Способ разработки подземного рудного месторождения и устройство для его осуществления - RU2062325C1
Код документа: RU2062325C1
Чертежи
Описание
Изобретение касается способов и устройств для разработки подземного месторождения, характер которого отличается тем, что себестоимость добычи одной тонны полезных ископаемых (руд) на нем переходит на второй (второстепенный) план.
Особенно широкое применение изобретение находит в добыче руд или полезных ископаемых, токсичность или радиоактивность которых делают невозможным использование классических (традиционных) способов разработки их месторождений главным образом когда к радиоактивности или токсичности добавляются проблемы геотехнического характера.
В качестве конкретного показательного примера можно привести разработку урановых месторождений с высоким содержанием урана в руде, в процессе которой уровень радиоактивности руды исключает возможность применения традиционных способов добычи, требующих постоянного присутствия людей в очистном забое выработок, но при которой допускается высокая себестоимость добычи одной тонны руды поскольку она уравновешивается содержаниями урана в руде, достигающими 100 кг на тонну извлеченной руды и даже больше.
Проблема такого же рода возникает в случае разработки относительно мощных месторождений с очень высоким промышленным содержанием ценного компонента в добывающейся руде, но находящихся в особенно сложных геотехнических условиях залегания, таких как очень высокие литостатические и гидростатические давления, в непрочных породных массивах.
Можно также привести в качестве примера применения изображения выемку, осуществляющуюся с целью очистки от вредных веществ подземных хранилищ и/или обеспечения надежных условий хранения в них полезных ископаемых, опасных веществ или продуктов, не имеющих необходимой промышленной ценности, но от которых обязательно требуется избавиться.
Такой последний случай может встречаться, например, при загрязнении земных недр продуктами отхода ядерной установки. Поэтому целью изобретения является создание способа разработки подземного месторождения полезных ископаемых, эксплуатация которого затрудняется его радиоактивным или токсическим характером и/или геотехническими условиями его залегания в породном массиве, когда промышленная ценность месторождения и/или абсолютная необходимость его разработки переносят на второстепенный план себестоимость добычи каждой тонны /или затраты, связанные с извлечением каждой добытой тонны руды/.
С этой целью изобретение предлагает, в частности, способ, согласно которому внутри всего или части месторождения создается, путем закачки гидравлического вяжущего материала и/или путем замораживания герметичный "кессон", ограничивающий все месторождение или часть его, и производится, в случае необходимости, дренирование месторождения; месторождение разрезается насквозь прямой проходкой первой горизонтальной выработки с помощью проходческого комбайна; после этого проходческий комбайн разворачивают и с его помощью проходят непосредственно прилегающую к первой вторую горизонтальную выработку и т.д. и, если месторождение содержит радиоактивный, опасный или токсичный, продукт, отбитые куски руды, по мере проходки и подвигания очистных забоев, измельчаются, переводятся в состояние пульпы и извлекаются на поверхность системой гидравлической транспортировки.
В случае ведения работ в трудном с геотехнической точки зрения породном массиве, характеризующемся опасностью обрушения пород, стенки горизонтальных выработок или их своды укрепляются сразу же после прохода комбайна клинчатыми кирпичами /специальный вид крепи/. Сразу же после завершения строительства горизонтальной выработки может быть произведена ее закладка, обеспечивающая "поглощение" давления горных пород.
В зависимости от характера трудностей, встречающихся во время разработки месторождения, способ будет отличаться большей или меньшей сложностью.
Когда встреченные трудности носят главным образом геотехнический характер /высокие литостатические и гидростатические давления/, вызывающий мощные притоки подземных вод, создание защитного "ограждения" путем облицовки клинчатыми кирпичами стенок выработок, венцы которых соединяются друг с другом герметичными швами крепи, позволяет решить проблему. В случае добычи радиоактивных материалов выполнение вышеуказанных мер уже устраняет большое число проблем: гамма-излучение наружного происхождения поглощается бетоном, покрывающим крепь из клинчатых кирпичей, и "юбкой" /кожухом/ проходческого комбайна. Создание внутри горизонтальной выработки избыточного давления позволяет уменьшить поступления радона. Гидравлическая транспортировка пульпы радиоактивных руд может производиться по трубопроводу, уложенному в глубине защитной плиты горизонтальных выработок, для обеспечения защиты от гамма-излучения, испускающегося добытым материалом.
