» » Системы с искусственным поддержанием очистного пространства

Системы с искусственным поддержанием очистного пространства

19.08.2016

Из этих систем подземной разработки перспективны системы с закладкой образованных пустот.
Однако при наличии комбинированной разработки эти системы также обладают особенностями. Их проявление зависит от взаимного расположения закладываемых очистных камер относительно чаши карьера и функций, выполняемых при этом массивом закладки.
Ранее мы отмечали, что при разных указанных ранее условиях требования к материалу и массиву закладки также различны.
Например, если камера расположена внутри выемочного контура карьера, то материал закладки существенной роли не играет. Важно, чтобы закладочный массив был однородного состава по всей мощности залежи, по всей высоте этажа и на возможно большем участке по простиранию.
Примером такой технологии может служить опыт Зыряновского рудника. Здесь для отработки богатых (сплошных сульфидных) руд Покровской линзы использовали систему с магазинированием отбитой мелкошпуровым способом руды.
Размер залежи по простиранию до 150 м, высота камер 32—34 м, мощность до 15 м, угол падения 70—80°.
Залежь по простиранию была разделена на три камеры длиной по 45—55 м. Над откаточным штреком — целик высотой 5 м.
Отбойку руды производили шпурами длиной 3 м. Выход на слой — из фланговых полевых вентиляционно-ходовых восстающих, пройденных в лежачем боку на стыке камер. Выпуск руды на скреперный штрек осуществляли через дучки.
Отработку линзы проводили в два этапа. Сначала в створе восстающих отрабатывали по той же технологии камеры первой очереди размерами 2 м по простиранию, на всю мощность вкрест простирания и на всю высоту этажа.
После выпуска замагазинированной руды эти камеры закладывали твердеющей смесью, получая искусственный массив прочностью около 5 МПа при сжатии.
Возведя таким образом два искусственных целика на расстоянии 50 м друг от друга по простиранию, отрабатывали три камеры второй очереди, которые после выпуска руды закладывали пустой породой от проходческих работ.
Изложенная технология позволила:
• отработать богатые руды с минимальными потерями 2,5 % и разубоживанием 0,7 %;
• предотвратить обрушение (и вывалы) висячего бока, обеспечив допредельные размеры обнажения искусственных целиков — перегородок между камерами;
• обеспечить плановую отработку уступов карьера при ведении открытых горных работ на участке залежи.
Камеры, расположенные вне зоны взаимного геомеханического влияния карьера и подземных выработок, можно заполнить любым материалом, удовлетворяющем только условиям эффективности их отработки или охраны сооружений на земной поверхности.
В частности, на этих участках широко применяется закладка из несвязных (сыпучих) материалов.
Кстати, такие материалы, как было показано ранее, могут успешно использоваться и для погашения пустот в выемочных контурах карьера.
В качестве сыпучей закладки применяют обычно породу от проходческих работ или специально добытую, хвосты обогатительных фабрик, а также песок и гравий.
Подача закладочного несвязного материала в камеру может быть осуществлена в сухом виде (свалка из вагонов, пневмотранспортирование) и с водой (гидравлическая закладка).
Системы с искусственным поддержанием очистного пространства

