CC BY
28
СЕМИНАР 1
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 98" МОСКВА, МГГУ, 2.02.98 - 6.02.98
В.Н. Калмыков, М.В. Рыльникова, Э.Ю. Мещеряков, МГГМА им. г.и. Носова
Технология возведения комбинированного искусственного массива в условиях последовательной открыто-подземной разработки
Анализ мирового опыта комбинированной разработки месторождений ценных руд показал, что на подземных работах чаще используются системы с закладкой выработанного пространства. Требованиям обеспечения устойчивости подрабатываемых бортов карьера и нормативно допустимых деформаций поверхности в наибольшей степени соответствует применение твердеющей закладки. Однако, резкое удорожание стоимости цемента (по данным Учалинского ГОКа за последние 7 лет в 21000 раз) при относительно невысоком росте цен на товарную продукцию горнодобывающих предприятий (соответственно в 2300-6700 раз) приводит к неэффективности применения данной технологии. Одним из путей снижения себестоимости возведения искусственных массивов является более широкое использование в закладочных работах скальных пород отвалов. При этом параллельно решается вопрос утилизации отходов и освоения выемочных пространств.
Использование скальных пород в сочетании с твердеющей закладкой применялось при разработке Алтын-Топканского, Зыряновского, Риддер-Сокольного месторождений, на горнодобываю-щих предприятиях "Кидд Крит" и "Геко" (Канада), "Маунт Айза" (Австралия), "Ре-оцин" (Испания), "Америкен Герл" (США) и др.
Так, при отработке прикарьерных запасов Алтын-Топканского и Зыряновского месторождений породу вскрыши перемешивали с цементом и водой в траншее, заложенной в основании карьера, и подавали в нижележащие камеры так называемую бутобетонную смесь.
На руднике "Кидд Криг" непрерывный поток дробленных пород с ленточного конвейера вводился в направляющую смесительную трубу диаметром 1,2 м по которой под давлением подавался раствор вяжущего. Дробленная пустая порода, смешанная с раствором вяжущего, и транспортируемая под давлением сжатого воздуха применялась также для закладки подземных выработанных пространств на предприятиях "Реоцин" и "Америкен Г ерл".
Скальные породы при отработке Риддер-Сокольного месторождения и на рудниках "Маунт Айза", "Геко" подаются в выработанное пространство с помощью самоходных погрузочно-транс-портных машин. Породный навал упрочняется литой твердеющей закладкой, подаваемой по трубопроводу.
Анализ условий разработки Учалинского медноколчеданного месторождения, выемка прикарьерных запасов которого производится системами с литой твердеющей закладкой, выявил возможность и целесообразность использования скальных пород отвалов в закладочных работах. В настоящее время на дне карьера на северном фланге производится складирование пород с подземных проходческих работ. Объем внут-рикарьерного отвала достигает 1,5 млн. м3 породы. Рудная масса с открытых и подземных работ выдается на поверхность карьерным автотранспортом. Обратный путь автосамосвалы совершают порожними. При этом вблизи карьера в отвалах находится несколько миллиардов кубометров пород вскрыши, которые целесообразно утилизировать.
Требования к формируемому закладочному массиву определяются условиями обеспечения устойчивости его вертикальных и горизонтальных обнажений при подработке, сохранности подрабатываемых бортов карьера и нормативно допустимых деформаций поверхности. Этим требованиям соответствует искусственный массив, возводимый комбинированным способом (рис. 1). Для обеспечения горизонтальной устойчивости обнажений в основании камеры возводится несущий слой из литой твердеющей закладки повышенной прочности. Затем в выработанное пространство камеры одновременно подают скальные породы вскрыши и твердеющую смесь. Оптимизацией шихты из скальной породы достигаются высокие компрессионные
Рис. 1 Структура комбинированного закладочного массива: 1 - литая твердеющая закладка, 2 - порода крупной фракции, сцементированная твердеющей закладкой, 3 - сухая порода двух модального состава, 4 - литая твердеющая закладка повышенной прочности
1.1
1.2 "
1.3
і і
2.1 ■ ■ 2.2 • 2.3 і
3.1
4.1
• • • 3.2 3.3 » *
і і і •
Рис. 2. Схемы сброса породы в очистные камеры
(■ - точки сброса породы)
характеристики в центре закладочного массива. За счет рационального расположения точек сброса породы относительно контура камеры и сегрегации кусков шихты, по периферии выработанного пространства обеспечивается повышенная пустотность. Пустоты заполняются раствором литой твердеющей закладки с прочностными характеристиками, гарантирующими вертикальную устойчивость комбинированного закладочного массива.
Исследования предложенной технологии проводили методом моделирования на эквивалентных материалах на закладочном комплексе Учалинского рудника. Имитировались вертикальные камеры, применяемые при отработке запасов в основании карьера с размерами 15x50x40 м, и камеры наклонной формы, рекомендуемые для отработки прибортовых запасов с размерами 20x20x20 м.
При моделировании различных схем подачи сухой породы в выработанное пространство подземных камер (рис. 2) изучались особенности распределения породы различных фракций по объему камеры.
