Подземная разработка месторождений

она могла выдержать массу самоходной техники). Производительность рабочего забойной бригады до 70 т/смену, потери и разубоживание руды - до 3 %.

Достоинства: практически любая устойчивость породного массива, низкие потери руды, высокая механизация технологических процессов.

Недостатки: относительно устойчивая рудная кровля, большая трудоемкость оборудования рудоспусков, настилов, погашения очистного пространства закладкой, возможны потери руды в закладке при некачественном настиле.

4.12.2. Наклонные (под углом 30-40°) восходящие слои с закладкой

Выемка руды в блоке ведется снизу вверх наклонными под углом 30-40° слоями - для удобства доставки отбитой руды к рудоспуску за счет использования силы тяжести и применения доставки силой взрыва, а также для удобства погашения полостей закладкой. Обычно применяется отбойка вертикальными шпурами глубиной 1,5-1,8 м. Закладка используется сухая, гидравлическая или реже разнопрочная твердеющая.

Достоинства: использование силы тяжести и частично силы взрыва для доставки руды к рудоспуску, высокая полнота заполнения пустот закладкой.

Недостатки: большая трудоемкость работ, возможны потери руды в закладке под настилом.

4.12.3. Нисходящая слоевая выемка с твердеющей закладкой

Применяется на месторождениях ценных руд при низкой устойчивости рудного и породного массива, недопустимости обрушений, сдвижений. Работы в блоке ведутся сверху вниз заходками под искусственной кровлей.

Возможна любая конфигурация и устойчивость рудных тел. Производительность рабочего забойной бригады 20-25 т/смену, потери и разубоживание 2-6 %. Очистные заходки разделяются на секции длиной 20 м и отгораживаются от слоевого штрека закладочными перемычками и заполняются разнопрочной закладкой. Расход леса на крепь и закладочные перемычки 0,15-0,3 м3/м3. Подробнее об этой системе см. в отдельной главе — "Выбор технологии добычи руды при системах разработки с закладкой выработанного пространства".

Недостатки: высокие затраты на твердеющую закладку (при равнопрочной закладке они составляют до 60 % всех расходов на очистную выемку), большой расход леса.

Расходы на закладку и на крепь можно существенно снизить, используя разнопрочную закладку в погашаемом слое: нижняя пачка прочностью 4-6 МПа, верхняя - без вяжущего или прочностью 0,5-1 МПа, тогда крепь не нужна.

4.12.4. Применение нисходящей слоевой выемки с твердеющей закладкой при разработке урановых руд

Данная система разработки внедрена на урановом предприятии в 70-е годы 20 столетия при отработке крутопадающих рудных тел и постоянно совершенствуется. Осуществлен переход с фланговой на центральную схему подготовки, увеличена длина блока с 50 до 100…200 м, смежные блоки объеденены в блок-панели с целью их групповой подготовки, увеличена высота слоя с 3 до 4 м, разработаны и внедрены способы забойной радиометрической сортировки с целью снижения разубоживания товарной руды система дистанционного контроля прочности закладочной смеси методом электрометрии.

181

Подготовка запасов		под	систему «нисходящая слоевая выемка	с закладкой
выработанного	пространства твердеющей смесью» и «наклонные слои с закладкой
выработанного	пространства		твердеющей смесью» проводится по	двум схемам:

центральная и фланговая.

Рис. 4.21. Подготовка блока по систему разработки «нисходящая слоевая выемка с закладкой выработанного пространства твердеющей смесью

I - заходка первой очереди; 2 - заходка второй очереди.

1 – штрек на основном (откаточном) горизонте; 2 – штрек вентиляционный; 3 – штрек слоевой; 4 – квершлаг блоковый; 5 – заходка разрезная; 6 – уклон (съезд); 7 – сбойка вентиляционная; 8 – восстающий блоковый ветиляционный; 9 – восстающий рудоспускной

При подготовке центральной системой рудоперепуски, при длине стандартного эксплуатационного блока в 100 м, располагаются в центре выемочной единицы. Выработки проходятся полевыми (рис. 4.21.).

При подготовке фланговой схемой рудоперепуски располагаются на флангах выемочной единицы. Выработки проходятся полевыми. Очистные работы в таких блоках ведутся от фланга к центру.

