Опытно-промышленные испытания технологии повторной отработки запасов сильвинитовой руды

Введение

Под повторной отработкой полезных ископаемых понимают добычу запасов, ранее потерянных (подработанных, обрушившихся, оставленных в целиках) или оставленных в недрах из-за нерентабельности их первоначальной выемки на действующих или закрытых рудниках [1, 2]. На различных месторождениях в зависимости от извлекаемых полезных ископаемых и применяемой системы первичной разработки используются разные технологические схемы повторной очистной выемки. Так, повторная разработка рудных месторождений в основном базируется на дополнительном выпуске обрушенной горной массы из очистного пространства [3–5]. На сегодняшний день наибольшее распространение данная технология получила на угольных месторождениях, разрабатываемых как сплошной выемкой [6, 7], так и камерной системой [8, 9].

Освоение запасов полезных ископаемых камерной и камерно-столбовой системой разработки открывает широкие перспективы использования технологий с повторной добычей руд, сосредоточенных в междукамерных, барьерных и панельных целиках [10–12]. Существует достаточно много технологических подходов к реализации повторной разработки при таких системах [13, 14], включая двухстадийную очистную выемку [15–17].

В 80–90-х годах прошлого века в пределах крупнейшего в Европе Верхнекамского месторождения калийных солей (ВКМКС) были предприняты попытки проведения плановой двухстадийной отработки сильвинитовых пластов. Суть этой технологии заключается в следующем [17]: в процессе отработки пластов на первой стадии оставляют широкие «жесткие» междукамерные целики, после чего выполняется закладка очистных камер солеотходами в основном гидравлическим способом. На второй стадии после набора закладочным массивом нормативной прочности производится частичная выемка междукамерных целиков. Следует отметить, что на рудниках ВКМКС двухстадийная очистная выемка широкого распространения не получила. Это обусловлено целой совокупностью факторов: сложность увязки очистных и закладочных работ; ухудшение физико-механических свойств пород целиков вследствие увлажнения закладочными рассолами; сложный характер деформирования неоднородных целиков, формируемых на второй стадии; необходимость длительного поддержания подготовительных выработок и т.д.

Кроме выемки целиков за счет ввода второй стадии в эксплуатацию, к технологиям повторной отработки можно также отнести доизвлечение запасов, ранее классифицированных как некондиционные вследствие неблагоприятной экономической конъюнктуры и (или) технологических ограничений. В частности, для условий Старобинского месторождения калийных солей (Беларусь) выполнено обоснование возможности выемки подработанного 4-го сильвинитового слоя, оставленного при отработке нижележащих слоев 2, 2–3, 3 Третьего калийного горизонта [18–20].

Ещё одним подходом в рамках технологии повторной отработки калийных месторождений является извлечение запасов природно-техногенного пласта в условиях ВКМКС [21]. Данный пласт сформировался на участках применения камерно-столбовой системы разработки сильвинитового пласта КрII с оставлением «податливых» междукамерных целиков на шахтном поле рудника БКПРУ-2 ПАО «Уралкалий». Под действием горного давления такие целики деформируются и разрушаются, что приводит к погашению очистных камер в основном их обломками и образованию сплошного массива с периодически изменяющимися физико-механическими свойствами. Как показано в работе [21], вторичный природно-техногенный пласт КрII* имеет достаточную вынимаемую мощность и приемлемые прочностные характеристики, что создает предпосылки для повторного извлечения запасов сильвинитовых руд в условиях ВКМКС. Данная технология является крайне актуальной для рудников, находящихся на завершающей стадии эксплуатации, поскольку направлена на продление срока службы горнодобывающего предприятия. Кроме того, её реализация позволит вовлечь в отработку запасы, ранее отнесенные к эксплуатационным потерям, что повышает общий коэффициент извлечения полезного ископаемого с рабочего пласта.

При выборе технологических схем повторной отработки природно-техногенного пласта КрII* камерной системой основными вопросами являются определение несущей способности и характера деформирования неоднородных междукамерных целиков, состоящих из разнопрочных породных массивов. От этого зависит обеспечение безопасных условий повторной подработки вышележащей водозащитной толщи пород и защита рудника от затопления. Решение данных вопросов, впервые полученное на основе количественных оценок с применением методов численного моделирования [21], составляет научные основы обоснования возможности повторной отработки запасов сильвинитовой руды.

