CC BY
23/
ж3* гГ" I
Иван Валериевич Штауб,
заведующий лабораторией технологий закладки
Института «Якутнипроалмаз» АК «АЛРОСА» (ЗАО).
Более 50 лет осуществляется добыча алмазов на коренных месторождениях кимберлитовых трубок Западной Якутии. На начальном этапе их отработку вели открытым способом при благоприятных горно-технических условиях, высокой устойчивости бортов и уступов карьеров, сложенных многолетнемёрз-лыми горными породами. Наличие мощного горно-транспортного оборудования и значительная потребность страны в ценном минеральном сырье предопределили высокую интенсивность открытой разработки кимберлитовых трубок, в результате чего отечественная промышленность в течение многих лет обеспечивает около 25% мирового уровня добычи сырых алмазов.
Вследствие высокой интенсивности открытых горных работ в основных карьерах в относительно
а
И. В. Штауб
короткий срок были достигнуты предельные глубины - 300 - 500 м и более. При этом значительно ухудшились горно-геологические и гидрогеологические условия отработки, участились случаи простоев карьеров из-за загазованности, обострились проблемы транспорта и водоотлива. В связи с этим возник вопрос строительства и ввода в эксплуатацию подземных рудников на месторождениях Мирнинского, Айхальско-го и Удачнинского ГОКов [1].
На подземных рудниках «Интернациональный», «Мир» и «Айхал» было решено добывать руду системой разработки с закладкой выработанного пространства с нисходящим порядком выемки. На выбор этого решения повлияли многие факторы, а именно: высокое содержание алмазов в добываемом сырье, их ценность, сложные горно-геологические
На фото вверху - закладочный комплекс рудника «Мир»
условия, слабоустойчивые обнажения кимберлитовой руды, необходимость обеспечения полноты извлечения полезного ископаемого, быстрое и безопасное продвижение фронта работ.
В процессе отработки кимберлитовых трубок по вертикали в нисходящем порядке и закладки выработанного пространства формируются разрезные, рядовые и стыковочные слои (рис. 1) [2, 3, 4]. Нисходящий порядок выемки приводит к незначительному увеличению затрат на повышение прочности несущего слоя закладки, но при этом обеспечивается безопасность работ и максимальная производительность комбайновых комплексов.
- РУДа
- закладка
Рис. 1. Схема развития закладочных работ по мере отработки (а, б, в) кимберлитовой трубки по вертикали: 1 - разрезной слой, 2 - рядовой, 3 - стыковочный
Закладочную смесь размещают в закладываемой ленте свободным растеканием по почве по мере её поступления, для чего выработка проходится под углом 3 - 4О. Для формирования упроченных слоев закладки в лентах предусмотрено сооружение промежуточных перемычек.
При разработке технологии производства закладочных работ для рудников Якутии лабораторией технологий закладки института «Якутнипроалмаз» АК «АЛРОСА» были учтены условия формирования закладочного массива в выработке, наличие трубопроводного транспорта, строительных и расходных материалов в непосредственной близости от объекта (рис. 2, 3, 4) [4].
Искусственные массивы на рудниках возводят путем заполнения выработанного пространства закладочными смесями, способными превращаться в монолит, заранее установленной
прочности в срок от нескольких дней до 6 месяцев и более. В состав закладочной смеси входят вяжущие вещества, различные по крупности инертные заполнители, вода и активизирующие и пластифицирующие добавки.
В настоящее время для производства закладочных работ на рудниках АК «АЛРОСА» используют привозной портландцемент, который поставляют раз в год, в период навигации по р. Лене. В процессе транспортировки и длительного хранения происходит частичная гидратация и слёживаемость цемента, что существенно увеличивает себестоимость производства закладочных работ
Потери цемента из-за частичной гидратации при производстве закладочных смесей на рудниках «Интернациональный» и «Мир» предусмотрено
I_ исключить после запуска
в эксплуатацию помольного отделения закладочного комплекса рудника «Мир». Отличительной особенностью вводимой технологии производства закладки на подземном руднике «Мир» является использование в качестве основного вяжущего компонента не портландцемента, а молотого цементного клинкера - продукта обжига до спекания тонкодисперсной однородной сырьевой смеси, состоящей из известняка и глины или некоторых других материалов (мергеля, доменного шлака и т.д.).
Цементный клинкер представляет собой спёкшиеся гранулы, что предопределяет возможность его длительного хранения без потери гидравлических свойств.
