» » Закладка

Закладка

08.08.2016

Закладка заключается в заполнении выработок отходами производства; пустыми породами, хвостами обогатительных фабрик, металлическими шлаками или другим материалом. Это требует затрат, но дает возможность отработать запас этажа без оставления целиков, обрушения вмещающих пород и, следовательно, обеспечить минимальные потери и разубоживание руды, сохранить ненарушенными налегающие массивы и земную поверхность (при полной и плотной закладке), отрабатывать возгорающиеся руды, разместить под землей часть отходов производства.
Закладку применяют при разработке ценных и средней ценности руд цветных металлов, высококачественных железных руд, иногда — горно-химического сырья. В 1982 г. закладку применяли на 25 рудниках цветных металлов, почти на всех редкоземельных рудниках и на трех железных рудниках.
В зависимости от порядка выполнения закладочных работ по отношению к очистной выемке различают закладку одновременную и последующую.
Одновременную закладку производят по мере отработки камеры или блока горизонтальными (реже наклонными) слоями. Поверхность закладочного массива часто используют как платформу для производства работ по отбойке руды и доставке. При выемке слоями, начиная с нижнего, закладка поддерживает бока очистного пространства, а если блок вынимают слоями в нисходящем порядке, то затвердевший закладочный массив может служить также искусственной кровлей очистных выработок.
Последующую закладку производят после отработки очистной камеры. Она служит для создания благоприятных условий при предстоящей отработке целиков, а также для сохранения земной поверхности, вышележащих выработок и т. п.
Закладка

Классификация способов закладки (табл. VI.1).
Первоначально появилась сыпучая закладка, сухая, затем гидравлическая, В первые послевоенные годы примерно две третьих части руд цветных металлов добывали в СССР с применением закладки.
Однако практика выявила следующие существенные недостатки сыпучей закладки. В связи со значительным уплотнением (усадкой) не обеспечивается поддержание налегающих пород и дневной поверхности. В блоках, граничащих с сыпучей закладкой, особенно в целиках, резко возрастают трудоемкость работ, потери и разубоживание руды. При выемке блоков в восходящем порядке горизонтальными слоями требуется высококачественный настил на поверхности каждого слоя во избежание больших потерь рудной мелочи в закладке; потери эти создают пожароопасность при возгорающейся руде.
Эти недостатки привели к тому, что с конца сороковых годов применение закладки стало резко сужаться, а закладка исчезла на целом ряде рудников, где раньше применялась повсеместно.
В конце шестидесятых годов появилась монолитная закладка, более дорогая (за счет применения вяжущих веществ), по своим свойствам подобная искусственному камню; причем на поверхности ее смогли работать тяжелые самоходные машины по бурению шпуров, погрузке и доставке руды.
На базе этого нового способа закладка получила как бы второе рождение: применение ее резко расширилось на рудниках цветной металлургии (причем на долю монолитной закладки приходится здесь в 1982 г. 85 % объема закладки) и охватило ряд железных рудников. Это позволило начать разработку самых сложных месторождений: на больших глубинах, под обводненными породами, неотработанными запасами полезного ископаемого, зданиями и сооружениями, при сильно возгорающейся руде и т. п., причем были созданы и создаются системы разработки, при которых работают вблизи закладочного массива теми же методами, что и около массива устойчивых пород.
Уплотнение закладки. Закладочный массив постепенно уменьшается в объеме. Коэффициент усадки закладочного массива, %,
Закладка

где V1 и V2 — объемы закладочного материала соответственно в момент возведения и ко времени, когда уплотнение практически прекращается.
Коэффициент усадки зависит от способа закладки, гранулометрического состава материала (при одинаковой крупности всех частиц усадка больше), наличия глинистых и других пластичных добавок (уменьшающих усадку), а также от горного давления. Самая большая усадка присуща сухой самотечной закладке, самая низкая — монолитной.
Монолитная закладка. Общие сведения. Монолитная закладка — это обычно смесь нескольких материалов, связанных в монолит с помощью цемента или другого вяжущего вещества. Такая закладка обходится дороже сыпучей. Монолитную закладку применяют: при выемке руд ценных, малоустойчивых, возгорающихся; на больших глубинах; под охраняемыми объектами. Она обеспечивает наиболее безопасную разработку месторождения с минимальными потерями руды и разубоживанием, сохранение ненарушенной земной поверхности. Становится возможной сплошная выемка руды без оставления целиков даже под городами, крупными водоемами и др.
Впервые монолитную закладку применили в опытном порядке в Кузбассе в 1938 г. Промышленное освоение ее началось в 1956 году на рудниках Первомайском (Кривбасс) и Teкелийском. В настоящее время ее используют широко.
Советские специалисты (О.А. Байконуров, М.Н. Цыгалов, Н.Ф. Замесов, К.Ю. Репп, Л.Н. Меркулов, Л.А. Крупник и др.) имеют приоритет в разработке технологии возведения искусственных массивов с использованием отходов производства (шлаков, хвостов обогащения и др.), трубопроводного транспорта и систем разработки с монолитной закладкой.
Закладка

