книги / Моделирование технологических схем выемки калийных руд с закладкой

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

равлении производством.

Для инженерно-технических работников предприятий по добыче гор­ но-химического сырья. Может быть полезна преподавателям и студентам

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

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

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).

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

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

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:

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