CC BY
53
© А.Н. Монтянова, А.И. Ефимов, Л.Р. Таланцев, 2010
УДК 622.273.2:553.81
А.Н. Монтянова, А.И. Ефимов, Л.Р. Таланцев
К ВОПРОСУ ОПТИМИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИИ ЗАКЛАДО ЧНЫХ РАБОТ ПРИ КОМБАЙНОВОЙ ОТБОЙКЕ РУДЫ КОРЕННЫХ АЛМАЗНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Выполнены специальные исследования по расширенному изучению физико-механических свойств составов закладки, разработанных для алмазодобывающих рудников Якутии. Ключевые слова: закладка выработанного пространства, кимберлитовые трубки, разрезной штрек, закладочные массивы.
Семинар № 15
ш ш ри отработке алмазных место-1-1 рождений Якутии подземным способом используется слоевая система разработки с закладкой выработанного пространства и нисходящей выемкой руды. Применение нисходящего порядка отработки слоёв обусловлено неустойчивым состоянием кимберлита в обнажениях. Очистные работы осуществляются механическим способом с применением очистных комплексов, в состав которых входят: комбайн типа АМ
- 85 (Австрия) и ПДМ. При комбайновой отбойке исключается динамическое воздействие на искусственный массив, как при взрывном способе, что позволяет снизить нормативные требования к прочности закладки в кровле и стенках выработок. Массивность комбайнового оборудования (до 120 т) обуславливает увеличение нормативных прочностных параметров закладки в почве очистных выработок, одновременно являющейся дорожным полотном [4].
В процессе отработки кимберлито-вых трубок по вертикали формируется три разновидности искусственных слоев (рис. 1): 1 - разрезной (образован при разрезке рудного тела в пределах ким-
берлитовой трубки в целом, этажа, подэтажа), в кровле и почве закладываемых выработок - кимберлит; 2 - рядовой (образован при отработке слоев в нисходящем порядке), в кровле закладываемых выработок - искусственный массив, в почве- кимберлит; 3 - стыковочный (образован при стыковке разрезных и рядовых слоев), в кровле и почве закладываемых выработок - искусственный массив. При этом разрезные слои формируются трехслойными: несущая часть, низкомарочная часть и дорожное полотно; рядовые слои - двухслойными: несущая часть и низкомарочная часть; стыковочные слои - только из низкомарочных закладочных смесей. Отработка кимберлитовых трубок в плане осуществляется по камерно-целиковой схеме в три стадии: заходки первой, второй и третьей очереди.
При развороте комбайна с разрезного штрека в очистные заходки происходит расширение устьевой части последних. Пролет обнажений закладочного массива в кровле смежных по высоте заходок Ар (м) рассчитывается по аналогии с работой [1] из условий примыкания или пересечения выработок в ниже лежащем слое, рис.2. При этом учитывается ради-
ус разворота комбайна, очередность отработки заходки в слое и глубина установки в ней изолирующей перемычки: для примыкания: при (В+d) < ^А+п1) Ар = А + п1 (1)
при (B+d) > ^А+п1) Ар = В + d (2)
для пересечения:
Ар =.у/(А + п1 + т1)2 + В2 , (3)
где А -ширина разрезного штрека, м; В-ширина очистной заходки, м; I - глубина установки перемычки в очистных за-ходках, м; п -очередность отработки за-ходки слева от разрезного штрека (за-ходки первой, второй или третьей очереди); т - очередность отработки заход-ки справа от разрезного штрека (заходки первой, второй или третьей очереди); d -величина разрушения или сработки углов между выработками при развороте комбайна, м.
С целью снижения затрат на закладочные работы проработаны мероприятия по их оптимизации. Поскольку привозной портландцемент на рудниках Компании является определяющей позицией в стоимости возведения закладочных массивов (70-86 %), сравнение различных вариантов их формирования
произведено по критерию «средний расход цемента на закладочные работы».
На рис. 3 приведены результаты расчетов вариантов технологий формирования закладочных массивов, на примере рудника «Интернациональный». Выявлено, что используемая на руднике «Интернациональный» технология имеет резервы для оптимизации.
