40

Тема 6. Управление геомеханическими процессами при системах с искусственным поддержанием выработанного пространства: с закладкой выработанного пространства. 4 часа.

Общие сведения. Типы, виды и назначение закладки. Особенности развития геомеханических процессов при закладке камер сухой или гидравлической закладкой. Особенности развития геомеханических процессов при закладке камер твердеющей закладкой. Нормативная прочность закладочного материала. Создание искусственных массивов из твердеющих смесей. Влияние взрывных работ на искусственный массив. Правила безопасного ведения работ при системах разработки с закладкой.

6.1. Общие сведения.

В классе систем разработки месторождений полезных ископаемых с искусственным поддержанием выработанного пространства выделяются группы систем:

• с закладкой выработанного пространства;

• с магазинированием;

• с креплением очистного пространства.

Все указанные системы относительно дороги, но при правильной технологии и оптимизированных параметрах обеспечивают малые потери и разубоживание полезного ископаемого.

Системы с закладкой применяются в сложных горно-геологических условиях, при разработке ценных полезных ископаемых и в случаях, когда необходимо предотвращать или минимизировать вредные влияния подземной разработки на опасные или важные народнохозяйственные объекты в недрах или на дневной поверхности.

Первая в мире гидрозакладочная установка была построена в 1878 году на силезской угольной шахте (Польша), а затем, независимо от этого и почти одновременно, в 1880 году гидравлическую закладку начали применять на антрацитовой шахте в Пенсильвании (США).

Первая в Германии гидрозакладочная установка была построена в 1895 году на Саксонской угольной шахте. В калийном промышленности первая гидрозакладочная установка была построена в 1907 году в Германии на калийном руднике "Штасфурт". В 1907 году в Силезии (Польша) уже 26 угольных шахт применяли гидравлическую закладку.

В нашей стране первый проект закладки выработанных камер на Верхнекамских калийных рудниках был выдвинут в 1937 году. В качестве закладочного материала предлагалось использовать породу от проходки подготовительных выработок и отходы химической сильвинитовой фабрики.

В настоящее время до 35% рудников применяют системы с закладкой, что определяется углублением горных работ, усложнением горно-геологических условий, особенно в обстановке постоянной борьбы за полноту извлечения полезных ископаемых.

При этом на подземных рудниках из-за высокой ценности добываемого сырья в основном применяют системы с твердеющей закладкой на основе цементного вяжущего. В то же время на угольных шахтах используют сухую или гидравлическую закладку. Твердеющую закладку на угольных шахтах применяют в исключительных случаях:

• при извлечении мощных крутопадающих пластов;

• при необходимости снижения эндогенной пожароопасности;

• при отработке пластов под охранными объектами.

6.2. Типы, виды и назначение закладки.

Для поддержания подрабатываемого массива горных пород выработанное пространство вслед за выемкой руды (или через некоторое время) заполняется закладочным материалом.

В качестве закладочного материала используются дробленые горные породы, хвосты обогатительных фабрик, шлаки металлургических заводов или зола тепловых электростанций, песок, глина и др. Отдельные компоненты, закладочных смесей могут быть несвязными между собою или скрепленными вяжущими материалами (твердеющая закладка).

Для повышения плотности создаваемого искусственного массива специально подбираются крупность кусков и фракционный состав смесей.

Все методы закладки выработанного пространства по принципу доставки закладочной смеси до места укладки классифицируются следующим образом (табл. 6.1).

Классификация методов закладки.

Таблица 6.1.

