CC BY
110
© К.С. Вертячих, А.М. Хакурате, 2002
УДК 622.
К.С. Вертячих, А.М. Хакурате
АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЗАКЛАДКИ В ЗАРУБЕЖНОЙ И ОТЕЧЕСТВЕННОЙ ПРАКТИКЕ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКИ РУД
сторически сложилось, что разработку месторождений с закладкой осуществляли в первую очередь для улучшения показателей извлечения и качества руды и, гораздо реже - как способ управления горным давлением. Жизнь вносит свои коррективы. В современных условиях закладку рассматривают еще и как способ защиты окружающей среды от техногенного воздействия подземных горных работ. На Западе закладку применяют давно и довольно широко, и если учесть присущий западной технологии прагматизм, стоит задуматься над тем, что и в отечественных условиях возможно реализовать прогрессивный опыт.
Опираясь на современный зарубежный опыт, надо отметить такое событие, как Канадский Симпозиум по Геомеханике
Закладка - повсеместно чрезвычайно важный компонент процессов подземных горных работ. Здесь приводится краткий обзор текущего приложения систем разработки месторождений с закладочной технологией, фокусируясь, в основном, на Австралийских разработках. В контексте этой конференции, захоронение хвостов обогащения в подземном пространстве шахты не только уменьшает влияние на окружающую среду но обеспечивает базу инженерного решения, которое может использовать-
Ися, чтобы улучшить как условия поверхности, так и экономику горного производства.
Тщательно спроектированные и эффективно внедренные системы с закладкой могут значительно повысить производительность процессов горного производства. Контрастом, плохо спроектированная и неправильно исполненная закладка может быть серьезной помехой в руднике и, наихудшее - привести к снижению безопасности.
Австралийскими и канадскими исследователями описано, как закладка воздействует на ведение горных работ, ее применяемые типы и системы разра-
ботки, которые используют ее, методы выбора предпочтительного типа закладки и отдельных проблем и возможностей, которые возникают в процессе выбора. Обсуждался каждый тип закладки по порядку, начиная с гидравлической. Понятие отходов горного производства расширится, чтобы включить в себя и пустые породы для того, чтобы охватить такие важные системы разработки, как закладка пустыми породами, которые используются в больших подземных рудниках. Затем будет описана пастообразная закладка, которая является новинкой для Австралии.
Использованы следующие термины:
- Гидравлическая закладка - обес-шламленные хвосты обогащения, их жидкие растворы, с плотностями свыше над 70%С%г (твердые вещества по весу). Более грубые фракции располагаются в подземном пространстве, тогда как шламы остаются в наземных отстойниках.
- Закладка общими хвостами обогащения, или Пастообразная, фильтруется или сгущается до 80%С'«г, затем добавляется цемент и вода, чтобы достигнуть необходимых реологических и прочностных характеристик.
- Закладка пустой породой с поверхности либо из горных выработок, дробленная в типичный максимальный размер около 40 мм. Это может быть совмещено как с жидким раствором цементирующейся гидравлической закладки или жидкого раствора цемента водой.
Что такое закладка?
Понятие «закладка» имеет отношение к любому материалу, пустой породе, которые размещаются в подземных пустотах (вырабо-танном пространстве) с целью или захоронения или несения каких-либо конструктивных функций. Используемые материалы отходов горного производства включают: пустую породу, отбитую при проходке, обесшламлен-ные и общие хвосты обогащения, поверхностные (добытые), а также наносы
или эольский песок. Другие экзотические типы закладки, используемые за рубежом - лед и соль.
Материалы пустой породы часто скрепляются очень тощим цементом или другими связующими, чтобы улучшить прочностные свойства. Способы доставки закладки, основанные на гравитации используются для жидкого раствора, основанного на системе с плотным жидким раствором хвостов, поставляемым по трубам в точку расположения в выработанном пространстве. Доставка по трубам может осуществляться при низком давлении (менее чем 1МПа), турбулентным потоком (для обесшламленных хвостов), или при высоком давлении (больше, чем 5MPa) ламинарным потоком - для пастообразной закладки.
Иногда закладка бывает частичной, и нужна прочность достаточная только чтобы предотвратить любую форму сдвижения. Там же, где закладка использована как конструкционный материал, она требует, достаточной прочности, чтобы поддерживать рудные целики на высоких вертикальных поверхностях или при их выемке. Добавка «тощего» цемента используется, чтобы сгенерировать неограниченные сжимающие силы, колеблющиеся от 0.5 до 4 МПа.
