CC BY
105
СЕМИНАР 15
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001"
МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2000 г.
© А.Н. Монтянова, 2001
УДК 622.272 ' ' \
А.Н. Монтянова
ОСВОЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЗАКЛАДКИ
ВЫРАБОТАННОГО ПРОСТРАНСТВА НА
РУДНИКЕ «ИНТЕРНАЦИОНАЛЬНЫМ»
К
оренное алмазное месторождение тр. «Интернациональная» расположено в Мирнинском улусе Республики Саха. В настоящее время осуществляется подземная отработка месторождения системами с закладкой выработанного пространства твердеющими смесями. Подземный рудник «Интернациональный» введен в эксплуатацию в августе 1999 года, однако закладка выработанного пространства начала осуществляться только с июня 2000 года, после завершения строительства поверхностного закладочного комплекса и сооружения вертикальных закладочных скважин.
1. Трубопроводный транспорт закладки
В марте 1999 года было принято решение о проектировании и сооружении на руднике трех закладочных скважин. Глубина скважин порядка 600 м.
Решение вопроса осложнялось специфическими гидрогеологическими условиями месторождения - наличием высокоминерализованного водоносного горизонта (мощность 200 м; минерализация 95 г/л; температура рассолов -3 °С) и наличием в отметках -160...-500 м галогенных пород (общая мощность пластов соли 200 м).
Опыт возведения закладочных скважин в столь сложных условиях отсутствует.
Предпроектными расчетами были уточнены параметры трубопроводного транспорта закладки по закладочным скважинам с учетом фактических свойств закладочных смесей, принятых к внедрению на подземном руднике "Интернациональный", производительности ПЗК и взаиморасположения ПЗК и закладочных скважин.
Для цементации затрубного пространства скважин институту Якутнипроалмаз было поручено разработать растворы, отвечающие требованиям проекта на закладочные скважины (организация-проектировщик -трест Шахтоспецстрой).
При выполнении исследований по разработке тампо-нажных растворов в качестве основных составляющих растворов рассмотрены следующие материалы: сульфато-
стойкий портландцемент; суперпластификатор "С-3", глинопорошок; модификатор бетона МБ-01. В качестве добавок, обеспечивающих твердение при температуре -3°С исследованы: нитрит натрия, хлористый кальций, поташ, едкий калий, хлористый натрий, жидкое стекло. В качестве затворителя рассмотрено применение как воды, так и природных рассолов.
Выявлено, что наилучшими прочностными и реологическими показателями характеризуются тампонажные растворы, включающие сульфатостойкий портландцемент, нитрит натрия и модификатор МБ-01. Модификатор обеспечивает цементным композициям высокую водоудерживающую способность и водонепроницаемость, отсутствие усадочных деформаций, повышенную коррозионную стойкость и прочность. Модификатор представляет собой порошкообразный материал, состоящий из микрокремнезема, стабилизатора твердения и суперпластификатора "С-3". Технологические параметры раствора: 1 - расплыв конуса через 60 минут после затворения составляет 24,5 см; 2 - подвижность раствора при температуре 3 °С сохраняется в течение 7.10 часов с момента затворения; 3 - конец схватывания при твердении в природном рассоле с температурой -3 °С наступает через 50 часов; 4 - выход цементного камня 100 %; 5 - прочность при твердении в природных рассолах с температурой - 3 °С: R(3) = 0,41 МПа; R(7)= 3,49 МПа ; R(28) = 22,1 МПа; 6 - коэффициент коррозионной стойкости в условиях местных рассолов Кс = 0,96.
Данный состав и был рекомендован для промышленного использования при цементации за-трубного пространства закладочных скважин. По требованию организации - проектировщика до-
полнительно исследовано влияние рекомендуемых составов растворов на галогенные породы. Высказывалось опасение о размываемости галогенных пород высокоподвижными тампонажны-ми растворами. Методика исследований: керны, выбуренные из галогенных пород (диаметр 80 мм, длина 180 см) заливались тампонажными растворами. В условиях отрицательных температур (температура -3 °С) формовался образец -цилиндр из тампонажного раствора, диаметром 150 мм, в средней части которого был размещен керн соли. Через 10 суток твердения образец соли выдавливался на прессе П-10 из тампонажного раствора с помощью плунжера.
Установлено, что контактная зона "соль -тампонажный раствор" не размыта. Керн соли, после контакта с растворами сохранил свои первоначальные геометрические параметры. На выдавливание керна соли из тампонажного раствора, включающего МБ-01, потребовалась нагрузка 800 кг (1,71 кг/см2). Полученные данные могут служить косвенным доказательством наличия адгезии разработанных тампонажных растворов по отношению к галогенным породам.