Материалы для приготовления монолитной закладки. Применяют по возможности дешевые материалы, имеющиеся вблизи рудников (отходы обогащения, отвальная порода, металлургические или топливные шлаки и др.). По своему назначению их подразделяют на группы (табл. VI.2).
В виде исключения монолитную закладку получают и из ка-кого-либо одного материала, например из отходов переработки калийных руд в ПО «Уралкалий»; эти отходы подают в забой в смеси с ненасыщенным солью водным раствором. Закладка постепенно уплотняется, превращается в монолит и набирает прочность около 6 МПа за три года.
Вяжущие вещества применяют для превращения сыпучего заполнителя в монолит. Используют цемент или местные отходы производства. Гидравлическая активность вяжущего должна в 2-М раза превышать нормативную прочность закладочной смеси, начало схватывания — не ранее одного часа после ее приготовления по условию трубопроводного транспорта. Срок окончания схватывания не лимитируют, но обычно он исчисляется 20-30 часами. Шлаки перед подачей в закладку подвергают мокрому помолу в шаровых мельницах до удельной поверхности зерен 2000-3000 см2/г. В большинстве случаев к шлаку добавляют 10-20 % активизирующего вещества (цемента, извести и др.).
Рассмотрим краткую характеристику вяжущих.
Шлаки. Сталеплавильные шлаки. Химический состав включает: 25-40 % CaO, 10-20 % MnO, 12-30 % SiO2 и др. Шлаки содержат 15-20 % железа в виде застывших капель металла и скрапа, поэтому их подвергают магнитной сепарации. Плотность шлаков в насыпном виде 1,4-1,6 т/м3. Шлаковый расплав, сбрасывая в отвал, поливают водой. Застывая, материал растрескивается, в результате выход мелкозернистой фракции составляет около 50 %.
Топливные зола и шлаки от сжигания угля включают 3-7 % CaO, 20-32 % Al2O3, 50-60 % SiO2 и др. Наибольшую ценность представляет зола с электрофильтров, ее удельная поверхность 3000-3500 см2/г, что позволяет использовать ее без дополнительного помола. Котельный шлак содержит около 30 % фракций крупнее 40 мм. Качество золошлаковых отходов снижается при их удалении из котельных установок в отвал гидравлическим способом. Сухое золоудаление связано с большими капиталовложениями.
Никелевые шлаки содержат 13-19 % CaO, 5-10% Al2O3, 40-45 % SiO2 и др., поэтому имеют невысокую гидравлическую активность. Их активизируют щелочью, содой, цементом и известью в количестве от 5 до 10 % от массы шлака.
Доменные гранулированные шлаки по крупности близки к песку и включают 35-50 % CaO, 10-15% А12O3 и др. Плотность в насыпном виде 1 т/м3. Их подразделяют на основные, нейтральные и кислые, причем первые более высокого качества. Шлаки используют на многих рудниках, но они являются дефицитным материалом, так как почти полностью поступают для производства цемента.
Отвальные доменные шлаки (не подвергнутые грануляции) содержат 50 % мелкой фракции, их активность значительно ниже, чем гранулированного шлака.
Цементы выпускают в основном марки 30 и 40, что значительно превышает оптимальную активность необходимого для закладки вяжущего. Поэтому цемент разбавляют глиной или другим материалом до соотношения 1:1 по массе и более, в результате увеличивается общее количество смешанного вяжущего, замедляется процесс схватывания смеси, снижается себестоимость закладки и улучшается подвижность смеси. Глина обычно поступает вместе с заполнителем, таким как глинистые пески, шламы обогатительных фабрик и др.
Нефелиновые шлаки — отходы обогащения нефелиновых руд, содержат 50-55 % CaO, 2-3%, Al2O3, 28% SiO2 и др., после добавления 3 % гипса или 10 % цемента становятся пригодными в качестве вяжущего.
Существуют и другие дешевые материалы, которые могут служить вяжущими для закладочных смесей, но активность их невелика, поэтому они имеют второстепенное значение.
Вода в закладочных смесях служит несущей средой и реагентом. Допустимо использовать шахтные воды, которые должны удовлетворять определенным требованиям. Показатель кислотности не менее 6, во избежание выщелачивания портландцемента, или не менее 4 при шлаковых цементах. Содержание сульфатов не должно превышать 2,7 г/л, других солей 5 г/л. Недопустимы примеси масел. Содержание свободной углекислоты не более 20 мг/л, В целом рудничные воды не оказывают заметного влияния на качество закладки. Предпринимаются попытки магнитной обработки воды в целях повышения прочности закладочного массива.
Заполнители. Основные требования к ним — прочность не менее 10-15 % от нормативной прочности закладочного массива, небольшая растворимость в воде, низкий коэффициент увеличения в объеме при намокании.
Природный песок имеет крупность от 0,1 до 5 мм, содержит глину от 5 до 25-30 % и более, а также крупнокусковой материал. Для удаления негабарита песок необходимо сортировать. Выли попытки (на руднике им. Коминтерна ПО «Кривбассруда») использовать как заполнитель чистую глину, но твердение затягивалось на полгода и более.
Хвосты обогатительных фабрик имеют угловатую форму и мелкозернистый состав: 0,3-0,4 мм. С фабрики поступают в виде пульпы с T:Ж от 1:20 до 1:30 по массе. Перед подачей в закладку их необходимо сгущать до T:Ж = 1:1 и менее, удалять шлам, или сгущать гораздо больше при закладке тиксотропной смесью.
Отвальная порода содержит от 40 до 60 % материала крупностью менее 40 мм, пригодного в закладку без дополнительного дробления. Негабарит подвергают дроблению и грохочению в одну или две стадии, в зависимости от крупности кусков.
Гранулированные медеплавильные и никелевые шлаки представлены мелкозернистым материалом: от 50 до 80% фракции крупнее 0,6 мм имеют повышенную плотность (около 3,4 т/м3).
Способы монолитной закладки.
Способ закладки включает подготовку исходных материалов, приготовление закладочной смеси определенного состава, ее транспортирование в шахту и возведение искусственного массива. Существует несколько способов монолитной закладки, каждый из которых применяют в определенных горнотехнических условиях. На выбор способа оказывает влияние способ транспорта исходных материалов, иногда климатические и другие условия.
Твердеющая литая закладка — это наиболее распространенный вид закладки, обеспечивающий высокое качество. Ma поверхности приготавливают закладочную смесь, близкую по своим свойствам к литому песчаному или обычному (с крупным заполнителем) бетону. Эта смесь характеризуется повышенным расходом вяжущих веществ и воды с целью обеспечения высокой ее пластичности. Смесь по трубам самотеком или с помощью сжатого воздуха подают в выработанное пространство. Подвижность смеси должна обеспечивать ее транспортабельность и размещение в выработанном пространстве под небольшим углом (1-5 и до 10°) с целью подачи материала под кровлю.
Состав смеси в расчете на 1 м3 искусственного массива включает 400 кг вяжущего, 0,9 м3 заполнителя, обычно песка или хвостов обогащения, 400 л воды, что соответствует водовяжущему отношению, равному единице.
Применяют два состава смесей, различаемых по типу вяжущего: цементный и на основе молотого доменного гранулированного шлака с активизирующей добавкой. Допустимо применение и других вяжущих (см. табл. VI.2).
В цементных закладочных смесях вяжущее включает 150-200 кг цемента и 200-250 кг глины или другой пластифицирующей добавки, находящейся в составе заполнителя (природного песка, содержащего 15-25 % глины, или отходов обогащения, имеющих шламовые фракции). Активность цемента (вяжущего) — это прочность (в МПа) цементно-песчаных образцов в возрасте 28 сут при отношении цемент:песок = 1:3 по массе и водоцементном отношении 0,5 (вода:вяжущее = 0,5:1 по массе). Марка цемента — это нормативная величина гидравлической активности, установленная стандартом.
Доменный гранулированный шлак перед подачей в закладку измельчают мокрым способом в рудоразмольмых шаровых мельницах до крупности частиц такой же, как у цемента (содержание тонкой фракции — минус 0,074 мм около 80-95 %). К шлаку добавляют от 5 до 15 % цемента (от 20 До 60 кг на 1 т шлака) или другого активизирующего вещества. Плотность пульпы составляет 1,4-1,7 т/м3. Помол в открытом цикле обеспечивает выход тонкой фракции порядка 50%, остальной шлак поступает в виде крупных зерен и не обладает вяжущей активностью.
Помол в замкнутом цикле, когда шлаковая пульпа из мельницы поступает в классифицирующие аппараты (гидроциклоны и др.) и затем крупная фракция возвращается в мельницу, позволяет повысить выход готового продукта до 90-95 %. Выбор способа помола производят технико-экономическим сравнением вариантов. Обычно при высоких транспортных расходах на шлак применяют замкнутый цикл помола, обеспечивающий значительную экономию шлака.
Закладка