Другое существенное требование -закладка должна быть низкого уровня стоимости. Типичные цены закладки колеблются от $2 до $20 за м3, в зависимости от требуемой нагрузки. Эти издержки могут составлять значительную часть в эксплуатационных расходах шахты. Там, где использована твердеющая закладка, эти издержки стремятся быть между 10 и 20% общих эксплуатационных расходов шахты и цемент представляет вплоть до 75%, из этой стоимости.
Почему именно закладка?
Закладка имеет типичный низкий модуль упругости около 500 МПа и как правило на один-два порядка менее упругая, чем вмещающие породы. Цель закладки не - передавать напряжения скалы, а уменьшать релаксацию массы пород, таким образом, сами породы сохранят нагрузку, несущую способность и улучшит распределение нагрузки, связав целики и примыкающие пролеты (Barrett et al, 1978). Это приводит к меньшим подвижкам земной поверхности в границах шахтного поля, улучшая процессы и безопасность.
Добавляя в малых количествах обычные портландцементы (ОПЦ) -около 3% - 6% по весу, можно добиться сплоченной прочности и способности закладочного массива поддерживать себя, когда он сжимается в вертикальной плоскости рудным столбом. Самопод-держивающее свойство закладки позволяет поддерживать более высокий столб руды, которая в свою очередь улучшает использование ресурсов недр и экономику процессов добычи. Повышение использования запасов приводит к более долгим срокам эксплуатации шахты.
В некоторые системах разработки закладка формирует рабочую платформу для людей и оборудования и следовательно, должна быть способной поддержать движение. Обычно, в этом случае, цемент не требуется. Размещение закладки в недрах непосредственно уменьшает впоследствии количество, расположенное на поверхности. Это приводит к снижению эксплуатационных и капитальных затрат, и снижает последующие издержки на рекультивацию
Nantel (1998) Родоначальник возникновения направления в Канаде, где будущие условия, с точки зрения окружающей среды, для подземных шахт потребуют возврата максимального количества извлеченной пустой породы в подземные выработки. Это направление достигло логического предела в последней Федеральной Государственной рекомендации, одобряющей выбор для предлагаемого Jabiluka Mine (или JMA) где все отходы горного производства потребовалось бы разместить под землей.
Системы разработки, использующие закладку
Раньше системы разработок оставляли открытое выработанное пространство после того, как руда была добыта, или разрешали обрушение вмещающих пород. Методы с обрушением часто заканчивались поверхностным проседанием. Временная и постоянная крепь не могла поддерживать выработки больших размеров, а это богатая история горного дела в WHX столетиях, когда использовалась только деревянную крепь. Одна Из самых ранних записей о применении закладки в Австралии как отдельной техники была размещением агрегата из пустой свинцовой породы на Mount Isa в 1933 г. подававшейся непосредственно с фабрики конвейером в квадратные деревянные срубы. Это бы-
ло сделано как для целей захоронения так и для стабилизации рабочей области, обеспечивая улучшенную платформу.
Системы разработки с выемкой и последующей закладкой развивались, используя гидравлическую и сыпучую закладку. Жидкие Растворы хвостов обесшламливались и уплотнялись, чтобы достигнуть разумной проницаемости и минимизировать воду, которую надо дренировать. Наполнитель должен обеспечить достаточно прочную поверхность, чтобы людям пройти по ней через несколько часов, и для оборудования, чтобы была возможность возобновить работы в течение дня или около того. В некоторых шахтах, цемент был обычно добавлен, чтобы улучшить связность но это привело к значительной дополнительной стоимости. Пустая порода и другие отходы шахты обычно располагались в выработанном пространстве.
В никелевой шахте Black Swan в Западной Австралии, слой тонкого и уплотненного песок укладывается на породную насыпь чтобы задействовать рабочий горизонт и предотвратить потери высокосортной никелевой руды в закладке (McGurk & Lock, 1998 ). В Золотом Прииске Henty в Тасмании в выработанном пространстве используется пастообразная закладка (Henderson et al, 1998).
Выводы
Закладка - чрезвычайно важный компонент подземной разработки. Так как шахты становятся более глубоким, потребность в улучшенном управлении горным давлением, сохранением целостности поверхности Земли, максимальном использовании ресурсов, увеличении безопасности и эффективности разработки. Общее управление размещением отходов на месте заложения шахты должно закладываться в ее проект. Соображения охраны окружающей среды показывают, что, улучшая управление отходами можно выиграть от увеличения эффективности процессов горных работ. Необходимо, чтобы предшествующее планирование окончания эксплуатации предполагало восстановление, как часть начального плана шахты. Системы разработки с закладкой помогают горнодобывающим компаниям достигать многих этих целей. Закладка минимизирует общие количества отходов, размещаемых на поверхности. Отходы используются для увеличения ус-
тойчивости и прочностных свойств выработанного пространства и, таким образом, улучшают безопасность горных работ и экономику предприятия.
