Виды и назначение закладки

Тема 6. Управление геомеханическими процессами при системах с искусственным поддержанием выработанного пространства: с закладкой выработанного пространства. 4 часа.

Общие сведения. Виды и назначение закладки. Особенности развития геомеханических процессов при закладке камер сухой или гидравлической закладкой. Механические свойства массивов из твердеющих закладочных материалов. Создание искусственных массивов из твердеющих смесей. Особенности развития геомеханических процессов при закладке камер твердеющей закладкой. Нормативная прочность закладочного материала. Влияние взрывных работ на искусственный массив.

Общие сведения.

В классе систем разработки месторождений полезных ископаемых с искусственным поддержанием выработанного пространства выделяются группы систем:

· с закладкой выработанного пространства;

· с магазинированием;

· с креплением очистного пространства.

Все указанные системы относительно дороги, но при правильной технологии и оптимизированных параметрах обеспечивают малые потери и разубоживание полезного ископаемого.

Системы применяются в сложных горно-геологических условиях, при разработке ценных полезных ископаемых и в случаях, когда необходимо предотвращать или минимизировать вредные влияния подземной разработки на опасные или важные народнохозяйственные объекты.

Для поддержания подрабатываемого массива горныхпород выработанное пространство вслед за выемкой руды (или черезнекоторое время) заполняется закладочным материалом.

Вкачестве закладочного материала используются дробленые горные породы,хвостыобогатительных фабрик, шлаки металлургических заводов или зола тепловых электростанций, твердеющие или бетонные смеси, песок, глина и др. Отдельные компоненты, закладочных смесей могут быть несвязными между собою ним скрепленными вяжущими материалами (твердеющая закладка).

Для повышения плотности создаваемого искусственного массива специальноподбираются крупность кусков и фракционный состав смесей.

Все методы закладки выработанного пространства делятся в зависимости от способа транспортирования закладочного материаладо места его укладки (самотечная, механическая, пневматическая, гидравлическая).

Самотечная закладка применяется при разработке крутопадающих месторождений, когда закладочный материал может размещаться в выработанном пространстве под действием собственной силытяжести. Для достижениявысокой плотности закладочного массива рекомендуется принимать максимальный размер куска не более 250—300 мм, при этом содержание мелких частиц должна быть до 10—15%, а фракция от О до 20 мм - до 30%. Содержание глинистых пород не должно превышать20%. Для сниженияпылеобразования и увеличения плотности укладки закладочную смесь увлажняют. При мелкокусковом материале усадкадостигает 15-25 %. При крупнокусковом — до 30-40 %. Поэтому требуется периодическая дозакладка камер.

При механическом способе закладки применяются специальные метательные закладочные машины, скреперные установки, конвейеры,самоходные машины. В качестве закладочных материалов используются различные сыпучие материалы с размером кусков до 80—100 мм (при метательных машинах) и до250-300 мм (при других способах доставки). Усадка закладочного массива в первом случае составляет 20-30%, а в других - до 30-40%.

Для пневматической закладки требуются более мелкие дробленые материалы с размером частиц до 30-40 мм и содержанием глины не более 10-15%. Доставка и размещение закладочного материала в выработанном пространстве производится за счет энергии струи сжатого воздуха. Значительная скорость движении частиц материала (до 30-40 м/с) обеспечивает более высокую плотность укладки (усадка составляет 10— 15%),особенно при увлажнении материала.

На практике наиболее часто применяется гидравлическая закладка выработанного пространства песками, гранулированными обесшламленными хвостами обогатительных фабрик с содержанием 10-15% илистых фракций (для меньшего износа труб при транспортировании материала). После обезвоживания размещённого в отработанных камерах материала образуется довольно плотный искусственный массив с небольшой (до 5-10%) усадкой, плотно подпирающий обнаженные стенки камер. Дозакладка пустот после усадки материала может обеспечить надежное подбучивание кровли камер.

Виды и назначение закладки.

В зависимости от свойств и состояния закладки можно выделить три её разновидности: сухую, гидравлическую и твердеющую. Две первые представляют собой совокупность несвязных между собой частиц.

В случае сухой закладки материал доставляется к закладываемой выработке в сухом виде и укладывается в неё простой насыпью, размещаясь только под действием гравитационных сил или с использованием механизмов.

