CC BY
34
© С.Г. Лейзерович, А.Х. Усков, В.Н. Ельников, 2004
УДК 622.5
С.Г. Лейзерович, А.Х. Усков, В.Н. Ельников
ИССЛЕДОВАНИЕ КОНСОЛИДАЦИИ И ОСУШЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ИСКУССТВЕННЫХ МАССИВОВ ИЗ ОТХОДОВ ОБОГАЩЕНИЯ НА ЗАВЕРШАЮЩЕЙ СТАДИИ ПРОМЫШЛЕННОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
Семинар № 11
¥ Ш а шахте им. Губкина ОАО «Комбинат
И КМАруда» в 2002 г. успешно завершен комплекс научно-исследовательс-ких и опытно-экспериментальных работ по размещению в подземном выработанном пространстве отходов горно-обогатитель-ного производства (текущих хвостов обогащения) в количестве 120 тыс. т (сухой вес). Основные технические и экономические показатели приведены в статье1. Последний этап исследований включал изучение процессов осушения и консолидации сформированных подземных искусственных массивов, расположенных в отработанных камерах 14/9 и 14/10 с общим объемом 75,5 тыс. м3.
Конечный этап осушения характеризовался удалением из массива гравитационной воды через дренажные коллекторы водоизолирующих перемычек и уплотнением заскладирован-ного материала. Наблюдения за истечением осветленной воды из опытных камер через дренажные коллекторы перемычек №№1-3 показали, что на завершающей стадии осушения имело место планомерное снижение производительности коллекторов (рис. 1), которая за исследуемый период изменялась в диапазонах:
- перемычка №1 - 0,1-0,04 м3/час (в 2,5 раза);
- перемычка №2 - 0,06-0,02 м3/час (в 3,0 раза);
- перемычка №3 - 0,05-0,03 м3/час (в 1,7 раза).
Различие в производительности объясняется разным качеством фильтрующих устройств по перемычкам.
Как видно из диаграммы, суммарный дебит
1Подземное складирование хвостов обогащения в
условиях шахты им.Губкина. В.К. Томаев,
В.Н.Гльников, С.Г.Лейзерович, А.Х. Усков. Горный журнал №9, 2001, с.45-49.
трех коллекторов на конец года не превышает 0,09 м3/час, или 2,2 м3/сутки. При этом следует учитывать естественный приток воды в камеры, который перед началом экспериментальных работ составлял 0,05 м3/час (1,2 м3/сутки). Анализ диаграммы говорит еще и о том, что:
- уровень воды между перемычками №3 и №2 разъединился, о чем свидетельствует существенное снижение производительности коллектора №2;
- суммарный дебит дренажей приближается к величине естественного притока воды
в камеры, хотя и превышает его пока на 0,04 м3/час;
- имеет место значительное снижение гравитационного уровня;
- наступило выравнивание объемов дренируемой воды по камерам 14/9 и 14/10 (коллекторы №2 и №3 расположены под кам.14/10, а коллектор №1 - под кам.14/9).
Контроль уровней гравитационной воды в заперемыченном пространстве (в искусственных массивах) осуществлялся с помощью пьезотрубок при временном запирании дренажных коллекторов. Исследования, связанные с определением пьезоуровней свободной воды за перемычками показали, что на завершающей стадии осушения они не превышают 0,06-0,09м за перемычками №2 и №3 (участок 10-го откаточного штрека) и 0,2 м за перемычкой №1 (скреперный орт
кам.14/9), т.е. с момента заполнения камер хвостами обогащения до проектных отметок уровень гравитационной воды снизился с 60 м практически до уровней дренажных коллекторов (0,1 -0,2 м).
ьность, м.куб/ч
Г ранулометрический состав хвостов
Место отбора проб в кам. 14/10 Размер ф ракций, мм / Содержание фракций, %
>1,0 >0,63 >0,4 >0,315 >0,2 >0,16 >0,1 >0,063 >0,05 <0,05 Сумма
1. У вент. сбойки под трубопроводом 0,5 3,2 21,7 8,3 7,3 7,5 10,5 9,8 14,9 16,3 100
2. Центральная часть камеры - 0,18 1,6 3,7 5,9 7,3 9,28 11,62 22,45 37,97 100
3. Перед вент. сбойкой в месте перелива из камеры - - - 0,12 0,3 0,2 0,6 2,7 10,1 85,98 100
4. За уступом, «пена» - - - - - - - - 7,98 92,02 100
Рис. 1. Производительность дренажей перемычек Ж»Ж» 1-3 в 2002 г.
