Формирование разнопрочных закладочных массивов при разработке месторождений полезных ископаемых

Бурное развитие горной отрасли годах и требования по постоянному росту объемов производства предопределили применение способов и систем, не позволяющих в процессе разработки обеспечить сохранность окружающей среды. Таким образом преимущественное развитие получили - открытый способ разработки месторождений полезных ископаемых, а в подземном способе - системы с принудительным обрушением руд и вмещающих пород. При выборе способа и систем во внимание принимались лишь экономические показатели собственно горного производства вне зависимости от условий поверхности и географического положения объекта    (месторождения России: КМА, Кольского п-ва, Урала, Приморья, Украины, Казахстана и др.).

Системы разработки с естественным поддержанием очистного пространства, позволяющие (теоретически) обеспечить сохранение земной поверхности, приводят к другой крайности - оставлению в недрах от 30 до 70% запасов полезного ископаемого, а также, что свойственно и упомянутым выше способам и системам, необходимости содержания отвалов пустых пород и отходов передельных производств на поверхности, изымая для этого из оборота сельскохозяйственные угодья. Иногда, в процессе эксплуатации или при попытках повторной разработки подобных месторождений возникают катастрофические последствия, выражающиеся в обрушении поверхности или затоплении рудников (ОАО «Уралкалий», Жезказган).

В последние 25 - 30 лет все чаще и довольно успешно применялись системы с закладкой выработанного пространства, позволяющие в большей мере избежать перечисленных выше недостатков и обеспечить высокую полноту извлечения полезного ископаемого из недр при сохранении почти нетронутой земной поверхности. Особенно это касается так называемой твердеющей закладки, основанной на использовании вяжущих компонентов. Однако, эта технология получила распространение лишь при разработке высокоценных руд и в весьма сложных горнотехнических условиях в вариантах со слоевой и двустадийной выемкой, что связано с высокой себестоимостью ее применения (Гай, Норильск и т.п.).

Наибольшего эффекта твердеющая закладка позволяет достичь при образовании сплошных закладочных массивов. Это связано с тем, что в вариантах предусматривающих возведение искусственных целиков с двух и более стадийной выемкой руды необходимо соблюсти ряд условий, связанных с параметрами блоков, сейсмическим воздействием взрывов, высотой обнажений и т.п. Эти факторы в той или иной мере отражаются на несущей способности закладочных массивов и, практически, не позволяют снизить затраты на производство работ по их возведению.

Оба варианта  закладки выработанного пространства предполагают размещение в нем ограниченного количества отходов  производства,  не входящих в состав закладки, что связано с необходимостью обеспечения нормативных характеристик  закладочного массива. При принятом в настоящее время порядке подземной разработки месторождений и стадийной выемке полезного ископаемого наличие свободных полостей, в которых возможно размещение несвязных материалов обычно не превышает 20 - 25 % и редко достигает 40 - 50% от общего объема закладываемых пустот.

В тоже время, несмотря на ряд недостатков, применение при разработке месторождений   систем  с  закладкой  выработанного пространства позволяет снять ряд экологических  проблем,  связанных с горным производством. Необходимо также решать вопросы удешевления составов смесей за счет исключения или ограничения использования дорогостаящих  вяжущих  и  изменения  технологии формирования сплошных закладочных массивов.

В связи с этим особое значение  приобретает  поиск  новых технологических решений  на основе которых при ведении подземных горных работ обеспечивается высокий уровень их безопасности и существенно снижается воздействие горного производства на окружающую среду.

Одним из  путей решения указанных проблем является формирование разнопрочных закладочных массивов, при которых в широком диапазоне  можно варьировать свойствами закладки при широком использовании отходов производства.  Существенное значение при подземной разработке руд имеет также порядок развития горных работ.

Изучение закономерностей формирования и изменения  геомеханической ситуации  в  процессе ведения горных работ позволит структурировать горный массив  по  этим  факторам  определить нормативные характеристики  формируемых искусственных массивов и их параметры в зависимости от состава и свойств закладочного материала.