Технологическая схема закладочного комплекса, используемая на Гайском и ряде других рудников, приведена на рис. VI.17.
Монолитная закладка является многокомпонентной смесью и каждый составной материал должен проходить через свой дозатор, работающий с минимальным (14-2%) отклонением от установленного расхода, что необходимо для хорошего качества искусственного массива. Цемент, шлак и заполнитель проходят через весы, установленные на конвейерах. Заполнитель пропускают через магнитный улавливатель металла. Приемная воронка закладочного трубопровода перекрыта предохранительной решеткой. В зимнее время применяют подогретую воду. Размольное отделение оборудуют принудительной вентиляцией, так как из мельницы выделяется много пыли вместе с паром.
Для приготовления цементной смеси исключают из технологической схемы шлаковую ветвь.
Прочность закладки зависит от качества исходных материалов, состава смеси, непрерывности подачи, времени и др. факторов. Недопустимо сбрасывать воду от промывки трубопроводов в закладываемую камеру.
Себестоимость закладки составляет обычно 3-8 руб/м3 и зависит, главным образом, от стоимости исходных материалов. Производственная мощность закладочных комплексов находится в пределах от 30 до 200 м3/ч.
Жидкие смеси должны обладать определенной подвижностью для обеспечения их самотечного транспортирования по трубам и размещения в выработанном пространстве. Подвижность смеси устанавливают по глубине погружения в нее измерительного конуса с углом при вершине 30°, высотой 15 см и массой 300 г. Оптимальный состав смеси имеет подвижность, при которой конус погружается на 10-12 см. При сокращении подвижности смесь становится излишне вязкой, а увеличение приводит к расслоению (заполнитель выпадает в осадок), в результате смесь становится нетранспортабельной.
Закладочная смесь твердеет в основном в течение первых трех-шести месяцев, но значительную прочность имеет уже в первый месяц. В дальнейшем прочность увеличивается многие годы, но очень медленно.
Существует три типа искусственных массивов: 1) искусственные целики; 2) сплошная монолитная закладка; 3) комбинированная закладка, при которой часть камер заполняют сыпучим и низкопрочным материалом.
Искусственные целики рассчитывают как колонны на сжатие под действием веса пород до поверхности. Сплошную (т. е. по всей выработанной площади) монолитную закладку подбирают по нормативному коэффициенту усадки под воздействием горного давления который зависит от допустимых сдвижений и деформаций земной поверхности и находится в пределах 2-5%.
Строительными нормами установлены допустимые значения сдвижения, наклона и радиуса кривизны подрабатываемой территории. Методы их расчета сложны, поэтому не приводятся. Для подбора состава закладки по коэффициенту ее усадки пользуются следующим расчетом.
Допустимое сдвижение кровли
Закладка

где Δп — допустимое сдвижение земной поверхности; Kp — коэффициент, учитывающий степень расслоения пород при сдвижении.
Фактическая величина сдвижения кровли под воздействием массы столба пород до поверхности
Закладка

где Ку — коэффициент усадки закладочного материала под воздействием массы столба пород, %; h — высота искусственного массива, м; Δ1 — сдвижение кровли от упругого прогиба, м; Δ2 — высота недозаложенного пространства, м.
Очевидно, что Δp≤Δq, тогда закладочный материал необходимо применять такой, чтобы его коэффициент усадки (%) под нагрузкой подрабатываемых пород
Закладка

Прочность здесь не имеет решающего значения, так как материал находится в объемном сжатии. Важно снизить пустотность закладки за счет определенного соотношения зерен заполнителя по их крупности, Устойчивость же вертикальных и горизонтальных обнажений искусственных массивов при сплошной монолитной закладке определяют в зависимости от величины нагрузки, создаваемой горным давлением, и прочности закладки.
Величина нагрузки на граничащие с отрабатываемой камерой участки закладки определяется массой пород, заключенных в пределах контура свода естественного равновесия горного массива. Высота этого свода в среднем равна половине пролета подработки, расположенного между границами опорных массивов, т. е. hс = 0,bb2 + b1 (рис. VI.18). Наиболее благоприятные условия создаются при сплошной выемке междукамерных рудных целиков одной камерой в выемочном участке. В этом случае опорное давление находится над рудными целиками, подлежащими последующей отработке, и в зоне сплошной закладки. Над граничащими с очистной камерой искусственными массивами возникает местная зона разгрузки. Поэтому такие целики рассчитывают на сравнительно небольшие нагрузки, значительно меньшие, чем вес всего столба пород до поверхности.
Закладка

