CC BY
87
_________________________________ © М.Д. Новопашин, А.С. Курилко,
2010
УДК 51:536.24:622.012.3
М.Д. Новопашин, А. С. Курилко
СВОЙСТВА ГЕОМАТЕРИАЛОВ В УСЛОВИЯХ КРИОЛИТОЗОНЫ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ТЕХНОЛОГИЮ ВЕДЕНИЯ ГОРНЫХ РАБОТ И УСТОЙЧИВОСТЬ ВЫРАБОТОК
разработка современных технологий добычи и переработки
-мГ полезных ископаемых - комплексная задача и требует привлечения современных достижений физики, механики, химии. Для ее решения необходимо достаточно глубоко понимать те процессы, которые происходят в верхних слоях земной коры, знать физико-механические свойства горных пород, характер их изменения во времени и пространстве, влияние температуры на свойства массивов горных пород и собственно породы, распределение полезного компонента в массиве и т.д.
Особенно остро проблема обеспечения эффективности горного производства стоит при отработке месторождений, расположенных в условиях криолитозоны (64 % территории РФ). Помимо неразвитой инфраструктуры эти регионы характеризуются суровыми природно-климатическими условиями, температуры до -70°С, короткий промывочный сезон, сложностью ведения горных работ в условиях вечной мерзлоты и т.д. Вследствие этого в Якутии разрабатывается только 30 % разведанных запасов золота, 39 % углей Южно-Якутского и 10 % - Ленского бассейнов, 20 % - олова, не ведется добыча железной руды, вольфрама, редких земель и т.д. Не многим лучше ситуация и в других регионах Северо-Востока РФ.
Известно, что основная масса горных пород с понижением температуры ниже 0 °С увеличивают свою прочность. Вместе с тем, экспериментально установлено, что прочность отдельных видов горных пород, в частности вмещающих пород и кимберлитов алмазоносных трубок, при понижении температуры снижается.
Результаты проведенных экспериментов показывают, что при понижении температуры от комнатной до -5 -15 °С происходит
потеря прочности карбонатных горных пород и кимберлитов на 30
- 70%. При дальнейшем снижении температуры прочность возрастает, но даже при температуре -50°С не превосходит прочность породы при комнатной температуре, исключение составил доломит мергелистый [1, 2].
Физика процесса достаточно проста: при переходе свободной воды в лед, поскольку жидкость практически на сжимаема, происходит увеличение объема на 9%, за счет чего возникает расклинивающее напряжение. Внутренние напряжения возрастают в процессе интенсивного замерзания поровой влаги. С прекращением роста кристаллов льда рост внутренних напряжений прекращается. При дальнейшем понижении температуры поровый лед цементирует породу, чем и объясняется увеличение прочности горных пород.
Повторное возникновение внутренних напряжений может и должно приводить к снижению прочности и разрушению, как исследуемых пород, так и массива в целом. Степень ослабления прочности зависит как от типа породы, пористости, прочности, так и от степени водонасыщения образцов, а отдельные образцы (в частности глинистый известняк) после пяти циклов замораживания-оттаивания полностью разрушаются [2].
Поскольку в отдельных районах Якутии количество переходов температуры через 0 °С в течение года может достигать 100, этот эффект оказывает существенное влияние на устойчивость горных выработок и безопасность ведения горных работ. Аналогичная картина имеет место и в других районах Севера и Северо-Востока Российской Федерации.
Эффект снижения прочности и разрушения отдельных пород при знакопеременном температурном воздействии необходимо учитывать при проектировании и эксплуатации как объектов общетехнического назначения, так и горного производства, что обеспечит существенное повышение безопасности и экономической эффективности производства.
Проведены исследования влияния циклов замораживания-оттаивания на массообменные характеристики дисперсных пород различного гранулометрического состава - от песка до глины. Установлено, что коэффициенты фильтрации в глинистых породах
после замораживания-оттаивания увеличиваются на два порядка [2,
3].