Разработка новых технологий  эксплуатации месторождений, включающих формирование разнопрочнных искусственных массивов в выработанном пространстве рудников на основе отходов передельных производств горнодобывающих комплексов,  что решает одновременно  и  ряд  экологических вопросов,  особенно актуальна в настоящее время и имеет большое хозяйственное значение в РФ.

Анализ опыта разработки месторождений в сложных условиях показывает, что перспективным направлением в управлении состоянием рудовмещающих массивов являются технологии с погашением выработанного пространства закладкой из комбинированных материалов и составов. Основу комбинации составляет твердеющая закладка, которая позволяет создавать искусственные массивы различной прочности. Такие массивы формируются из разнопрочных конструкций, сочетающих естественные или искусственные целики и несвязанный материал во вторичных камерах или во внутренних частях блоков.

Однако технологии формирования закладочных массивов из разнопрочных материалов требуют дальнейшего совершенствования.
Для установления геомеханических характеристик искусственных массивов из разнопрочных материалов были проведены исследования методом фотоупругости на моделях из оптически активных материалов. Изготовлены три серии моделей, различающихся состоянием пустот. В первой серии пустоты оставили незаполненными, во второй пустоты заполняли разнопрочными смесями, в третьей – комбинированно с вариантами опережающего заполнения малопрочной и прочной закладкой.

Анализ количественных результатов моделирования (табл. 1.) показывает, что напряженное состояние массива существенно различается и зависит от состояния пустот. В зависимости от этого границы изменения величины напряжений довольно широки: от 1,2 до 7,2 МПа.

Т а б л и ц а  1.
Геомеханическая характеристика массивов в моделях

Модель	Состояние пустот	Геомеханические параметры
		максимальные напряжения, МПа	коэффициент опасности
I, 2	не заполнена	7,2	1
II, 2	заполнена малопрочным материалом	4,5	0,63
II, 4	заполнена прочным материалом	3,24	0,45
II, 6	заполнена комбинированно	3,6	0,5
III, 2	опережающее заполнение малопрочным материалом	4,4	0,61
III, 4	опережающее заполнение прочным материалом	4	0,56

Заполнение пустот малопрочными смесями (сж до 1 МПа) снижает напряжения в окрестностях выработки в 1,4–1,6 раза по сравнению с исходным вариантом без заполнения пустот. Заполнение пустот разнопрочной смесью снижает уровень напряжений по отношению к базовому варианту в 2 и более раза. Промежуточное положение между обеими моделями с заполнением пустот занимает комбинированное заполнение: средняя треть заполняется малопрочной смесью, фланговые зоны – прочной закладкой. В этом случае нормальные напряжения не намного отличаются от случая с прочной закладкой, но имеют существенное различие с малопрочной закладкой.

Из сравнения вариантов (табл. 1) следует, что более безопасны варианты с заполнением пустот твердеющей закладкой. Оставление пустот не заполненными увеличивает коэффициент опасности до 1. Варианты заполнения только прочным или комбинированным по прочности материалом различаются несущественно, что позволяет расценивать закладку разнопрочными составами как потенциальный способ управления напряженно-деформированным состоянием рудовмещающих массивов.
Авторы установили, что система “поверхность – массив – пустоты” представляет собой дискретную среду, жесткость которой изменяется в процессе деформирования в зависимости от перераспределения напряжений, вызванных влиянием тектонико-структурных факторов. Отслаивающаяся часть структурных отдельностей создает упругий отпор массе пород в пределах приконтактной зоны, а при потере несущей способности оказывает пригрузку на закладочный массив.
Условия сохранения геомеханической сбалансированности массива состоят в том, что в зоне разупрочнения пород напряженность заклинивания структурных блоков восстанавливается за счет напряжений в кровле и бокового распора структурных блоков:

 

где осж - напряжения в верхнем слое разупроченных отдельностей массива, МПа; r – напряжение распора структурных блоков нижнего слоя, МПа; - остаточная прочность разупроченных пород, МПа; Z₀ - пролет, при котором сохраняется плоская форма обнажения, м; х1,…хn - характеристики материала структурных блоков; закл - прочность сжатию закладочного массива, МПа; Hs - высота закладки, м.