Класс	Группа	Особенности технологии (закладочный материал, способы его доставки и укладки)
Механическая доставка	Сухая (породная)	Дроблёная порода от проходки или вскрышных работ, реже – специально добываемый материал, доставляемые при помощи машин механического действия; в очистном пространстве материал распределяется при помощи машин механического действия либо под действием собственного веса.
	Литая (твердеющая)	Смесь вяжущего, воды и инертного заполнителя, доставляемая при помощи машин механического действия, распределяется при помощи машин механического действия либо под действием собственного веса.
Трубопроводная доставка	Литая (твердеющая	Смесь вяжущего, воды и инертного заполнителя доставляется до места укладки по трубопроводу под действием собственного веса или при помощи сжатого воздуха, размещается под действием собственного веса.
	Гидравлическая	Смесь воды и инертного заполнителя (дроблёной породы), доставляется до места укладки по трубопроводу под действием собственного веса или при помощи сжатого воздуха, размещается под действием собственного веса.
	Льдозакладка	Закладочный материал – замороженная вода; применяется в условиях Крайнего Севера.
Полураздельная доставка	Бутовая (блочная)	Каменные блоки, доставляемые при помощи машин или механизмов и скрепляемые между собой вяжущим раствором, доставляемым трубопроводным транспортом (аналог кирпичной кладки).
	Консолидированная	Дроблёная порода, подвергаемая воздействию пара или пропитанная химическими растворами; после затвердевания образуются прочные связи.
	Инъекционная	Дроблёная порода, пропитываемая связующим веществом (цементным молочком, смолой и т. п.) после размещения.
	Льдопородная	Дроблёная порода, проливаемая водой, после замерзания образует прочный массив. Применяется в условиях вечной мерзлоты.

При механическом способе закладки применяются специальные метательные закладочные машины, скреперные установки, конвейеры, самоходные машины. В качестве закладочных материалов используются различные сыпучие материалы с размером кусков до 80—100 мм (при метательных машинах) и до 250-300 мм (при других способах доставки). Усадка закладочного массива в первом случае составляет 20-30%, а в других - до 30-40%.

Для пневматической закладки требуются более мелкие дробленые материалы с размером частиц до 30-40 мм и содержанием глины не более 10-15%. Доставка и размещение закладочного материала в выработанном пространстве производится за счет энергии струи сжатого воздуха. Значительная скорость движении частиц материала (до 30-40 м/с) обеспечивает более высокую плотность укладки (усадка составляет 10— 15%), особенно при увлажнении материала.

На практике наиболее часто применяется гидравлическая закладка выработанного пространства песками, гранулированными обесшламленными хвостами обогатительных фабрик с содержанием 10-15% илистых фракций (для меньшего износа труб при транспортировании материала). После обезвоживания размещённого в отработанных камерах материала образуется довольно плотный искусственный массив с небольшой (до 5-10%) усадкой, плотно подпирающий обнаженные стенки камер. Дозакладка пустот после усадки материала может обеспечить надежное подбучивание кровли камер.

В зависимости от свойств и состояния закладки можно выделить три её разновидности: сухую, гидравлическую и твердеющую. Две первые представляют собой совокупность несвязных между собой частиц.

В случае сухой закладки материал доставляется к закладываемой выработке в сухом виде и укладывается в неё простой насыпью, размещаясь только под действием гравитационных сил или с использованием механизмов.

Сухая закладка представляет собой, чаще всего, породу от горнопроходческих работ (иногда — дробленую). Она используется для заполнения подземных пустот, не имеющих непосредственного контакта с телом полезного ископаемого.

В отдельных случаях сухой породой закладывают камеры между рудными целиками, которые проектом предусмотрено оставлять в недрах в виде потерь. Иногда, теперь уже в редких случаях, сухую породу в качестве закладки используют в системах разработки горизонтальными слоями с восходящим порядком отработки слоев. При этом на каждом слое рудные стенки отделяются от массива закладки крепью или обшивкой.

Материал гидравлической закладки представляет собой смесь сыпучих частиц с водой (тонкий или молотый песок, хвосты обогащения и т.п.). Эта смесь хорошо транспортируется с водой по трубам на значительные расстояния и плотно укладывается в закладываемых камерах. При этом вода затем самотеком дренируется из уложенного закладочного массива через специальные дренажные устройства.