Условия использования проходческого комбайна для реализации изобретенного способа разработки месторождения радиоактивных руд оказываются чрезвычайно необычными и представляются на первый взгляд как не имеющие экономического смысла. Действительно, предусматривается применение проходческого комбайна для проходки горизонтальных выработок очень большой длины в непрерывном режиме отбойки. Напротив, способ, созданный согласно изобретению, требует продолжительных периодов времени остановки проходческих работ после завершения строительства каждой горизонтальной выработки. Но это соображение должно быть второстепенным, когда промышленная ценность добытого материала или абсолютная необходимость в устранении от него заставляет производить добычу поскольку никакого из более экономичных известных решений нельзя применить для вышеупомянутых случаев разработок месторождения радиоактивных руд.
Изобретение также предлагает устройство для осуществления разработки подземного месторождения радиоактивных руд, в состав которого входит проходческий комбайн, позволяющий производить проходку горизонтальных выработок неполным сечением ствола и в нужном выбранном /"точечном"/ направлении с помощью отбойной установки, оснащенной поворотным зарубным баром и могущей расчленяться по крайней мере на три следующих один за другим в продольном направлении блока и содержащей дробилку и насос для превращения отбитого материала в пульпу и ее направления в трубопровод системы гидравлической транспортировки добытого материала на поверхность, и имеющей в своем заднем блоке устройство для установки крепи в виде замкового "камня" в горизонтальной выработке.
Проходческий комбайн, использующийся для отбойки сильно радиоактивных руд, содержит "юбку" /кожух/ достаточной толщины для уменьшения интенсивности радиоактивного излучения. Принцип его работы предусматривается таким, чтобы его можно было бы поворачивать в специальной камере сразу после проходки насквозь всего месторождения либо путем разворота на 180o вокруг горизонтальной оси, либо путем демонтажа, а затем последующей новой сборки. Сами три блока комбайна могут расчленяться на секторы, каждый по отношению к другому под углом примерно 120o, для облегчения осуществления операций перемещения устройства в последнем случае.
Изобретение будет лучше понятным при чтении нижеследующего описания конкретного варианта осуществления изобретения, представленного в качестве неограничивающего примера его реализации. Описание делается со ссылками на прилагающиеся рисунки, на которых: фиг.1 представляет собой основную схему в общем виде, показывающую подготовительные операции по разделению месторождения на отдельные "кессоны" перед началом работ по проходке выработок; фиг.2 представляет собой схематический вид в разрезе, показывающий проходку первой горизонтальной выработки через месторождение; фиг.3, сходном с фиг.2, показана схема реализации смежных /прилегающих друг к другу/ горизонтальных выработок, укрепленных и "заложенных" в процессе разработки месторождения; фиг.4 показан схематический вид в вертикальном разрезе основных блоков и узлов проходческого комбайна, образующих комплексную установку конкретного варианта осуществления изобретения; фиг.5 представляет собой вид в поперечном разрезе горизонтальной выработки, закрепленной венком крепи после проходки комбайна во время применения способа разработки месторождения согласно конкретному варианту осуществления изобретения.
Нижеописывающийся способ может использоваться, в частности, для разработки подземного месторождения урановой руды с очень высоким содержанием урана в ней, имеющего форму вытянутой в длину жилы и залегающего в непрочном с геотехнической точки зрения породном массиве, и находящегося под действием очень высоких листостатического и гидростатического давлений.
В качестве примера месторождения, представляющего такие характеристики, можно привести месторождение "Сигар Лейк", "Саскетчеван" /Канада/ со средним содержанием урана в руде порядка 100 кг/т, позволяющее проведение своей эксплуатации с очень слабым ритмом /цикличностью/, составляющим порядка 200 т в сутки.
Вмещающий породный массив представляет собой песчанистый непрочный песок с обильными притоками воды. Разработка должна производиться при листостатическом давлении порядка 85 бар и гидростатическом давлении порядка 45 бар. Месторождение имеет вытянутую в длину форму с шириной порядка сотни метров.