Эксперименты по изучению водопрочности показали, что исследованные нами глины и суглинки в пластичном состоянии не размокают. Супеси размокают, причем скорость размокания возрастает при уменьшении содержания глины и влажности. Мерзлые образцы всех пород распадались при погружении в воду в течение нескольких минут. Скорость размокания близка к скорости оттаивания пород. Водопрочность глин и суглинков в талом состоянии после воздействия на них циклов замораживания-оттаивания резко снижается, и они переходят из класса неразмокаемых в класс размокаемых пород [2].
Существенное увеличение коэффициентов фильтрации дисперсных пород, снижение водопрочности глин и суглинков, переход глин и суглинков из класса неразмокаемых в класс размокаемых пород являются основой для разработки новых технологий как при создании и эксплуатации объектов общетехнического назначения (дамбы, плотины, дороги и т.п.), так и при ведении горных работ.
Таким образом, на основе систематического изучения свойств горных пород установлены фундаментальные закономерности поведения карбонатных и дисперсных горных пород, а также кимберлитов при воздействии естественно низких температур, являющиеся основой для разработки современных технологий ведения горных работ.
Практические приложения закономерностей поведения геоматериалов при знакопеременном температурном воздействии к горному производству
Устойчивость горных выработок. Результаты многолетних наблюдений за температурой в карьерах и подземных горных выработках на шахтах и рудниках криолитозоны показали, что породный массив, окружающий горные выработки испытывает знакопеременные температурные воздействия до глубины 3 и более метров. Амплитуда годовых колебаний температуры пород достигает десятков градусов на поверхности и затухает на глубине порядка 20 м. Это приводит к дезинтеграции пород и осыпанию поверхностных слоев бортов карьеров и подземных горных выработок.
Для прогноза воздействия циклов замораживания-оттаивания на устойчивость бортов карьеров решена задача теплообмена горного массива с воздухом, учитывающая фазовые переходы поровой влаги, климатические условия, интенсивность солнечной радиации, экспозицию и крутизну склона.
На основе полученных результатов сделан прогноз толщины слоя осыпания пород разной морозостойкости с поверхности откоса борта карьера, вследствие циклического процесса промерзания-оттаивания. В качестве критерия разрушения принималось число циклов замораживания-оттаивания [2] при котором происходит разрушение. На рис. 1 показана зависимость толщины слоя осыпания с поверхности откоса борта карьера для склонов с южной экспозицией от времени для пород с разной морозостойкостью.
Как показывают расчеты, помимо ежегодного поверхностного разрушения пород на несколько см, с течением времени будут образовываться вывалы до 3 м. Полученные результаты хорошо совпадают с натурными наблюдениями. На рис. 2 видно, что вследствие различной устойчивости пород к
термодеформационному воздействию образовались карнизы, что в конечном итоге может привести к выводу борта карьера из рабочего состояния. Крепление сеткой предохраняет от падения камней, но не решает проблему.
Значительно повысить устойчивость борта карьера можно за счет исключения воздействия суточных циклов замораживания-оттаивания на поверхностные слои породы. При этом, зная свойства горных пород, целесообразно производить локальное укрепление бортов карьера с использованием теплозащитного материала в местах наименее устойчивых к термодеформационному воздействию. Это позволит существенно повысить устойчивость бортов в целом и снизить затраты на поддержание бортов в рабочем состоянии. Особенно остро эта проблема стоит, когда необходимо закрепить какие-то коммуникации на борту карьера. Зачастую задачу прокладки коммуникаций просто невозможно решить, если не обеспечить соответствующую теплоизоляцию борта карьера. В частности при восстановлении карьера «Мир» после аварийной остановки вследствие сползания борта нанесение теплоизоляционного экрана по рекомендациям, разработанным институтом, позволило
произвести монтаж и обеспечить безаварийную эксплуатацию пульпопроводов со дна карьера.