Чтобы уложенный массив хорошо дренировал воду, материал перед подачей в трубу очищают в гидроциклонах от пылевидных и глинистых частиц. Однако и эта мера не гарантирует образование несдренированных зон, в которых массив имеет псевдоплывунную консистенцию, опасную в определенных условиях по прорыву. Особенно высока вероятность образования таких зон при соотношении высоты камеры h к ее пролету b в пределах 0,5 < h/b <2. Это должно учитываться при укладке смеси в камеру и организации дренажа воды.

Остаточная влажность массива гидрозакладки колеблется в довольно широких пределах (от 5 до 25%) и зависит от многих факторов, в том числе от гранулометрического состава твердой фазы и объема закладываемой выработки. Наибольшую прочность на срез имеет уложенный в массив материал с капиллярной влажностью, т.е. порядка 10 — 12%. Плотность заложенного массива зависит от его гранулометрического состава. В свою очередь, от плотности зависит его прочность. Оптимальным считается заполнитель, гранулометрический состав которого обеспечивает наименьшее расстояние между частицами В любом случае необходимо стремиться к достижению наибольшей усадки закладочного массива при его сооружении, так как,

• от этого зависят его плотность и прочность;

• последующая усадка его (при выполнении им функциональной роли) может негативно отразиться на состоянии элементов системы разработки, в составе которых находится закладочный массив.

С точки зрения технологии очистных работ время усадки закладочного массива желательно свести к минимуму. С целью ускорения этого процесса иногда прибегают к специальным мерам. Среди них эффективной мерой является уплотнение массива действием взрыва.

Практика работы предприятий показывает, что отбойка руды взрывным способом непосредственно у закладочного массива вызывает его усадку на 20—25%. В этом отношении показателен опыт применения отбойки руды в зажиме: отбитая и замагазинированная руда уплотняется взрывом скважин на 25—35%, при этом уплотнение распространяется на 20—25 м в глубину отбитой рудной массы при сравнительно небольших взрываемых зарядах (1—1,5 т).

Сухая и гидравлическая закладки используются, главным образом, для выполнения вспомогательных или не очень ответственных функций в технологических процессах очистных работ. Это объясняется, прежде всего, тем, что обе разновидности закладки массива не могут самостоятельно выполнять функции несущей конструкции (или несущего элемента в конструкции систем разработки в целом).

Только в отдельных случаях удается создать массив гидрозакладки высокой плотности, который может воспринимать определенные нагрузки. Для оценки величины этих нагрузок предложены зависимости, в которые в качестве параметров входят плотность, влажность и начальная прочность гидрозакладки, плотностные и деформационно-прочностные характеристики массива пород, глубина отработки и параметры закладываемой камеры, технологические параметры закладки - высота закладочного слоя, величина недозакладки, коэффициент компрессии закладочного массива.

В связи с тем, что при проведении закладочных работ на предприятиях горной промышленности необходимо одновременное налаживание разных технологических процессов на дневной поверхности по получению закладочных материалов, их спуск на необходимую глубину горных работ, транспорт непосредственно по горным выработкам и укладка в выработанном пространстве, риск экономической эффективности всех процессов одновременно становится значительным. В частности, весьма важным моментом при выборе вида закладки является организация спуска закладочных материалов с поверхности в горные выработки, от эффективности технологии спуска закладочных материалов в горные выработки в существенной степени зависит общая экономическая эффективность горных работ.

Наиболее часто спуск закладочных материалов в горные выработки осуществляется в клетях, по трубам, каскадным или спиральным спускам (желобам). Иногда в зарубежной практике используются специальные контейнеры для закладочного материала.

В ряде стран (Турция, Польша, Бразилия и др.) закладочный материал получают путем переработки и подготовки породы от горно-проходческих работ. Для этих целей порода выдается на поверхность, перерабатывается и затем опускается в шахту для осуществления закладочных работ.

