CC BY
27
СЕМИНАР 1
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 98" МОСКВА, МГГУ, 2.02.98 - 6.02.98
В.И. Голик, проф., д.т.н.,
РАЕН
РАЗРАБОТКА ОБВОДНЕННЫХ НАГОРНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Экологическая ситуация горных регионов Кавказа: Северной
Осетии-Алании, Кабардино-Балкарии, Карачаево-Черкессии, республики Южная Осетия и др. формируется под влиянием последствий добычи и переработки минеральных ресурсов.
Созданная десятилетиями и веками добычи руд орогидрографиче-ская сеть обеспечивает непрерывное протекание в горных массивах, подверженных технологическому воздействию, физико-химических процессов. Образованные в недрах миллионы куб. метров горных выработок и техногенные месторождения потерянных руд, а также хвосты обогащения на по-верхности выдают в окружающую среду природные растворы слагающих месторождения минералов.
Так, река Ардон на участке Садовнских рудников получает в течение года около 3 млн куб. метров стоков, в которых растворено около 2000 т минералов с превышением предельно допустимых концентраций на 2-З порядка.
На рудниках Северного Кавказа традиционно используется технология, при которой массив разрушается горными работами и сотнями воронок неуправляемого обрушения диаметром в первые десятки метров. На Тырнаузском месторождении за 20 лет эксплуатации таких воронок образовано более 120.
Среди нагорных месторождений особое место занимает Квай-синское полиметаллическое месторождение, расположенное на южном склоне Главного Кавказского хребта на абсолютных отметках 1340 и 2360 м, в Республике Южная Осетия.
Месторождение сложено юрскими, меловыми, палеогеновыми и четвертичными отложениями.
Юрская свита сланцев и песчаников перекрыта порфиритами. На известняках юры несогласно залегают известняки и мергели мела мощностью 68-80 м. Жильные породы представлены маломощными дайками альбитофиров, кварцевых порфитов и плагиокла-зовых порфиритов.
Рудное, поле подвергалось длительной деформации, обусловившей развитие сложной структуры трещинного типа. Рудовмещающей является зона Квайсин-ских разломов. Среди рудовмещающих полостей выделяются трещины (жилы) и межпластовые залежи. На промышленных участках протяженностью от 16 до 80 м мощностью рудоносной зоны изменяется от 0,4 до 6,0 м, образуя систему линзообразных тел с неравномерным распределением полезных компонентов. Межпласто-вые залежи являются переотложе-ниями в процессе метаморфизма в домеловой период. На малых глубинах развиты процессы окисления с образованием церуссита и смитсо-нита. Первичные руды - сфалериты, галениты, пириты, марказиты, мельниковиты, халькопириты, гри-нокиты, гутчинсониты. Жильные минералы - кальцит, халцедон, кварц. Текстура рудных тел массивная. Развиты процессы брекчи-рования. Содержание цинка и свинца от долей до десятков процентов с резким преобладанием цинка (в 2-4 раза).
Месторождение отличается карстами и трещинами, заполненными водой, в основном, атмосферного происхождения с различной степенью минерализации. Дебиты водопроявлений изменяются от 1 л/с до 6 л/с. По сравнению с другими месторождениями Большого Кавказа обводненность выработок значительно больше.
Коэффициент крепости по
Протодьяконову: руд - 8-10, пород
- 8-12. На контактах рудных тел залегают рассланцованные известняки мощностью 1-2 м с коэффициентом крепости 5-6 и пор-фириты с крепостью 3-4. Углы падения руд 80-90°, коэффициент разрыхления 1,5, плотность 2,72,9 т/м3. Содержание свободной двуокиси кремния до 20 %.
Промышленная эксплуатация месторождения начата с 1949 г. Вскрытие комбинированное: штольня "Капитальная", слепые стволы шахт "Центральная", "Вспомогательная", "Слепая 3" и штольня "6-бис". Нижние горизонты вскрыты слепыми стволами и наклонным съездом.
Первыми по времени освоены системы с закладкой пустот породой для рудных тел мощностью от
1 - 17 м. Маломощные участки в относительно устойчивых вмещающих породах разрабатывают системами с открытым выработанным пространством, а в неустойчивых - с закладкой пустот породами. Начиная с 1968 г. основная система разработки -этажное и под-этажное обрушение, различающиеся в первую очередь параметрами отбиваемой части массива.
Объем пустот, заполненных при погашении породами, не превышает первых десятков процентов, поэтому образованные пустоты испытывают напряжения близкие к критическим, что сопровождается адекватными деформационными процессами.
В результате систематической подработки массив оказался разрушенным с выходом на поверхность воронок и зон обрушения, объединенных в единую систему. Общая длина зоны обрушения до 150 м при ширине более 50 м.