ВЯЖУЩИЕ КОМПОЗИЦИИ
бесклинкерные, на основе негашеной
цементные ■ клинкерные
ЗАПОЛНИ ТЕ ЛИ
малоцементные и малоклинкерные, на основе це о лотовых пород
Диабазовые Щ Известняки+ ^Л Туфовые породы Щ доломиты ^Л породы
Мелкозернистые I Хвосты пески I обогащения
Рис. 2. Разработанные варианты обеспечения подземных рудников закладочными смесями
Рис. 3. Загрузка известняка в печь обжига
Так, на Якутском цементном заводе клинкер хранится в течение года, и ухудшения качества портландцемента, получаемого последующим помолом клинкера, не зафиксировано.
Портландцемент получают путем тонкого помола портланд-цементного клинкера с гипсом. Двуводный гипс добавляют для регулирования сроков схватывания портландцемента в клинкер (1,5 - 3,5%), а также для повышения прочности затвердевшего материала.
Ранее институтом «Якутни-проалмаз» было выявлено, что исключение гипса из состава вяжущего в закладочных смесях способствует сохранению подвижности смеси во времени, т.е. наблюдается противоположное явление: смесь на чистом молотом клинкере твердеет дольше, чем закладочная смесь на портландцементе (молотом клинкере с добавкой гипса). Это объясняется тем, что водоцементное отношение
в традиционных строительных материалах, в основном в бетонах, составляет от 0,3 в жестких смесях до 0,7 в литых особо подвижных бетонных смесях. Дальнейшее увеличение количества воды с целью повышения подвижности бетонной смеси не допускается, так как это сопровождается перерасходом цемента и ухудшением строительно-технических свойств затвердевшего бетона. Специфика же закладочных смесей состоит в том, что для обеспечения необходимой их транспортабельности водоцементное отношение составляет от 1,1 в высокомарочных закладочных смесях до 2,8 в низкомарочных. Высокое водоцементное отношение предполагает наличие излишней, химически не связанной воды. При этом пространство между двумя цементными зёрнами, вызванное раздвижкой цементных зёрен водой, так велико, что оно препятствует гидратации цемента. Поэтому смеси на клинкерном вяжущем не схватываются мгновенно. Отсутствие гипса в клинкерном вяжущем обусловливает менее интенсивное образование зародышей кристаллизации, что обеспечивает, в свою очередь, сохранение подвижности закладочной смеси во времени. Необходимо отметить, что менее интенсивное образование зародышей кристаллизации может понизить прочность затвердевшего материала.
Таким образом, даже без добавки гипса, замедляющего твердение цемента в начальный период, гидратация цементного клинкера при высоких значениях водо-цементного отношения замедляется.
Ранее выполненными научными исследованиями было показано, что в Республике Саха (Якутия) отсутствует традиционное природное сырье (трепелы, опоки, диатомит), которое могло быть использовано в качестве активных минеральных добавок. Это обусловило поиск
Рис. 4. Испытание закладочного массива в условиях подземного рудника «Интернационального» с помощью прочностномера П-1
других природных материалов, пригодных для производства цемента. В этом отношении большой интерес представляют природные цеолиты месторождения «Хонгуруу». В исследованиях возможности использования цеолитового сырья этого месторождения для производства строительных материалов участвовали следующие организации: Якутнипроалмаз, СибНИИ-проектцемент, ЯкутПНИИС, СВФУ, Алтайский ГТУ и др. Установлено, что цеолиты месторождения «Хонгуруу» обладают необходимой активностью и гидравлическими свойствами, поэтому могут быть применены в качестве активной минеральной добавки к цементу.
Кроме экономии клинкера, применение цеолита позволяет улучшить размалываемость цемента (на 12,3% в заводских условиях), снизить истинную и насыпную плотности (на 10 - 15%). Однако следует учитывать, что цеолитовые добавки к цементам повышают их водопотребность с ухудшением некоторых свойств материалов. Добавление оптимальных количеств цеолита в цементы увеличивает время сохранения подвижности, снижает водоотделение, улучшает однородность и подвижность смесей.
