Choice and substantiation of stable crown shapes in deep-level iron ore mining

Abstract

Purpose. The aim of the paper is to select and substantiate stable shapes of crown pillars through determining regularities of rock pressure impacts on their stability depending on the crown shapes, mining depths and iron ore hardness. Methods. Stress and strain calculations are performed by the ANSYS 16.0 finite element analysis. Triangulation of the 3D model with a 2 m side is conducted to build stress and strain diagrams. In accordance with the conditions of the experiment, the models were created for horizontal, tent, arched and inclined stope crowns with the dip varying within a wide range. The assumed values of rock pressure on the ore massif conform to mining conditions of the Kryvyi Rih basin deposits at the depths of 1200 to 1700 m. Findings. The obtained values of maximum stresses in stope crowns were calculated in respect to mining depth, rock pressure, crown dip, iron ore hardness and relative curvature radius of the arched crowns. It was determined that vertical and inclined compensating rooms should be used in mining rich iron ores at great depths by sublevel caving systems. In case of the room-and-pillar systems used in mining rich iron ores at great depths, a key requirement is to apply tent and arched crowns which provide maximum stability under high rock pressure. Originality. The research proves that the integrated index of maximum stresses in crown pillars varies from –10 to +32 MPa at depths of over 1200 m and is in polynomial and logarithmic dependence on physical and mechanical properties of the ore mass. It also depends on the crown geometry and, in case of the arched crown, acquires minimal values allowing for stable crown pillar exposures at depths reaching 2000 m. Practical implications. The research results allowed to compile the methodological manual “Choice and substantiation of stable crown shapes in deep-level iron ore mining” for the underground mines of the PJSC “Sukha Balka” and “Rodina” mine of the PJSC “Kryvbaszalizrudkom”.

Мета. Вибір та обґрунтування стійких форм стелин за рахунок встановлення закономірностей впливу гірського тиску на їх стійкість залежно від форми стелин, глибини розробки та міцності залізних руд. Методика. У даній роботі розрахунок напружень і деформацій гірського масиву виконано методом кінцевих елементів за допомогою програмного комплексу Ansys 16.0. Для побудови епюр напружень і деформацій методом кінцевих елементів над моделлю було проведено тріангуляцію 3D-моделі з розміром сторони 2 м. Згідно з умовами експерименту, були сформовані моделі з горизонтальною, шатровою, склепіннеподібною і похилою покрівлею камер, кут нахилу яких варіювався в широких межах. Прийняті величини тиску гірських порід на рудний масив відповідали гірничотехнічним умовам відпрацювання родовищ Криворізького басейну на глибинах від 1200 до 1700 м. Результати. Отримано розрахункові значення величин максимальних напружень в стелинах очисних камер залежно від глибини розробки, величини гірського тиску, кута нахилу стелини, міцності залізних руд і відносного радіуса кривизни склепіннеподібної стелини. Встановлено, що при відпрацюванні багатих залізних руд на великих глибинах системами підповерхового обвалення необхідно застосовувати вертикальні й похилі компенсаційні камери. Виявлено, що при відпрацюванні багатих залізних руд камерними системами розробки на значних глибинах ключовою вимогою, що забезпечує максимальну стійкість в умовах високого гірського тиску, є перехід на шатрові та склепінчасті стелини. Наукова новизна. Доведено, що інтегральний показник величини максимальних напружень у міжповерхових ціликах змінюється в межах від –10 до +32 МПа на глибинах понад 1200 м та знаходиться в поліноміально-логарифмічній залежності від фізико-механічних властивостей рудного масиву, залежить від геометричних параметрів склепіння і при його склепіннеподібній формі набуває мінімальних значень, дозволяючи формувати стійкі відслонення міжповерхових ціликів на глибинах до 2000 м. Практична значимість. Розроблено методичні рекомендації «Вибір та обґрунтування стійких форм стелин при видобутку залізних руд на великих глибинах» для умов шахт ПрАТ «Євраз Суха Балка» і шахти «Родіна» ПАТ «Кривбасзалізрудком».

Цель. Выбор и обоснование устойчивых форм потолочин за счет установления закономерностей влияния горного давления на их устойчивость в зависимости от формы потолочин, глубины разработки и крепости железных руд. Методика. В данной работе расчет напряжений и деформаций горного массива выполнялся методом конечных элементов посредством программного комплекса Ansys 16.0. Для построения эпюр напряжений и деформаций методом конечных элементов над моделью было проведено триангуляцию 3D-модели с размером стороны 2 м. Согласно условиям эксперимента, были сформированы модели с горизонтальной, шатровой, сводообразной и наклонной кровлей камер, угол наклона которых варьировался в широких пределах. Принятые величины давления горных пород на рудный массив соответствовали горнотехническим условиям отработки месторождений Криворожского бассейна на глубинах от 1200 до 1700 м. Результаты. Получены расчетные значения величин максимальных напряжений в потолочинах очистных камер в зависимости от глубины разработки, величины горного давления, угла наклона потолочины, крепости железных руд и относительного радиуса кривизны сводообразных потолочин. Установлено, что при отработке богатых железных руд на больших глубинах системами подэтажного обрушения необходимо использовать вертикальные и наклонные компенсационные камеры. Выявлено, что при отработке богатых железных руд камерными системами разработки на значительных глубинах ключевым требованием, обеспечивающим максимальную устойчивость в условиях высокого горного давления, является переход на шатровые и сводчатые потолочины. Научная новизна. Доказано, что интегральный показатель величины максимальных напряжений в междуэтажных целиках меняется в пределах от –10 до +32 МПа на глубинах более 1200 м, находится в полиномиально-логарифмической зависимости от физико-механических свойств рудного массива, зависит от геометрических параметров потолочины и при ее сводообразной форме приобретает минимальные значения, позволяя формировать устойчивые обнажения междуэтажных целиков на глубинах до 2000 м. Практическая значимость. Разработаны методические рекомендации «Выбор и обоснование устойчивых форм потолочин при добыче железных руд на больших глубинах» для условий шахт ЧАО «Евраз Суха Балка» и шахты «Родина» ПАО «Кривбассжелезрудком».