Первая операция, которую необходимо выполнить перед проведением собственно проходческих работ на месторождении, имеет целью образовать вокруг продольного участка месторождения герметичный "кессон", который, в случае необходимости, можно было бы подвергнуть дренажу и стенки которого должны быть образованы упрочненными породами путем их замораживания и/или путем закачки в них цементного раствора. Причем каждый кессон из тех, которые охватывают все месторождение, должен создаваться как можно ближе один к другому, практически находиться на расстоянии нескольких метров один относительно другого.
Для этого выполняется прежде всего комплекс работ создания традиционных подземных выработок, обеспечивающих доступ к месторождению на глубине порядка 450 м в случае месторождения "Сигар Лейк". Бурятся шахтные стволы, обеспечивающие доступ к месторождению и вентиляционные шахтные стволы. После этого устанавливается энергетические, вентиляционные, добычное оборудование, осуществляется проходка горизонтальных выработок для доступа к горизонтам месторождения и горизонтальных эксплуатационных выработок в структуре месторождения. Среди этих горизонтальных подземных выработок две, как минимум, 12 должны простираться в направлении длины месторождения почти параллельно его границам. Они могут выполняться почти в верхнем горизонте месторождения. Другая горизонтальная выработка 14 выполняется в породном горизонте, расположенном, по крайней мере, на несколько метров глубже продуктивных пластов пород месторождения.
Затем из горизонтальной выработки 14 осуществляется проходка двух параллельных соединительных штреков 16 или заходок на расстояниях, которые должны зависеть от характера горной породы, но составлять обычно порядка десяти метров.
После этого, из разных горизонтальных выработок 12 и 14 и соединительных штреков 16 бурятся вертикальные скважины 18, предназначающиеся для ведения процесса замораживания пород и, в случае необходимости, нагнетания в "кессоны" через колонну труб цементного раствора. Вертикальные скважины, пробуренные из поперечных соединительных штреков 16, должны будут служить во всех случаях для проведения работ по замораживанию горных пород.
В результате проведения этих операций и замораживания горных пород, выполненного из двух соединительных штреков 16, был создан герметичный "кессон", охватывающий вырабатываемый участок /слой/ месторождения. Этот герметичный "кессон", контур которого /С/ показан на фиг.2 штрих-пунктирной линией, может быть дренирован в случае необходимости поскольку горные породы его центральной части не замораживались. Именно в этой части кессона предусматривается производить добычу радиоактивной руды. Выемочные работы внутри "кессона" выполняются повторением такой же последовательности операций. Из горизонтальных выработок 12 осуществляется проходка двух бремсбергов 20, обеспечивающих доступ к камерам 22 сквозь массив замороженных горных пород, которые служат местом для разворота проходческого комбайна. Эти камеры 22 /фиг.2/ вырабатываются на расстоянии от рудной залежи, которое должно обеспечивать поддержание такого уровня радиоактивности внутри них, при котором допускается присутствие людей. Проходческий комбайн, конструкция которого будет описана ниже, монтируется в одной из этих камер 22, располагающейся как над подошвой /основанием/ месторождения. После этого проходческий комбайн запускается в работу и перемещается, горизонтально или наклонно по отношению к горизонтальной выработке 12, к другой камере. Он проходит толщу пустых горных пород, затем саму рудную залежь и попадает в противоположно расположенную камеру 22. В этой камере комбайн подвергается техническому осмотру и в нем производится замена деталей в наибольшей степени поддающихся износу или поломке. После этого комбайн выводится задним ходом в бремсберг и перемещается в горизонтальную выработку 12. В первой горизонтальной выработке производится закладка выработанного пространства. Вырабатывается новый бремсберг, простирающийся до камеры для проходческого комбайна, располагающейся непосредственно рядом с предыдущей. Бремсберг и предыдущая камера для комбайна подвергаются закладке, например с помощью массы обломков отбитых пустых горных пород, для образования нового бремсберга. Таким образом, комбайн может подаваться вперед для проходки второй горизонтальной выработки. Сразу же после выработки и закладки всех, следующих одна за другой, горизонтальных выработок участка месторождения на уровне нижнего горизонта /В/ /фиг. 3/ осуществляется создание бремсбергов с меньшим углом наклона /уклоном/ для последовательной разработки верхних горизонтов месторождения.