Более распространена центральная схема подготовки с совмещением в блоке основных и закладочных выработок. Для блоков с площадью оруденения более 10000 м2 применяются схемы подготовки с наклонными транспортными съездами.

Для отработки пластовых рудных тел используется вариант системы с закладкой, названный «наклонные слои с закладкой выработанного пространства твердеющей смесью» (рис. 4.22.)

182

Рис. 4.22. Схема подготовки эксплуатационного блока под систему разработки «наклонные слои с закладкой выработанного пространства твердеющей смесью»

Параметры эксплуатационного блока под горно-металлургическую технологию: высота этажа 60 м, длина блока 100…200 м, высота слоя 3…4 м, ширина заходок 3,5…5,.0 м, наклон заходок 4…6 О .

Центральная схема подготовки позволяет вести очистные работы одновременно на двух флангах. Блок делится на два полублока, что позволяет устранить простои из-за ведения закладочных работ. На мощных рудных телах (более 10 м) в одновременной работе находится до 4…6 заходок. Закладка выработанного пространства производится твердеющей смесью по трубам через закладочный коллектор, пройденный выше доставочного горизонта на 10 м.

Производительность блока по руде достигает 6000 т/месяц, потери 1…3 %, разубоживание 8…10 %.

При отработке жильных рудных тел, локализованных в средней устойчивости и устойчивых породах применяется разновидность системы нисходящей слоевой выемки, разработанная на ОАО «ППГХО» и названная «нисходящая слоевая выемка с повышенной высотой слоя и частичной закладкой выработанного пространства» (Патент на изобретение №2209972). Данный вариант выемки позволяет снизить затраты на добычу полезного ископаемого за счет увеличения интенсивности выемки очистного блока в результате сокращения объемов нарезных работ и снижения разубоживания руды при отбойке.

Поставленная цель достигается тем, что после отработки запасов верхнего слоя нарезные выработки вкрест простирания рудных тел проходят ниже почвы сдвоенного по высоте отработанного слоя на расстоянии, равном двойной высоте слоя, с высотой нарезной выработки, равной высоте очистной заходки. Рудные тела на слое с нарезными выработками отрабатывают очистными заходками по простиранию залежи. До погашения выработанного пространства

183

очистных заходок твердеющей смесью, рудные тела верхнего сдоя селективно отбивают из этих заходок, и горнорудная масса временно оставляется в очистном пространстве. С навала горнорудной массы на границах между слоями устанавливают подвесную предохранительную крепь. Уборку временно оставленной горнорудной массы производят после окончания отбойки рудных тел верхнего слоя и установки предохранительной крепи. В последнюю очередь вынимают рудный целик верхнего слоя, оставляемый над нарезной выработкой. Ширину рудного целика определяют в зависимости от ширины нарезной выработки, длины применяемой погрузочно-доставочной машины, высоты слоя и угла естественного откоса отбитой руды (рис. 4.23.).

Рис. 4.23. Отработка маломощных рудных тел «нисходящая слоевая выемка с повышенной высотой слоя и частичной закладкой выработанного пространства

1 – восстающими; 2 – рудоспуск; 3 - нарезная выработка вкрест простирания рудных тел; 4 - очистная заходка; 5 - рудное тело; 6 - взрывные шпуры; 7 - временно

оставленная горнорудная масса Участок совместно залегающих крутопадающих маломощных рудных тел в

устойчивых и средней устойчивости породах по высоте этажа отрабатывают слоевой выемкой сдвоенными по высоте слоями в нисходящем порядке, для чего после отработки запасов верхнего слоя между восстающими 1 и рудоспусками 2 вкрест простирания рудных тел проводят нарезную выработку 3 ниже почвы отработанного слоя на расстоянии, равном двойной высоте слоя с высотой нарезной выработки, равной высоте очистной заходки 4. Рудное тело 5 верхнего слоя отбивают селективно из выработанного пространства очистных заходок 4 взрыванием шпуров 6 и временно оставляют в выработанном пространстве очистных заходок 4. Крепление кровли нижнего слоя производят после отбойки запасов верхнего слоя с навала отбитой и временно оставленной горнорудной массы 7 применением "расстрелов" или подвесной крепи 8 на крючьях со сплошной затяжкой. Временно оставленную горнорудную массу 7 отгружают погрузочно-доставочной машиной под защитой предохранительной крепи. Далее устанавливают закладочные перемычки, и через закладочные трубопроводы заполняют выработанное пространство очистных заходок твердеющей смесью. В последнюю очередь