В частности, экономии цемента можно достичь при формировании разнопрочного несущего слоя закладочных массивов с локализацией высокопрочной его части в районе сопряжений с помощью ограждающих перемычек (рис. 3, варианты 2 - 4); увеличении толщины несущего слоя до 2,5 м (варианты 4 - 6) и высоты закладываемых выработок до 8 м (показатели отмечены более темным цветом). Максимальная высота резания комбайна - 5,3 м, поэтому достижение требуемой высоты выработки надлежит осуществлять в два приема. Ограничение высоты выработок
- до 8 м, обусловлено существующими данными об устойчивости кимберлита в вертикальных обнажениях. Увеличение ширины выработок с 5 (вариант 4) до 8 м (вариант 5) и до 10 м (вариант 6) приводит к увеличению потребления це-
Ар
{_
_А_
Рис. 2. Схемы к определению пролета обнажения искусственной кровли в месте будущих сопряжений разрезного штрека с очистными заходками для условий:
а) примыкания выработок б) пересечения выработок
мента: на 3-5 % и 8-15 % соответственно. При этом реализация варианта 6 сопряжена с необходимостью отработки выработки в плане также в два приема, поскольку максимальная ширина резания комбайна (горизонтальный угол поворота ± 37о) составляет 8,3 м. Исходя из изложенного, принято решение на первой стадии внедрения ограничить ширину выработок - 8 м.
Увеличение поперечного сечения очистных выработок с параметров 5х5 на 8х8 м позволит: 1- использовать для формирования несущей части слоев единую марку закладки (см.рис.3, вариант № 5), что технологично; 2- в условиях комбайновой отбойки руды размещать в очистных заходках участковые трубопроводы с целью подачи закладочных смесей через перемычку, а не по скважинам; 3- интенсифицировать добычные работы, поскольку сокращается количество заходок в слое, этаже, а следовательно, и время на перегон комбайнов из одного очистного забоя в другой; 4-интенсифицировать закладочные работы, поскольку сокращается суммарное
время на технологические перерывы при возведении разнопрочных частей закладочных массивов в пределах слоя, этажа; 5- сократить количество очистных комплексов (комбайн + ПДМ) при сохранении производительности по добыче руды.
В результате выполненной работы предусмотрены к реализации технические решения, способствующие сокращению расхода цемента при возведении закладочных массивов ~ 15 % и затрат на добычные работы в целом.
В настоящее время марочная прочность закладочных смесей, назначаемых в производство, устанавливается умножением на коэффициент адаптации [4]. Коэффициенты адаптации определяются отношением прочности закладочного массива, твердеющего в условиях крио-литозоны подземного рудника, к прочности образцов закладки, хранящихся в нормальных условиях твердения. Мониторингом шахтных температурных условий выявлено, что с развитием горных работ во времени и пространстве месторождения происходит растепление
криолитозоны в результате длительного
л
н
о
5 ^
° 5
И <
2 [Л й
а
п
о
а
0,280
0,270-
0,260-
0,250-
0,240-
0,230- ' 2 7 ,2
0,220- 0,2
0,210-
0,200-
□ высота выработок 5 м
□ высота выработок 8 м
0,269
Т.