Наиболее универсальный способ - доставка породы в клетях. При этом все операции по транспортированию породы выполняются на имеющемся технологическом оборудовании. Спуск в клетях достаточно производителен. При наличии вагонеток емкостью 3 м³ и при глубине спуска 400 м ориентировочно может быть пропущено до 1 млн. т в год закладочных материалов. При спуске в клетях закладочный материал не измельчается и не истирает направляющие поверхности. При этом спуск материалов в клетях универсален, так как клетьевой подъем может быть одновременно использован для спуска людей, доставки леса и оборудования. Однако спуск закладочных материалов в клетях наиболее трудоемок.

На действующих предприятиях клетьевые подъемы, как правило, имеют достаточно плотную загрузку на основных технологических процессах, поэтому для спуска закладочных материалов обычно необходимы специальные стволы.

Спуск закладочных материалов по трубам, установленным в клетьевых стволах, менее трудоемок.

Использование гладкостенных трубопроводов диаметром 250-400 мм позволяет опускать закладочные материалы на глубину до 700 м при диаметрах 250-400 мм и максимальном диаметре кусков 80 мм. Имеющийся опыт использования гладкостенных трубопроводов показывает, что максимальная пропускная способность может составлять 200-250 м³/ч. Дополнительным требованием к составу закладочных материалов является влажность не более 10%. Трубы из углеродистой стали пропускают до полного износа 10000 м³/мм толщины стенки трубы, трубы из марганцовистой стали - соответственно до 30000 м³/мм. При потреблении закладочных материалов примерно 50000 м³/мес. (добыча с закладкой до 1,5 млн. т/год) трубопровод из углеродистой стали при толщине стенки 10 мм может служить до 2 мес., а аналогичный из марганцовистой стали - около полугода.

Однако, использование гладкостенных трубопроводов требует установки воздушных компенсаторов через каждые 30 м вертикальной высоты для уменьшения пылеобразования и снижения шума при спуске материала.

В настоящее время предпочтение отдается ребристым трубам, поскольку срок их службы в 1,5-2 раза больше, чем гладкостенных трубопроводов. При движении материала по ребристым трубопроводам уменьшается площадь соприкосновения материала со стенками трубы и устраняется вращательное движение материала в процессе движения по трубе.

Конструкция ребристого трубопровода представляет собой набор трехметровых труб, из которых собирают секции. К внутренней стенке трубы вдоль оси привариваются сегменты из специальных профилей.

Ребристые трубопроводы более долговечны. Минимальный износ труб происходит при производительности до 100 м³/ч. Наиболее часто используют трубопроводы диаметрами 400-500 мм, которые позволяют опускать материалы с крупностью кусков до 200 мм.

Использование трубопроводов с направляющей спиралью позволяет опускать закладочные материалы на глубину до 1000 м и производительностью до 500 м³/ч. Промышленность изготавливает такие трубопроводы диаметром 500 мм со сменными вкладышами. Использование одного сменного вкладыша для трубопровода с направляющей спиралью позволяет пропустить до 1,5 млн. т породы в течение года с кусковатостью не более 80 мм.

Принципиальным отличием массива твердеющей закладки от сухой и гидравлической закладки является способность её не только самостоятельно сохранять свою форму и свойства, но и нести различные нагрузки. Эти особенности твердеющей закладки оказали революционизирующее влияние на совершенствование применявшихся и создание новых способов выполнения очистных работ при добыче полезных ископаемых.

Твердеющая закладка стала применяться в горнодобывающем производстве сравнительно недавно (последние 50—60 лет) — это, по существу, разновидности «тощих» бетонов, опыт получения и изучения которых насчитывает сотни лет. В связи с высокой стоимостью твердеющих материалов данный вид закладки используется после технико-экономического анализа целесообразности этого варианта.

Твердеющая закладка применяется для создания монолитных искусственных целиков (столбов), ограждающих подпорных стенок, перемычек, искусственных массивов.