Рекомендации по оптимальным параметрам трубопроводного транспорта закладки и по составам цементных растворов внедрены в проект. В марте 2000 г. специалистами МССШУ первая скважина была пробурена. Наружный диаметр трубопровода 168 мм. В ноябре 2000 г. пробурена вторая закладочная скважина. Наружный диаметр трубопровода 219 мм. Осуществлен тампонаж затрубного пространства. Необходимо отметить, что растворы сохраняли первоначальную подвижность весь период тампонажа затрубного пространства скважины, легко перекачивались насосами и нагнетались в затрубное пространство. Седиментации растворов не зафиксировано. Через 5 суток после завершения тампонажные скважины были вскрыты подземной горной выработкой. Водопритоков в горные выработки не обнаружено.
Выполнен контроль качества цементирования с помощью акустической цементометрии. Установлено наличие цементного кольца по всей длине скважин и хорошая изоляция затрубного пространства.
2. Поверхностный закладочный комплекс
20 мая 2000 г. произведен первый пробный запуск закладочного комплекса. Однако, в пери-
од с 20 мая по 6 июня все попытки служб эксплуатации закладочного комплекса начать производство закладочных смесей не увенчались успехом. После 10-15 минут работы смесителя в режиме приготовления закладки и подачи смеси в выработанное пространство происходил выброс смеси из трубопровода. Смесь в горные выработки не поступала.
5 июня институт Якутнипроалмаз выполнил анализ причин неудовлетворительной работы ПЗК. Основная причина заключалась в неверно заданной производительности смесителя - 20 м3/час. При такой производительности не обеспечиваются необходимые скорости движения закладочной смеси (согласно теории трубопроводного транспорта закладки скорость движениям не должна быть менее 0,5 м/с) по трубопроводу вследствие чего происходит "зависание" закладки в трубопроводе. Нарушаются условия работы трубопроводного транспорта закладки.
6 июня осуществлен запуск закладочного комплекса. В течение 5 часов работниками института и ПЗК фиксировалась работа закладочного комплекса в устойчивом режиме. По состоянию на конец декабря 2000 г. произведено и уложено в выработанное пространство более 20 тыс.м3 закладки.
З.Формирование искусственного массива
В период с 6.06 по 1.12.2000 г. закончена закладка пустот в первом слое рудника "Интернациональный". Формирование искусственного массива осуществлялось двумя разнопрочными составами: 1 - марки 80, расход портландцемента 400 кг/м3 (нижний слой массива, в последствие будет являться кровлей выработок и верхний слой, предусмотренный для передвижения самоходного оборудования); 2 - марки 20, расход портландцемента 250 кг/м3. Заполнитель закладочных смесей - мелкозернистые пески. Для снижения водоотделения и улучшения транспортабельных свойств смесей составы включают пластифицирующую добавку - лигносульфанат технический в количестве 2,5 и 3,2 кг/м3 соответственно. Средний расход цемента при формировании первого слоя составил 330 кг/м3 закладки.
В процессе формирования первого слоя осуществлялось наблюдение за состоянием контактной зоны «руда - закладка» и «вмещающие породы - закладка»; водоотделением смесей, уложенных в выработанное простран-
ство и степенью заполнения выработок. Прочность искусственного массива определялась как ультразвуковым, так и разрушающим методом по керну скважин, выбуренному из массива.
Визуальным осмотром искусственных массивов установлено, что контакт рудного тела с закладкой хороший, плотный. Это подтверждено и при визуальном осмотре керна, выбуренного из контактной зоны «руда-закладка» (подошва искусственного массива). Однако в кровле выработок (до посадки рудного тела на искусственный массив) фиксируется недозаклад лент ~1%.
Анализ технологии очистных работ в лентах и технологии формирования искусственных массивов позволил установить две возможные причины образования недозаклада лент:
• почва выработок пройдена под углом 3 градуса, а кровля явно не имеет проектного уклона. При таком положении кровли произвести закладку слоя под кровлю практически невозможно;
• закладка в выработки подается через две скважины, пробуренные в кровле выработки. Отвод воздуха из выработки осуществляется через скважину, пробуренную также в кровле выработки (среднюю из трех пробуренных). При формировании самого верхнего слоя закладки смесь, поступающая из двух скважин под значительным давлением, фонтанирует и перекрывает воздухоотводящую скважину. Между искусственным массивом и кровлей выработки образуется воздушная пробка, предотвращающая поступление закладки в незаложенное пространство. После прекращения закладочных работ смесь медленно вытесняет воздух и растекается. Поэтому при возобновлении закладочных работ лента снова принимает закладку, пока вновь не создается воздушная пробка.