184

вынимают рудный целик верхнего слоя, оставляемый	над нарезной выработкой 3.
Ширину (В) рудного целика определяют из выражения
[b+2(1+h • tga)] В Lбл, м,	(193)
где b = 3,5 м - ширина нарезной выработки, м;

2 - коэффициент, учитывающий расположение нарезной выработки посередине

целика;

l - длина применяемой погрузочно-доставочной машины, м; для погрузочнодоставочной машины марки МПДН-1М = 3,2 м;

h - высота отрабатываемого слоя, м; h = 3,0 м;

α - угол естественного откоса навала отбитой горнорудной массы верхнего слоя на почве нижнего слоя, градус;

В - ширина рудного целика, м; Lбл - длина очистного блока, м.

Установка предохранительной крепи на границе двух слоев производится с навала отбитой горнорудной массы при высоте очистного пространства не более 3,0 м, что соответствует требованиям «Единых правил безопасности при разработке рудных, нерудных и россыпных месторождений подземным способом».

Использование предлагаемого способа разработки совместно залегающих крутопадающих маломощных рудных тел в устойчивых и средней устойчивости породах позволяет сократить объем нарезных работ в очистном блоке в 2 раза, снизить разубоживание руды при отбойке на 20 % и в целом затраты на добычу руды из очистного блока на 20 – 25 %. Так, в 2002-2003 гг. данной технологией отбито 131,4 тыс. т руды, что позволило снизить затраты на добычу руды по сравнению с традиционной технологией на

69,8 млн. руб.

Экономический эффект достигнут за счет сокращения отбойки вмещающих пород, снижения объемов укладки твердеющей закладки, уменьшения объемов проведения нарезных работ. В результате достигнутых показателей при добыче произошло снижение затрат на перевозку руды от рудников до ГМЗ и сокращен объем переработки рудной массы гидрометаллургической технологией.

Применение данного варианта слоевой системы ограничено несколькими условиями: рудное тело мощностью не более 3,5 м должно быть выдержанным по падению и простиранию; руды и вмещающие породы средней устойчивости или устойчивые; запасов, отвечающих этим условиям, в общем объеме рудного поля не более

15 %.

Вся горно-рудная масса, поступающая из очистных блоков, разделяется на рудоконтрольных станциях подъемных стволов шахт на богатую руду, рядовую руду, забалансовую руду и пустую породу. Руда, отвечающая требованиям горнометаллургической технологии, отправляется непосредственно на гидрометаллургический завод на переработку. Рядовая по содержанию урана руда - на обогащение на радиационную обогатительную фабрику (РОФ), где из ее состава выделяются «хвосты» - горная масса с содержанием урана менее 30 усл. ед., а обогащенная руда в зависимости от содержания урана направляется на переработку на ГМЗ или укладывается в штабели кучного выщелачивания на территории ГМЗ.

4.12.5. Проведение закладочных работ при применении нисходящей слоевой выемки

185

Обеспечение устойчивости искусственного массива требует комплексного подхода к решению задач создания и совершенствования технологии закладочных работ на всех ее этапах:

добычи и подготовки заполнителя,

подбора составов закладочных смесей для различных условий формирования искусственных массивов;

формирования искусственных массивов в выработанном пространстве;

определения прочности и устойчивости искусственной кровли;

выбора вида крепления искусственной кровли.

Добыча и подготовка заполнителя. Для приготовления твердеющих закладочных смесей необходимо иметь качественный заполнитель. Основными требованиями, предъявляемыми к заполнителю, являются: технологичность его добычи и подготовки, способность обеспечить необходимую прочность закладки, возможность его использования в зимний период времени.

Основным заполнителем твердеющих закладочных смесей является песчано-гравийная смесь (ПГС). При добыче ПГС часть суглинков попадает во всасывающий пульпопровод земснаряда, что приводит к снижению качества добываемого материала и образованию глинистых включений в виде линз на намываемой поверхности гидроотвала. После окончания формирования гидроотвала невозможно провести селективную отгрузку кондиционной части ПГС из-за частой перемежаемости глинистых пропластков. Это приводило к неравномерному содержанию глины в заполнителе, поступающем на закладочные комплексы.