Системы с закладкой в России и странах СНГ
В отечественной практике просто необходимо использовать передовой зарубежный опыт, так как новые экономические условия предполагают проведение параллелей между экономикой российских и зарубежных горных предприятий
Например, для оценки пригодности хвостов обогащения фабрики № 2 комбината «КМАруда» в качестве материала для закладки пустот на шахте им. Губкина, НИИКМА проведены исследования ситового состава, воднофизических характеристик этих хвостов и влияние на них динамического воздействия массовых взрывов. Эти исследования показали, что в ситовом составе хвостов фабрики № 2 распределение частиц по крупности составляет фракции 0,4 мм 3,07%; фракции 0,2 мм— 5,29%; фракции 0,1 мм 11,03%; фракции 0,074 мм—11,44%; фракции 0,074 мм - 69,15 мм. Следовательно, хвосты фабрики № 2 представляют тонкоиз-мельченный материал с преобладающим содержанием фракции 0,074 мм, вполне пригодный для закладки. В связи с этим были исследованы воднофизические характеристики этих хвостов на лабораторной установке размерами Ь х 1х h = 55х55х150см. Все исследования хвостов проводили при соотношении в пульпе твердой фазы (Т) к жидкой (Ж), равном (Т:Ж) = 60:40.
Были установлены следующие водно-физические характеристики хвостов обогащения фабрики № 2 комбината «КМАруда»: плотность—2,1 г/см3 водоотдача (относи-тельная)-72%: коэффициент пористости — 0,65-0,71; скорость фильтрации — 48-51 мм/ч; усадка—4-5 %, количество шлама в осветленной во-де--450-500 мг/л.
Исследования показали, что по водно-физическим характеристикам хвосты обогащения (необес-шламленные) могут быть использованы для закладки, при этом выявлены небольшая усадка (до 5%) и хорошая водоотдача. Это дало основание при проектировании закладочных работ рекомендовать отводить осветленную воду не за счет фильтрации через уложенный массив, а из накапливаемого на поверхности закладочного массива прудка через систему специ-
альных скважин или иных средств. Изучение водно-физических свойств не-обесшламленных хвостов обогащения показало их высокую скорость осаждения: в 2—2,5 раза выше, чем для хвостов полиметаллических руд аналогичного ситового состава. Последнее объясняется различием минералогического состава. Так, содержание железа в хвостах обогащения фабрики № 2 составляет в среднем 12%. При этом железистые минералы размещаются главным образом в тонкой фракции. Большая же плотность тонких частиц хвостов способствует быстрому и полному осаждению твердого компонента в закладочной смеси, что обусловливается снижением количества выносимого заполнителя для твердеющей закладки.
Кроме того, на шахте им. Губкина проведены исследования, целью которых было изучить влияние динамического воздействия массовых взрывов на изменение водно-физических характеристик формируемого закладочного массива. В шахту были доставлены рядовые, необесшламленные хвосты обогатительной фабрики № 2, Исследования проводились в штреке 19/У1 на горизонте —71 м в деревянной модели, одной стенкой которой служил междукамерный целик (камера 18 / VI) толщиной 20 м.
Примыкание массива закладки к рудному целику способствовало лучшей передаче динамического воздействия взрыва на искусственный массив. Размеры модели: длина 2,25 м, ширина 1,35 м, высота 1,1 м.
Для оценки пригодности необес-шламленных хвостов обогащения определяли изменения плотности, пористости, слеживаемости, степени усадки закладочного массива от воздействия массовых взрывов в действующей камере 18/У1. Пористость определялась по формуле:
П = (1- рск.з/р) х 100%. где р - плотность хвостов, т/м3; рск.з. -плотность скелета, т/м3 равная рз/(1 +0,01 W); рз—плотность закладочного массива, т/м3; W,—влажность закладочного массива, %.
Коэффициент пористости определяли из выражения е = п /(100-п).
Закладочный массив под воздействием взрывной волны уплотняется, хотя степень уплотнения незначительна и составляет 2-5%. В связи с этим пористость массива уменьшается. Усадка со-
ставляет 2-4%. За время эксперимента прорывов закладки через перемычку не наблюдалось. По окончании эксперимента торцевые стенки модели были сняты, на заложенных площадях закладочного массива не было обнаружено каких-либо нарушений (вывалов).