Внедрение предложенной технологии очистной выемки природно-техногенного пласта КрII* требует разработки «Обоснования безопасности опасного производственного объекта» и проведения опытно-промышленных испытаний (ОПИ). Данные работы выполнялись в период с 2022 по 2024 г. и включали научное сопровождение, которое предусматривало мониторинг состояния выработок. Основной целью ОПИ были оценка технической возможности и безопасности проходки очистных выработок в массиве природно-техногенного пласта КрII*, а также уточнение горно-геологических и горнотехнических условий проходки.

В связи с этим при проведении ОПИ были поставлены следующие основные задачи:

1) определение оптимальных условий реализации технологии повторного извлечения запасов природно-техногенного пласта КрII*;

2) уточнение геологического строения и физико-механических свойств пласта КрII*;

3) мониторинг деформационных процессов в горных выработках и оценка их устойчивости.

Условия проведения испытаний и основные технические решения

Для проведения опытно-промышленных испытаний технологии повторной отработки природно-техногенного пласта КрII* в пределах шахтного поля рудника БКПРУ-2 выбран участок размером 170 на 200 м. Участок ОПИ расположен в зоне, где первичная выемка двух пологопадающих сближенных сильвинитовых пластов производилась в первой половине 1970-х годов с оставлением «податливых» междукамерных целиков по пласту КрII с параметрами, представленными на рис. 1, а.

При первичной отработке пласта КрII на рассматриваемом участке в кровле была оставлена защитная сильвинитовая пачка мощностью около 0,7 м. Впоследствии очистные камеры погашались преимущественно обломками этой пачки и краевых частей целиков, и в меньшей степени – вмещающими породами. Под действием влаги и горного давления обрушенные породы со временем консолидировались, образовав сплошной и относительно монолитный массив. Таким образом, сформированный природно-техногенный пласт КрII* мощностью 2,4–2,8 м, сложенный чередованием обрушенных пород и остатками целиков, обладает содержанием KCl, близким к природному, что представляет промышленный интерес для повторной отработки.

В работе [21] рассмотрены различные варианты повторного извлечения природно-техногенного пласта КрII* камерной системой. По результатам расчетов установлено, что на участке ОПИ безопасные условия повторной отработки пласта КрII* достигаются при проходке одноходовых камер комбайном Урал-61А соосно междукамерным целикам первой стадии с двукратным увеличением межосевого расстояния. Параметры реализации данной технологической схемы представлены на рис. 1, б.

Рис. 1. Параметры первичной отработки пластов КрII и АБ (а)
и повторной отработки природно-техногенного пласта КрII* (б) на участке ОПИ

Опытно-промышленные испытания заключались в повторном извлечении запасов участка ОПИ, сконцентрированных в целиках первой стадии, за счет проходки десяти исследовательских камер в меридиональном направлении. Подготовка участка предусматривала проходку транспортного и вентиляционного уклонов с выработок главного направления, пройденных по нижележащему пласту каменной соли, а также выемочного штрека по пласту КрII*. Для сохранения устойчивости выемочный штрек расположен в жестких целиках между стартовыми выработками первичной отработки. В конце хода камеры сбивались вентиляционными сбойками. Также для проведения полевых научно-исследовательских работ несколько камер сбиты исследовательскими сбойками. В целях опытной оценки устойчивого пролета кровли выработок в условиях природно-техногенного пласта некоторые сбойки пройдены в два хода по ширине с наложением ходов. Положение исследовательских выработок относительно ранее пройденных подготовительных выработок и очистных камер представлено на рис. 2.

Рис. 2. План выработок участка ОПИ

Устойчивость выработок в природно-техногенном пласте обеспечивалась за счет подрубки всех трёх глинистых «коржей», залегающих в кровле, а также применения анкерного крепления на сопряжениях выработок, участках с шириной выработки более одного хода комбайна, при вскрытии обрушенных слабоустойчивых пород в бывших камерах.

С целью контроля состояния выработок и несущих элементов камерной системы повторной разработки на участке ОПИ были оборудованы подземные наблюдательные станции (НС) за смещением приконтурного массива. Кроме того, научное сопровождение ОПИ предусматривало уточнение геологического строения и физико-механических свойств пород природно-техногенного пласта КрII*, а также оценку их газоносности.