Фактическая прочность сплошной монолитной закладки находится в пределах 2-4 МПа к сроку твердения 3 месяца, а коэффициент ее усадки составляет 3-4 % при нагрузке 25 МПа, Необходимо учитывать динамическое воздействие взрывной отбойки руды. Общее количество взрываемого за один раз BB достигало 6 т, а на одно замедление — 1,2 т без нарушения закладки.
Состав закладки подбирают исходя из условия обеспечения нормативной прочности и усадки, подвижности и допустимой себестоимости.
Необходимая активность вяжущего (Rв) должна соответствовать нормативной прочности монолитной закладки (σн):
Закладка

В зависимости от активности вяжущего прочность закладочного материала
Закладка

где К=0,4-0,7 — коэффициент, учитывающий крупность заполнителя (для песка составляет 0,6, для шлама — 0,4); B+D/W — отношение массы вяжущего В и добавки D к воде W по массе; m = 0,2—0,35 — коэффициент, учитывающий качество вяжущего (при Rв = 10-20 МПа, m = 0,2; Rв более 20 МПа, m = 0,35). Производственная мощность закладочного комплекса, м3/год
Закладка

где Ky — коэффициент усадки незатвердевшей смеси (2—3%); P — количество добываемой рудной массы, т/год; у —плотность рудной массы, т/м3 (в массиве); kд — коэффициент выхода рудной массы.
Годовая потребность составных компонентов закладочной смеси
Закладка

где I — удельный расход компонента смеси, т/м3; w — влажность материала, %.
При гидравлическом способе к песку или отходам обогащения перед подачей их в трубопровод примешивают вяжущее вещество (рис. VI.19). Расход воды достигает 550-650 л на 1 м3 смеси. Смесь весьма склонна к расслоению вследствие большого содержания воды, особенно при остановках в подаче пульпы, что приводит к возникновению прослоев цементного камня и песка в закладочном массиве.
Пункты подачи смеси располагаются так, чтобы расстояние подачи не превышало 20 м во избежание слишком неравномерного распределения вяжущего в песке.
Закладка

Закладка плотными тонкодисперсными смесями основана на новой технологии литой монолитной закладки. Создавали ее А.О. Банконуров, Л.Ш. Коган, Е.И. Коган, Л.А. Крупник. Применяется на Ачисайском полиметаллическом комбинате с 1979 г, на базе отвальных хвостов (рис. VI.20). Инициатива широкого использования хвостов для закладки на отечественных рудниках принадлежит В.А. Гребенюку. Новая технология отличается тем, что для получения эффекта тиксотропии подвергают смесь интенсивному механическому воздействию с помощью, например, взвихривателя, обеспечивающего отличное перемешивание. Преимущества: в качестве заполнителя используются тонкодисперсные материалы с любым содержанием шламов и, следовательно, полностью используются хвосты обогащения; содержания воды в смеси может быть снижено до 18-20 % по массе даже при самотечном гидравлическом транспорте (т. е. без пневмоврезок) на значительные расстояния, например, на 2 км по горизонтали при высоте става 300 м на Ачисайском комбинате; вся имеющаяся в смеси вода расходуется на гидратацию и закладка быстрее набирает прочность, в итоге устраняются обводнение и загрязнение, выработок и намного упрощаются перемычки; закладочный массив получается с равномерными по объему свойствами и плотно подбучивает кровлю камер; расход вяжущего снижается в l,5-2 раза. Дополнительные же расходы ка взвихривание и вибрацию незначительны.
Закладка

При использовании сухих хвостов обогащения и других тонкоизмельченных заполнителей этот вид закладки целесообразен безусловно. Что же касается особенно желательного использования хвостов текущей переработки, то это будет зависеть от решения проблемы необходимого их сгущения при умеренных затратах.
При твердеющей закладке на всех закладочных работах занято 74-10 % рабочих рудника.
Инъекционная технология. Вяжущим раствором пропитывают раздробленную породу, заполняющую выработанное пространство в результате самообрушения или закладки. Впервые инъекционная технология испытана в 1962 году Н.И. Андреевым, К.И. Кожемякиным и М.Н. Цыгаловым. Ее применили на Дегтярском, Урупском, Бурибаевском и других рудниках, развитию ее способствовали работы М.Г. Сулейманова, В.Ф. Булатова и др.
На Дегтярском руднике раствор включал цемент, котельный шлак, воду в соотношении 1:1,5:1,3 и иногда глину, на Урупском руднике — цемент, известняк, глину и воду, причем расход глины изменяли от 0,25 до 1,0 по массе к цементу, а воды от 1,0 до 1,6. Средний расход цемента в расчете на 1 м3 заполняемых пустот в породной закладке составлял 150-200 кг, прочность искусственного массива в возрасте три месяца изменялась от 2 до 4 МПа. Плотность раствора 1,35—1,58 т/м3. Допустимо использовать в качестве инъекционного раствора смесь цемента с хвостами обогащения в соотношении 1:15, что сокращает стоимость работ. Раствор обычно подают под давлением 1-1,5 МПа снизу вверх, т. е. инъекцию ведут методом восходящего потока.
Радиус распространения раствора в сыпучей закладке составляет от 10 до 40 м, в зависимости от плотности раствора, крупности пород (песка), напора.
Необходимое давление раствора, МПа,
Закладка