Производство закладочных смесей во временном закладочном комплексе рудника «Айхал» в настоящее время осуществляется по временной схеме на основе привозного портландцемента. Предусматривалось по мере готовности постоянного закладочного комплекса к эксплуатации перейти на бесклинкерные закладочные смеси, полностью исключающие потребление самого дорогого компонента в производстве закладочных смесей - привозного портландцемента. Принципиальная технологическая схема производства бесклинкерных закладочных смесей на руднике «Айхал» представлена на рис. 5. Результатами промышленных экспериментов на рудниках «Айхал» и «Учачинский» были подтверждены основные свойства закладочных смесей и массивов на основе обожжённых карбонатных пород (негашёной извести): возможность транспортирования новых смесей по трубопроводу в самотёчном режиме; свободное растекание в выработанном пространстве; отсутствие водоотделения, слоистости и усадки искусственного массива. Последнее свойство особенно важно при нисходящем порядке выемки руды, поскольку исключается необходимость борьбы с недозакладкой, что повышает интенсивность горных работ и обеспечивает их про-
1 -0 45 0
иг иг иг
1 - крытый холодный склад туфа и гипса;
2 - бункерный склад извести;
3 - крытый холодный склад ЛСТ;
4 - шахтная печь;
5 - галерея;
6 - элеваторный участок;
7 - участок помола;
8 - участок переработки туфа и
приготовления закладки;
9 - участок закладочных скважин;
10 - резервный участок цемента
Рис. 5. Технологическая схема производства бесклинкерной закладочной смеси на руднике «Айхал»
мышленную безопасность. Также было установлено интенсивное саморазогревание закладочных массивов в первые три - пять суток твердения и последующее их остывание вследствие теплообменных процессов с горным массивом и шахтным воздухом. Подтверждено определяющее значение температуры на прочность закладочного массива, в результате чего достигается ранняя прочность, формируется разнопрочная, но не слоистая их структура с увеличением механических показателей от периферии к центру. В результате последующих экономических расчётов выявлено, что затраты на возведение новых бесклинкерных закладочных массивов в 2 раза ниже, чем цементных с аналогичной нормативной прочностью [2].
Эффективность использования систем разработки с закладкой выработанного пространства твердеющими смесями определена преимущественно себестоимостью закладочных смесей. Её снижение - главная задача при отработке месторождений системами с закладкой. Основным методом сокращения себестоимости закладки является использование местных материалов и отходов производства при снижении до минимума удельного расхода самого дорогостоящего ингредиента - цемента. Но снижение расхода цемента за счет применения местных вяжущих материалов и минеральных добавок - не единственный способ снижения себестоимости закладочных смесей.
В 2006 - 2008 гг. институтом «Якутнипроалмаз» совместно с учеными, специализирующимися на геомеханических исследованиях (ВНИМИ, г Санкт-Петербург и ОАО «Галургия», г Пермь), предпринята попытка оптимизировать технологию закладочных работ на рудниках АК «АЛРОСА» с позиций геомеханики. Так, ОАО «Галургия» было рекомендовано выработки первой очереди формировать более прочной закладкой, чем выработки второй очереди. Сотрудниками ВНИМИ отмечено, что
наибольшая опасность обрушения, связанная с концентрацией напряжений, возникает в разрезных слоях и при их подработке. Опасность несколько снижается с увеличением мощности (количества слоев) создаваемого искусственного массива, что предопределяет возможность использования менее прочных составов закладки в 4 - 6 слоях, следующих за разрезным.
Имеющиеся выводы и рекомендации со стороны геомехаников пока еще не достаточно выверены, поэтому нуждаются в уточнении. Целесообразно дальнейшими исследованиями активно развивать данное направление, что в перспективе позволит дополнительно сократить стоимость закладочных работ и повысить эффективность управления закладкой горным давлением [4].
Список литературы
1. Ганченко, М. В. Состояние и направления развития подземной добычи алмазов в Западной Якутии / М. В. Ганченко, А. П. Филатов, М. В. Киселев // Горный журнал. - 2005. - № 7.
2. Монтянова, А. Н. Формирование закладочных массивов при разработке алмазных месторождений в криолитозоне / А. Н. Монтянова. - М. : Горная книга, 2005. - 597 с.
3. Монтянова, А. Н. Технологии закладочных работ при подземной разработке месторождений алмазов в криолитозоне Якутии / А. Н. Монтянова, А. И. Ефимов, В. В. Латынин, В. И. Тебякин // Горный журнал. - 2009. - № 6.
4. Монтянова, А. Н. К вопросу оптимизации технологии закладочных работ при комбайновой отработке руды коренных алмазных месторождений / А. Н. Мон-тянова, А. И. Ефимов, Л. Р. Таланцев // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2010. - № 2.
В.Ф. Попов, О.Н. Толстихин Учебное пособие ЭКОЛОГИЯ Попов, В. Ф. Экология: учебное пособие / В. Ф. Попов, О. Н. Толстихин. -Якутск : Изд-во БГУЭП, 2013. - 308 с. В основу учебного пособия положено представление об экологии как о сложной, многогранной и разносторонней науке, базирующейся на достижениях большинства фундаментальных и прикладных наук - естественнонаучного и общественного профиля, направленной на изучение различных аспектов происхождения, функционирования и развития биосферы с целью оптимизации взаимоотношений природы и общества. Предназначено для студентов, аспирантов, а также широкого круга специалистов и людей, интересующихся вопросами экологии.