Вероятно, для повышения полноты заполнения выработок следует обеспечивать при проходке горных выработок угол наклона почвы выработки и угол наклона кровли выработки в соответствие с проектом, т.е. 3 градуса. Необходимо также в кровле выработок осуществлять бурение скважин для отвода воздуха - через 30 м. С помощью данных скважин можно контролировать и степень заполнения выработки.
При формировании первого слоя на подземном руднике использовались смеси с повышенным против рекомендуемых составов расходом
воды (подвижность 14,5.14,8 против 13,0 см). Данное обстоятельство обусловлено заниженным диаметром закладочных скважин между горизонтами (100 мм против 200 мм, по проекту). Данное решение обусловлено временным отсутствием требуемого бурового станка. Не были сооружены водоотводящие каналы для сбора воды от закладки и не были смонтированы устройства, осуществляющие переключение русла трубопровода для отвода воды от промывки трубопровода в специальные выработки, поэтому вся вода направлялась в закладываемое пространство. Более того, для предотвращения фильтрации воды через перемычки, шахтеры по собственной инициативе покрыли перемычки со стороны заполняемой выработки не фильтрующей тканью, а пленкой.
Несмотря на это в условиях шахты водопри-токов от закладки практически нет. Искусственный массив через сутки затвердевает. Не зафиксировано размывания трещин в кимберлите, залеченных галогенными породами или размывания участков соли в целом, во вмещающих породах. Как уже отмечалось, контакты «закладка -вмещающая порода» и «закладка - кимберлит» плотные, без каких-либо каверн, пустот.
Незначительное водоотделение от закладки, по мнению автора, объясняется рядом причин. Первая
- высокая водоудерживающая способность составляющих закладки и закладки в целом. Водоудерживающая способность мелкозернистого песка, используемого при производстве закладки: при влажности менее 17 % он не обладает водоотделением. Выбуренный из закладки (возраст 1 месяц) керн характеризовался влажностью - 18,0.23,9 %. Вторая
- закладочные смеси содержат в своем составе пластифицирующую добавку ЛСТ, снижающую водо-содержание закладочных смесей при сохранении их реологических параметров. Как показал опыт использования добавки, она равномерно распределяется в закладочной смеси и в формируемом массиве в целом. Третья - засоленность вмещающих пород и кимберлита. Соли, при контакте с высокоподвижной закладкой, растворяются в поверхностном слое, вступают в реакцию с закладкой, ускоряя ее схватывание (известное свойство хлоридов), что предотвращает дальнейшее растворение солей. При этом наблюдается увеличение прочности закладки в приконтактной зоне (известное свойство хлоридов повышать прочность цементных композиций). Четвертая - там, где контактирующий с закладкой руд-
ный целик разупрочнен вода от закладки частично фильтрует через трещиноватые кимберлитовые целики (незначительное количество). Пятая - вода частично адсорбируется кимберлитом.
Прочность искусственных массивов, сформированных в первом слое, изучалась как с помощью ультразвука, так и по результатам испытаний на прочность при сжатии керна, выбуренного из закладки. Необходимо отметить, что повсеместно прочность массива путем кернового опробования не изучалась ввиду временного отсутствия дополнительного бурового станка и высокой загруженностью имеющегося. Результаты опробования прочностных свойств искусственных
массивов неразрушающим методом (ультразвуко-вым, прибор «Бетон») показали, что основная часть закладки в лентах имеет прочностные показатели, соответствующие требованиям проекта: 6.8 МПа в высокопрочном и 2.3 МПа в основном массиве. Однако, искусственные массивы в двух лентах характеризовались неоднородностью - переслаиванием высокопрочных и низкопрочных слоев закладки.
Причина низкого качества закладки в данных лентах была ясна. При производстве закладки (сентябрь, октябрь месяцы) использовали прихваченный морозом песок, который периодически зависал в бункерах, нарушая однородность поступающих в выработки твердеющих смесей.
Из «проблемных» лент было принято решение отбурить керн. Бурение производилось с одной точки в каждой ленте под углом порядка 45 градусов вверх и вниз от устья скважины.
С целью уточнения корреляционных зависимостей «скорость ультразвуковой волны - прочность», используемых при неразрушающем методе контроля прочности закладки, перед обследованием прочностных показателей искусственного массива разрушающим методом выполнено про-звучивание выбуренного керна. Установлено, что зависимость «скорость ультразвуковой волны - прочность» описывается уравнением вида:
Rж= 0,3715 V 3115
где Rсж - прочность закладки, МПа; V - скорость прохождения ультразвуковой волны, м/с *1000.