где h — высота подъема раствора в выработанном пространстве, м; ΔP = 0,01—0,06 (обычно 0,03-0,05) — удельное сопротивление движению раствора, МПа (меньшие значения для раздробленной породы, большие — для песка); γ — плотность раствора, кг/м3.
Расход раствора на цементацию, м3
Закладка

где Kп — удельный объем пустот сыпучей закладки, доли ед.; Vэ — объем подлежащий цементации сыпучей закладки, м3; λ — коэффициент заполнения пустот.
Расход твердых материалов
Закладка

где Py — удельный расход материала на приготовление 1 м3 раствора, кг/м3.
Расход воды на 1 м3 смеси
Закладка

где Рц — удельный расход цемента, кг/м3; В/Ц — водоцементное отношение по массе.
Плотность инъекционного раствора, т/м3,
Закладка

где В и Ц — удельный расход воды и цемента по массе, доли ед.; γц = 3,15 — плотность цемента, т/м3.
Необходимое водоцементное отношение
Закладка

где, Rц и Rз — марка цемента и нормативная прочность закладки, МПа.
При инъекционной технологии вместо вяжущего раствора допустимо использовать шламовые растворы, обеспечивающие тампонирование пустот сыпучей закладки и, тем самым, снижающие коэффициент ее усадки под воздействием горного давления, При мелком заполнителе снижается равномерность цементации, а крупный заполнитель, если его подают в камеру водой по трубам, усиливает износ труб. Инъекционная закладка может быть рекомендована главным образом в тех случаях, когда необходимо возвести монолитную закладку в уже отработанных камерах, заполненных сыпучим материалом.
Раздельный способ. Вяжущий раствор и заполнитель (дробленую породу) подают к месту закладочных работ раздельно и смешивают их в процессе подачи в выработанное пространство. Раствор транспортируют самотеком, заполнитель — сжатым воздухом, конвейером или другими способами. Технологическая схема закладочных работ следующая (рис. VI.21, VI.22). Для смешивания материалов соединяют между собой трубопроводы с вяжущим раствором и заполнителем за 150-200 м от выработанного пространства. Закладочная смесь отличается небольшим содержанием воды — 200-250 л на 1 м3 закладки, что обеспечивает высокую прочность.
Удельный расход цемента изменяется от 50-60 до 150-200 кг/м3 в зависимости от его активности и величины нормативной прочности искусственного массива. Водоцементное отношение в среднем составляет 1:1 по массе, цемент смешивают с водой в наклонном желобе. По существу, закладочная смесь является тощим бетоном.
Закладка
Закладка

Смесь оказывается низко пластичной и склонной к интенсивному расслоению, однако применение пневмотранспорта позволяет заполнять выработанное пространство под кровлю, что часто имеет важное значение, особенно при разработке пологих месторождений. Крупность заполнителя достигает 70-80 мм. Угол растекания закладочного материала составляет 35-40°.
Для подачи заполнителя применяют пневмозакладочные машины. Раствор готовят на поверхности или в шахте, вблизи закладочных работ, куда его подают сжатым воздухом по трубам.
При конвейерном или машинном транспорте заполнитель выгружают в выработанное пространство большой высоты (40-50 м), одновременно поливая его вяжущим раствором. Крупность материала достигает 65 мм. Увеличение крупности кусков породы приводит к повышенному расслоению смеси, что снижает ее прочность и вызывает перерасход вяжущего.
Использование ПДМ на доставке заполнителя повышает коэффициент их занятости.
Производительность труда рабочего на закладочных работах 50-70 м3/смену, прочность смеси невысокая: от 0,5-1,0 до 2,0-2,5 МПа. Этот способ рекомендуется главным образом при небольших и рассредоточенных объемах работ, при которых велики удельные затраты на сооружение централизованной установки.
Ледяная закладка. Этот вид закладки применяли при разработке отдельных месторождений, залегающих в зонах многолетней мерзлоты на Севере и Северо-Востоке страны. Глубина распространения мерзлоты достигает 300 м, температура — до минус 10°C. Охлаждающая способность горного массива небольшая, поэтому используют холодный зимний воздух, подаваемый вентилятором. Намораживание ведут слоями толщиной от 5 до 20 см. Интенсивность при температуре воздушного потока минус 20-50 °C и скорости его движения 1-1,5 м/с. Прочность льда при температуре от минус 4 до минус 9°C находится в пределах 2,5-5,0 МПа.
Прочностные свойства льда улучшаются с применением заполнителя — дробленой породы или песка (хвостов обогащения).
Себестоимость ледяного массива от 3 до 10 руб/м3.
Ледяная закладка не получила распространения из-за длительности намораживания.
Блочная закладка. Ее применяют на сверхглубоких шахтах, разрабатывающих весьма ценные месторождения (рудник «Чемпион Риф» в Индии и др.). Закладочный массив возводится из каменных блоков, скрепляемых между собой цементно-песчаным раствором. Этот способ позволяет сократить расход воды до минимума с целью снижения влажности рудничного воздуха в условиях высокой температуры горного массива на большой глубине. Характеризуется большой трудоемкостью и низкой производительностью.
Бетонные настилы. При отбойке руды на сыпучую закладку бетонный настил полностью исключает просыпание руды в закладку и засорение ее закладочным материалом.
Толщина настила около 10 см. Его возводят разбрызгиванием или разливом смеси, состоящей из цемента и песка в соотношении 1:3, водоцементное отношение 0,5. Спустя две смены после возведения настил приобретает прочность 1,5-2 МПа, позволяющую вести взрывную отбойку руды на него. Производительность труда рабочего 30-35 м2/смену.
Бетонный настил улучшает также условия работы самоходных горных машин. Для этой цели его возводят и на поверхности монолитной закладки при невысокой ее прочности.
Расчет закладочного трубопровода при литом способе закладки.
Закладочные смеси подают по трубам (скважинам) гравитационным, пневматическим и комбинированным способами в направлении сверху вниз, по горизонтали и снизу вверх. В остальных случаях используют вибротранспорт, требующий специальных- методов расчета труб.
Критерием транспортабельности смесей являются ее подвижность или временное сопротивление сдвигу τ0, которое находится в пределах 1-2 МПа/м2 для применяемых на рудниках смесей.
Удельное сопротивление трубопровода (ΔР, МПа/м) несколько превышает то.
Статическое давление внизу вертикальной части трубопровода, необходимое для перемещения смеси на заданное расстояние, МПа
Закладка