Ге
,247 J-
,226
,252
.,23411 0,235
0,230 ______ 0___ 0,225 _
0,218
1 2 3 4 5 6
номер расчета
Рис. 3. Изменение удельного расхода цемента в закладочных смесях при различных вариантах формирования рядовых закладочных массивов (нисходящая выемка, сопряжения учтены): 1 -
ширина заходок и разрезного штрека по 5 м; несущая часть слоев формируется из одной марки закладки М 60., толщина несущего слоя 1,5 метра (схема формирования искусственного массива, используемая на руднике "Интернациональный»); 2 - ширина заходок и разрезного штрека по 5 м, но несущая часть слоев - разнопрочная: марка несущего до первой перемычки - М35, остаток заходки и разрезной штрек - М70. Толщина несущего слоя 1,0 м; 3 - то же, но марка закладки до первой перемычки - М30, остаток заходки и разрезной штрек - М60; толщина несущего слоя 1,5 м; 4 - то же, но марка закладки до первой перемычки - М20, остаток заходки и разрезной штрек -М30; толщина несущего слоя 2,5 м; 5 - ширина заходок и разрезного штрека по 8 м, несущая часть слоев формируется из одной марки закладки М 30; толщина несущего слоя 2,5 метра; 6 - ширина заходок и разрезного штрека по 10 м, несущая часть слоев формируется из одной марки закладки М 50; толщина несущего слоя 2,5 м
о
комплексного воздействия теплоты не только от закладочных работ, но и от работающей горной техники, вентиляции и других факторов. На вновь вводимых в эксплуатацию площадях ким-берлитовой трубки «Интернациональная» блоков 5-8 отрицательных температур горного массива не зафиксировано. В новой редакции регламентов технологических процессов при ведении закладочных работ на алмазодобывающих рудниках АК «АЛРОСА» (2008 г.) коэффициенты адаптации подлежат адекватному изменению.
Наличие на рассматриваемых месторождениях вышележащих открытых карьерных пространств, на дне которых скапливаются значительные количества
пульпы из паводковых вод и осыпей, а также мощных высокоминерализованных подземных водоносных комплексов, предопределяют необходимость исключения прорыва воды в подземные выработки. При этом предъявляются требования к компрессионным свойствам и монолитности искусственных массивов. Требования к компрессионным свойствам закладки предопределяет и нисходящий порядок отработки суб-вертикальных кимберлитовых тел, характеризующихся незначительными параметрами в плане (90х60 300х300 м),
но протяженными параметрами по глубине (глубина отработки ~ 1000 1400
м). Формируемые закладочные массивы должны характеризоваться жесткостью
Место подачи закладки С т а д и я 4
>«'•' с./:- -л' - . --я '■
Место подачи закладки
Место подачи закладки
Место подачи закладки
11ІЯ
Б
С т а
Ста
^ , заклс
С т а д и я 4 „
Место подачи кладки
"лоВушка” -недоза кладка
Место подачи __закладки
Место подачи
закладки
сто подачи закладки
■ л.б; ; 27
Рис. 4. Схема минимизации недозакладки при формировании закладочного массива: А) от перемычки; Б) на перемычку; 1 - перемычка; 2 - вода от закладочного массива
с целью минимизации сдвижения (оседания) искусственной кровли.
Известно [2, 3], что жесткость и монолитность закладочного массива возрастают с уменьшением его пустотно-сти. Пустотность многослойного закладочного массива - суммарный объем всех пустот, включая поры, трещины и полости. С целью минимизации пустот-ности многослойного закладочного массива, как единого элемента, целесообразно соблюдать определенную технологию формирования каждого составляющего элемент массива, рис.4.
При формировании закладочных массивов «от перемычки», рис. 4 (А), вода, выделяющаяся из закладочного массива, выдавливается смесью из выработанного пространства через фильтрующую перемычку. При формировании массивов «на перемычку», последняя перекрывается смесью задолго до окончания закладочных работ в выработке, и вода оказывается в «ловушке» в верхней ее части, рис.4 (Б, стадия 4). В последнем случае вода из «ловушки» постепенно фильтрует через горный
массив и (или) размывает соленасыщенные вмещающие породы. В результате в выработке образуются: полость - недо-закладка и полость от нарушения адгезии закладочного массива с вмещающими породами. Образующиеся полости частично погашаются при формировании смежных в плане закладочных массивов. Но в заходках последней очереди их ликвидировать не удается.
С целью минимизации пустотности многослойного закладочного массива, как единого элемента, целесообразно подавать твердеющие смеси в выработки «от перемычки», причем порционно: 1 - непрерывно, до окончания возведения несущего слоя; 2- формирование остальной части массива; 3- дозакладка заходки. Перерыв в подаче порций закладки - не менее 6 часов. При этом порционная подача закладочных смесей в выработанное пространство минимизирует недозакладку, обусловленную усадкой закладочного массива.