Известно, что наибольшую плотность и, следовательно, наименьшую усадку имеют двухмодальные составы с соотношением минимального размера большей фракции к максимальному размеру меньшей 1:5., в которых при наличии крупной и мелкой фракций отсутствуют средние [1,2].
Для обеспечения этого условия были проведены исследования минимального размера структурного блока отвальных пород 11 с помощью переносного ультразвукового прибора типа УК - 14П. В
представительных кусках пород различной крупности, отобранных на участках внутреннего и внешних отвалов, производились замеры длительности фронта первого вступления сигнала т. Статистическая обработка результатов замеров позволила установить, что средний размер куска, имеющего наименьшее количество дефектов структуры равен 0,2 м, он определяет минимальный размер большей фракции її = 0,2 м. Условие оптимальной по плотности шихты обеспечивается при размере меньшей фракции 12 = 0,04 м. Необходимость перемещения породы по поро-доспускам ограничивает максимальный размер большей фракции 0,5м. Экспериментально установлено, что насыпная плотность смеси фракций > 0,2м и < 0,04м в соотношении 1:1 меньше средней плотности пород в массиве лишь на 8 %, что при высоких деформационных и прочностных характеристиках пород гарантирует минимальную компрессию закладки.
Для проникновения твердеющей смеси в насыпные породы и обеспечения эффекта цементации последних, на периферийных участках искусственного массива, которые в последующем будут обнажаться горными работами, необходимо создание повышенной пустотнос-ти. Формирование зон повышенной пустотности обеспечивается за счет сегрегации и сосредоточения крупной фракции у стенок камеры. Показатель пустотности р1 насыпи пород фракции > 0,2 м равен 0,54.
Моделированием установлено, что ширина зон повышенной пустотности р1>50 % зависит от (рис. 3): расстояния от точки сброса породы до стенок камеры 1р, м; высоты камеры, ^, м; расстояния от основания камеры до рассмат-риваемой точки, ^, м; от соотношения мелкой и крупной фракции в шихте s. Установлено, что при ^ /1р=1, угол наклона линии границы повы-шенной пустотности приближается к 90°; при ^ /1р >1 линия границы отклоняется в сторону точки сброса; при ^ / 1р < 1 линия границы отклоняется в сторону противоположную точке сброса.
На основе множественной линейной аппро-ксимации выявлены следующие эмпирические зависимости для определения ширины зон пустотности:
при ^ / 1р > 1; s = 1:1
1п = 1,174 ^ - 0,051 1р - 0,008 ^ - 43,536, (1)
коэффициент детерминированности Кд = 0,98; при ^ / 1р < 1; s = 1:1
1п = 2,069 ^ - 1,577 1р - 0,638 ^ + 14,728 (2)
Кд = 0,99;
Рис. 5. Принципиальные схемы доставки породы в подземные камеры, расположенные в основании (а, б) и в бортах (в, г) карьера
при Ик / 1р > 1; s = 1 : 2
1п = - 3,738 И, + 0,357 1р + 0,165 Ис + 146,891 (3)
Кд = 0,97;
при Ик / 1р < 1; s = 1 : 2
1п = 0,818 Ик - 1,294 1р - 0,279 ^ + 58,112 (4)
Кд = 0,99.
Напряженное состояние комбинированного искусственного массива, нагруженного собственной силой тяжести, исследовалось на математических моделях методом конечных элементов в объемной задаче с использованием программного комплекса MFEPR [3]. Моделировался комбинированный искусственный массив высотой 20 и 40 м с варьированием параметров длины 4 и ширины Ь
камеры и мощности зоны повышенной пустотности 1п (рис. 4). Предельные значения напряжений в закладочном массиве определялись по третьей теории прочности с коэффициентом запаса 2.
По данным моделирования получены эмпирические зависимости для определения нормативной прочности твердеющей смеси, подаваемой для формирования комбинированного искусственного массива:
при Ик = 40 м
Кж] = 2 (-0,147 1п + 0,003 4 - 0,013 Ь, + 1,585); (5)
при Ик = 20 м
Кж] = 2 (-0,079 1п + 0,004 4 + 0,001 Ь, + 0,610); (6)
Толщину несущего слоя комбинированного закладочного массива определяли на основе расчета многопролетной, свободно опирающейся на упругое основание неразрезной плиты, нагруженной собственной силой тяжести и весом вышележащего закладочного массива по известным методикам. При прочности искусственного массива несущего слоя 5 МПа, толщина его при пролетах подработки 15 и 20 м составила соответственно 3,2 и 4,4 м.
Оценка устойчивости вертикальных обнажений и несущей способности комбинированного искусственого массива проводилась на моделях из эквивалентных материалов в условиях закладочного комплекса Учалинского рудника с обеспечением подобия геометрических, прочностных характеристик и вязкости твердеющей смеси: 1к, Ьк, 4, V, [асд] / уз^к, tg ф, где 1к - средний размер кусков породы, м; и - динамическая вязкость твердеющего раствора, Па- с; [асд] - прочность массива из твердеющей закладки на сдвиг, МПа; уз - плотность твердеющего раствора, т / м3, Ик - высота искусственного массива, м; ф -угол внутреннего трения закладки, град.