В условиях ППГХО пластификацию закладочных смесей для обеспечения их способности к транспортированию по трубопроводу и обеспечению растекаемости в погашаемом пространстве горных выработок целесообразнее решать путем добавки в состав закладочных смесей тонкодисперсной золы-уноса ТЭЦ, которая может успешно дозироваться и перемешиваться при приготовлении.

В результате обработки опытных данных получены эмпирические функциональные зависимости влияния технологических параметров (расстояния от места осаждения намываемого заполнителя до водосбросного колодца при различных мощностях намываемой линзы ПГС на поверхность гидроотвала) на содержание глинистых и илистых частиц в намываемой ПГС (табл. 4.9.).

Таблица 4.9. Влияние технологических параметров формирования гидроотвалов на содержание глины

в ПГС

Функциональная зависимость	Диапазон измерения параметров		Коэфф.
содержания глинистых и илистых	расстояние от места	мощность	корреляции
включений в ПГС (c), %, от	отбора проб до	намытой	(R)
расстояния до водосбросного	водосбросного	линзы ПГС,
колодца (l), м.	колодца, l, м	h, м
c = f(l)
c = -0.096*l + 6,20	10 ÷ 60	0,0 ÷ 1,0	0,961
c = 6,497-1,283*ln l	10 ÷ 80	1,0 ÷ 1,5	0,952
c = 8,544 – 1,954*ln l	20 ÷ 80	1,5 ÷ 2,0	0,960
c = 8,124-1,211*ln l	10 ÷ 80	2,0 ÷ 2,5	0,979
			186

Установлено, что на расходных складах закладочного комплекса применение CaCl2 в количестве 0,5 ÷ 1,0% от массы ПГС предотвращает ее смерзаемость, а также оказывает положительное влияние на изменение реологических и прочностных характеристик твердеющей закладки. Так, прочность испытанных образцов с добавкой CaCl2 в указанных пределах на 5 ÷ 26 % выше контрольных, а растекаемость приготовленных смесей на 10 ÷ 26 % лучше.

Следует отметить, что поступаемая на закладочные комплексы ПГС, отгруженная из-под теплового покрытия БТП отличалась однородностью массы и отсутствием кусков.

Разработка составов твердеющей закладки. Наиболее перспективным направлением снижения расходов цемента на твердеющую закладку является использование цементно-зольных вяжущих на основе золы-уноса от сжигания энергетических углей на тепловых электростанциях. Для твердеющей закладки и бетонов используется только зола, улавливаемая электрофильтарми, так как после мокрого удаления залы она теряет свои вяжущие свойства.

Зола-унос представлена преимущественно изотропным материалом, подобным стеклу гранулированного шлака. Наличие в ней кварца, глинозема, кальцита, а также скоплений кристаллов гидросиликатов и гидроалюминатов кальция обуславливает способность зольных отходов вступать в химическую реакцию с другими минеральными добавками. В результате взаимодействия гидрата оксида кальция со стеклофазой золы образуются гидратные новообразования, обеспечивающие прочность цементного камня. Для обеспечения необходимых реологических свойств и прочности закладки, удовлетворяющих условиям трубопроводного транспорта, потребовалось увеличить содержание в закладочной смеси тонкодисперсных материалов, в качестве которых использована зола ТЭЦ.

Зависимости удельного расхода цемента от задаваемой прочности закладки при ведены в табл. 4.10.