Для минимизации влияния температурного воздействия на устойчивость подземных горных выработок в институте разработана
Рис. 1. Динамика разрушения борта карьера, вследствие Рис. 2. Состояние пород на уступе борта карьера
циклического воздействия процесса промерзания- «Айхал»
оттаивания
технология нанесения и составы теплозащитного набрызгбетонного покрытия. Набрызгбетонные крепи разработанные в институте внедрены на рудниках «Айхал», «Интернациональный», «Тимптон», «Ангидрит» Норильский ГМК [4, 5].
Безвзрывная технология добычи. Традиционно сложившееся представление, что при воздействии естественно низких температур прочность пород резко возрастает, в значительной степени препятствовало практическому использованию безвзрывных технологий добычи кимберлитов.
При открытой разработке кимберлитов в настоящее время используется только буровзрывная технология добычи. Вместе с тем, как показали экспериментальные исследования, прочность кимберлита, а также вмещающих пород, резко падает в зоне фазовых переходов и не превышает прочности этих пород даже при температуре минус пятьдесят градусов Цельсия. Более того, в массиве температура горных пород может достигать минус 50°С только на открытой поверхности, а на глубине 15-20 см будет существенно выше, но в любом случае при отработке кимберлита резанием, при толщине стружки 15 - 20 см мы попадаем в область резкого снижения прочности породы. Как следствие будут существенно ниже энергозатраты на разрушение породы, вследствие уменьшения нагрузки на рабочие органы возрастет надежность машин в целом.
Совместно с ГОК «Удачный» компании «АЛРОСА» и фирмой ЦЖХ (Чехия) был доработан экскаватор К-650 и проведены его промышленные испытания в условиях карьера «Удачный», в процессе которых выявлена неприспособленность режущих элементов (зубьев) к высоким динамическим нагрузкам, возникавшим в процессе резания. Были предложены технические решения по усовершенствованию конструкции зубьев. По отзывам, как машинистов экскаватора, так и представителей завода изготовителя, с зубьями этой конструкции достигалась уверенная работа машины.
Испытания проводились на горизонте минус 65 м в юго-западной части Западного рудного тела. Среднее значение крепости кимберлита составило 5 по шкале Протодьяконова. Толщина стружки составляла 18 см. Было добыто 50 тысяч тонн руды, которая переработана на обогатительной фабрике № 12. При этом проводилось сравнение удельной энергоемкости измельчения руды, добытой буро-взрывным способом и резанием, с помощью роторного экскаватора К-650 (табл. 1).
Таблица 1
Удельная энергоемкость измельчения на обогатительной фабрике № 12
Удельная энергоемкость измельчения, кВт ч/т
1 смена 2 смена
Мт 8,99 8,8
Мах 11,6 13,0
Среднее 10,23 10,16
Роторный 8,14 8,6
Д, % 20 15
Таблица 2
Сохранность кристаллов алмаза в кассе фабрики № 12
+10 мм -10+8 мм -8+6,7 мм -4+2 мм
Мт 0,83 3,32 2,59 4,82
Мах 14,81 7,39 5,14 7,79
Среднее 5,60 5,03 4,1 6,81
Роторный 5,13 2,89 1,95 5,18
А, % 8,4 42,5 52 23
Как видно из приведенной таблицы использование безвзрывной технологии добычи позволяет существенно (на 15-20 %) снизить удельную энергоемкость измельчения руды в процессе обогащения. Снижение энергоемкости происходит вследствие того, что в добытой резанием руде отсутствуют крупные куски, на разрушение которых требуется значительное количество энергии. Немаловажным является то, что при отбойке руды экскаватором К-650 максимальная крупность куска составляла 18 см, что обеспечивает уверенную работу мельниц самоизмельчения.
При добыче руды роторным экскаватором происходит меньшее разрушение кристаллов (табл. 2). Наиболее существенно сохранность кристаллов повысилась в классах - 10+8 мм (42,5 %) и -8+6,7 мм (52%). Произошло увеличение сохранности кристаллов в классе -4+2 мм (23%). Увеличение сохранности кристаллов в классе +10 мм является не показательным, поскольку добытых кристаллов этой крупности оказалось мало.