Сухая закладка представляет собой, чаще всего, породу от горнопроходческих работ (иногда — дробленую). Она используется для заполнения подземных пустот, не имеющих непосредственного контакта с телом полезного ископаемого.

В отдельных случаях сухой породой закладывают камеры между рудными целиками, которые проектом предусмотрено оставлять в недрах в виде потерь. Иногда, теперь уже в редких случаях, сухую породу в качестве закладки используют в системах разработки горизонтальными слоями с восходящим порядком отработки слоев. При этом на каждом слое рудные стенки отделяются от массива закладки крепью или обшивкой.

Материал гидравлической закладки представляет собой смесь сыпучих частиц с водой (тонкий или молотый песок, хвосты обогащения и т.п.). Эта смесь хорошо транспортируется с водой по трубам на значительные расстояния и плотно укладывается в закладываемых камерах. При этом вода затем самотеком дренируется из уложенного закладочного массива через специальные дренажные устройства.

Чтобы уложенный массив хорошо дренировал воду, материал перед подачей в трубу очищают в гидроциклонах от пылевидных и глинистых частиц. Однако и эта мера не гарантирует образование несдренированных зон, в которых массив имеет псевдоплывунную консистенцию, опасную в определенных условиях по прорыву. Особенно высока вероятность образования таких зон при соотношении высоты камеры h к ее пролету b в пределах 0,5 < h/b <2. Это должно учитываться при укладке смеси в камеру и организации дренажа воды.

Остаточная влажность массива гидрозакладки колеблется в довольно широких пределах (от 5 до 25 %) и зависит от многих факторов, в том числе от гранулометрического состава твердой фазы и объема закладываемой выработки. Наибольшую прочность на срез имеет уложенный в массив материал с капиллярной влажностью, т.е. порядка 10— 12 %. Плотность заложенного массива зависит от его гранулометрического состава. В свою очередь, от плотности зависит его прочность. Оптимальным считается заполнитель, гранулометрический состав которого обеспечивает наименьшее расстояние между частицами [Кегель К. Механика сыпучих и твёрдых тел применительно к горным работам. // Международная конф. По горному давлению (г. Льеж). – М.: Углетехиздат, 1957.].

В любом случае необходимо стремиться к достижению наибольшей усадки закладочного массива при его сооружении, так как, во-первых, от этого зависят его плотность и прочность, а во-вторых, последующая усадка его (при выполнении им функциональной роли) может негативно отразиться на состоянии элементов системы разработки, в составе которых находится закладочный массив.

С точки зрения технологии очистных работ время усадки закладочного массива желательно свести к минимуму. С целью ускорения этого процесса иногда прибегают к специальным мерам. Среди них эффективной мерой является уплотнение массива действием взрыва.

Практика работы предприятий показывает, что отбойка руды взрывным способом непосредственно у закладочного массива вызывает его усадку на 20—25 %. В этом отношении показателен опыт применения отбойки руды в зажиме: отбитая и замагазинированная руда уплотняется взрывом скважин на 25—35 %, при этом уплотнение распространяется на 20—25 м в глубину отбитой рудной массы при сравнительно небольших взрываемых зарядах (1—1,5 т).

Сухая и гидравлическая закладки используются, главным образом, для выполнения вспомогательных или не очень ответственных функций в технологических процессах очистных работ. Это объясняется, прежде всего, тем, что обе разновидности закладки массива не могут самостоятельно выполнять роль несущей конструкции (или несущего элемента в конструкции систем разработки в целом).

Только в отдельных случаях удается создать массив гидрозакладки высокой плотности, который может воспринимать определенные нагрузки. Для оценки величины этих нагрузок предложены зависимости, в которые в качестве параметров входят плотность, влажность и начальная прочность гидрозакладки, плотностные и деформационно – прочностные характеристики массива пород, глубина отработки и параметры закладываемой камеры, технологические параметры закладки - высота закладочного слоя, величина недозакладки, коэффициент компрессии закладочного массива.

Принципиальным отличием массива твердеющей закладки от сухой и гидравлической закладки является способность её не только самостоятельно сохранять свою форму и свойства, но и нести различные нагрузки. Эти особенности твердеющей закладки оказали революционизирующее влияние на совершенствование применявшихся и создание новых способов выполнения очистных работ при добыче полезных ископаемых.

