Оптимизация нормативной прочности твердеющих смесей при закладке пустот Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

СЕМИНАР 1

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 98" МОСКВА, МГГУ, 2.02.98 - 6.02.98

В.И. Голик, проф., д.т.н., акад. АГН, МАНЭБ, акад. РАЕН (СКГТУ)

ОПТИМИЗАЦИЯ НОРМАТИВНОЙ ПРОЧНОСТИ ТВЕРДЕЮЩИХ СМЕСЕЙ ПРИ ЗАКЛАДКЕ ПУСТОТ

При разработке месторождений со сложными горногеологическими условиями заметно снижается полнота извлечения руд, удорожается стоимость добычи, необратимо изменяются экологические усло-вия в регионе разработок. Ре-шение проблемы облегчается развитием одновременно приро-де- и ресурсосберегающих тех-нологий разработки месторож-дений. Основу таких технологий составляет заполнение вырабо-танного пространства твердею-щими смесями.

Задача ресурсосбережения при изготовлении закладки включает прежде всего назна-чение нормативной прочности без излишнего запаса надежнос-ти, используя геомеханические особенности массива и техно-логические возможности пред-приятий.

Нормативная прочность смесей определяется физико-

механическими свойствами пород, размерами обнажений кровли и боков и величиной горного давления, коррелятивно связанной с глубиной разра-ботки. Пока влияние горных выработок не достигает повер-хности закладка испытывает пригрузку пород в пределах ограниченного объема, а не от всего столба пород до поверхности. Если в кровле заклиниваются породные блоки, твердеющая закладка испыты-вает напряжения только от собственной массы. При высоте искусственного массива 50-60м ее прочность может не пре-вышать 1-1,2 МПа, в то время как в худших условиях закладка должна обладать прочностью б -7 и более МЛа.

Прочность закладочных смесей может быть миними-зированной разделением руд-ничных полей на безопасные участки искуственны-ми или естественными образо-

ваньями с формированием в породах зон влияния выработок, не достигающих поверхности.

Оптимальным критерием

прочности твердеющей закладки служит ее сопротивление напряжениям на том участке, где она в большей степени определяет безопасность работ. Для ка-мерных систем разработки это - вертикальные стенки и гори-зонтальные кровли для слоевых - горизонтальные обнажения, под которыми работают люди.

Твердеющую закладку пониженной прочности применяют при разработке рудных тел малой и средней мощности, однако она перспективна и для мощных месторождений, где устойчивость обеспечивается барьерными целиками из прочной закладки, вос-при-нимающей опорное давление. На участках между барьерными целиками используют закладку пониженной прочности .

Г еомеханическое обоснова-ние возможности применения закладки указанной прочности позволяет утилизировать для ее приготовления отходы произ-водства и дешевые пески с содержанием 30-50 % глинистых и илистых частиц.

Простое усовершенетвование технологии приготовления твердеющих смесей не обеспечивает эффекта без целенеправленного использования напряженно- деформированного состояния массива. Опытными работами с использованием методов раз-грузки ВНИМы в скальных массивах установлено, что гори-зонтальные напряжения не отвечают геостати-ческому закону распределения составляя от 0.77 до 2уН ( где у -плотность пород, Н - высота столба поро-ды до поверхности). Вер-ти-кальные напряжения чаще всего в 2-5 раз превышают уН, а го-

ризонтальные напряжения в несколько раз - вертикальные что многими объясняется как влияние разломных структур.

При отработке многих месторождений камерной систе-мой с твердеющей закладкой установлено весьма напряженное состояние рудных стенок и закладки в период выемки камер второй очереди. Снижение напряжений при переходе на одностадийный порядок выемки позволило уменьшить уровень напряжений почти в 2 раза. Этому способствовали наклон стенок камер на рудной массив» предварительное взрывание экранирующей щели по рудной границе камеры, подача закладочного материала на замагазини-ро-ванную руду и укрепление неустойчивых пород анкерной крепью. Большинство месторождений вначале разрабатывали камерной системой с двухстадийной отбойкой руды и заполнением камер твердеющей закладкой. Образованные камеры по разному ведут себя во времени: примыкающие к лежачему боку в центральной части месторождения характеризуются незначительным нарушением пород в торцах и кровле и заметным разрушением продольных стенок; камеры, примыкающие к висячему боку рудного тела разрушаются во всех элементах; остальные имеют устойчивые торцы, а устойчивость их продольных стенок и кровли неудовлетворительна.

Опыт разработки мощных месторождений позволяет установить зависимость устойчивости камер от инженерно-

геологических факторов . Камеры, расположенные в сравнимых инженерно-геологических условиях имеют примерно равную устойчивость. Влияние сроков отработки и длины камер на устойчивость ме-

нее четкое. Камеры высотой 45-50 м в массивах с коэффициентом структурного ослабления К 0,050,20 сохраняют вертикальность бортов при длине до 15м, а в более прочных массивах - при длине до 20 м.