Благодаря предварительному созданию замкнутого изолированного пространственного участка месторождения в виде герметичного "кессона" устраняются проблемы, связанные с притоком внутрь вырабатываемого пространства месторождения подземных вод. При условии осуществления крепления горизонтальных выработок с помощью сводовых клинчатых "камней" по мере подвигания забоя проходческим комбайном, создания герметичных швов соединения последовательных секций крепи выработок круглого сечения и применения проходческого комбайна, отличается хорошей герметичностью, с добавлением эффекта от замораживания горных пород, слагающих стенки "кессона", можно обеспечить нормальное проведение работ в подземной структуре, образованной хрупкими породами, на большой глубине при наличии мощных притоков вод под давлением.
Пока осуществляется таким образом выработка "кессона" можно подготовить следующий путем необходимого удлинения горизонтальных выработок 12 и 14, проходкой соединительных штреков 16 и замораживанием горных пород и/или закачкой внутрь породного массива цементного раствора для образования нового герметичного "кессона".
Ниже мы вернемся к описанию способа, разработанного согласно изобретению, касающемуся собственно самой отбойки рудной породы в забоях выработок.
Использующийся проходческий комбайн может иметь конструкцию, основная схема которой показана на фиг.4. В его состав входят три соединенных друг с другом в продольном направлении блока 28, 30 и 32, могущие монтироваться и демонтироваться. Каждый из этих трех блоков имеет такое конструктивное исполнение, которое позволяет его расчленять на несколько угловых секторов /узлов/, например на три, для того, чтобы уменьшать габариты и вес неразборных составных элементов во время транспортировки комбайна. По этой же причине, должен использоваться как правило "компактный" проходческий комбайн, имеющий небольшой диаметр своей наружной "юбки" /кожуха/, равный, например, порядка 4 м. Каждый из его блоков может также иметь небольшую длину, равную, например, порядка 1,50 м.
Передний блок содержит "юбку" и представляет собой режущий составной узел проходческого комбайна, поворачивающийся, т.е. могущий ориентироваться в нужном направлении проходки, с помощью домкратов 34 и закрывающийся сзади герметичной перегородкой, оснащенной смотровыми окнами /эта перегородка может также входить в состав промежуточного блока 30. Блок 28 содержит отбойную установку, позволяющую производить проходку горизонтальных выработок неполным сечением ствола в нужном "точечном" направлении и представляющую собой зарубной бар с телескопическим рычагом 36, заканчивающийся буровой коронкой 38. Отбойная установка сдваивается с дробилкой 39, позволяющей раздрабливать, в случае необходимости, крупные куски руды и уменьшать их размер до нескольких сантиметров, и с установкой для нагнетания воды под большим давлением. Отбитая руда приводится таким образом в состояние кусочков достаточно небольших размеров, позволяющих транспортировать их шнековым конвейером.
Преимущественным моментом изобретения является то, что в конструкции переднего блока предусматривается установка съемной диафрагмы /перегородки/ 41, обеспечивающей герметичную изоляцию отбойной установки 28 от очистного забоя горизонтальной выработки после втягивания внутрь телескопического рычага 36, что позволяет проводить техническое обслуживание этого блока проходческого комбайна. Эта перегородка может присоединяться к верхнему защитному кожуху 40 переднего блока 28 проходческого комбайна.
Средний блок 30 представляет собой гидравлический толкатель или гидравлический привод шнекового конвейера проходческого комбайна. Поэтому он имеет в своем составе внутри "юбки /кожуха/ защитный обод гидравлических домкратов 42, применяющихся, например, в количестве 24 шт. плунжер 44 которых предназначен для вхождения в контакт /упора/ в венцах уже установленной каменной крепи выработки. Средний блок содержит также конвейер для транспортировки отбитой руды, представляющий собой в иллюстрирующемся случае наклонный шнек 46. Этот шнек подает наверх в дробилку 48 куски отбитой руды, которая их раздрабливает на кусочки более мелких размеров, достаточных для последующего образования рудной пульпы и транспортировки последней на поверхность с помощью системы гидравлического транспорта. Смесительное устройство, в состав которого входит циркуляционный насос-питатель 50, захватывает мелко раздробленные кусочки отбитой руды и направляет их через обратный клапан или затвор 52 на вход трубы 54, соединенной с транспортирующим трубопроводом. Средний или центральный блок 30 проходческого комбайна может также содержать гидравлическую установку 56, выдающую рабочую жидкость под давлением, которая обеспечивает привод домкратов, зарубного бара насоса и, если необходимо, шнековых конвейеров, дробилки и насоса.