Системы разработки Среди. мощность, м Г еологические запасы Потери % Коэффициент разу-боживания, %
Руда, т содержание металла по сод. По весу
свинец, % Цинк, %
Этажное обрушение вертикальными слоями 5,4 42377 1,82 6,85 8 54,4 40,8
то же 5,8 84892 1,68 7,60 8 10,7 26,3
то же 6,8 57754 1,68 7,61: 8 36,9 59,2
то же 8,4 55228 1,16 6,19 8 н 53,1
То же с выпуском через
погрузочные заезды 7,0 66243 : 1,52 7,40 н н н
Этажное обрушение горизонтальными слоями и выпуском через погрузочные заезды 6,45 65648 1,70: 7,56 8 25,3 40,0
Подэтажное обрушение с торц. выпуском н 49000 0,95 5,25 8 16.8 18.2
Высота воронок около 100 м, диаметр до 50 м.
Особенность эксплуатации в том, что в зону обрушения впадает ручей - водосбор северного склона Рачинского хребта.
На юго-восточном склоне горы Надарбаз-Хох вскрыта карстовая воронка, собирающая водопритоки юго-восточного склона и передающая их в систему рудника. Дебит воды, попадающей в подземные выработки в результате горных работ, оценивается примерно в 160
м3/час. Следствие техногенных во-допритоков - пониженная устойчивость горных пород, трудоемкость и затратность добычи руд, интенсивное выщелачивание минералов, потерянных при системах разработки с обрушением.
Выборка репрезентативных показателей отработки отдельных блоков показывает, что несмотря на использование технологически прогрессивных схем, в т.ч. с механизированной торцевой погрузкой и увеличенными параметрами, что обес-
печивает высокую производительность труда - до 50 т/см, качественные показатели технологии неудовлетворительны (см. табл.).
Таким образом, технологии добычи руд с оставлением пустот незаполненными и развитием гео-механических процессов не отвечают условиям обводненных рудных массивов и должны быть модернизированы в направлении применения твердеющих смесей или хвостов подземного выщелачивания.
© В.И. Голик
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 условия в регионе разработок. Решение проблемы облегчается развитием одновременно природе- и ресурсосберегающих технологий разработки месторождений. Основу таких
70
технологий составляет заполнение выработанного пространства твердеющими смесями.
Задача ресурсосбережения при изготовлении закладки включает прежде всего назначение нормативной прочности без излишнего запаса надежности, используя геомеханические особенности массива и технологические возможности предприятий.
Нормативная прочность смесей
определяется физико-механическими свойствами пород, размерами обнажений кровли и боков и величиной горного давления, коррелятивно связанной с глубиной разработки. Пока влияние горных выработок не достигает поверхности закладка испытывает при-грузку пород в пределах ограниченного объема, а не от всего столба пород до поверхности. Если в кровле заклиниваются пород-
ГИАБ
ные блоки, твердеющая закладка испытывает напряжения только от собственной массы. При высоте искусственного массива 50-60м ее прочность может не превышать 11,2 МПа, в то время как в худших условиях закладка должна обладать прочностью б -7 и более МЛа.
Прочность закладочных смесей может быть минимизированной разделением рудничных 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 камерных систем разработки это - вертикальные стенки и горизонтальные 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, воспринимающей опорное давление. На участках между барьерными целиками используют закладку пониженной прочности .
Геомеханическое обоснование возможности применения закладки указанной прочности позволяет утилизировать для ее приготовления отходы производства и дешевые пески с содержанием 30-50 % глинистых и илистых частиц.
Простое усовершенствование технологии приготовления твердеющих смесей не обеспечивает эффекта без целенеправленного использования напряженно- деформированного состояния массива. Опытными работами с использованием методов разгрузки ВНИМы в скальных массивах установлено, что горизонтальные напряжения не отвечают геостати-ческому закону распределения со-
ставляя от 0.77 до 2уН ( где у -плотность пород, Н - высота столба породы до поверхности). Вертикальные напряжения чаще всего в 2-5 раз превышают уН, а горизонтальные напряжения в несколько раз - вертикальные что многими объясняется как влияние разломных структур.
При отработке многих месторождений камерной системой 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 замагазиниро-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 инженерногеологических условиях имеют примерно равную устойчивость. Влияние сроков отработки и длины камер на устойчивость менее четкое. Камеры высотой 45-50 м в массивах с коэффициентом структурного ослабления К 0,05-0,20
сохраняют вертикальность бортов при длине до 15 м, 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 масиве более 2,0 МПа.
Стабилизации напряжений и
шение расхода цементов при утилизации вяжущих-заполнителей:
и стоимости состава смеси иметь
одну и ту же прочность быстрее в
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 м3
- вода - 0,385 м3
Прочностные характеристики в возрасте 30 дней :
- прочность на сжатие - 0,4 МПа
- сцепление - 1,1 МПа
- угол внутреннего трения - 12°.
Методика определения нормативной прочности различает случаи: изолированные рудные тела (слепые залежи ), мощные рудные тела и маломощные рудные тела. Основные направления удешевления твердеющих смесей: умень-
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, глиносодержащей песчано-гравийной смеси, белито-вых 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 искуственный - природный массив в стадии ее формирования.
Использование геомеханически стабильного состояния массива в условиях объемного сжатия позволяет при одинаковой рецептуре
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 искусственного 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 таблицой классификации.
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.
© В.И. Голик