Таблица 4.10. Зависимости прочности закладки от удельного расхода цемента при различных видах и

расходах золы-уноса ТЭЦ

Диапазон	Тип	Удельный	Удельный	Функциональная				Коэфф.
изменения	применяемой	расход	расход	зависимость прочности				корре-
удельного	золы-уноса	золы-	воды,	закладки (σ) от удельного				ляции,
расхода		уноса,		расхода цемента (qцем,				r
цемента			л/м3	кг/м3) в возрасте 28 сут.,
		кг/м3		МПа
120 ÷ 300	Без золы	Нет	350	σ = 2,159*10	-4	* qцем	1,806	0,994
100 ÷ 270	У	100	320	σ = 3,646*10	-4	* qцем	1,740	0,993
75 ÷ 210	У	240	320	σ = 1,001*10	-3	* qцем	1,625	0,987
80 ÷ 200	И	120	320	σ = 2,826*10	-4	* qцем	1,873	0,990
40 ÷ 160	И	190	320	σ = 1,110*10	-2	* qцем	1,225	0,987

Примечания. У – зола-унос, получаемая при сжигании углей Уртуйского месторождения;

Зависимости удельного расхода цемента от заданной прочности закладки при различных видах и расходах золы-уноса ТЭЦ приведены в Таблице 4.11.

Диапазон	Тип золы	Удельный	Удельный	Функциональная зависимость
				187

изменения	уноса	расход	расход	удельного расхода цемента (qцем,
прочности		золы-	воды,	кг/м3) от заданной прочности
закладки (σ) в		уноса,	л/м3	твердеющей закладки в возрасте
возрасте 28 сут.,		кг/м3		28 сут. (σ, МПа)
МПа
1,0 ÷ 6,5	Без золы	Нет	350	qцем = (4631,5*ζ)0,55354
1,0 ÷ 6,5	У	100	320	qцем = (2742,6*ζ)0,57460
1,0 ÷ 6,0	У	240	320	qцем = (998,9*ζ)0,61543
1,0 ÷ 6,0	У	120	320	qцем = (3538,4*ζ)0,53397
1,0 ÷ 6,0	И	190	320	qцем = (90,122*ζ)0,81649

Добавка золы-уноса в закладочную смесь в пределах 100 ÷ 300 кг/м3 позволяет существенно снизить водоотделение смеси при обеспечении необходимой растекаемости. Снижение водоотделения закладочной смеси при процессе формирования искусственных массивов сокращает вынос частиц цемента из толщи закладки и улучшает структуру искусственного целика в результате снижения числа внутренних каналов, по которым происходит дренирование излишней воды.

На основании проведенных исследований выбраны наиболее оптимальные составы закладочных смесей (табл. 4.12.).

					Таблица 4.12.
	Основные составы закладки, применяемые на предприятии
	Удельный расход материалов, кг/м3				Прочность на одноосное
цемент	зола-	зола-	песчано-	вода	сжатие в возрасте 28 сут.,
М-400	унос	унос «И»	гравийная смесь		МПа
	«У»
75	240	-	1435	320	1,0
110	240	-	1405	320	2,0
140	240	-	1379	320	3,0
160	240	-	1362	320	4,0
185	240	-	1341	320	5,0
210	240	-	1320	320	6,0
100	100	-	1590	320	1,0
130	100	-	1565	320	2,0
170	100	-	1530	320	3,0
200	100	-	1500	320	4,0
220	100	-	1485	320	5,0
240	100	-	1470	320	6,0
200	-	-	1630	320	3,0
220	-	-	1615	320	4,0
240	-	-	1600	320	5,0
260	-	-	1580	320	6,0
40	-	200	1528	320	1,0
70	-	200	1502	320	2,0
					188

	Удельный расход материалов, кг/м3				Прочность на одноосное
цемент	зола-	зола-	песчано-	вода	сжатие в возрасте 28 сут.,
М-400	унос	унос «И»	гравийная смесь		МПа
	«У»
100	-	200	1474	320	3,0
120	-	200	1460	320	4,0
145	-	200	1438	320	5,0
160	-	200	1425	320	6,0

Повышение вяжущих свойств золы-уноса ТЭЦ путем ее активации. При проведении лабораторных экспериментов по химической активации золы были опробованы различные реактивы: CaCl2, KOH, NaOH, HCl, H2SO4. Наилучшие результаты получены при использовании растворов соляной и серной кислот. В необходимое количество воды затворения добавляли кислоту до получения раствора требуемой концентрации, далее золу унос добавляли в приготовленный раствор, перемешивали и полученный материал использовали при приготовлении твердеющих смесей. Установлено, что стекловидная оболочка частиц золы разрушается под действием кислоты, в результате чего увеличивается удельная поверхность материала (происходит «раскрытие» частиц) и обеспечивается более полное взаимодействие гидрата оксида кальция со стеклофазой золы, образуются гидратные новообразования, повышающие прочность цементного камня.