Изучение изменения влажности массива закладки при воздействии взрывов, проведенное НИИКМА совместно с комбинатом «КМАруда», показало, что влажность массива закладки при этом изменяется несущественно (1-3%). В целом влажность массива закладки не превышала 15-25%. что не вызвало текучести закладки по трещинам в целиках и через фильтрующие перемычки.
Таким образом была доказана целесообразность использования необес-шламленных хвостов обогащения для закладки (гидравли-ческой и твердеющей). Для проверки разработанной технологии закладки камер на шахте им. Губкина институтом «Южгипроруда» составлен проект опытной закладки отработанных камер. Подача закладки предусмотрена через скважину диаметром 426 мм. Производительность закладочной установки по сгущенной пульпе 50 м3/ч с соотношением (Т:Ж) = (60:40). Закладка производится слоями. Удаление воды из камеры - через специально пробуренные скважины, Реализация проекта позволит решить вопрос о сокрушении потерь кварцитов, оставляемых в виде междукамерных и между панельных целиков, а также существенно снизить объем поверхностного хво-стохранилища.
Перспективность применения системы разработки с закладкой выработанного пространства при добыче железистых кварцитов подземным способом подтверждается результатами проектных проработок, выполненных Цептро-гипрорудой для условий Коробковского месторождения КМА. Рассмотрим некоторые из них.
Вариант 1 - отработка всех залежей месторождения этажно-камерной системой с параметрами очистных работ, принятыми в настоящее время на шахте им. Губкина в этаже -65-125 м.
Вариант II—отработка запасов в этаже -65--125 м этажно-камерной системой существующих параметров с выемкой междукамерных и междупанель-ных таликов и закладкой выработанного пространства на флангах северовосточного участка Главной залежи, на Восточной и Сретенской залежах; на
всех остальных участках без выемки целиков и закладки очистного пространства.
Для формирования закладочною массива в проекте предполагается применить состав, рекомендованный НИ-ИКМА (в расчете на 1 м3 закладки): хвосты обогащения всех фракций обез-воженные—1400 кг; доменный шлак— 700 кг; портландцемент М400-50 кг. Закладочная смесь приготавливается на поверхности, подается в шахту по двум трубопроводам и специальную распределительную камеру на гор. 65 м и далее разводится по трубопроводам к месту работ. Сравнение техникоэкономических показателей по рассмотренным вариантам показывает, что применение при отработке Коробков-ского месторождения системы с закладкой позволяет существенно снизить потери полезного ископаемого в недрах и затраты на складирование хвостов обогащения на поверхности» увеличить срок существования шахты, причем при достаточном уровне рентабельности.
Технико-экономические показатели подземной разработки Коробковского месторождения шахтой им. Губкина приведены в таблице.
Как видим из сравнительной таблицы, в общем показатели по второму варианту выше, хотя рентабельность меньше. Но помимо прямых экономических показателей, существуют косвенные, которые незаслуженно обходят стороной проектировщики, чиновники, кредитодатели и руководители горных предприятий. Ведь только одно увеличение срока эксплуатации шахты решает ряд социальных проблем - остаются рабочие места, которые с ликвидацией предприятия были бы сокращены, не нужно строить новый рудник, на новом месте, строить рабочий поселок, сохраняется вся социальная инфраструктура. Себестоимость добычи - возрастает, но в то же время -решается проблема охраны окружающей среды - строительство хвосто-хранилищ, размещение отвалов пустых пород на сельскохозяйственных землях, обрушение поверхности, которое неизбежно при отсутствии закладки и обводненном грунте, попадание рудничных вод в водоемы. С точки зрения эффективности капитальных затрат (в частности - на проведение вскрывающих и подготовительных выработок) выходит, что они окупаются в боль-
Сравниваемые варианты 1 2
Проектная производительность предприятия, тыс т/год по сырой руде 5200 5200
по товарной руде (концентрат) 2233,8 2233,8
извлекаемые запасы руды, тыс. т 114,26 189,510
Срок Существования шахты после реконструкции, лет 18 32
Балансовые запасы руды в блоке, тыс. т 882,2 882,2
Извлекаемые запасы руды в блоке, тыс. т 310.7 718,7
Коэффициент извлечения, % 31,33 . 77,63
0бъем подготовительных и нарезных выработок в блоке на 1000 т извлекаемых 27,42 23,52
запасов, м3
Объем закладочных работ, тыс. м3/год - 2228
Затраты на ведение закладочных работ, тыс. руб/г (в ценах 1988 г.) - 5518,112823,63
В том числе на материалы -
Объем хвостов обогащения, который необходимо складировать в поверхностные 37.5 29,9
хвостохранилища, млн м3
Капитальные затраты на промышленное строительство, млн руб 73,14 79,24
в том числе на закладочный комплекс 6,10
Себестоимость добычи 1 т руды, руб. 2,05 3,11
Себестоимость 1 т концентрата, руб. 10,22 12,21
Прибыль предприятия, млн руб.: за расчетный год 14,95 10,50
за весь период эксплуатации 224,59 394,52
Уровень рентабельности, %. 12,2 8,1
шей мере при увеличении их срока эксплуатации и извлечения полезного ископаемого.
