Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обоснование направлений развития закладочных работ в криолитозоне коренных алмазных месторождений Якутии 12
1.1. Обобщение основных особенностей разработки кимберлитовых трубок 12
1.2. Анализ практики производства закладочных работ на отечественных и зарубежных подземных рудниках 31
1.3. Анализ рекомендаций для коренных алмазных месторождений в области составов закладки и технологии их приготовления 49
1.4. Влияние геотермических полей и агрессивной среды криолитозоны на формирование закладочных массивов 49
1.5. Цель, задачи и методы исследований 57
Выводы 62
Глава 2. Научно-методическое обоснование основных технологических параметров закладочных работ 64
2.1. Оценка прочностных и деформационных нормативных показателей закладочных массивов 64
2.2. Расчет основных параметров трубопроводного транспорта закладочных смесей 86
2.3. Требования к специальным свойствам закладки 98
Выводы 99
Глава 3. Экспериментальные исследования по выявлению рациональных свойств, состава и технологии производства закладочных смесей 101
3.1. Разработка эффективных вяжущих композиций на основе местных материалов 101
3.2. Изыскание целесообразных заполнителей для закладочных смесей 122
3.3. Выявление рациональных составов бесклинкерных, клинкерных, цементных закладочных смесей и способов их приготовле ния 135
Выводы 159
Глава 4. Теоретическое обоснование параметров очистных и закладочных работ с учетом взаимовлияния закладочного и горного массивов 162
4.1. Разработка алгоритма обоснования параметров очистных и закладочных работ в части возведения закладочных массивов 162
4.2. Разработка термокинетической модели для расчета температурного режима твердения закладочных массивов в условиях криолитозоны месторождений 169
4.3. Исследование закономерностей формирования тепловых и прочностных полей закладочных массивов на основе портландцемента для III геотермической зоны 182
4.4. Исследование закономерностей формирования тепловых и прочностных полей закладочных массивов на основе
негашеной извести для III геотермической зоны 195
4.5. Исследование закономерностей формирования тепловых и прочностных полей закладочных массивов на основе портландцемента или негашеной извести в условиях II геотермической зоны 201
4.6. Исследование закономерностей формирования тепловых и прочностных полей закладочных массивов на основе портландцемента в условиях I геотермической зоны 203
4.7. Исследование закономерностей формирования тепловых и прочностных полей закладочных массивов в условиях IV геотермической зоны 214
4.8. Исследование закономерностей формирования тепловых и прочностных полей закладочных массивов в условиях V геотермической зоны 216
4.9. Исследование влияния тепловых полей закладочных массивов на температуру и прочность горного массива 217
4.10. Рекомендации по обоснованию параметров очистных и закладочных работ с учетом взаимовлияния закладочного и горного массива,
с позиций возведения закладочных массивов 220
Выводы 227
Глава 5. Составы закладочных смесей и технологии их производства 230
5.1. Рудник «Интернациональный» 230
5.2. Рудник «Мир» 241
5.3. Рудник «Айхал» 256
5.4. Рудник «Удачный» 282
Выводы 294
Глава 6. Разработка рекомендаций по технологии транспортирования закладочных смесей и формирования искусственных массивов 295
6.1. Рудник «Интернациональный» 295
6.2. Рудник «Мир» 328
6.3. Рудник «Айхал» 338
6.4. Рудник «Удачный» 343
Выводы 348
Глава 7. Внедрение рекомендаций. Экономическая эффективность исследований 350
7.1. Рудник «Интернациональный» 350
7.2. Рудник «Мир» 353
7.3. Рудник «Айхал» 356
Выводы 364
Заключение 365
Библиографический список использованной литературы
- Анализ рекомендаций для коренных алмазных месторождений в области составов закладки и технологии их приготовления
- Расчет основных параметров трубопроводного транспорта закладочных смесей
- Изыскание целесообразных заполнителей для закладочных смесей
- Исследование закономерностей формирования тепловых и прочностных полей закладочных массивов на основе портландцемента для III геотермической зоны
Введение к работе
Характерная особенность современного состояния горных работ на крупных коренных алмазных месторождениях Крайнего Севера - переход на подземный способ разработки в связи с достижением карьерами предельных контуров. Ввиду высокой ценности минерального сырья, сложных горно-, гидро- и криологических условий доработка месторождений подземным способом целесообразна системами с закладкой выработанного пространства, обеспечивающими высокое качество извлекаемых алмазов и безопасность ведения подземных горных работ.
Специфические условия разработки алмазоносных кимберлитовых трубок Крайнего Севера - суровый климат, отрицательные или низкие положительные температуры горного массива, его разупрочнение при увлажнении и растеплении, незначительные размеры рудных тел в плане, наличие напорных высокоминерализованных агрессивных подземных вод, а на ряде месторождений - галогенных пород, специфичность геологического строения и минерально-сырьевой базы территориально разобщенных алмазных месторождений, отсутствие традиционно используемых для закладки выработанного пространства материалов, географическая отдаленность региона от промышленно развитых районов страны - требуют принципиально новых комплексных решений сложных технологических, организационно-технических и экономических задач по обоснованию технологии закладки выработанного пространства кимберлитовых трубок в криолитозоне.
Отсутствие мирового опыта формирования закладочных массивов в столь сложных условиях предопределяет актуальность вопросов, рассматриваемых в данной диссертационной работе.
Цель работы - создание технологии закладки выработанного пространства, обеспечивающей требуемые интенсивность и эффективность добычи высокоценного сырья, безопасность горных работ при подземной разработке кимберлитовых трубок в криолитозоне.