Сухая порода с заданным содержанием мелкой и крупной фракций и твердеющая смесь в камеру подавались одновременно. Порода засыпалась по определенным на первом этапе исследований предпочтительным схемам (рис. 1), твердеющая смесь заливалась по стенкам камеры, подлежащим обнажению. Экспериментальные значения объемов сухой породной и твердеющей закладки для вертикальных камер высотой 40 и 20 м приведены в таблице.
На основе моделирования установлено, что для камер высотой 40 м должно быть обеспечено соотношение мелкой и крупной фракций породы 1:2, так как при соотношении фракций 1:1 мощность упрочняющей зоны недостаточна для сохранения устойчивости при обнажении. Камеры высотой 20 м устойчивы и при соотношении фракций 1:1.
Анализ таблицы показывает, что оптимальной по экономии твердеющего раствора является подача породы по схеме 3.1. Реализация данной схемы обеспечивает устойчивость всех стенок закладочного массива при обнажении и экономит 60 % объема твердеющего раствора при требуемом соотношении фракций 2:1. Подача сухой породной закладки в данной схеме осуществляется с кровли камеры. Если последнее невозможно, целесообразно применять схемы, предпола-
Объемы сухой породной и твердеющей закладки
Параметры камеры, м Применяемая схема подачи породы Объем породы (м3) при соотношении фракций Объем литой твердеющей закладки, м3 Отношение объема твердеющей закладки к объему камеры, дол. ед.
1 : 1 1 : 2 1 : 1 1 : 2 1 : 1 1 : 2
0-200 мм 200-500 мм 0-200 мм 200-500 мм
15x40x50м 1.2 9500 9500 6300 12700 12900 17300 0,43 0,58
- // - 1.3 10650 10650 7100 14200 10800 15800 0,36 0,53
- // 2.1 11250 11250 7500 15000 9750 15000 0,33 0,50
- // - 3.1 13650 13650 9100 18200 5400 11800 0,18 0,39
- // - 3.2 12800 12800 8500 17100 7000 12400 0,23 0,41
20x20x20м 1.2 3100 3100 2100 4100 2400 3850 0,30 0,48
- // - 1.3 3100 3100 2100 4100 2400 3850 0,30 0,48
гающие сброс породы с выработок вентиляционного горизонта: в этих условиях при необходимости упрочнения двух противоположных стенок закладочного массива целесообразно применять схему 2.1 и при технологическом обнажении одной стенки - схему 3.2, которые позволяют сэкономить соответственно 50 и 59 % твердеющей закладки.
При закладке наклонных камер размерами 20x20x20 м по схемам 1.2, 1.3 достигается равная экономия твердеющего раствора при соотношении фракций 1:1 на 70 %. Приоритет одной из схем для конкретных условий будет определяться технологическими соображениями.
Так как породная закладка должна состоять из фракций 0-0,04 и 0,2-0,5 м рекомендуется четырех стадийная схема подготовки сухой породной закладки: 1 - отделение объема породы с крупностью кусков < 0,5 м; 2 - из полученного объема отделяется фракция
0,2-0,5 м; 3 - из оставшегося объема отсеивается фракция 0-0,04 м; 4 - смешивание фракций в заданном соотношении - 1:1 или 1:2. Анализ грану ломет-рических составов отвалов показывает, что до 40 % породы внешних и до 60 % внутренних отвалов можно использовать без предварительного дробления. На рис. 5 представлены принципиальные схемы доставки сухой породной закладки в выработанное пространство подземных камер.
Таким образом при реализации идеи возведения комбинированных закладочных массивов технология
приготовления твердеющей закладки остается прежней и не требует изменения схемы закладочного комплекса. Подготовка сухой породы заключается в грохочении отвальных пород и смешивании фракций в заданных пропорциях, свободные грохота имеются на обогатительной фабрике.
Сокращение в среднем на 60 % объема твердеющей закладки позволит за счет экономии цемента и сокращении затрат на дробление и измельчение породы уменьшить годовые эксплуатационные затраты рудника на 9,95 млн. руб. В целом годовой экономический эффект от перехода рудника на технологию возведения комбинированных искусственных массивов 9,11 млн. руб. в ценах 1998г. При этом сохраняются прочностные характеристики закладочного массива, повышаются деформационные, ежегодно утилизируется в выработанное пространство миллионы кубометров отвальных пород.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Коган Я.Л. Сжимаемость крупнообломочных пород под большими нагрузками. "Гидротехническое строительство". 1966, № 9.
2. Герасименко О.Г. Исследование свойств сухой породной закладки и выбор рациональной технологии закладочных работ (на примере Джезказганского месторождения). Автореф. диссерт. канд. техн. наук, Алма-Ата. 1974.
3. Ефимов Ю.Н., Сапожников Л.Б. Программный комплекс расчета сооружений и оснований методом конечных элементов для РС ЭВМ (шифр МБЕ). Ленинград, ВНИИГ. 1987.
©В.Н. Калмыков, М.В. Рыльникова, Э.Ю. Мещеряков