Рис. 2. Изменение производительности дренажных коллекторов в период эксперимента (нагнетание сжатого воздуха через дренаж за Пер. № 1)
Отсутствие гравитационной воды в сформированных массивах подтверждают исследования, проведенные в период эксперимента по нагнетанию за перемычку сжатого воздуха. В общем случае нагнетание воздуха в пласт (обводненный слой) повышает потенциальную энергию фильтрационного потока, однако интенсификация осушения пласта возможна лишь при создании давления, которое превышает пластовое давление, поэтому целесообразность нагнетания должна определяться в каждом конкретном случае путем расчета или подбора производительности технологического оборудования и времени нагнетания. В нашем случае нагнетание воздуха за перемычку в искусственный массив производилось от шахтной магистрали сжатого воздуха с давлением Р = 0,7 МПа. Нагнетание осуществлялось, в первом случае, непосредственно через дренажный коллектор перемычки №1, во втором случае, через водосливное отверстие пер.№1, отстоящее от коллектора по высоте на 1,2 м. Время нагнетания во время опытов составляло соответственно 2,5 и 1,5 часа. В периоды насыщения искусственного массива воздухом давление подаваемого воздуха изменялось от 0,7 МПа в магистрали до 0,17-0,19 МПа за перемычкой и выше не поднималось. Это говорит о том, что поры в массиве в основном освобождены от воды и быстрого наполнения воздухом не происходило. Одновременно с подачей воздуха за перемычку №1, фиксировалась производительность дренажных коллекторов перемычек №3 и №2, а после окончания нагнетания
- и производительность коллектора №1, изменение которых приведено на рис. 2. После окончания нагнетания, как видно из рис. 2, производительность дренажных коллекторов восстанавливалась (уменьшалась до обычного уровня) очень быстро - в течение 2-3 часов (второй пик увеличения производительности коллектора перемычки №1 связан с тем, что запорный кран был открыт вначале на 1/3 сечения, а затем на полное сечение трубы), т.е. искусственный массив не был насыщен воздухом создающим избыточное давление внутри массива из-за наличия достаточного объема межпорового пространства, незаполненного гравитационной водой. Стабильное увеличение производительности дренажных устройств в таких средах (почти обезвоженный массив) требует очень больших удельных расходов нагнетаемого воздуха при минимальной его
фильтрации через безводную осушенную часть искусственного массива.
В течение всего периода осушения из дренажных устройств отбирались пробы дренируемой воды для определения ее качественных характеристик. Проведенные исследования показали, что весовое содержание твердых веществ в сбрасываемой воде не превышало 1,01,5 г/л. Дополнительные анализы воды по химическому составу показали, что твердыми веществами в сбрасываемой дренируемой воде являются соли жесткости (магния и кальция) при показателе общей минерализации воды 860-940 мг/л. Наличия фракций хвостов в профильтрованной воде за исследуемый период практически не обнаружено. Таким образом, дренируемая сбрасываемая вода при осушении искусственных массивов оказалась пригодной для ее использования в технологических процессах обогащения железистых кварцитов и направлялась, из шахты в систему оборотного водоснабжения обогатительной фабрики.
На поверхности искусственных массивов в период осушения проведены исследования по определению величины просадки поверхности твердых хвостов. Установлено, что интенсивность просадки изменялась неравномерно (во времени осушения и по площади камер). Так, в начальный период осушения скорость просадки составляла 0,22 м/мес., к восьмому месяцу она снизилась до 0,1 м/мес. Стабилизация массивов в обеих камерах началась с одиннадцатого месяца осушения. По площади камер просадка в начальный период была интенсивнее у бортов с образованием и дальнейшим раскрытием трещин. В центральной части просадка была ниже в начальный и значительно выше в конечный периоды осушения. Минимальные относительные деформации зафиксированы в углах камер - 0,008, максимальные - в центральной части - 0,020. Довольно обширная зона с минимальной осадкой расположена в местах излива пульпы из трубы. Этим объясняется уплотнение хвостов под местом слива, хотя пульпа изливалась над водной поверхностью. Для определения углов наклона (углов растекания пульпы) была проведена съемка поверхности камер. Характер просадки поверхности по площади камеры 14/9 приведен на рис. 3. Величины просадки поверхности центральной части составили - 0,93 м в кам.14/9,
Рис. 3. Характеристика поверхности закладочного массива в камере 14/9
а - вертикальные уг-л&1 растекания пульпы;
ДЬ - понижение уровня поверхности хвостов;
• 78см - отметки понижения уровня поверхности хвостов при осуще-нии;
(П) Выход закладочной скважины на гор.-71м;
----► Подача пульпы.