где γ — плотность закладочной смеси, т/м3; H — глубина горных работ, м; Lпр — приведенная длина проложенного по горизонтальным выработкам участка труб с учетом колен, задвижек, подъема или уклона выработки, м; α — величина отклонения оси трубопровода от горизонтали, градус. Обычно α=10° при уклоне 3 %.
Отсюда
Закладка

где Kп=0,8-0,9 — коэффициент заполнения смесью вертикальной части трубопровода при подаче смеси в самые дальние забои.
Условная длина колена с поворотом в 90° составляет 12 м, при 45° — 6 м. Среднее значение ΔP находится в пределах 0,01-0,02 МПа/м.
Соотношение приведенной длины горизонтального трубопровода к высоте вертикального става закладочного трубопровода
Закладка

является показателем удельного расстояния перемещения смеси по горизонтальному трубопроводу за счет гравитационного напора,
В практике рудников соотношение Lпр:Н изменяется от 4 до 10, т. е. за счет напора под действием столба смеси высотой 1 м, смесь может транспортироваться самотеком на 4-10 м, в зависимости от ее качества, диаметра труб и др.
Соответственно H:L составляет от 1:4 до 1:10, последнее— при мелком материале смеси и большом диаметре труб.
Необходимая пропускная способность трубопровода, м3/ч,
Закладка

где P — производственная мощность рудника, т/год; γ — плотность руды в массиве, т/м3; n — число дней работы закладочного комплекса в году; t — продолжительность работы комплекса в сутки, ч.
Необходимый диаметр трубопровода, мм,
Закладка

где V — скорость движения смеси, м/с.
При гравитационном перемещении смеси скорость ее должна быть не менее 0,5—0,7 м/с во избежание расслоения смеси.
Для перемещения смеси на значительное расстояние по горизонтали применяют сжатый воздух, который подают через форсунки диаметром 20 мм, установленные в верхней части труб через каждые 50-100 м. Смесь перемещается порциями, промежутки между ними заполнены сжатым воздухом. Если смесь перемещается во взвешенном состоянии, то это свидетельствует о перерасходе сжатого воздуха. Удельный расход сжатого воздуха (на 1 м3 смеси) составляет от 35 до 70 м3, в зависимости от расстояния.
Закладка
Закладка

Диаметр закладочных трубопроводов принимают в пределах 150-240 мм. Для увеличения срока службы обычно трубы поворачивают на 120° по оси после пропуска по ним 150-200 тыс. м3 смеси.
Желательна максимальная высота столба пульпы (при подаче пульпы в отдельные участки), что достигается уменьшением диаметра труб или увеличением производительности установки, Обоснование этого, а также сведения о материале труб даны ниже в связи с гидравлической закладкой.
Гидравлическая закладка. Закладочный материал. Для гидрозакладки используют преимущественно отходы производства — хвосты обогатительных фабрик и гранулированные шлаки, но применяют и естественные пески с небольшой примесью глины (для меньшего износа труб) или, реже, дробленые скальные породы. Крупность материала не должна превышать 50—80 мм, чтобы он мог перемещаться по трубам. В выработанном пространстве частицы должны выпадать из пульпы, поэтому количество илистых (примерно менее 0,05 мм) фракций не должно превышать 10-15%. При абразивном материале во избежание чрезмерного износа труб желательно, чтобы он содержал 10-15% илистых фракций.
Консистенцию пульпы выражают соотношением твердого и жидкого T:Ж в единицах массы. При недостаточном разжижении затрудняется транспортирование, при излишнем — увеличивается время дренажа, загрязняются выработки, возрастают расходы на водоотлив. Отношение Ж:Т по массе составляет для песка (0,6-1):1, для гранулированных шлаков (1,5-2,1):1, для дробленой породы крупностью минус 50 мм (2-4):1.
Подготовка закладочного материала и образование пульпы. При сухих материалах — это осуществляют на дробильно-сортировочной и смесительной установках.
Дробильно-сортировочные установки располагают на поверхности в районе добычи (получения) закладочного материала или на промплощадке рудника. Естественные пески, шлаки, дробленые породы сортируют на грохотах, где удаляют избыток мелких фракций. Нередко закладочные материалы равной крупности смешивают в определенных пропорциях.
Смесительные установки для получения пульпы располагают на поверхности (при большой производительности закладочных работ — порядка 100-150 м3/ч) или под землей в смесительных камерах (рис. VI.23). В последнем случае складируют закладочный материал в породоспусках. Исходные материалы для гидрозакладки дозируют перед подачей их в трубопровод. Иногда приготовляют пульпу на смесительных желобах (лотках). Закладочный материал из промежуточного бункера равномерно поступает на желоб, куда гидромонитором подают воду под давлением 4-5 даН/см2. Гидросмесь стекает в приемную воронку трубопровода, перекрытую решеткой, чтобы не попадали крупные куски. Дополнительно в воронку подают воду для разжижения пульпы.
В отдельных случаях приготовляют пульпу на сезонных смесительных складах на поверхности или в смесительных воронках.
На смесительных складах размывают закладочный материал струей воды из гидромонитора. Угол наклона пола выбирается таким, чтобы пульпа могла стекать только при разжижении, достаточном для перемещения по трубам до заданного участка. Для более отдаленных участков приходится снижать плотность пульпы и соответственно уменьшать угол наклона площадки.
Закладка