Напряжения распора и прочность закладки увеличиваются при вводе закладочного массива в режим объемного сжатия, и в этом случае повышение несущей способности элемента геомеханической системы можно учитывать, используя параметры k_упр в уравнении (1):

 

где  m - коэффициент бокового распора; k_упр - коэффициент упрочнения массива.

Коэффициент упрочнения характеризует степень компенсации пустотности в геомеханической системе. Радикальная компенсация обеспечивается при заполнении пустот твердеющими смесями, равнопрочными по сравнению с извлеченными материалами, минимальная - при заполнении сыпучим материалом с высокими компрессионными свойствами (табл.2):

Т а б л и ц а 2
Коэффициент упрочнения массивов

Материал заполнения пустот	Прочность материала, МПа	Коэффициент упрочнения
Прочные твердеющие смеси	мар.15	0,97–1
Слабопрочные твердеющие смеси	1.0-3.0	0.9–0,95
Малопрочные твердеющие смеси	0.5-1.0	0.82–0,9
Сухая закладка	>0,4	0,7–0,8

Напряжения м, создаваемые в результате подпора материалом-заполнителем пустот, складываются из совокупного влияния всех элементов управления:

 (3)

где n.3, c.3, m.3, н.3 - величины подпора, соответственно, прочного, среднепрочного и малопрочного состава твердеющей и нетвердеющей смесей; l - число упрочняющих элементов; n1,...,n5 - массовое число материала в общем количестве смеси; ^y_m  - прочность материалов упрочнения.  
Соотношение фактических и расчетных параметров обнажений позволяет считать, что при отработке запасов в сложных горнотехнических условиях для погашения выработанного пространства возможно применение состава закладки разной прочности и из различных материалов.

На основе проведенных исследований предложены технологические решения позволяющие снизить затраты на закладочные работы и повысить полноту использования недр при отработке маломощных крутопадающих рудных тел. Основные принципы конструирования которых заключаются в полном заполнении очистных камер закладочной смесью; производстве работ на недостаточно устойчивых участках без оставления открытого очистного пространства; дифференциации технологических решений по затратам на закладочные работы.

Вариант 1. Система разработки с закладкой выработанного пространства разнопрочными смесями. Эксплуатационные блоки в пределах этажа разбивают на камеры, которые располагают вкрест простирания месторождения. Подготовительные работы заключаются в проходке выработок вентиляционного и доставочного горизонтов. Нарезка блоков осуществляется проходкой через каждые 15-25 м по вертикали подэтажных ортов, из которых по середине рудного тела проходятся подэтажные штреки. Очистные работы (рис.1) начинают с отработки потолочины высотой 8-10 м и заполнения выработанного пространства твердеющей закладкой повышенной прочности. После чего приступают к отработке подэтажей. Производство работ ведут с опережением выемки каждого нижележащего подэтажа вышележащим на 4-5 м. После отбойки и выпуска запасов подэтажей и отработки целиков днища приступают к погашению выработанного пространства.

Первоначально формируют искусственный целик высотой 8-10 м в основании камер, путем подачи твердеющей закладочной смеси по закладочным скважинам. Затем расчитывают параметры выработанного пространства, которое подлежит заполнению малопрочным составом из дробленных пород вскрыши по условию обеспечения необходимых поддерживающих свойств.

Подачу дробленных пород в выработанное пространство осуществляют путем сброса с выработок вентиляционно-закладочного горизонта через закладочные рудоспуски.

 

Рис. 1 Вариант системы разработки с закладкой выработанного пространства разнопрочными смесями: 1 – руда; 2 – твердеющая закладка; 3 – породная закладка; 4 – упрочненная цементно-породная закладка.