Возникает вопрос: если при всех «за» и против решающим может стать экономически приемлемый состав и технологически обоснованная прочность закладочного материала, то почему бы не использовать уже опубликованный опыт зарубежных коллег, естественно, адаптированный на российской почве. Основным направлением исследований может стать поиск способов удешевления закладки, как за счет применения новых составов (с меньшим содержанием цемента), так и за счет грамотной финансовой политики горнодобывающих предприятий.
Экономический, социальный и экологический факторы в равной мере должны учитываться для самого существования общества и требуют соответствующих затрат и определенной организации любого производства, ведущегося на нормативно-правовой основе, обеспечивающей интересы и безопасность населения государства.
Образованные в результате подземной разработки месторождений пустоты
могут быть использованы в следующих целях:
- закладка пустыми горными породами и хвостами обогатительных фабрик с целью их утилизации и снижения отрицательного воздействия на поверхностную окружающую среду;
- предохранение земной поверхности от оседания, образования воронок;
- использование подземных пустот для хранения продуктов, материалов, и т.д.
Применение технологии с последующей закладкой выработанного очистного пространства имеет (в основной части) двойное влияние на охрану окружающей среды:
- сохранение в целости земной поверхности;
- возможность утилизации пустых (часто содержащих вредные химические элементы) горных пород, радиоактивных материалов.
В горной промышленности малоотходная технология представляет собой комплекс технологических, административно - организационных мероприятий, направленных на обеспечение максимального и комплексного использования всех горных пород, поднимаемых на по-
верхность в результате разработки месторождения полезного ископаемого.
Заключение.
Применение повторной отработки при комплексном подходе к проблеме вообще решает ряд сложных взаимосвязанных задач.
Экстенсивное развитие горного производства ведет к расширению площади участков месторождений, повышенным затратам (капитальным вложениям), снижению производительности труда (даже при увеличении объема добычи полезного ископаемого).
По сравнению с экстенсивным, интенсивный способ развития дает возможность в определенной степени снизить отрицательное воздействие на природную среду.
Оценка влияния интенсификации основных производственных процессов за счет использования внутренних резервов производства, применение новейшей техники производится на основе показателей интенсивности эксплуатации месторождений путем выделения интенсивной и экстенсивной составляющих изменения горных возможностей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Подземная разработка Железистых кварцитов. Г.М. Бабаянц, Л.К. Вертлейб, Н.Я. Журин и др. - М.: Недра.
2. Геология, гидрогеология и железные руды бассейна Курской магнитной аномалии.- М.: Недра 1970.
3. Моделирование проявлений горного давления. Г.Н. Кузнецов, М.Н. Будько и др., - Л.: Недра, 1968.
4. Barrett, JR, Coulthard, МЛ and Dight, PM. (1978) Determination of Fill Stability, Mining with Backfill, 12th Canadian Rock Mechanics Symposium, CIM Special Volume 19, Sudbury, Ontario May 23-25, 1978 Перевод - 2002г., Москва.
5. Nantel, J (1998) Recent Developments and Trends in Backfill Practices in Canada, Minefill 98, AusIMM, April 14-16 1998, Brisbane Перевод - 2002г., Москва.
«НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА-2002» СЕМИНАР № 7
6. Bloss, ML (1996) Evolution of Cemented Rock Fill at Mount Isa 8. BFP (1997) Improved Recovery in Highwall Mining Using Backfill,
Mines Limited, Mineral Resources Engineering, Vol. 5, No. 1 (1996), 23- ACARP Project C3052, Australian Coal Research Limited.
43, Imperial College Press.
7. Palarski, J (1993) The Use of Fly-ash, Tailings, Rock and Binding agents as Consolidated Backfill for Coal Mines, Minefill 93, SAIMM,
Johannesburg 1993.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Хакурате А.М. — доцент, кандидат технических наук, Московский государственный горный университет.
Вертячих К. С. — аспирант кафедры «Технологии, организации и комплексной механизации подземной разработки руд».