Особенности проходки выработок в массиве природно-техногенного пласта

При вскрытии исследовательскими выработками массива природно-техногенного пласта КрII* на участке ОПИ установлено, что в настоящее время полости очистных камер заполнены в основном полностью в различной степени сцементированным глыбовым материалом (рис. 3). Заполнение отработанных камер происходит в несколько этапов. Сначала разрушается защитная пачка сильвинитового пласта, оставленная в кровле. Затем вертикальное сжатие целика приводит к его расширению по латерали. В результате краевые части разбиваются на систему субпараллельных контуру призматических блоков. Эти блоки смещаются и запрокидываются в выработанное пространство, сдирая штыб с почвы и формируя его скопление в центральной части камеры.

Рис. 3. Строение природно-техногенного пласта КрII*

За счет образования системы субвертикальных трещин в центральной части целика формируется ограниченный сбросами трапециевидный остов, в котором сохраняется практически неизменная по мощности нижняя часть пласта КрII (слои 5–7 на рис. 3). Вместе с тем уменьшение высоты целика реализуется в основном за счет деформаций ползучести, превалирующих в верхней части пласта (слои 1–4), которая теряет больше половины своей мощности. При этом в заполнивших камеры породах материал из вышележащих слоев практически не регистрируется, что свидетельствует об отсутствии обрушения технологического междупластья АБ-КрII*. Таким образом, погашение камер происходит в основном за счет перераспределения пород сильвинитового пласта КрII.

В результате поперечного деформирования ширина целиков увеличилась до 5,0–6,0 м по почве пласта, тогда как ширина участка обрушенных пород на месте бывших камер составляет 3,0–4,0 м. Мощность пласта КрII в пределах контура бывших камер сократилась до 2,4–2,6 м, а в целиках – до 2,6–2,8 м, что составляет 52–57 и 57–61 % от первоначальной мощности 4,6 м соответственно (см. рис. 1).

В процессе вскрытия опытного участка были проведены натурные (полевые) испытания на одноосное сжатие крупномасштабных призматических образцов размером 400 × 200 × 200 мм согласно методике, изложенной в работе [21].

Результаты натурных испытаний крупномасштабных образцов на участке ОПИ показали значительную вариацию прочностных характеристик природно-техногенного пласта КрII*. Для обрушенных в камеры пород изменение предела прочности на сжатие характеризуется диапазоном от 0,4 до 3,8 МПа при среднем значении 2,0 МПа. Прочность пород, слагающих междукамерные целики, варьируется в интервале от 16,2 до 24,0 МПа и в среднем составляет 20,6 МПа, что примерно соответствует природным показателям ненарушенного пласта КрII, установленным при проведении фоновых испытаний.

Таким образом, в пределах участка повторной проходки очистных камер прочностные свойства природно-техногенного пласта КрII* характеризуются крайне неоднородным распределением. В центральной части целиков прочность находится на уровне фоновых для ВКМКС значений и снижается почти на порядок в зонах обрушенных пород.

Геологическое исследование керна скважин, пробуренных в кровлю выработок участка ОПИ, выявило зоны расслоения и разуплотнения в породах междупластья АБ-КрII* над бывшими камерами. В них нередко встречаются скопления конденсационных рассолов, мигрировавших с почвы камер вышележащего пласта АБ. Кроме междупластья локальные рассолопроявления отмечаются при вскрытии комбайном пород, обрушенных в камеры. Природа рассолов обусловлена многолетним конденсированием влаги из воздуха в старых выработках.

В процессе проходки исследовательских выработок на участке ОПИ установлено, что в обрушенных породах могут встречаться различные металлические предметы, представляющие собой фрагменты механизмов, узлов и деталей оборудования, брошенного в процессе первичной отработки панели, а также другой мусор (конвейерная лента, древесина и т.п.). Это приводит к усиленному изнашиванию зубцов комбайна и затрудняет проходку. Кроме того, увеличенное содержание глинистого материала и увлажнение конденсационными рассолами служат причиной высокой вязкости пород, обрушенных в камеры. Как следствие, происходит снижение скорости буровых работ в пласте и рост количества аварийных ситуаций с инструментом.

Сложная гипсометрия природно-техногенного пласта КрII*, существенно отличающаяся от естественных условий залегания сильвинитовых пластов ВКМКС, также осложняет проходку выработок.