Заполнив необходимый объем камеры породной закладкой приступают к закладке оставшейся части цементно-породной смесью, при этом грансостав пород подбирают с расчетом наибольшей пустотности для более эффективного проникновения песчано-цементного раствора в породы.

 

Рис. 2. Система разработки подэтажными ортами наклонными слоями с закладкой:
1 – породная закладка; 2 – отбитая руда; 3 – рудный массив

Выемку запасов камеры ведут в одну стадию, без разделения участка месторождения на камеры и целики.

Вариант 2. Система разработки подэтажными ортами наклонными слоями с закладкой. Очистные работы (рис. 2) начинают с образования отрезной щели путем взрывания глубоких скважин на отрезной восстающий. Всю отбитую руду при отбойке отрезной щели выпускают и приступают к отбойке руды на подэтажах. Отработку ведут с опережением вышележащих нижележащими подэтажами. Опережение отбойки нижележащего подэтажа по отношению к вышележащему производят следующим образом: сначала отбивают руду вертикальной прирезкой только на нижнем, затем одновременно на двух нижних, после – на трех подэтажах; в результате образуется  сплошной столб отбитой руды, связанный с рудовыпускной дучкой в основании камеры. После каждого очередного взрывания выпуск отбитой руды производят из соответствующих дучек и приступают к закладке выработанного пространства породной закладкой. Закладку подают таким образом, чтобы она располагалась по отношению к целиковым частям подэтажей под углом естественного откоса.

Дальнейшую выемку запасов руды в камере также производят прирезками одинаковой ширины, с отбойкой руды на наклонные слои породной закладки.

Разработанные технологии позволяет создавать более прочные участки в местах наибольших напряжений и в приконтактной зоне с рудным массивом и менее прочные во внутренних зонах закладочного массива, что обеспечивает снижение себестоимости и повышение интенсивности закладочных работ на 18-25 %.

Вариант 3. Камерная система разработки с закладкой выработанного пространства разнопрочными смесями. Эксплуатационные блоки в пределах этажа разбивают на камеры, которые располагают вкрест простирания месторождения (возможно расположение по простиранию, в зависимости от мощности). Подготовительные работы аналогичны варианту 1 и заключаются в проходке выработок вентиляционного и доставочного горизонтов. Нарезка блоков, по вертикали подэтажных ортов, из которых по середине рудного тела проходятся подэтажные штреки. Очистные работы начинают с отработки камер первой очереди. После отработки камер первой очереди начинают поэтапное заполнение камеры закладочным материалом (рис. 3).

Рис. 3. Вариант камерной системы разработки с закладкой выработанного пространства разнопрочными смесями.

Первоначально производят закладку высокопрочными смесями днище камер. Это позволяет создать искусственную потолочину для отработки нижележащих горизонтов. Технология возведения закладочного массива в районе изолирующих перемычек должна исключать возможность их разрушения в результате чрезмерного давления на них закладки. Это достигается двумя основными мерами:

• приостановкой закладки камер после подливки перемычек частично или на всю высоту до полной потери закладочной смесью подвижности (время приостановки зависит от удельного расхода цемента в закладке);
• использованием смесей с минимальной боковой усадкой.

При закладке днищ камер смесями с прочностью 5 МПа подача закладки приостанавливается на 1 сутки после подливки перемычек на всю их высоту. За этот период закладка теряет свою подвижность, выше него вновь заливается слой высотой 2-3 м, и снова подается выдержка на 1 сутки. Далее заполнение камеры осуществляется на высоту Н (до 20-30) метров в зависимости от ширины камеры. Далее производится закладка камеры на всю высоту менее прочными смесями до 2-3 МПа.

При отработке камер второй очереди заполнение их осуществляют по той же схеме что и камеры первой очереди. Исключением является то, что после заполнения днища блока высокопрочными смесями и создания потолочины, производят заполнение камер закладкой без использования вяжущего с прочностью 0-0,5 МПа.

М.М. Хайрутдинов доцент, канд. техн. наук МГГУ
Г.А. Карасёв ст. преподаватель МГГУ