Твердеющие закладочные смеси включают вяжущие материалы, инертные заполнители, воду и пластификаторы. В качестве вяжущего наиболее часто применяются различные цементы (шлаковые, пуццолановые и портландцемент) в чистом виде или как активизирующие добавки к другим более слабым вяжущим материалам. Портландцемент и шлакопортландцемент в своем составе имеют СаО, SiO₃, Аl₂O₃, Fе₂О₅, МgO, SO₃, (в различных сочетаниях), схватываются в течение 6—12 ч. и через 28 суток набирают прочность на сжатие от 3 до 4 МПа.

Из-за дефицитности и высокой стоимости цемента в горнорудной практике стремятся его заменять более дешевыми местными вяжущими материалами, приготовленными на базе шлаков металлургических заводов и золы тепловых электростанций, к которым цемент может добавляться в небольших количествах как активатор. Кроме этого, используются также небольшие добавки глины, известь, отходы обогащения, гипс и другие материалы. Для выбора состава вяжущих компонентов в закладочных смесях необходимы специальные исследования на базе конкретных местных материалов с технико-экономическим обоснованием рекомендуемых рецептов, так как стоимость вяжущих составляет 60-80% от общей стоимости закладочного материала. Основу твердеющих закладочных смесей составляют инертные заполнители, которые должны иметь предел прочности не менее 10-15% от нормативной прочности (под нормативной прочностью закладочного материала понимается его прочность, при которой обеспечивается безопасное проведение работ в принятые проектом сроки) искусственного массива и включать не более 1-3% вредных примесей. Крупность отдельных кусков и гранулометрический состав выбираются из условий технологии закладочных работ и требований прочности материала после затвердения. В случае совместной подачи закладочных смесей по трубам крупность кусков обычно принимается не более 40 мм (10%), а при раздельном способе закладки—до 100-150 мм.

На прочность искусственного массива большое влияние оказывает плотность укладки, т.е. заполнение промежутков между крупными кусками мелкозернистым инертным материалом и вяжущим.

Наиболее часто в качестве заполнителей, кроме дробленых горных пород, применяются пески с примесью глины в объеме-5-10%, которая выполняет функции пластификатора. Считается, что наиболее строгим требованиям отвечает крупный песок, в котором не менее 20-35% зерен имеют размер 0.30-0.15 мм, что обеспечивает наиболее полное заполнение пустот между крупными фракциями и, следовательно, сокращает расход вяжущего

В качестве дроблёных горных пород наиболее широко используются породы отвалов. Прочность этих пород обычно выше нормативной прочности искусственных закладочных массивов, а гранулометрический состав включает большой объём (40-60%) фракций крупностью менее 40 мм, которые могут быть сразу использованы для приготовления закладочных материалов без дополнительного дробления. Очень важно, чтобы они не были склонны к самовозгоранию и не содержали большого количества глины (не более 20%).

Хвосты обогатительных фабрик содержат различные минералы (кварц, полевой шпат и др.) и состоят из частиц размером от 0,1 до 2,0 мм. Перед смешиванием с другими компонентами их обезвоживают и отделяют от флотореагентов. Шлаки металлургических заводов могут применяться в смеси с песком и дроблеными породами.

Для закладочных материалов прочностью от 1,0 до 5,0 МПа соотношение между цементом и инертным заполнителем, соответственно изменяется от 1:30 до 1:5.

На калийных предприятиях в качестве схватывающейся закладки могут широко использоваться галитовые отходы. Они содержат NaCl (95-96%), КCl (2,0-2,7%), нерастворимый остаток (1-2%) и некоторые другие примеси (в долях процента). Крупность входящих в закладочный материал компонентов составляет 0,075-1,0 мм, плотность отходов – 2.5 т/м³, прочность на сжатие - 2-5 МПа. Искусственный массив из галитовых отходов при надёжном подбучивании кровли камер может служить надежным средством поддержания вышележащих пород.