Способы и условия поступления закладочного материала в выработанное пространство существенно влияют на несущую способность массива закладки, которая зависит в основном от плотности среды.
Порода от проходческих работ, просто сваленная в камере, обладает малой плотностью вследствие того, что отдельные куски породы соприкасаются друг с другом ребрами и выступающими углами. Поэтому достаточно небольшой нагрузки, чтобы массив такой закладки деформировался на 20—30 % по объему. Даже под действием собственного веса сухая породная закладка дает усадку 15—20 %. Рассчитывать на несущую способность такой закладки не следует.
Если тот же материал доставлять до закладываемой камеры и укладывать с применением сжатого воздуха, плотность массива значительно увеличится за счет скалывания острых углов и граней при транспортировании и уменьшения зазоров между кусками уложенной породы под действием динамических усилий.
Установлено, что на несущую способность массива закладки влияет влажность закладочного материала. Исследования показали, что наибольшей сопротивляемостью на срез отличается материал, содержащий капиллярную влагу (рис. 14.7). Максимальная прочность на срез установлена для пород с влажностью 10—12 %.
Характерен в этом отношении опыт работы Зыряновского рудника. При закладке камер весьма больших размеров (объем по 20—40 тыс. м3) применяли породу от проходческих работ. Наряду с этим в закладываемые камеры сваливали породную мелочь от зачистки выработок, а для достижения более полной закладки участка камеры с одной закладочной точки в нее периодически подавали в небольших количествах воду.
Системы с искусственным поддержанием очистного пространства

В результате получился массив довольно высокой плотности (в течение 7—8 лет не наблюдалась усадка заложенного массива при высоте камер 40—45 м).
Общим для сыпучей и твердеющей закладочных смесей оптимизируемым параметром является плотность упаковки η, которая зависит от соотношения размеров крупных и мелких частиц.
В большинстве случаев эту смесь можно рассматривать как случайную упаковку бинарной системы частиц с большим различием в размерах компонентов (например, щебня и песка).
Задача решалась В.Г. Бондаревым с участием автора в следующей постановке: как зависит плотность упаковки частиц системы η от содержания с частиц второго (мелкого) компонента, определяемого отношением объема V2 твердой фазы последнего к объему твердой фазы Vр в системе.
В результате решения задачи было получено уравнение для плотности упаковки η бинарной системы частиц
Системы с искусственным поддержанием очистного пространства

где η1 и η2 — плотности упаковки отдельных компонентов системы; с — содержание частиц второго компонента в системе.
Поскольку уравнение (14.3) получено в неявном виде, разработана программа при помощи пакета символьных вычислений, расчеты по которой дали результаты, изображенные в виде графиков на рис. 14.8. Здесь точками показаны значения η = f(с), полученные Макгири экспериментально для частиц сферической формы и Патанкаром для естественных материалов.
Существует множество практических методов подбора состава твердой фракции закладочного массива, которые можно использовать при отсутствии возможности расчетов по изложенной ранее или подобной ей методике.
Например, рекомендации для приближенного решения задачи содержатся во многих строительных справочниках. Соотношение зерен различной крупности по одной из них предлагается выдержать в следующих пределах.
Системы с искусственным поддержанием очистного пространства

Практически хорошие результаты, близкие к рекомендуемым, дает смесь породной закладки с хвостами обогатительной фабрики. Исследования показали, что закладка из материала, полученного смешением дробленой породы и хвостов обогащения в соотношении 1:1, воспринимает давление кровли уже после усадки на 6 %, в то время как закладка, уложенная пневматическим способом, способна воспринимать нагрузки лишь после усадки на 28 %.
Можно сделать и другой вывод. Поскольку на несущую способность закладочного массива большое влияние оказывает ее усадка, необходимо находить методы ее искусственного создания.
Одним из таких методов может быть добавление некоторого количества воды в процессе закладочных работ.
Другим не менее эффективным методом усадки закладочного массива является уплотнение его действием взрыва.
Практика работы предприятий показывает, что отбойка руды взрывным способом непосредственно у закладочного массива вызывает его усадку на 20—25 %. Накопленный опыт по применению отбойки руды в зажиме показывает, что отбитая и замагазинированная руда уплотняется взрывом скважин на 25—35 %, причем уплотнение распространяется на 20—25 м в глубину отбитой массы при взрыве сравнительно небольших зарядов (около 1—1,5 т).
Поэтому весьма эффективной может оказаться отработка наклонных и крутопадающих рудных тел наклонными камерами (рис. 14.9). Сущность ее заключается в следующем.
Месторождение но падению разбивается на этажи высотой от 70 до 150 м. Возможность эксплуатации и высокая экономическая эффективность этажей высотой до 200 м убедительно была доказана на шведском руднике Ренштрем.
Системы с искусственным поддержанием очистного пространства

