Экспериментальные исследования закономерностей формирования льдопородной закладки Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

------------------------------------- © Д.Н. Петров, Г.П. Необутов,

В.И. Слепцов, 2009

УДК 622.273.21:622.271.7(001)

Д.Н. Петров, Г.П. Необутов, В.И. Слепцов

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ ЛЬДОПОРОДНОЙ ЗАКЛАДКИ

~П Якутии технология добычи руды [1] с заменой рудных

-Я-М 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 цементи-

ровать заполнитель. Для упрощения расчетов форма кусков принималась шарообразной. В результате математических преобразований формул для определения объемов получены следующие соотношения и относительное значение объёма пустот:

= 1 -= 1 —^ « 1 -0,6046 « 0,4

пустот у 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.

а) б) в)

А^\/ А^Х7 А\7

-У!

3^7^ А\7\/

А^

&А57 А- е ^_к_-сра V- гг^т7-

\7 4X7

\у~

^\^ /\ —

А^\/ А^Х7 Л^7

V"- - </- <у^\/

1 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

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. 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).

Время, час

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0

-10

0 -12 (Я-14

^-16 Н 5-18 &

£-20

1 -22 Н -24

Рис. 2. Динамика промерзания образца закладочного материала, формируемого намораживанием 5-ти слоев при температуре воздуха -24 СС: 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

Р

го

о.

>,

I-

го

о.

0

С

Время, час 0 1 2 3 4 5 6

Рис. 3. Динамика промерзания цельного (однослойного) льдопородного образца при

температуре воздуха -24 °С: 1 — температура в нижней части образца; 2 — то же, в средней части; 3 — то же, в верхней части

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 вмещающих пород) состоит из не смерзшихся пород (сухая закладочный материал), во втором — закла-

дочный 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. 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. шгЛ

— Коротко об авторах ---------------------------------------------------

Петров Д.Н. - научный сотрудник,

Необутое Г.П. - кандидат технических наук, старший научный сотрудник;

Слепцов В.И. - кандидат технических наук, старший научный сотрудник; E-mail: [email protected]

Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского СО РАН, г. Якутск. Email: [email protected]