Рис. 4. Внешний вид выработок, пройденных по природно-техногенному пласту КрII*:
а – в правому боку (стенке) выработки пересечение обрушенных в камеру пород;
б – в левом боку (стенке) выработки обнажение слабоконсолидированных пород

В природно-техногенном пласте встречаются полости от небольших каверн неправильной или округлой формы объемом в несколько кубических сантиметров до пустот более одного кубометра, представляющих собой участки незаполненных фрагментами горного массива выработок первой очереди отработки (рис. 4). Вероятными причинами формирования пустот являются следующие факторы:

• неравномерное запрокидывание противоположных стенок первичных камер в процессе деформирования податливых междукамерных целиков ввиду неоднородных горно-геологических условий залегания пласта КрII (складчатость, изменение глубины залегания, мощности и т.п.) и локальных отклонений от проектных параметров целиков;
• расположение первичных выработок вблизи целиков повышенной жесткости, которые, таким образом, выполняют по отношению к ним охранную функцию.

В случае повторного вскрытия крупных пустот или при их близком расположении к исследовательским выработкам возникает риск ускоренного деформирования контура с нарушением его целостности в виде образования трещин, отслоений, заколов. Безопасная проходка выработок в указанных зонах природно-техногенного пласта должна включать следующие мероприятия:

• формирование полосы безопасности вблизи контура целика повышенной жесткости, в пределах которой исключается ведение горных работ при повторной выемке;
• использование полуавтоматического (дистанционного) режима управления проходческим комбайном;
• применение дополнительных методов контроля состояния приконтурного массива выработки (бурение шпуров и проведение видеоэндоскопии массива, контроль смещений контура выработки).

Контроль состояния выработок в природно-техногенном пласте

Контроль за смещением приконтурного массива выработок, пройденных в природно-техногенном пласте КрII*, выполнялся на подземных наблюдательных станциях (НС), оборудованных на участке ОПИ. Расположение станций в пределах участка ОПИ представлено на рис. 2. Долговременная наблюдательная станция состоит из глубинных и контурных реперов, установленных в пределах поперечного сечения выработки (рис. 5). На свободном конце реперов имеется крепежное отверстие для присоединения к измерительному устройству – ленточному экстензометру. Для оценки влияния различных факторов (наличие обрушенных в камеры пород, ширина выработки, крепление и т.п.) на величину смещений пород приконтурного массива установка станций производилась в широком диапазоне горно-геологических и горнотехнических условий.

Рис. 5. Схема станций для наблюдения за смещением приконтурного массива:
а – кровли выработок; б – междукамерного целика

Мониторинг смещений породного массива выполняли путём периодических измерений расстояний между реперами, установленными в противоположных элементах выработки (кровля–почва, левый–правый бока). На начальном этапе наблюдений частота периодических замеров составляла в среднем 1 раз в 3 месяца. Далее частота замеров уменьшалась в зависимости от интенсивности смещений породного массива.

По результатам наблюдений выполнялось построение графиков смещений реперов от времени, прошедшего с момента установки станции. Также для всех наблюдательных станций произведён расчет средней годовой скорости смещения приконтурного массива.

В качестве примера на рис. 6, а представлены графики вертикальных смещений пород кровли на наблюдательной станции 4, расположенной на сопряжении выемочного штрека и стартовой выработки исследовательских камер 1–2 (см. рис. 2). Анализ данных мониторинга выявил, что максимальная скорость вертикального смещения пород кровли характерна для начального периода наблюдений. В дальнейшем скорость деформирования постепенно снижается, стабилизируясь на уровне 22–28 мм/год. Также установлена зависимость величины смещений от расстояния до кровли выработки: минимальные значения зафиксированы на удалении 6,0 м от кровли, тогда как максимальные – непосредственно на контуре выработки.

Качественно аналогичный характер деформирования пород кровли при количественных различиях в абсолютных значениях смещений отмечается для всех наблюдательных станций, оборудованных вертикально-ориентированными глубинными реперами по схеме на рис. 5, а. При этом анализ результатов мониторинга показал, что скорости смещений контуров исследовательских выработок на участках пересечения с обрушенными породами в целом ниже, чем в ранее оставленных целиках пласта КрII*. Установленная закономерность обусловлена сильно отличающимися деформационными свойствами данных элементов строения природно-техногенного пласта, вызывающими формирование в нём неоднородного поля напряжений. Вследствие этого концентрация напряжений в целиках первичной отработки приводит к повышенным скоростям смещений контуров выработок относительно участков бывших камер, заполненных обрушенными породами.