0,63 м в кам.14/10. Углы наклона поверхности твердого в камере, как видно из рис. 3, составляют 0,8-1,50.
Влажность приповерхностного слоя на завершающей стадии осушения массивов изменялась незначительно в сторону уменьшения. По пробам, регулярно отбираемым из пробуренных скважин, видно, что средняя влажность приповерхностного слоя составляет:
• на глубине 0,5 м - 2-6%;
• на глубине 0,1-0,2 м - 1,4-4,3%;
Рис. 4. Изменение угла внутреннего трения от предварительного уплотнения хвостов
• на поверхности (Ь = 0 м) - 1,1-4%.
Установлено также, что в межслоевых прослойках, сформировавшихся при остановках подачи пульпы, где содержание фракции <0,05 мм
4
Я 30
1 (0,ЗМПа) (\Л/н=12%)
Уплотнение
2 (0,5МПа)
(\Л/н=20%)
\Л/н - начальная влажность
составляет более 80 %, влажность максимальная и составляет в верхних межслоевых образованиях около 15 %. Общее распределение фракций по гранулометрическому составу (по площади) приведено в таблице.
Консолидация искусственных массивов оценивалась по механическим характеристикам хвостов обогащения, основополагающим для прогноза поведения подземных техногенных образований, которые претерпевают изменения от пульпообразного до связко-сыпучего и хрупкого. В связи с дезинтегрированной структурой закладочного массива исследования механических характеристик сводились к изучению сопротивления хвостов сдвигающим усилиям, возникающим в результате воздействия различных факторов, таких как увеличение давления (уплотнение), изменение влажности хвостов (начальной и конечной) и т.д.
Определение показателей сопротивления хвостов сдвигающим усилиям показало, что величина сцепления в зависимости от влажности и
величины уплотнения изменяется в искусственных массивах в пределах 5-40 кПа, а угла внутреннего трения в диапазоне 20-35° (рис. 4).
Наличие незаполненных вертикальных трещин и вертикальной устойчивости обнажений в верхней (наблюдаемой) части камер, подвергшихся незначительному уплотнению от собственного веса (до 0,1 МПа), прекращение вертикальной осадки, отсутствие горизонтальных смещений подтвердили ранее выполненные теоретические построения и лабораторные эксперименты в барокамере при 0,5 МПа, характеризующие процессы при гидрозакладке больших объемов пустот.
Таким образом, можно констатировать, что сформированные искусственные подземные массивы из отходов обогащения практически осушены и сконсолидированы в соответствии с прогнозными показателями, что открывает перспективы для дальнейшего расширения технологии подземного складирования.
— Коротко об авторах ---------------------------------------------------------
Лейзеровмч С.Г. - зав. лабораторией технологии подземных горных работ, ОАО «НИИКМА». Усков А.Х. - ст. научый сотрудник, кандидат технических наук, ОАО «НИИКМА».
Ельников В.Н. - главный инженер, ОАО «Комбинат КМАруда».
---------------------------------------- © В.Д. Барышников,
Л.Н. Гахова, 2004
УДК 622.831
В.Д. Барышников, Л.Н. Гахова
ОБОСНОВАНИЕ ФОРМЫ СЕЧЕНИЯ НАРЕЗНЫХ ВЫРАБОТОК ПРИ ОТРАБОТКЕ ПОДКАРБЕРНЫХ ЗАПАСОВ
Семинар № 11
тработка запасов переходной зоны от открытых к подземным горным работам сопряжена с большими трудностями. Для глубоких карьеров область сопряжения их бортов и дна находится в зоне повышенной концентрации напряжений. Особенности напря-
женного состояния массива ниже дна карьера во многом определяют условия поддержания подготовительно-нарезных выработок.
Разработка кимберлитовой трубки «Айхал» АК «АЛРРОСА» открытым способом завершена на глубине 325 м от поверхности. В настоя-