Задний блок проходческого комбайна 32 также оснащен своей герметичной "юбкой" 58, предназначенной для скольжения по последнему установленному венцу каменной крепи выработки и обеспечения герметичности блока. Он может иметь также в своем составе эректор для установки каменной крепи выработки, который не будет описываться здесь поскольку он может иметь обычно применяющуюся конструкцию.
В иллюстрирующемся примере варианта осуществления изобретения эректор предусматривается для последовательной установки после втягивания плунжеров 44, венцов каменной крепи 62, подающихся грузовой талью 64, удерживающейся балкой, прикрепленной к венцам или ободам каменной крепи выработки, по мере подвигания фронта очистного забоя горизонтальной выработки проходческим комбайном. Кольца или венцы каменной крепи могут располагаться в таком виде, который показан на фиг.5, т.е. содержать пять секций собственно самой каменной крепи, пронумерованных с 1 до 5, замок каменной крепи 68 и два противозамка каменной крепи 70.
Грузовая таль может предусматриваться также для укладки секций 72 плиты. При этом каждая секция плиты имеет длину, равную длине каждой секции венца или обода каменной крепи выработки. Эти секции плиты предназначаются для создания плоского рабочего полка внутри выработки и разграничивания технических проходов или вспомогательных выработок. Одна из таких вспомогательных выработок может служить для установки в ней трубопровода 74, предназначенного для транспортировки отбивной массы руды и соединяющегося с телескопической трубой 76, с помощью которой осуществляется связь с вышеуказанной трубой 54. Другие вспомогательные выработки, которые называются также ходками, /78 на фиг.5/, могут использоваться в качестве технических траншей для укладки в них, например, электрокабелей.
В зависимости от природы добываемой руды принимаются более или менее важные дополнительные меры предосторожности. В частности, можно прокладывать между отдельными секциями обода или венца каменной крепи выработки, между следующими друг за другом венцами крепи и между последним венцом и "юбкой" 38 среднего блока проходческого комбайна герметическое соединение или шов для предотвращения просачиваний подземный вод и в случае урановых рудников проникновения радона в укрепленный ствол горизонтальной выработки, растворенного в воде. Второй герметический шов, создающийся слоем свинца, может быть предусмотрен для поглощения гамма-излучения, происходящего со стороны вмещающих горных пород, с которыми не должно быть никакого прямого сообщения. Для этого в установленных секциях каменной крепи могут быть предусмотрены нагнетательные каналы 80.
Преимущественно, на входе в каждую горизонтальную выработку внутри массива пустых пород предусматривается оборудование шлюзовой камеры. Это позволяет поддерживать внутри горизонтальной выработки избыточное давление /сверхдавление/ и противодействовать также прорыву радона в нее, выделяющемуся из радиоактивной руды.
Во время проходки горизонтальной выработки предусматривается такая система управления всеми операциями и работами, которая не требует, за исключением аварийных случаев, присутствия людей внутри выработки. Для съемки выработки очистного забоя может быть предусмотрена видеокамера, устанавливающаяся в центральном блоке проходческого комбайна. Присутствие персонала, управляющего работой проходческого комбайна, требуется только для установки венцов каменной крепи, производящейся после выработки или проходки участка выработки, длиной соответствующей длине указанных секций каменной крепи. Этот этап работ длится менее одного часа за смену. Он выполняется только в том случае, если люди находятся под защитой уже установленных венцов каменной крепи и стального кожуха "юбки" проходческого комбайна. В остальных случаях персонал может находиться в камере 22. Каменная крепь толщиной примерно 30 см обеспечивает достаточную и надежную защиту людей от гамма-излучения. Стальной трубопровод, оборудующийся во вспомогательной выработке секции плиты 72, обеспечивает защиту от гамма-излучения радиоактивной массы отбитой руды, транспортирующейся в виде пульпы напором воды по трубам 42 и 44 и трубопроводу 74.