С этой же причиной связан наблюдаемый на рис. 6, б неравномерный характер горизонтальных смещений реперов, установленных в повторно сформированном междукамерном целике в соответствии со схемой на рис. 5, б. Так, наибольшие смещения пород 39,4 мм за период наблюдений зафиксированы на контуре целика. По мере удаления от контура более чем на 0,75 м смещения резко уменьшаются, стабилизируясь в диапазоне от 14,5 до 23,8 мм. При этом зафиксированная величина смещения на расстоянии 1,5 м ниже значений, наблюдаемых в интервале 3,0–4,5 м. Данное отклонение от общей закономерности связано с тем, что замок репера Р1,5 расположен в массиве обрушенных пород, имеющем иные деформационные характеристики.

Рис. 6. Графики смещений породного массива во времени:
а – вертикальные смещения кровли на сопряжении выработок (НС 4);
б – горизонтальные смещения междукамерного целика (НС 3)

Обобщая результаты наблюдений за состоянием выработок на участке ОПИ, можно сделать следующие выводы. При вскрытии слабоконсолидированные обрушенные породы проявляют низкую устойчивость. Наиболее опасными в этом отношении являются участки подсечки старых выработок уклонами, а также зоны вблизи оставленных целиков повышенной жесткости. В основном наблюдаемые смещения контура выработок укладываются в диапазон значений, характерный для типовых горно-геологических условий ВКМКС. Устойчивость приконтурного массива выработок, пройденных в природно-техногенном пласте КрII*, оценивается как удовлетворительная.

Заключение

С целью проверки новой системы разработки Верхнекамского месторождения калийных солей, заключающейся в повторной выемке запасов сильвинитового пласта КрII, выполнены опытно-промышленные испытания (ОПИ) данной технологии. Испытания проводились в пределах шахтного поля рудника БКПРУ-2 ПАО «Уралкалий» на участке, где ранее применялась система разработки с «податливыми» междукамерными целиками.

В результате выполненных испытаний установлена практическая реализуемость и особенности проходки выработок в сформированном природно-техногенном пласте КрII*. Технические решения, принятые для условий участка ОПИ, обеспечивают устойчивое состояние выработок на весь период горнопроходческих работ.

К основным требованиям, определяющим безопасные условия ведения горных работ при повторном извлечении запасов природно-техногенного пласта КрII*, следует отнести:

• достаточную степень сплошности и непрерывности сформированного массива, что является следствием полного погашения очистного пространства при использовании первичной системы разработки с «податливыми» целиками;
• выбор параметров повторной отработки, обеспечивающих жесткое поддержание налегающей водозащитной толщи пород;
• проходку очистных камер соосно междукамерным целикам первичной системы разработки;
• формирование полосы безопасности вблизи контуров целиков повышенной жесткости, в пределах которой исключается ведение горных работ при повторной выемке;
• использование полуавтоматического (дистанционного) режима управления проходческим комбайном.

По результатам исследования геологического строения природно-техногенного пласта КрII* обнаружены единичные пустоты, представляющие собой участки незаполненных фрагментами горного массива выработок первой очереди отработки. Также установлена циклическая изменчивость физико-механических свойств пласта КрII*. В частности, предел прочности пород изменяется от 0,4–3,8 МПа в зоне обрушенных пород до 16,2–24,0 МПа в целиках.

Анализ данных мониторинга деформационных процессов в выработках, пройденных в природно-техногенном пласте КрII*, показал, что скорости смещения их контура в основном составляют 22–28 мм/год и укладываются в диапазон значений, характерный для типовых горно-геологических условий ВКМКС. Устойчивость приконтурного массива пройденных выработок оценивается как удовлетворительная.

Несмотря на широкие перспективы применения технологии повторной отработки на шахтном поле рудника БКПРУ-2, большая часть которого отработана с оставлением «податливых» целиков по пласту КрII, для подсчета вовлекаемых запасов требуются дополнительные исследования, направленные на оценку возможности реализации данной технологии на конкретных выемочных участках. Это обусловлено изменчивостью горно-геологических и горнотехнических условий, определяемых такими факторами, как параметры первичной отработки, степень сплошности и непрерывности сформированного массива природно-техногенного пласта, наличие геологических аномалий в строении водозащитной толщи пород, близость к постоянным границам горных работ, наличие охраняемых объектов на земной поверхности и т.п.

Таким образом, реализация технологии позволит вовлечь в отработку ранее списанные запасы и повысить общий коэффициент извлечения сильвинитовой руды с пласта КрII. В условиях, аналогичных участку ОПИ, ожидаемый прирост данного показателя составляет в среднем 16 % [21].