Откаточные выработки проводят в лежачем боку залежи. Отрабатывать наклонные камеры с размерами по восстанию залежи около 20—25 м начинают снизу. Руду из камер выпускают на скреперные штреки и по рудоспускам перепускают на откаточные выработки. После выпуска отбитой руды камеры закладывают. Расположение закладочных выработок и конфигурация камер способствуют наиболее полной их закладке. Затем отрабатывают следующую по восстанию камеру. Причем взрывные скважины во второй камере располагают таким образом, чтобы они уплотняюще действовали на закладку нижней камеры. Последняя при выпуске руды из верхней камеры служит своего рода вторым лежачим боком. Аналогичным образом отрабатывают и закладывают все камеры этажа.
Данный вариант отличается высокой экономической эффективностью и возможностью наиболее полной закладки выработанного пространства с использованием всех возможных способов уплотнения закладочного массива. Резко снижаются потери руд в целиках.
Ранее упоминалось, что одной из производительных и эффектных с точки зрения создания закладочного массива повышенной несущей способности является гидравлическая закладка пустот несвязными материалами.
В литературе вопросы гидрозакладки освещены широко и подробно, поэтому нет необходимости приводить их в этой книге.
Однако в условиях совмещения открытых и подземных работ гидрозакладка пустот может быть выполнена более эффективно, если использовать для этого вскрышные породы карьера.
Интересен в этом отношении опыт Зыряновского комбината. В 1960—61 гг. здесь были выполнены работы в промышленных масштабах по закладке камер под дном карьера гидравлическим способом с использованием существовавшей схемы вскрытия рыхлых отложений в карьере с помощью гидромониторов и стационарных землесосных установок. Используемые рыхлые отложения содержат 85—90 % песков и песчано-галечной смеси и 10—15 % суглинков.
Водяной струей с давлением 1,2—1,4 МПа разрабатывают грунт и подают его к зумпфу стационарной землесосной установки 12Р-7 производительностью 1600 M3 пульпы в час.
Землесос направляет пульпу (с соотношением Т:Ж = 1:16) в водоотделитель с трубой диаметром 1000 мм. В результате резкого увеличения объема и снижения скорости движения пульпы в водоотделителе в нижнюю часть трубы выпадают твердые частицы, а осветленную воду вместе с примесями глинистых частиц удаляют.
Далее пульпа (с соотношением Т:Ж = 1:4) направляется в камнеуловитель для отделения и извлечения крупных камней. Затем пульпу по трубопроводу подают через вертикальный ствол в шахту, где по горизонтальным горным выработкам она распределяется по отработанным камерам (рис. 14.10).
Описанный гидравлический способ закладки камер позволил в 2,5 раза повысить производительность труда на закладочных работах и более чем в 3 раза снизить стоимость 1 м3 закладки.
Системы с искусственным поддержанием очистного пространства