Смесительная воронка состоит из стального цилиндра с конусным днищем, оборудованного брызгалами, решетками и водометами.
Хвосты обогатительных фабрик используют для гидрозакладки в России (см. рис. VI.23), Болгарии, США, Канаде, Австралии и других странах.
Подготовленные к закладке хвосты должны содержать 10-20 % шламов (иногда до 50%, но это усложняет дренаж закладки); Ж:T должно быть (0,4:1)-(0,6:1) по массе.
Обесшламливают хвосты в гидроциклонах или, реже, в классификаторах (используемых почти на всех обогатительных фабриках для разделения материала по крупности. При этом плотность пульпы возрастает и к ней иногда приходится добавлять воду, перемешивая в агитаторе с помощью импеллера или импеллера и сжатого воздуха. Агитатор служит и аккумулирующей емкостью.
Гидравлический транспорт пульпы. Трубопровод состоит из вертикальной и горизонтальной частей. В вертикальной части устанавливается определенная высота столба пульпы, обеспечивающая напор для перемещения материала по горизонтали с необходимой скоростью — критической или несколько большей. Критической называют минимальную скорость, при которой мелкие частицы (до 24-3 мм) остаются во взвешенном состоянии, а крупные перемещаются скачкообразно. Скорость в трубопроводе диаметром 150 мм для мелкозернистых материалов принимается 2,54-3,5 м/с, для кусковых — 3,5-4 м/с.
Минимально допустимое отношение высоты вертикальной части трубопровода к его наибольшей горизонтальной протяженности изменяется от 1:4 для кусковых материалов до 1:15 для мелкозернистых материалов. Максимальная величина (при подаче пульпы в самый ближний участок) не должна быть больше (1:1)-(1:2) во избежание чрезмерных скоростей пульпы.
Наибольшее расстояние (м), на которое пульпа данной плотности может быть подана по горизонтали под действием естественного напора,
Закладка

где g — ускорение свободного падения, м/с2; H — высота вертикальной части трубопровода, м; h — остаточный (скоростной) напор, с которым пульпа выливается из выходного отверстия трубопровода, м вод. ст. (обычно не более 2); d — диаметр трубопровода, м; v — скорость движения пульпы, м/с; К — коэффициент сопротивления движению пульпы.
Закладка

где γ — плотность пульпы, т/м3; ΣLэнв — суммарная эквивалентная длина колен, ответвлений и т. п., при диаметре труб 50 и 200 мм составляет: для задвижек соответственно 0,5 и 3 м, для колен — 0,3 и 2 м.
В верхнем участке вертикального трубопровода может происходить отрыв потока под влиянием свободного падения. Чем больше участок отрыва, тем больше износ вертикального става и, больше воздуха засасывается в пульпу, что вызывает резкие толчки и гидравлические удары. Увеличение вертикального столба пульпы обеспечивается уменьшением диаметра труб или увеличением расхода пульпы. По трассе трубопровода могут быть установлены воздухоотделители, аналогичные применяемым в водоснабжении. Имеются так называемые закрытые системы, в которые воздух не подсасывается.
Трубопровод собирают большей частью из цельнотянутых стальных труб (с толщиной стенок 8-10 мм), соединяемых с помощью подвижных фланцев, которые позволяют для увеличения срока службы поворачивать трубы отдельно вокруг продольной оси.
Дробленых скальных пород стальные трубы пропускают до полного износа лишь 100-150 тыс. м3.
Используют трубы, армированные износоустойчивыми материалами (хромоникелевой или марганцевистой сталью, литым базальтом, резиной, бетоном и т. д.), или трубы со съемной футеровкой из дерева, стекла и т. п. Иногда армируют или футеруют лишь закругления и первые за коленами трубы, которые изнашиваются особенно сильно.
При использовании малоабразивных закладочных материалов (мелких со значительным содержанием илистых фракций) стальные трубы соединяют сваркой.
Диаметр труб при использовании хвостов обогатительных фабрик принимается от 75 до 150 мм, для естественных песков и гранулированного шлака — 100-150 мм, для кусковых дробленых пород — от 150 до 200-250 мм, в зависимости от требуемой производительности.
Возведение и дренаж закладочного массива. Пульпа растекается в выработанном пространстве под углом от 5 до 15° к горизонту. Примыкающие к выработанному пространству горные выработки должны быть заперемычены или обшиты.
Перемычки бывают фильтрующими или глухими. Фильтрующие изготовляют из распорных стоек или костров, обшитых досками, щели между которыми заполняют сеном или паклей. При содержании в пульпе большого количества шламов прибивают на доски мешковину. Co временем фильтрующая способность перемычек и обшивок ухудшается и они становятся глухими.
Иногда (главным образом над восстающими, чтобы предохранить их от капежа) перемычки делают сразу глухими, изготовляя их из бетона или дерева, обитого пластмассовыми пленками, просмоленной картонообразной бумагой и т. д. При этом в закладочном пространстве возводят дренажные трубы с отверстиями в стенках. Трубы эти деревянные или, реже, металлические, снаружи их обтягивают мешковиной, чтобы отверстия не забивались песком и не было большого выноса мелких фракций.
Намывают закладочный массив по площади слоя с помощью резинового шланга, соединенного с трубопроводом.
По поверхности вновь уложенного массива уже через несколько часов могут перемещаться люди и механизмы; окончательное уплотнение занимает несколько суток.
Сдренированная вода содержит мелкие (размером менее 0,05 мм) частицы в количестве 3-5 % и более. Она поступает в водоотливные канавки, которые требуют постоянной очистки, и по ним в отстойники (подземные или, реже, поверхностные).
Подземные отстойники — это горизонтальные выработки, расположенные на 3-4 м ниже откаточного горизонта. Стационарные отстойники располагают у околоствольного двора, около насосной станции, для временных используют старые горные выработки вблизи закладываемых блоков.
Очищают стационарные отстойники так же, как водосборники шахтного водоотлива. Иногда сдренированную воду подают прямо в водосборники шахтного водоотлива. Временные отстойники чаще заполняют шламом к больше не используют.
Технико-экономическая характеристика и сравнительная оценка гидрозакладки. Наиболее экономичны крупные комплексы, использующие хвосты обогатительных фабрик.
Производительность комплекса 50-100 м3/ч, редко до 200-4300 м3/ч. Производительность труда рабочего по закладке 84-25 м3/смену. Себестоимость закладочных работ от 0,6 до 2 руб/м3 (0,6 руб/м3 на Лениногорском комбинате при гидрозакладке хвостами обогатительной фабрики). Усадка закладки 7-10%.
Закладка