Впервые проведенные испытания роторного экскаватора при разработке кимберлитов безвзрывным способом в условиях Крайнего Севера позволили сделать однозначное заключение о возможности применения роторных экскаваторов для отработки достаточно крепких пород, в том числе в условиях естественно низких температур.
В силу ряда причин, прежде всего организационных, безвзрывная отбойка кимберлитов при открытой разработке месторождений в компании «АЛРОСА» не нашла должного распространения, но широко используется при подземной добыче. При этом качество добываемого сырья (сохранность кристаллов) увеличилось на 7 %.
Смерзающаяся закладка. Добыча полезных ископаемых с закладкой выработанного пространства позволяет минимизировать потери и разубоживание добываемой руды. Вместе с тем, технология весьма дорогостоящая, что сдерживает её применение даже в средних широтах. Как правило, она используется при добыче ценного минерального сырья.
Использование существующих технологий подземной добычи с закладной выработанного пространства с использованием в качестве вяжущих материалов цемента в условиях Северо-Востока страны весьма проблематично, поскольку отсутствие инфраструктуры делает непомерно высокими транспортные расходы. Вместе с тем, наличие многолетнемерзлых пород создает достаточно хорошие условия для использования смерзающейся закладки, которая представляет собой, пустую породу, смоченную по определенной технологии водой и промороженную. Поэтому задача выбора рациональных технологий, обеспечивающих эффективную отработку месторождений с использованием смерзающейся закладки для различных горно-геологических и теплофизических условий задача как чрезвычайно актуальная, так и достаточно сложная.
На время формирования смерзающейся закладки существенное влияние оказывает используемый для закладки материал. Прочность закладочного массива существенно зависит от состава и влажности [6].
Для выбора рациональных технологических режимов поставлена и решена задача, позволяющая рассчитать время формирования льдопородного закладочного массива при различных условиях: толщины слоя закладки, влажности закладочного материала, температуры породы, температуры подаваемого воздуха и т.п. [6].
Технология с льдопородной закладкой разработанная в институте внедрена в промышленных масштабах на золоторудном месторождении Бадран (Якутия), при этом значительно улучшены показатели извлечения руды (потери - 3 %, разубоживание - 21 %) по сравнению с ранее применявшейся камерно-столбовой системой (потери - 28-30 %, разубоживание - 30-35 %).
Повторная смерзаемость руды. Экономический ущерб, вследствие смерзания руды на рудниках Севера исчисляется сотнями миллионов рублей. Одним из основных механизмов смерзания является конденсация и замерзание влаги при фильтрации воздуха через отбитую горную массу. В Институте в результате проведенных экспериментальных и теоретических исследований установлены основные закономерности льдонакопления в блоке отбитой руды на рудниках криолитозоны. Разработана методика, которая позволяет выявить зоны интенсивного льдонакопления, что, в свою очередь, позволяет выбрать технологические режимы, исключающие смерзание отбитой руды, в том числе в случае аварийной остановки выпуска [7].
Полученные результаты исследований и разработанная методика также могут быть использованы для прогнозирования тепло-влажностных режимов различных сооружений из крупнообломочных материалов, таких как дамбы, плотины, железнодорожные насыпи, отвалы горных пород и естественных каменных осыпей зоны распространения многолетней мерзлоты.
Строительство дамб дражных полигонов. При строительстве водоподпорных дамб в условиях криолитозоны предполагается, что в основании дамбы находится многолетняя мерзлота, которая является естественным водоупором. Как показали наши исследования, если дамба строится в летнее время из талых грунтов, под её основанием в течение двух и более лет (в зависимости от размеров дамбы) сохраняются талые породы. В случае если в основании находятся
трещиноватые породы, это зачастую приводит к аварийной фильтрации воды, даже если сама дамба воду не пропускает.
