CC BY
29
В.И. Слепцов, 2010
УДК 622.273.21:622.271.7(001)
Д.Н. Петров, Г.П. Необутов, В.И. Слепцов
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ ЛЬДОПОРОДНОЙ ЗАКЛАДКИ
В
Якутии технология добычи руды [1] с заменой рудных целиков на искусственные из ’льдопороды с использованием переносного оборудования, разработанная Институтом горного дела Севера СО РАН им. Н.В.Черского, в промышленных масштабах применяется на месторождении Бадран с весьма ценными золотосодержащими рудами, где значительно улучшены показатели извлечения руды.
Анализ результатов НИР по созданию технологии с льдопородной закладкой показал, что недостаточно изучены вопросы формирования льдопородного закладочного материала, сложенного из двух компонентов (льда и горной породы), изменения его прочностных характеристик в зависимости от конструктивных особенностей закладочного массива и термовлажностного его состояния.
Один из основных классификационных показателей смерзшегося закладочного материала — криогенная текстура, формирующаяся в зависимости от условий промерзания, главным образом — от значений температурных и влажностных градиентов. Исследования [2] характера деформирования льдопородного массива показали, что его криогенная текстура определяется формой, размерами и расположением ледяных включений.
В предоставляемой статье приведены результаты лабораторных исследований структурных особенностей формирования льдопородного материала в зависимости от термовлажностных условий его образования.
Проведению экспериментальных работ предшествовало определение объема пустот между кусками закладываемых пород, которые должны заполняться водой и при промораживании цементировать заполнитель. Для упрощения расчетов форма кусков принималась шарообразной. В результате математических преобразований формул для определения объемов получены следующие соотношения и относительное значение объёма пустот:
V д я V = 1 —пород = 1----= * 1 - 0,6046 * 0,4
' пустот * V з 3 .
Исследования проводили по методике, разработанной на основе анализа опыта проведения аналогичных исследований, и с учетом основных теоретических положений механики мерзлых пород, на кубических образцах льдопороды, получаемых: в первом случае — путём промораживания цельного породного кубика и во втором случае — намораживанием 5-ти слоев пород.
Дроблёная порода (алевролит месторождения Бадран), использовавшаяся для изготовления образцов, по гранулометрическому составу была представлена следующими фракциями:
5 мм 25-30 %
5-10 мм 40-45 %
10-15 мм 15-20 %
15 мм 5-10 %.
Льдопородные образцы формировали следующим образом. Для создания пятислойной льдопородной конструкции охлажденный породный материал засыпали в металлические разборные формы с внутренними размерами 150*150x150 мм слоями по 30 мм. Каждый слой равномерно заполняли водой, охлажденной до температуры +5 °С, и подвергали проморозке при различных в каждом эксперименте температурах: -5 °С — в первом эксперименте; -20 °С — во втором; -24 °С — в третьем. После полного промерзания предыдущего слоя операция повторялась до полного заполнения формы. Температуру динамики промерзания образцов льдопороды контролировали показаниями термодатчиков, вставленных в засыпаемые слои.
Для создания цельной льдопородной конструкции засыпали породным материалом всю кубическую форму и промораживали её в аналогичных вышеприведенным термовлажностных условиях. Анализ режимов формирования закладочного льдопородного материала, процессов
распределения заливаемой воды и смерзания закладываемых пород в зависимости от их температурного режима и температуры промораживания показал следующие результаты, а) б) в)
3 ^ V ^ ^ V а ^
4^ А4у ^ ^А Ау А А^
~-Х7
Л\7\/ А^Хі Лъ
-^7-~А~-У
------ 1 |^~Ы 2 1^=--г-=| 3
Рис. 1. Изменение структуры льдопородного материала в зависимости от температуры промораживания: а) -5
°С; б) -24 °С; в) -20 °С. Обозначения: 1 — границы слоев; 2 — прослои не смерзшихся пород; 3 — монолитный льдопородный материал
Если температура промораживания составляет минус 5 °С, температура воды плюс 5 °С, а её количественное соотношение 20 % от общего объема образца, тогда вода в процессе кристаллизации цементирует нижнюю часть закладочных слоев (рис. 1, а) как в послойно закладываемом образце, так и в образуемом цельном льдопородном материале.
Если температура окружающего воздуха составляет -24 °С, а параметры проведения экспериментов аналогичны вышеприведённым, тогда в пятислойной конструкции вода замерзает на поверхности каждого слоя и цементирует 1/3 его мощности (рис. 1, б), а в цельной конструкции основной объем воды замерзает, не проникая вглубь образца и цементируя лишь 1/5 приповерхностной части.
Если температура промораживания -20 °С, тогда вода в процессе кристаллизации цементирует весь закладочный материал пятислойной конструкции (рис. 1, в).
Исследованиями также выявлено, что при температуре воздуха -5 °С процесс промораживания льдопороды значительно продолжительнее, чем при температуре воздуха -24 °С, но в первом случае приповерхностная часть (в реальных условиях ведения закладочных работ — это контакт с массивом
Время, час
0,0 0£ 1,0 1,& 2,0 2£ 3,0 4,0 4£ 5,0 6,0
Рис. 2. Динамика промерзания образца закладочного материала, формируемого намораживанием 5-ти слоев при температуре воздуха -24 °С. Обозначения: 1 — показания термодатчика в первом (нижнем) слое; 2 — то же, во втором слое; 3 — то же, в третьем слое; 4 — то же, в четвертом слое; 5 — то же, в пятом (верхнем) слое
вмещающих пород) состоит из не смерзшихся пород (сухая закладочный материал), во втором — закладочный массив представляет собой каркас из льдопородных корок, приповерхностная часть которого состоит из монолитного льдопородного материала.
На рис. 2 и 3 приведены кривые, характеризующие динамику промерзания определенных участков, соответственно, — образца закладочного материала, сформированного намораживанием 5-ти слоев пород, и цельного образца закладочного материала при температуре -24 °С. Как видно
из приведенных графиков, в процессе наполнения водой каждого последующего слоя пород происходит некоторое растепление предыдущего слоя и только через определенный промежуток времени происходит равномерное промораживание всех слоев.
Таким образом, выявлены закономерности и характерные особенности процессов формирования льдопородного закладочного массива в зависимости от термовлажностных условий его возведения и конструкции (количества намораживаемых слоев), необходимые для оптимизации параметров технологического процесса промораживания в конкретных условиях ведения горных работ.
Время, час 0 1 2 3 4 5 6
Рис. 3. Динамика промерзания цельного (однослойного) льдопородного образца при температуре воздуха -24 °С. Обозначения: 1 — температура в нижней части образца; 2 — то же, в средней части; 3 — то же, в верхней части
Полученные результаты позволят обеспечить выбор рационального способа возведения закладочного массива и управление горными работами с использованием льдопородной закладки.
--------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Необутов Г.П. Разработка рудных месторождений с использованием замораживаемой закладки в условиях многолетней мерзлоты / Г.П. Необутов, В.Г. Гринев. - Якутск: ЯНЦ СО РАН, 1997. - 104 с.
2. Катков Г.А. Характер деформирования льдопородного массива при подземной разработке месторождений в криолитозоне / Г.А.Катков //Горн, информ.-аналит. бюллетень. - 2005. - № 2. - С. 226 - 228. Iiirj=i
— Коротко об авторах ------------------------------------------------------
Петров Д.Н. - научный сотрудник,
Необутов Г.П. - кандидат технических наук, старший научный сотрудник;
Слепцов В.И. - кан дидат технических наук, старший научный сотрудник; E-mail: [email protected] Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского СО РАН, г. Якутск., E-mail: [email protected]