Как показывает практика формирования закладочных массивов на руднике «Айхал», недозакладка при реализации
Рис. 5. Поддержание искусственной кровли при недо-закладке очистных заходок у разрезного штрека
данной схемы визуально не фиксируется, т.е. минимальна. В качестве дополнительного средства снижения негативного влияния недозакладки на вертикальные смещения искусственного массива применяется техническое решение, разработанное институтом ВНИИцвет-мет. Суть решения - в районе подачи закладки в выработку искусственная кровля поддерживается с помощью стоек, устанавливаемых на почву несущего слоя закладки (рис. 5).
Известно, что наряду с жесткостью закладочные массивы должны характеризоваться податливостью. Следовательно, требуется расширенное изучение физико-механических свойств закладки для более продуктивного ее ис-пользова-ния, как средства управле-ния горным давлением.
В период 2005-2007 гг. совместно с ВНИМИ выполнены специальные исследования по расширенному изучению физико-механических свойств составов закладки, разработанных для алмазодобывающих рудников Якутии, рис. 6 и различающихся: видом вяжущего, заполнителя, фракционным составом заполнителя; содержанием вяжущего, воды, добавки.
Проведены испытания образцов закладки и определены следующие физикомеханические свойства:
стсж - предел прочности закладки при одноосном сжатии, МПа; сти - предел прочности при изгибе, МПа; стр - предел прочности при растяжении, МПа; стш - предел длительной прочности при одноосном сжатии, МПа; Еу - модуль упругости, МПа; Ед - модуль деформации, МПа; ц - коэффициент Пуассона; Д - модуль спада несущей способности при одноосном сжатии, МПа; стост - предел остаточной прочности при одноосном сжатии, МПа; С - сцепление, МПа; ф - угол внутреннего трения, град.; Сусл - условное сцепление, МПа; фусл - условный угол внутреннего трения, град.; Ек - модуль компрессионной деформации, МПа; Ао -коэффициент сжимаемости, МПа-1.
Анализом физико-механических свойств закладки подтверждено, что они во многом определяются пределом прочности образцов при одноосном сжатии.
Рис. 6. Разработанные составы закладочных смесей для алмазодобывающих рудников Якутии
В частности, имеются сведения, что прочность на растяжение закладки меньше прочности на сжатие в 7-10 раз [2]. Данное соотношение для закладки, разработанной для алмазодобывающих рудников также справедливо, рис. 7, а зависимость «предел прочности при растяжении - предел прочности при одноосном сжатии» наиболее точно аппроксимируется выражением вида: ар= 0,086 асж+ 0,222 (4)
Известно, что существует зависимость между пределами прочности закладки при изгибе и одноосном сжатии, имеющая вид: аиз = 0,4 асж [2]. Обработкой результатов выполненных экспериментов [3] выявлено, что соотношение между данными величинами для исследованной закладки (рис. 8) несколько иное и наиболее точно описывается зависимостью вида:
аи= 0,253 осж+ 0,1267 (5)
Установлены также закономерности наиболее точно аппроксимирующие взаимосвязи между прочностью и деформационными характеристиками закладки:
• «модуль упругости - предел прочности при одноосном сжатии» (рис.
9)
Еу = 1,165 асж+ 1,238 (6)
• «модуль деформации - предел прочности при одноосном сжатии», рис. 10):
Ед = 1,215 Осж- 0,925 (7)
• «модуль компрессионной деформации
- предел прочности при одноосном сжатии» (рис. 11):
Евд = 0,047 асж+ 0,025 (8)
Из приведенных зависимостей (6)-(8) следует, что на деформационные характеристики закладки ее вещественный состав влияет в той мере, в какой он влияет на ее прочностные показатели. Следовательно, управлять деформационными свойствами закладочных массивов возможно теми средствами, которые
наработаны для управления их прочностью. Так, например, для получения на руднике «Мир» жестких закладочных массивов необходимо использовать при производстве закладочных смесей по «мельничной» технологии диабазовые породы фракции 0-40 мм, а не 0-20 мм. Напротив, при снижении класса крупности заполнителя, направляемого в мельницу - увеличивается доля тонкодисперсных фракций в составе закладки, снижается модульность и прочность, т.е. повышается податливость формируемых закладочных массивов.