При строительстве плотины по технологии предложенной ИГДС методом послойного намораживания в зимний период в основании и теле плотины формируется мерзлое противофильтрационное ядро. Наиболее благоприятными месяцами для возведения плотины методом послойного намораживания для условий Северо-Востока России являются декабрь-февраль. Для месторождений криолитозоны методом послойного намораживания за один сезон можно возвести плотину высотой до 14 м. Чтобы исключить размывание и оплывание плотины откосы и гребень рекомендуется пригружать каменной наброской (щебнем). Это позволит увеличить угол откоса плотины до 34 градусов [8].
При строительстве дражных полигонов в тело плотины укладываются вскрышные торфа. Они не вывозятся в отвалы, а укладываются в плотину, что позволяет в 2-3 раза сократить трудозатраты при транспортировке. За счет этого пропорционально уменьшаются объёмы вредных выбросов. Следует учесть также существенное сокращение площади отводимой под отвалы, что снижает экологическую нагрузку на ранимую северную природу [9].
Применения более экономичного и эффективного дражного способа добычи позволяет вовлечь в разработку месторождения с пониженным содержанием полезного ископаемого.
Обогащение. Экспериментальными исследованиями установлено, что прочность карбонатных пород и кимберлита алмазных месторождений Якутии при отрицательных температурах в зоне интенсивных фазовых переходов поровой влаги существенно ниже, чем при положительных температурах, снижение прочности материала приводит к снижению энергии, необходимой для дробления этих пород в процессе обогащения. Например относительные затраты энергии на разрушение горных пород карьера «Удачный» при температуре минус 5 °С меньше на 25 % в воздушно-сухом состоянии и на 60% при насыщении породы водой или 5 % раствором поваренной соли по сравнению с энергией, необходимой на разрушение материала при температуре + 20 °С [6].
При воздействии циклов замораживания-оттаивания кимберлиты полностью разрушаются, освобождая кристаллы алмазов [10]. Вместе с тем, этот процесс, во-первых, трудоемкий, а, во-вторых, требует достаточно длительного времени, что делает его применение практически не возможным при больших объемах. Если предварительно проводить сортировку руды и пускать на обогащение только кимберлит, содержащий крупные кристаллы алмазов (технически решаемая задача), то это позволит резко сократить разрушение кристаллов и предлагаемая технология будет эффективной.
В процессе исследования свойств геоматериалов при воздействии установлено, что после циклов замораживания-оттаивания коэффициент фильтрации суглинков увеличивается на два порядка, резко снижается водопрочность и они переходят из класса неразмокаемых в класс размокаемых пород. На основе установленных эффектов были предложены технологии, позволяющие повысить эффективность и снизить энергоемкость процессов обогащения полезных ископаемых.
Для улучшения проницаемости уложенного слоя при кучном выщелачиванием предложен способ криогенной подготовки глинистых золотосодержащих пород, вместо применяемого, в настоящее время - окомкования. В зимнее время, на заранее подготовленную площадку, отсыпают дробленые мерзлые глинистые породы, со сформированной криогенной текстурой, при этом подготовительные работы ведутся в зимнее время (увеличивается добычной сезон), после оттаивания процесс выщелачивания идет значительно быстрее [2].
Для повышения промывистости высокоглинистых песков рекомендуется следующий порядок отработки месторождения. На части месторождения полезного ископаемого, где расположены труднопромывистые пески, с осени проводят вскрышные работы. Зимой по мере промерзания песков их послойно снимают и выкладывают в конусный отвал возле промприбора. Весной, с появлением достаточного количества воды приступают к промывке песков, причем в начале промсезона рекомендуется перерабатывать мерзлые глины и суглинки, а затем приступать к промывке песков и супесей. Рекомендуемая технология переработки позволяет увеличить выход металла за счет хорошей размокаемости высокоглинистых песков подвергшихся криогенной подготовки [2].
Заключение
В результате систематических исследований установлены основные закономерности изменения свойств кимберлитов, карбонатных и дисперсных горных пород при воздействии естественно низких температур. Использование полученных фундаментальных результатов в горном производстве позволило разработать нетрадиционные высокоэффективные технологии, обеспечивающие в условиях криолитозоны повышение устойчивости бортов карьеров и подземных выработок, полноту и качество извлечения полезных ископаемых. Заменить закладочные материалы, на основе цемента, льдопородной закладкой. Создать технологию строительства дамб хвостохранилищ, исключающую фильтрацию. Обосновать возможность безвзрывной выемки кимберлитов и карбонатных горных пород в условиях криолитозоны. Разработать мероприятия, исключающие повторное смерзание горных пород, в том числе в случае аварийной остановки и др.