Оптимизация траспортирования закладки по трубопроводу. Для осуществления подачи закладочной смеси по трубопроводу в самотечно-пневматическом режиме на значительные расстояния разработана система контроля и управления трубопроводным транспортом [49], основанная на снятии акустических сигналов с закладочного трубопровода, и при их изменении управлением расходов закладочной смеси и подаваемого сжатого воздуха. С использованием этой системы контроля и управления трубопроводным транспортом была осуществлена подача твердеющих закладочных смесей при горизонтальном участке 1150 м.

Оценка устойчивости искусственной кровли и выбор вида и параметров крепи. При системе разработки нисходящими горизонтальными или слабонаклонными слоями с твердеющей закладкой большая часть очистных заходок проходится под искусственной кровлей, представленной затвердевшей закладочной смесью.

Параметры устойчивости искусственной кровли оказывают существенное влияние на параметры системы разработки. Основным требованием к закладочному массиву является сохранение его устойчивости при обнажении сбоку или снизу в течение всего периода производства очистных и закладочных работ на контакте с ним.

При формировании равнопрочного на всю высоту закладочного массива, нормативная

прочность закладки расчитывается по эмпирическим зависимостям
σ1	= a* ln B + c;		(194)
σ2	= a*expB +c,		(195)
где σ1 и σ2		– нормативные прочности закладки для	равнопрочного и
разнопрочного закладочного массива соответственно, МПа;

a и с – коэффициенты функции, обеспечивающие наименьшее среднеквадратичное отклонение (с – имеет значение нормативной прочности закладки в

189

наименьшем значении исследованного диапазона изменения ширины обнажения искусственной кровли);

B – ширина обнажения искусственной кровли, м

Полученное уравнение зависимости нормативной прочности закладки от ширины обнажения искусственной кровли для равнопрочного закладочного массива имеет вид:

σ = 0,714* ln (2B-5) + 2,5		(196)
при	3,5 ≤B≤ 5,0.
Для несущего слоя разнопрочного искусственного массива зависимость
представлена формулой
σ = a*exp[0.22*(2B-3)].		(197)
На	основании наблюдений за устойчивостью	искусственного массива и

расчетных данных [53] принята наименьшая мощность несущего слоя для разнопрочной закладки - 1 м.

По результатам подработки искусственных массивов, обнаженных только сбоку, установлено, что в этом случае нормативная прочность закладки должна быть не менее 1 МПа, что обеспечивает устойчивое состояние вертикального обнажения закладки при взрывной отбойке горной массы в смежной заходке.

Нормативная прочность заполняющего слоя закладки при формировании разнопрочных искусственных массивов – 1 МПа, что сохраняет устойчивое состояние несущего слоя.

Нормативная прочность закладочного массива, не обнажаемого снизу и сбоку, не нормируется.

Нормативная прочность закладочного массива должна обеспечиваться к моменту его обнажения. Критерием устойчивости искусственной кровли является коэффициент

устойчивости [53], равный:

Ку	bПРЕД
	bФАКТ		(198)
где bПРЕД, bФАКТ – соответственно, предельный и фактический пролет обнажения
искусственной кровли, м.

Искусственная кровля способна сохранять устойчивое положение при КУ › 1. Под фактическим пролетом обнажения искусственной кровли понимается:

-при выемке маломощных рудных тел одиночными заходками и в первичных заходках при выемке мощных рудных тел – ширина обнажения закладочного массива в заходке;

-при выемке мощных рудных тел вторичными заходками – ширина обнажения незакрепленной искусственной кровли между искусственными или естественными опорами (рудными, породными, искусственными целиками или крепью); - на сопряжениях слоевых выработок – минимальное расстояние между противоположными углами сопряжения по диагонали, проведенной через геометрический центр сопряжения.

Не считается искусственной опорой закладочный массив, не имеющий контакта с кровлей.

Для прогнозирования устойчивости искусственной кровли до ее обнажения, под фактической понимается ожидаемая ширина обнажения закладки. Расчет предельного пролета обнажения искусственной кровли производится по эмпирическим формулам, полученным в результате экспериментальных работ Дейнером В.В. [53]:

190