Твердеющая закладка стала применяться в горнодобывающем производстве сравнительно недавно (последние 50—60 лет) — это, по существу, разновидности «тощих» бетонов, опыт получения и изучения которых насчитывает сотни лет. В связи с высокой стоимостью твердеющих материалов данный вид закладки используется после технико-экономического анализа целесообразности этого варианта.

Твердеющая закладка применяется для создания монолитных искусственных целиков (столбов), ограждающих подпорных стенок, перемычек, искусственных массивов.

Твердеющие закладочные смеси включают вяжущие материалы, инертные заполнители, воду и пластификаторы. В качестве вяжущего наиболее часто применяются различные цементы (шлаковые, пуццолановые и портландцемент) вчистом виде или как активизирующие добавки к другим более слабым вяжущим материалам. Портландцемент и шлакопортландцемент в своем составе имеют СаО, SiO₃, Аl₂O₃, Fе₂О₅, МgO, SO₃, (в различных сочетаниях), схватываются в течение 6—12 ч. и через 28 сут. набирают прочность па сжатие от 3 до 4 МПа.

Из-за дефицитности и высокой стоимости цемента в горнорудной практике стремятся его заменять более дешевыми местными вяжущими материалами, приготовленными на базе шлаков металлургических заводов и золы тепловых электростанций, к которым цемент может добавляться в небольших количествах как активатор. Кроме этого, используются также небольшие добавки глины, известь, отходы обогащения, гипс и другие материалы. Для выбора состава вяжущих компонентов в закладочных смесях необходимы специальные исследования на базе конкретных местных материалов с технико-экономическим обоснованием рекомендуемых рецептов, так как стоимость вяжущих составляет 60-80% от общей стоимости закладочного материала. Основу твердеющих закладочных смесей составляют инертные заполнители, которые должны иметь предел прочности не менее 10-15% от нормативнойпрочности искусственного массива и включать не более 1-3% вредных примесей. Крупность отдельных кусков и гранулометрический состав выбираются из условий технологии закладочных работ и требований прочностиматериала послезатвердения. В случае совместной подачи закладочных смесей по трубам крупность кусков обычно принимается не более 40 мм (10%), а при раздельном способе закладки—до 100-150 мм.

На прочность искусственного массива большое влияние оказываетплотностьукладки, т.е. заполнение промежутков между крупными кусками мелкозернистым инертным материалом и вяжущим.

Наиболее часто в качестве заполнителей, кроме дробленыхгорных пород, применяются пески с примесью глины в объеме-5-10%, которая выполняет роль пластификатора. Считается, что наиболее строгим требованиям отвечает крупный песок, в котором не менее 20-35% зерен имеют размер 0.30-0.15 мм, что обеспечивает наиболее полное заполнение пустот между крупными фракциями и, следовательно, сокращает расход вяжущего [Цыгалов М.Н. Подземная разработка с высокой полнотой извлечения руд. М., Недра,1985]

В качестве дроблёных горных пород наиболее широко используются породы отвалов. Прочность этих пород обычно выше нормативной прочности искусственных закладочных массивов, а гранулометрический состав включает большой объём (40-60%) фракций крупностью менее 40 мм, которые могут быть сразу использованы для приготовления закладочных материалов без дополнительного дробления. Очень важно, чтобы они не были склонны к самовозгоранию и не содержали большого количества глины (не более 20%).

Хвосты обогатительных фабрик содержат различные минералы (кварц, полевой шпат и др.) и состоят из частиц размером от 0,1 до 2,0 мм. Перед смешиванием с другими компонентами их обезвоживают и отделяют от флотореагентов. Шлаки металлургических заводов могут примениться в смеси с песком и дроблеными породами.

Для закладочных материалов прочностью от 1,0 до 5,0 МПа соотношение между цементом и инертным заполнителем, соответственно изменяетсяот 1:30 до 1:5.

Накалийных предприятиях в качестве схватывающейся закладки могут широко использоватьсягалитовые отходы. Они содержат NaCl (95-96%), КCl (2,0-2,7%), нерастворимый остаток (1-2%) и некоторые другие примеси(в долях процента). Крупность входящих в закладочный материал компонентов составляет 0,075-1,0 мм, плотностьотходов – 2.5 т/м³, прочность на сжатие - 2-5 МПа. Искусственныймассив из галитовых отходов при надёжном подбучивании кровли камер может служить надежным средством поддержания вышележащих пород.