной крепи. Для достижения надежности поддержания выработки в прилегающем массиве искусственно создают зону неупругих деформаций путем принудительного обрушения вмещающих пород. Для чего после возведения постоянной крепи, в приконтурном массиве бурят веера скважин. Виброобрушение вмещающих пород не обеспечивает достаточную плотность забутовки и тем самым не препятствует дальнейшему развитию зоны неупругих деформаций. Кроме того, способ достаточно трудоемок и требует использования специального, дорогостоящего оборудования.
Наиболее близким техническим решением, исключающим недостатки аналогов способа взрывной забутовки, является способ, в основу которого заложено следующее. После установки рамной крепи с затяжкой рам вплотную к забою, бурят шпуры в приконтурный массив, фиксируют затяжки распорками между массивом и затяжками над рамами крепи. Затем производят взрывание шпуров, пробуренных в приконтурный массив, в один прием со взрыванием по забою. Недостатком данного способа является то, что под действием интенсивных взрывных работ возрастает зона трещинообразования в прилегающем к закрепному пространству массиве. Кроме того, забутованная, не скрепленная порода за крепью подвержена дальнейшей компрессии под действием горного давления и не препятствует развитию зоны неупругих деформаций во вновь образованном после забутовки приконтурном массиве.
Принимая во внимание особенности строения массива горных пород, месторождения Донских хромитов, разработан способ взрывной забутовки закрепного пространства с использованием быстротвердеющих смесей.
Разработанный и предлагаемый способ ставит своей целью снижение развития неупругих деформаций в окружающем массиве и повышение устойчивости крепи. Отличительной особенностью разработанного технического решения является объединение взрывной забутовки закрепного пространства и инъекцирование разрушенных пород быстротвердеющими смесями в единый технологический процесс проходки горной выработки. В предлагаемой схеме бурение ряда дополнительных шпуров в приконтурный массив, примыкающий к закрепному пространству, позволяет разместить в них контейнеры с быстротвердеющей смесью с заданными пластическими свойствами, что в дальнейшем, при взрывании ВВ, размещенных в основном ряде шпуров, обеспечивает одновременную забутовку закрепного пространства разрыхленной породой и его инъекцирование быстротвердеющей смесью и приводит к образованию вокруг крепи слоя упроченных пород и тем самым повышает несущую способность крепи.
Размещение в забоях шпуров основного ряда контейнеров с быстротвердеющей смесью с заданными пластическими свойствами позволяет инъекцировать приконтурный массив в момент взрывания шпуров, упрочнить его и тем самым снизить развитие области неупругих деформаций вглубь окружающего массива.
Размещение контейнеров с быстротвердеющей смесью первоначально в шпурах дополнительного ряда, а затем основного ряда, и последовательность их забойки позволяют сместить во времени заряжение ВВ шпуров основного ряда в последнюю очередь, что в итоге повышает безопасность ведения горных работ.
Таким образом, совокупность указанных технологических приемов снижает развитие неупругих деформаций в окружающем выработку массиве и повышает устойчивость крепи.
Применение усиленных крепей, как показала практика работ, не всегда удовлетворяет необходимым требованиям. Нередки случаи выхода из строя элементов крепи и при усиленном способе крепления, многослойной установки рам.
Для нижних горизонтов, где геомеханическая обстановка значительно ухудшается, возникает вопрос о необходимости применения более мощных крепей или же возведения искусственных днищ, способных противостоять действующим нагрузкам, превышающим несущую способность металлических крепей различных модификаций и схем возведения.
Разработанная конструкция искусственного бетонного днища сотрудниками института горного дела им. Кунаева, обеспечивает достаточную надежность, устойчивость и работоспособность штреков скреперования. Первоначально проходится вспомогательная выработка первой очереди шириной 2,0 м со схемой крепления для выработок третьей группы. По окончанию проходки производится заполнение выработки бетонной смесью, соответствующей расчетным данным прочностью. Затем на расстоянии равном оптимальной ширине штрека скреперования, параллельно проходится выработка второй очереди с аналогичными приемами крепления и заполнения бетоном. При заполнении бетоном выработок I и II очереди на расстоянии λ=6,5м оставляются ниши шириной 2,0 м для выпуска руды.
Здесь необходимо отметить, что принятая технологическая схема подготовки выработок I, II, а в последующем и III-ей очередей, имеет определенный геомеханический смысл, который заключается в следующем. До начала заполнения выработок бетонной смесью в массиве реализуется процесс деформирования, воспринимаемый податливой металлической крепью. В результате чего, на сооружаемое бетонное основание в значительной мере снижается влияние неупругой составляющей деформаций, формирующейся вокруг выработок.
Следующим этапом работ является проходка и проведение всех необходимых технологических операций по креплению и заполнению бетоном выработки третьей очереди, размеры которой, в частности ширина определяется суммарной шириной выработок I, II и IV очередей. Одним из обязательных условий для выработки III очереди является необходимость в процессе проходки или в период заполнения бетоном проводить тщательную зачистку почвы над выработками I и II очередей для обеспечения наиболее полного контакта с бетонным массивом этих выработок и создания монолитности конструкции.
Заключительным этапом работ по сооружению и созданию искусственного днища является проходка выработки IV очереди или непосредственно штрека скреперования. Основной сложностью при проходке этой выработки является сохранение окружающего бетонного массива. При проходке горизонтальных выработок в окружающем массиве, со стороны кровли и боковых стенок формируется зона неупругих деформаций с остаточной прочностью пород массива близкой к нулю. Из чего можно предположить, что массив при проходке выработки IV очереди имеет низкую прочность и для его окончательного разрушения достаточно небольшое количество взрывчатого вещества, при этом, составляя паспорт буровзрывных работ (БВР) периферийные шпуры необходимо располагать на достаточном удалении от границы контакта рудного и бетонного массивов.
Таким образом, в результате проведения полного комплекса технологических работ по сооружению искусственного днища получена конструкция мощного бетонного перекрытия для основной доставочной выработки скреперного штрека. В полученной конструкции бетонный массив выработки III очереди выполняет роль надштрекового целика, а бетонные полосы выработок I и II очередей играют роль опор всего комплекса сооружений и налегающей толщи пород. Сам же штрек скреперования, располагаясь внутри бетонного массива, не требует дополнительного крепления. В целях повышения безопасности и надежности кровли штрека перед бетонированием выработки III очереди на ее почве, над штреком скреперования, укладывали металлическое перекрытие с сеткой, которое в последующем выполняла роль арматуры и предохраняла от возможных негативных последствий.
В работе З.А. Терпогосова отмечается возможность использования в слабых трещиноватых породах подобного рода конструкций днища, которая противостоит развивающемуся горному давлению, динамическим нагрузкам при вторичном дроблении, ликвидации зависаний и способствует торможению процесса разрушения массива вокруг выработок днища.