Известно [2, 3], что деформационные характеристики закладки, установленные на образцах, существенно отличаются от фактических свойств закладочного массива. Незначительным количеством экспериментов выявлено, что модуль упругости, определенный керновым опробованием на месторождении «Интернациональный» ~ на 40 % ниже, чем модуль упругости, выявленный по результатам испытаний образцов закладочных смесей, сформованных в лабораторных условиях. Причем известно, что в реальном массиве физико-механические свойства не постоянны, а зависят, например, от местоположения рассматриваемой точки (в глубине массива, на контуре и т.д.): «на контуре выработки модуль упругости имеет меньшее значение, чем в точках, более удаленных от нее до определенного расстояния. Коэффициент Пуассона наоборот, у контура выработки выше, чем в глубине массива» [3]. Очевидно, что выявленные физико-механические характеристики образцов закладки требуется адаптировать к свойствам закладки в различных частях сформированных искусственных массивов. Коэффициенты адаптации надлежит установить дальнейшими, в т.ч. частью натурными, исследованиями.
л
8 С
Б Е 2 I
0 о с *
1 8
5 *
а 8 с а
предел прочности при одноосном сжатии,МПа
Рис. 7. Зависимость предела прочности закладки на растяжение от предела прочности при одноосном сжатии
Ю
о
Ч
о
а
предел прочности при одноосном сжатии,МПа
Рис. 8. Зависимость предела прочности закладки на изгиб от предела прочности при одноосном сжатии
пз
предел прочности при одноосном сжатии,МПа
Рис. 9. Зависимость модуля упругости закладки от предела прочности при одноосном сжа-
.0 5
ч =* & ■& О
ч
предел прочности при одноосном сжатии,МПа
Рис. 10. Зависимость модуля деформации закладки от предела прочности при одноосном сжатии
предел прочности при одноосном сжатии,МПа
Рис. 11. Зависимость модуля компрессионной деформации от предела прочности при одноосном сжатии
В последние годы предпринята попытка оптимизировать технологию закладочных работ на рудниках АК «АЛРОСА» с позиций геомеханики. Например, в работе ОАО «Галургия» рекомендовано выработки первой очереди формировать более прочной закладкой, чем выработки второй очереди. В работе 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 исполь-
зования менее прочных составов закладки в 4-6, следующих за разрезным слоях.
Однако, имеющиеся выводы и рекомендации со стороны геомехаников -теоретиков пока еще не достаточно выверены, нуждаются в уточнении. Количества и качества исследований по данному направлению явно недостаточно. Целесообразно дальнейшими исследованиями активно развивать данное направление, что в перспективе позволит сократить стоимость закладочных работ и повысить эффективность управления закладкой горным давлением.
------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сыркин П.С., Минин В.А., Данилкин М.С., Садохин А.Н. Строительство сопряжений горных выработок: ОАО «Издательство «Недра» - Москва, 1997.
2. Юн Р.Б., Юн А.Б., Макаров А.Б. Управление горным давлением - М: , 2005.
3. Казикаев Д.М. Геомеханика подземной разработки руд. - М.: Издательство МГГУ, 2005.- 542 с.
4. Монтянова А.Н. Формирование закладочных массивов при разработке алмазных месторождений в криолитозоне. - М.: Горная книга, 2005. - 597 с. Н5ГД=1
— Коротко об авторах ----------------------------------------------------------------
Монтянова А.Н. - доктор технических наук, зав. лабораторией технологий закладки института Якутнипроалмаз;
Ефимов А.И. - кандидат технических наук, главный инженер АК «АЛРОСА»;
Таланцев Л.Р. - инженер лаборатории технологий закладки.