Затраты на закладочный материал составляют при использовании хвостов обогатительных фабрик только 25-435 % и меньше от всех расходов на гидрозакладку, для шлака и дробленых пород 60-65 °/о, для песка около 40 %.
Достоинства гидравлической закладки по сравнению с сухой: полная механизация и возможность автоматизации закладочных работ; высокая производительность труда; значительная плотность, хорошее заполнение всех пустот; высокая интенсивность работ.
Недостатки: загрязнение выработок; необходимость осветления воды; более высокие капитальные затраты по сравнению с сухой закладкой; сыпучесть закладки, в отличие от твердеющей.
При отсутствии особых требований к плотности и прочности гидрозакладка обычно выгоднее других способов закладки.
Сухая закладка. Сухая закладка бывает самотечной, механической и, в редких случаях, пневматической.
Самотечная закладка применяется последующая (после полной отработки очистной камеры, рис. VI.24) и редко одновременная (при выемке руды наклонными слоями). Материал — пустые породы, получаемые попутно при проведении горных выработок (чем исключается выдача пустых пород из шахты), а также пески (обычно с примесью глины), гравий и скальные породы, поступающие с отвалов или специально добываемые открытым и, реже, подземным способом для целей закладки.
Для достаточной плотности закладочного массива желательно, чтобы размер кусков породы не превышал 150-200 мм. Это способствует и сохранению крепи породоспусков.
Самотечная закладка отличается высокой производительностью и небольшой себестоимостью, но коэффициент усадки значителен: при мелкокусковом материале— 15-20 %, при крупнокусковом — до 30-35 %. Верхняя часть выработанного пространства может быть заполнена лишь с помощью закладочных машин, о которых сказано ниже.
Механическая закладка. Закладочный материал распределяют в очистном пространстве с помощью самоходного оборудования, скреперных установок или конвейеров. Испытывались, но не получили распространения метательные закладочные машины.
Закладочный материал транспортируют по вентиляционному горизонту в вагонах или, реже, конвейерами и самоходными машинами до закладочного восстающего. Последний служит для самотечного спуска закладочного материала в очистное пространство или выработки блока, по которым далее перемещают материал механизированным способом.
Обычно механическую закладку производят по мере выемки блока горизонтальными (или слабонаклонными) слоями, начиная с нижнего слоя.
Общие преимущества использования самоходного оборудования на пневмоколесном ходу относятся и к закладочным работам.
Для пневмоколесного хода требуются высокая плотность закладываемого массива и, более или менее, ровная поверхность его, что ограничивает крупность кусков.
Применяют самоходные вагоны, которые загружают из восстающих, или погрузочно-доставочные машины; в последнем случае закладочный материал спускают из восстающего на почву очистного пространства.
Самоходные вагоны грузоподъемностью 1,5-3 т доставляют 1004-150 т в смену на расстояние 25-50 м; грузоподъемностью 12-20 т — 5004-700 т в смену на 50-100 м.
При послойной закладке используют скреперные установки мощностью 15-30 кВт, а при разработке тонких жил — мощностью 10 кВт. Скреперуют закладочный материал на расстояние 10-30 м. Плотность закладочного массива невысокая (коэффициент усадки до 20-430 %); под кровлей остается незаполненное пространство высотой не менее 0,54-0,7 м. При послойной закладке скреперные установки в значительной мере вытесняются самоходным оборудованием.
При последующей скреперной закладке используют мощные скреперные установки (504-100 кВт).
Конвейерная закладка встречается редко, так как требует частого переноса конвейеров. Применена на отдельных рудниках ГДР и ФРГ при разработке крутых маломощных жил; конвейеры используются качающиеся секционные. Закладочный материал имеет крупность до 150 мм. После того как отбитая руда удалена из забоя, у рудного конвейера снимают крайний рештак и наращивают им закладочный конвейер.
Метательные машины. Загружают машину ленточными конвейерами. Материал поступает на движущуюся ленту машины через воронку и выбрасывается на расстояние только 6-10 м, поэтому машину надо часто передвигать.
Коэффициент усадки закладки 20-30 %.
Метательными машинами можно заложить выработанное пространство под самую кровлю. Однако жесткие требования к гранулометрическому составу и абразивности закладочного материала, небольшая дальность метания, износ ленты (обычно менее чем за 1 мес) и необходимость в дробилке и конвейере привели к тому, что метательные машины не получили применения практически нигде.
Пневматическая закладка. Применяется сравнительно редко. Энергия струи сжатого воздуха используется для перемещении материала по трубам и забрасывания его в выработанное пространство, Материалы — Главным образом дробленые (крупностью от 5 до 80 мм) неабразивные породы с примесью глины (до 10-15%).
В горнорудной промышленности используют главным образом переносные пневмозакладочные машины, аналогичные по назначению метательным машинам. Они доставляют материал по трубопроводу на расстояние до 50-ь80 м (поступающий через сопло Лаваля воздушный поток увлекает закладочный материал, подаваемый в трубу через воронку), а иногда только забрасывает закладочный материал в выработанное пространство на расстояние до 15-20 м (эжекторные машины).
Производительность эжекторных машин до 30-60 м3/ч, расход сжатого воздуха около 150 м3 на 1 м3 закладочного материала.
Преимущества пневматической закладки по сравнению с механической: более высокая плотность (коэффициент усадки 10-15 %, редко до 25 %); возможность закладки под кровлю выработанного пространства. Однако пневмозакладка характеризуется большим пылеобразованием и значительным износом труб и машин. Жесткие требования предъявляются к закладочному материалу в отношении его абразивности, гранулометрического состава и содержания глины. Высок расход сжатого воздуха.