Процесс разрушения бортов в длинных камерах интенсивен в течение первой половины года, по истечении годичного срока устанавливается относительная стабилизация.

Проблема сохранения устойчивости элементов искусственных массивов актуальна для высокопроизводительных камерных систем разработки. При разработке железорудных месторождений Урала и Кривого Рога вертикальные стенки высотой 80 м разрушаются как правило под углом 6575°. Тектонические нарушения ухудшают устойчивость рудного массива. При наклоне же стенок на нетронутый массив под углом 65-70° устойчивость повышается примерно в 1,5 раза.

Наилучшие показатели управления напряжениями обеспечивается при отработке сплошным порядком. Устойчивость рудного бортов камер обеспечивают наклоном на нетронутый массив, а устойчивость бортов твердейшей закладки, наклоненных на пустую камеру за счет прочностных свойств твердеющих смесей. Установлено, что при этом главные напряжения концентрируются в углах камер. При увеличении наклона увеличиваются напряжения в нижнем остром углу камеры. Напряжения у кровли камеры увеличиваются на 20-10 %. С уменьшением угла наклона зона максимальных напряжений у основания стенки перемещается из глубины массива к границе камеры.

Максимальные напряжения в массиве приурочены к участкам нестабильности, которые характеризуют:

- ослабленность массива в приразломных зонах;

- прочность пород на разрыв -менее 0,3 МПа;

- угол внутреннего трения - 45;

- сцепление пород в массиве не более 40 МПа;

- коэффициент структурного ослабления менее 0,1;

- напряжения в мае сияв более 2,0 МПа.

Стабилизации напряжений и понижению прочности закладочных смесей способствуют технические решения:

- первоочередная выемка и закладка узких камер в зоне разломов ;

- отработка основных запасов под защитой искусственного целика.

Минимальная нормативная прочность для закладки большинства объемов обеспечивается при использовании состава (на 1м3 смеси):

- цементная пыль 0,08 т

- гранулированный шлак

- 0,37 т

- дробленная порода

- 0,45 куб.м

- вода

- 0,385 куб.м Прочностные характеристики в возрасте 30 дней :

- прочность на сжатие

- 0,4 МПа

- сцепление

- 1,1 МПа

- угол внутреннего трения

- 12Л.

Методика определения нормативной прочности различает случаи : изолированные рудные тела ( слепые залежи ), мощные рудные тела и маломощные рудные тела. Основные направления удешевления твердеющих сиесей : уменьшение расхода цементов при утилизации вяжущих-

заполнителей : цементной пыли, золы электрофильтров, эолы-уноса ГРЭС и инертных заполнителей -хвостов обогащения.

Исследованиями и промышленными внедрением доказана возможность использования для приготовления малопрочных твердеющих смесей: доменных шлаков, слюдосодержащих хвостов, хвостов основной флотации, естественных грунтов с щебнем, гравием и кварцитами «топливных зояшшлаков , глиносодержа-

щей песчано-гравийной смеси, бе-литовых шлаков и т.д.

Несмотря на разнообразие технических средств оптимизации технологии изготовления твердеющих смесей , эффективность этой работы не превышает эффекта от реализации геомеханических мероприятий по управлению системой искуствен-ный - природный массив в стадии ее формирования.

Использование геомеханически стабильного состояния массива в условиях объемного сжатия позволяет при одинаковой рецептуре и стоимости состава смеси иметь одну и ту же прочность быстрее в 2 и более раз, или получить в одинаковое время прочность, в 2 и более раз превышающую базисную.

Механизм перевода массива в геомеханически стабильные условия отличается тем, что искусственный массив создает систему " закладка-порода ", в которой работа напряжений затрачивается не Ла развитие деформации , а на изменение структуры искуственного цементного камня. Чаще всего это проникновение мелкого заполнителя в межкусковое пространство твердеющих смесей. Технологии перевода в условия объемного сжатия подразделяется по времени воздействия на массив в рамках предлагаемой таблицай классификации :

*>

Таблица

Классификации технологий перевода искуственного массива в условиях геомеханической стабильности

классы : варианты :

условия применения

воздействие по-: твердеющими смесями : при двустадийной еле обнаружения: : вы-

емке

воздействие од-: твердеющими смесями : слоевая выемка нов-

ременно с : ” по-

дача закладки на руду

обнажением :

Л

2 : 3

: анкерование стенок : ос-

лабленине породы

: создание экранирующей : : щели : хрупкие поро-

ды

: Наклон камеры на руду ;

ослабленный рудный :

: массив

воздействие до об-: опере-

жающими камерами с : ослабленные руды и нажения : проч-

ной закладкой : породы

: опережающими камерами с : склонность руд к : выщелачиванием металлов : выщелачиванию комбинированное : сочетание вариантов од- : воздействие : ного или нескольких : без ограничения

: классов массива : Оптимизация нормативной

прояности искуственных массивов за счет геомеханической стабилизации является пока еще не

достаточно разработанной и использованной возможностью для расширения области применения прогрессивных закладочных технологий.