Выбуренный керн испытывался на прессе П-10. Приведение результатов испытания прочности кернов на сжатие Кк к прочности массива осуществлялось с помощью зависимостей, учитывающих структурное ослабление при выбуривании керна и масштабные коэффициенты.
Таблица
Рис. Керновое опробование искусственного массива______________
Участок массива Исследуемые параметры искусственного массива (от первой перемычки до второй перемычки)
Температура массива, °С через суток прочность массива, МПа через суток
0,5 1 2 3 7 28 7 28
Верхняя часть* 8,4 7,5 7,4 6,9 5,8 0,3 2,3 3,3
14,3 9,8 9,0 8,0 6,4 0,2 2,8 3,5
24,7 18,0 17,0 15,1 9,5 1,7 2,2 3,2
Средняя часть 21,2 20,4 22,0 22,0 13,0 4,9 2,7 3,6
36,0 34,0 35,5 35,5 25,0 9,7 4,2 5,4
42,0 42,9 47,0 45,0 35,0 15,1 4,6 6,1
47,0 48,2 52,9 50,7 37,2 14,8 5,0 6,6
40,9 43,0 44,7 41,6 31,4 12,9 4,4 6,0
Нижняя часть 36,3 30,1 20,0 28,0 26,0 7,2 2,0 6,6
39,0 32,6 32,0 31,0 30,0 8,9 3,3 7,0
40,5 52,2 53,0 51,0 40,0 17,0 5,4 7,4
50,4 52,3 54,0 50,0 42,0 17,0 6,3 8,3
40,8 43,0 44,0 41,0 35,0 14,1 5,5 7,3
* в закладку погружены три термодатчика, начиная с середины массива до второй перемычки
Результаты испытаний представлены на рисунке. Полученными результатами подтверждена слоистость закладки в «проблемных» лентах, однако в целом состояние прочности искусственных массивов можно признать как удовлетворительное, за исключением зон, где зафиксирован выход шлама вместо керна.
Выход шлама именно в начальный момент бурения (первые метры массива) вернее всего обусловлен вибрацией бура на начальной стадии бурения. Однако не исключена причина в низкой прочности закладки (~0,5 МПа), превратившейся в шлам в результате структурного ослабления при выбуривании керна. Принято решение о дополнительном повсеместном исследовании прочности искусственного массива после получения нового бурового станка.
Известно, что на прочность искусственного массива существенно влияет температура его твердения [1]. С целью выявления фактических температур, развивающихся в искусственном массиве в процессе его твердения в контакте с породным массивом, имеющим низкие положительные температуры (+1...+3 °С), в горную выработку (слоевой заезд) перед закладкой были установлены термогирлянды.
Подтверждено, что закладка в процессе гидратации вяжущего интенсивно саморазогревается (зафиксирована максимальная температура 49,8
градусов), что необходимо учитывать при формировании искусственных массивов.
В настоящее время разработаны рекомендации по формированию искусственных массивов в пределах слоя в зависимости от температурных условий твердения каждого слоя. По результатам внедрения ожидается снизить расход цемента на приготовление закладки и ее себестоимость (при формировании второго слоя средний расход цемента должен составить 250 кг/м3). Расчет температурных условий выполняется с помощью математического моделирования по программе ZAYNOV.
Введение в строй второй очереди закладочного комплекса (запланировано на 2005 год) должно сопровождаться, согласно проектным решениям, переходом на бесцементные известково-
кремнеземис-тые закладочные смеси, разработанные и запатентованные институтом Якутни-проалмаз. Новые смеси прошли опытнопромышленную проверку в условиях алмазодобывающего подземного рудника «Айхал». В горную выработку было уложено путем подачи закладки по закладочной скважине 40 м3 бесце-ментных смесей. Результаты опробования - положительные, см.таблицу.
Для приготовления местного известковокремнеземистого вяжущего для подземного рудника «Интернациональ-ный» предусматри-
валось использование пород вскрыши от реконструкции карьера «Мир». Однако, ввиду усложнившихся горно-технических условий в процессе реконструкции карьера «Мир», вместо запланированных 2,5 млн м3 известняков в спецотвал складировано всего 250 тыс. м3. Таким образом, сырьевая база для производства
местного вяжущего для подземного рудника «Интернациональ-ный» не сформирована. В настоящее время поиск известняков ведется, но проблема снижения расхода дорогостоящего привозного цемента при производстве закладки остро стоит на повестке дня.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Монтянова А.Н. Прогнозирование и контроль прочностных параметров закладочного массива, твердеющего в условиях пониженных температур // Горный журнал. - 2000. - №7. - С.82-84.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Монтянова А.Н. - кандидат технических наук, зав. лабораторией технологий закладки и строительных материалов, «Якутнипромалмаз».