Учитывая короткий период времени работы проходческого комбайна и техническое обслуживание его рабочих органов, проводящееся при каждом нахождении комбайна в камере 22, существует незначительная опасность выхода из строя последнего в процессе проходки горизонтальной выработки. И все же в случае необходимости техобслуживания можно быстро установить в закрытое положение механическим путем перегородку переднего блока операция, осуществляющаяся под наблюдением и контролем рабочего, который остается в это время в промежуточном блоке проходческого комбайна. Тогда эта перегородка герметично изолирует указанную секцию переднего блока от очистного забоя горизонтальной выработки. После дезактивации узлов оборудования и отсасывания радона, содержащегося в указанной секции переднего блока проходческого комбайна, оператор может пройти в эту секцию через специально предусмотренную дверь и произвести необходимые профилактические или ремонтные работы.
Когда проходческий комбайн выходит из рудной залежи, то он пересекает участок месторождения, сложенный пустыми породами прежде чем достигает камеры 22. После проведения отбойки пустых пород также требуется производить очистку рабочих органов переднего блока проходческого комбайна и его защитных "юбок". Эта очистка может дополняться дезактивацией мощной струей воды.
Когда проходческий комбайн находится в одной из камер 22, то он в ней разворачивается на 180o для того, чтобы можно было произвести проходку новой горизонтальной выработки в противоположном направлении. Разворот проходческого комбайна может выполнять способом, предусматривая для этой цели в камере 22 поворотную плиту. Разворот проходческого комбайна может быть также произведен путем его разборки на отдельные блоки и последующей сборки в обратном порядке. В качестве примера можно указать, что проходческий комбайн диаметром 4 м, могущий осуществлять "точечную" отбойку пород или руды алмазной буровой коронкой, позволяет легко, в зависимости от природы пород или руды, отбивать или вырабатывать 10 т пород либо руды в час и обеспечивать скорость проходки 0,20 м/час. Секции плиты могут иметь ширину 2,50 м, что позволяет оборудовать в них трубопровод для транспортировки отбитой массы руды диаметром 150 мм.
Строгий порядок наслоения горизонтальных выработок круглого сечения, поддерживающийся в процессе разработки месторождения, оставляет нетронутыми примерно 9% месторождения. В действительности, отбойная установка комбайна вырабатывает зону, площадь сечения которой превышает площадь поперечного сечения проходческого комбайна. Этого превышения оказывается достаточно для почти полной выработки месторождения. ЫЫЫ2 ЫЫЫ4
Реферат
Использование: изобретение касается способов и устройств для разработки подземного месторождения, в частности, для добычи руд или полезных ископаемых, токсичность или радиоактивность которых делают невозможным использование традиционных способов разработки месторождений. Сущность изобретения: способ разработки подземного рудного месторождения включает проходку тоннелей посредством тоннельного проходческого щита с извлечением руды. Предварительно вокруг части или всего месторождения укрепляют породы с созданием защитного слоя, тоннели проходят через месторождение вприсечку друг к другу прямых ходом тоннельного проходческого щита с разворотом его после прохождения каждого тоннеля, а извлекаемую руду доводят до состояния пульпы и удаляют из забоя системой гидравлического транспортирования. Устройство разработки подземного рудного месторождения включает тоннельный проходческий щит для проходки горизонтальных выработок, который содержит переднюю, среднюю и заднюю части корпуса, установленный в передней части корпуса на поворотном телескопическом рычаге зарубный бар для отбойки породы в нужном направлении, дробилку, шнековый конвейер, приспособление для превращения массы отбитой руды до состояния пульпы и передачи последней в систему гидравлического транспортирования и размещенное в задней части корпуса приспособление для крепления образованной выработки. Передняя, средняя и задняя части корпуса соединены между собой посредством разъемного соединения. Средняя часть корпуса отделена от его передней части посредством герметичной перегородки. Дробилка, шнековый конвейер и приспособление для превращения массы отбитой руды до состояния пульпы и передачи последней в систему гидравлического транспортирования размещены в средней части корпуса. Приспособление для крепления образованной выработки выполнено в виде подъемно-установочного механизма для монтажа предварительно изготовленных элементов крепи тоннеля. 5 ил.