Более надежное поддержание подрабатываемых пород обеспечивается применением упрочненных закладок.
В современной технике получили распространение различные способы упрочнения горных пород и грунтов. Основные из них заключаются в добавках (или инъекции) в закрепляемую среду неорганических вяжущих материалов (цемент, гипс, известь, гранулированные тонкомолотые шлаки), различных органических веществ (например, смол), в укреплении грунтов методами электросиликатизации и др.
В практике горных разработок наиболее распространены методы получения упрочненного закладочного материала посредством добавок неорганических вяжущих веществ.
Технология упрочнения уже уложенных в камеры сыпучих масс чаще всего заключается в подаче цементного или песчаноцементного раствора под давлением в перфорированные трубы, заблаговременно внедренные в массив сыпучего.
Таким образом, удается закрепить сравнительно небольшую область закладки (порядка 1—3 м) вокруг скважины (трубы).
Упрочнение уже уложенных несвязных закладочных смесей при подземной отработке камер практикуется редко ввиду малой эффективности этой технологии.
Ho при ведении открытых горных работ в зоне заложенных сыпучей массой камер такой метод дает хороший эффект.
Твердеющая закладка камер при комбинированной разработке обязательно применяется в ситуации, когда требуется полностью (или до допустимых пределов) предотвратить деформацию подрабатываемых массивов пород и находящихся в них (или — на них) сооружений.
Искусственный массив твердеющей закладки, таким образом, должен удовлетворять определенным прочностным и деформационным требованиям.
Методика определения свойств массива закладки, обладающего такими характеристиками, изложена в работе, а также в предыдущих разделах учебника.
Здесь приводится методика подбора состава твердеющей смеси с учетом прочностных, технологических и экономических требований.
Поскольку указанные требования в определенной степени предстают как факторы взаимоисключающие, требуется решение оптимизационной задачи.
Основным направлением оптимизации в данном случае является получение требуемой прочности массива при минимальном расходе связующего в подбираемом составе закладочной смеси.
Следовательно, основным оптимизируемым параметром становится удельное содержание связующего vc.
В закладочной смеси связующее расходуется в двух направлениях: на заполнение пустот между частицами заполнителя и на обмазку этих частиц.
Тогда весь объем связующего Vсв в системе можно определить как
Системы с искусственным поддержанием очистного пространства

где Vп — объем пустот; δi — толщина обмазки частиц i-й компоненты системы; Si — площадь поверхности i-й компоненты системы; m — количество компонентов в системе.
Преобразовав это равенство и проанализировав полученную в результате зависимость, можно установить, что в качестве целевой функции целесообразно выбрать выражение
Системы с искусственным поддержанием очистного пространства

Оптимизация целевой функции Y позволит определить минимальное значение удельного объема связующего vсв, необходимое для закладочного массива определенной прочности.
Для получения закладочной смеси с требуемыми (заданными) прочностью и подвижностью необходимы уравнения связи этих свойств с содержанием цемента Ц, содержанием воды В, объемом щебня Vш, объемом песка Vпес.
Для однородного состава твердого заполнителя, полагая, что толщина обмазки одинакова для всех частиц, функция (14.5) записывается в виде
Системы с искусственным поддержанием очистного пространства

где δпес, Cпес, Sпес — соответственно толщина обмазки песчинок, содержание песка в системе, средняя поверхность частиц песка.
Требуемую толщину обмазки частиц песка цементным тестом можно определить по эмпирической зависимости
Системы с искусственным поддержанием очистного пространства

Удельный объем цементного теста vц.т. в расчете на один кубический метр закладочной смеси
Системы с искусственным поддержанием очистного пространства

где Rсж — прочность массива закладки при сжатии.
Указанные выражения представляют полную систему уравнений, позволяющих определить содержание составляющих закладочных смесей.
Решение этой системы уравнений дает следующие формулы:
Системы с искусственным поддержанием очистного пространства

Итак, исходя из изложенного, определим участки месторождения, на которых в условиях комбинированной совместной разработки закладка подземных очистных пространств должна быть выполнена обязательно твердеющими материалами.
Во-первых (не по важности, а в порядке рассмотрения), — это зона потенциального сдвижения массива пород в бортах карьера между контуром откоса борта карьера и потенциальной линией сдвижения.
Как показывают исследования, результаты которых изложены в работе, а также в третьей части настоящего учебника, указанная зона характеризуется сложным напряженно-деформированным труднопрогнозируемым состоянием.
Для того чтобы предотвратить опасные деформации в породах борта карьера, в камерах с помощью твердеющей закладки возводится искусственный массив, роль которого адекватна роли удаленного очистными работами участка массива пород в общей геомеханической системе.
Заметим, что прочностные и деформационные свойства искусственного массива и такие же свойства отработанного рудного массива неодинаковы. Как правило, показатели, их характеризующие, меньше, чем у руды (иногда — на порядок), но этого оказывается достаточно, чтобы выполнить свою роль.
Другой участок околокарьерного пространства, где при совместной комбинированной разработке обязательно требуется заполнение очистных выработок твердеющей закладкой — рудные залежи под дном карьера.
Если искусственные целики в бортах карьера испытывают интегральные нормальные сжимающие и сдвигающие усилия, то под дном карьера — нормальные сжимающие (иногда и растягивающие). При подборе компонент твердеющей смеси эти особенности должны учитываться.
Как правило, под дном карьера протяженность рудных залежей по падению значительна. Иногда она превышает участок, отработанный карьером.
Поэтому при необходимости сохранения карьерного пространства к массиву закладки предъявляют дополнительные требования, ограничивающие допустимые величины вертикальных деформаций.
Системы с искусственным поддержанием очистного пространства