Полученные результаты могут и должны быть использованы в различных отраслях народного хозяйства: строительство, транспорт, сельское хозяйство и т.д.
------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Курилко, A.C. Об особенностях влияния низкой температуры на прочность вмещающих горных нород и кимберлита трубки «Удачная» / А.С. Курилко, М.Д. Новонашин // ФТПРПИ. - 2005. - № 2.
2. Курилко, A.C. Экспериментальные исследования влияния циклов замораживания-оттаивания на физикомеханические свойства горных нород / А.С. Курилко. - Якутск: ЯФ ГУ «Изд-во СО РАН», 2004.
3. Новопашин, М.Д. Исследование особенностей деформирования и разрушения геоматериалов в условиях неоднородных температурных и силовых полей и их приложения в геотехнологиях / М.Д. Новопашин // Горный информ.-аналит. бюллетень. Снец. выпуск Дальний Восток-3. - 2007. - С. 83-92.
4. Курилко, A.C. Применение набрызгбетонных теплозащитных покрытий в условиях криолитозоны / А.С. Курилко // Горный информ.-аналит. бюллетень. - 2005. - № 12. - С. 250-257.
5. Курилко, A.C. Математическая модель для расчета количества циклов замораживания-оттаивания горных нород в выработках криолитозоны / А.С. Курилко, Ю.А. Хохолов, Д.Е. Соловьев // Горный информ.-аналит. бюллетень. Тематическое приложение «Физика горных пород». - 2006.
6. Курилко, A.C. Изменение свойств горных нород нри знакопеременных температурных воздействиях и прогнозирование состояния устойчивости горнотехнических сооружений / А.С. Курилко // Неклассические задачи геомеханики: труды Всероссийской объединенной научной сессии Научных советов РАН по механике деформируемого твердого тела и но проблемам горных наук (г. Якутск, 2008 г.). - Якутск: Изд-во ЯНЦ СО РАН, 2008. - С. 42-47.
7. Каймонов M.B. Влияние процессов тенло- и массонереноса на смерзаемость руды в очистных блоках рудников Севера: дисс. ... канд. техн. наук: 25.00.20. : защищена 9.12.08 : утв. - Якутск, 2008. - 139 с.
8. Бураков, A.M. Тепловой режим грунтовых плотин дражных полигонов в условиях россыпного месторождения криолитозоны / А.М. Бураков, С.А. Ермаков, М.В. Каймонов, А.С. Курилко, Ю.А. Хохолов // Горный информ.-аналит. бюллетень. Тематическое приложение «Физика горных нород». - 2006. - С. 228-235.
9. Ермаков, С.А. Формирование выемочного пространства россыпных месторождений криолитозоны / С.А. Ермаков, А.С. Курилко, А.М. Бураков, М.В. Каймонов, Ю.А. Хохолов // Горный информ.-аналит. бюллетень. -2008. - № 10. - С. 63-69.
10. Новопашин, М.Д. Дезинтеграция кимберлитов нод воздействием циклов замораживания-оттаивания / М.Д. Новонашин, А.С. Курилко // Фундаментальные проблемы техногенной геосферы: Тр. конф. с участием иностранных ученых (Новосибирск, 10-13 окт. 2006 г.). - Новосибирск, 2007. - Т. I. Геотехнологии. - С. 68-73.
— Коротко об авторах -----------------------------------------------
Новопашин М.Д. - член-корреспондент РАН, профессор, директор, igds@vsn.ru,
Курилко А.С. - доктор технических наук, зав. лабораторией, helconst@mail.ru,
Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского СО РАН, Республика Саха (Якутия), г. Якутск.