Далее эта задача будет рассмотрена подробно. Здесь же заметим лишь, что в результате совокупного воздействия различных технологических факторов (недозакладка очистных пространств, оставляемые в массиве закладки крепь и другая арматура выработок, несоблюдение технологической дисциплины очистных и закладочных работ, неправильное определение деформационных характеристик массива закладки при его проектировании и др.) заложенный массив может уплотниться сверх допустимых пределов.
С использованием компьютерной модели была решена задача по установлению влияния интегрального модуля деформации G заложенного пространства на напряженное состояние подкарьерного целика (рис. 14.11). При различных значениях G оценивались нормальные радиальные напряжения в одной из критических точек верхней поверхности подкарьерного целика (точке В) при условии, что нижняя поверхность его лежит на массиве заложенного пространства.
График зависимости σ = f(G) изображен на рис. 14.12, откуда видно, что при выбранных для моделирования размерах целика (диаметр, толщина) и его деформационных характеристиках зависимость напряжений в точке В получена в виде кривой, которую можно аппроксимировать уравнением вида
Системы с искусственным поддержанием очистного пространства

Таким образом, в рассмотренном примере следует обеспечить значение интегрального модуля деформации заложенного массива не меньше 190—200 МПа, что дает возможность избежать опасных для целика деформаций разрыва в точке В.
Приведенный график демонстрирует также, что по достижению предела прочности пород на разрыв, в данном случае в целике, устойчивость последнего снижается в степенной зависимости по мере уменьшения интегрального модуля деформаций массива закладки.
Системы с искусственным поддержанием очистного пространства

Отмеченные особенности массива закладки важно учитывать и в иных ситуациях, где он выступает в качестве несущего элемента системы разработки.
За последнее время твердеющая закладка самостоятельно или в сочетании с другими закладочными материалами и технологиями все чаще и масштабнее используется для повышения устойчивости участков массива пород, пересекаемых контурами бортов и уступов карьеров (рис. 14.13 и 14.14).
Системы с искусственным поддержанием очистного пространства

Многочисленными исследованиями, в том числе и автора, результаты которых отражены в соответствующих разделах учебника, установлено, что прибортовой массив в результате перехода из равновесного состояния всестороннего сжатия в состояние разгрузки, вплоть до растяжений, теряет свою несущую способность.
В критических ситуациях на участках наибольших деформаций пород вблизи откоса борта и уступа отрабатывают камеры и, заложив их твердеющими материалами, создают монолитные устойчивые элементы в виде призм, ориентированных вкрест простирания борта, подпорных стенок, контрфорсов, искусственных потолочин и др.
В этих схемах, как и ранее, проявляется двойственность во взаимодействиях технологий открытой и подземной разработки. С одной стороны, отработка руды в борту карьера (особенно в пределах призмы потенциального разрушения) ослабляет массив пород, но дальнейшее возведение на базе подземных очистных пустот монолитных сооружений способствует увеличению запаса устойчивости приоткосного массива.
Заметим, что манипулируя указанными факторами, можно получить заданную устойчивость откоса борта.