Идея работы заключается в использовании закономерностей геотермического взаимовлияния во времени и пространстве горного и искусственного массивов, а также учете агрессивного воздействия подземных высокоминерализованных вод при обосновании рациональных параметров очистных и закладочных работ в криолитозоне.
Методы исследований. В работе использован комплексный метод исследований, включающий: анализ и научное обобщение отечественного и зарубежного опыта производства закладочных работ; мониторинг горных работ на действующих рудниках; математическое планирование и проведение лабораторных, опытно-промышленных и промышленных экспериментов; математическое и экономико-математическое моделирование; натурные исследования свойств и состояния горного и искусственного массивов; статистическую обработку результатов исследований.
Задачи исследований:
изучить особенности подземной разработки коренных алмазных место
рождений с целью обоснования требований к технологии закладочных работ в
условиях криолитозоны;
исследовать и систематизировать свойства местных материалов с целью поиска эффективных технологий производства закладочных смесей и формирования искусственных массивов;
разработать способ управления термокинетическими процессами в закладочных смесях с целью обеспечения их транспортабельности, саморазогревания и заданной кинетики твердения;
разработать научно-методические основы формирования в криолитозоне закладочных массивов с заданными свойствами;
установить закономерности формирования тепловых и прочностных полей при твердении закладочных массивов в условиях отрицательных и низких положительных температур подземных рудников;
выявить способы повышения коррозионной стойкости закладочных массивов;
систематизировать условия формирования закладочных массивов в динамике добычных работ на месторождениях в условиях криолитозоны;
разработать технологию закладочных работ, обеспечивающую промышленную безопасность, требуемую эффективность и интенсивность ведения горных работ в условиях криолитозоны месторождений, в том числе при отрицательной температуре шахтного воздуха;
разработать методику обоснования параметров технологии формирования закладочных массивов при освоении коренных алмазных месторождений в криолитозоне.
Положения, выносимые на защиту:
В процессе формирования искусственного массива в криолитозоне в условиях взаимного влияния природных и техногенных геотермических полей образуются зоны, различающиеся теплофизическими, механическими характеристиками и фазовым состоянием, пространственное положение и размеры которых определяются направлением, порядком и интенсивностью развития очистных работ, геометрией выемочного пространства, гидравлической активностью, количеством и тепловыделением компонентов закладочной смеси.
Параметры температурных, прочностных и фазовых полей, формирующихся в закладочных массивах одного и того же вещественного состава, зависят от условий их возведения в геотермических зонах, различающихся температурой горного и искусственного массивов, шахтного воздуха, соленасы-щенностью кимберлита и вмещающих пород. Достижение требуемых механических характеристик искусственного массива в каждой геотермической зоне с минимальными затратами обеспечивается регулированием темпов его саморазогрева и охлаждения в процессе твердения.
В криолитозоне месторождений негативное геотермическое взаимовлияние закладочного и горного массивов на их прочностные характеристики минимизируется концентрацией и интенсификацией добычных работ; расположением заходок в смежных по высоте слоях под углом не менее 60 друг к другу; двухстадийным порядком отработки заходок в слое в условиях охлажденного и трехстадийным - в условиях мерзлого или морозного горного массива, единовременным возведением закладочного массива под кровлю в условиях морозного шахтного воздуха.
Эффективное управление кинетикой саморазогрева и твердения закладочного массива в геотермических зонах достигается применением негашеной извести, как источника интенсивного тепловыделения, в сочетании с материалами активными (цеолиты, туфы) или активированными в процессе термообработки (мергели, глины, хвосты обогащения кимберлитовых руд и россыпных алмазных месторождений, доменные шлаки).
5. Транспортабельность закладочных смесей на основе негашеной извести,
свободное растекание, саморазогревание и твердение с увеличением объема в
выработанном пространстве достигается их затворением малоконцентриро
ванным раствором флегматизатора, например, лигносульфоната технического,
замедляющего гидратацию извести на время технологических операций по возведению искусственных массивов.
6. Формирование закладочных массивов из твердеющих композиций цеоли-то-цементного или известково-алюмосиликатного состава обеспечивает их высокую коррозионную стойкость к агрессивным высокоминерализованным подземным водам криолитозоны алмазных месторождений.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: значительным объемом и длительностью (более 20 лет) аналитических и экспериментальных исследований с достаточной сходимостью результатов, полученных различными методами; положительными результатами опытно-промышленной и промышленной апробаций разработанных технологических решений, эффективностью внедрения новых технологий в проекты и горное производство на подземных рудниках АК «АЛ-РОСА».
Научная новизна диссертационной работы заключается в новом научно-методическом подходе к обоснованию технологии отработки кимберли-товых тел в криолитозоне системами разработки с закладкой выработанного пространства, включающем:
классификацию на геотермические зоны условий формирования закладочных массивов, дифференцированных по температуре горного и закладочного массивов, а также шахтного воздуха, соленасыщенности кимберлита и вмещающих пород;
зависимости температуры твердения искусственных массивов различных типов от их геометрических параметров, вида и содержания тепловыделяющего компонента, начальной температуры твердеющего и горного массивов;
зависимости, аппроксимирующие связь между прочностью закладочных массивов на основе цементного вяжущего и средней температурой их твердения в условиях подземных рудников;
методику оценки прочности искусственного массива на основе негашеной извести с использованием закономерностей влияния текущей температуры твердения массива на его прочностные характеристики;
закономерности изменения свойств закладочных массивов в условиях знакопеременных температур твердения, заключающиеся в увеличении проч-
ностных параметров при замораживании и отсутствии деструкции при двукратном цикле замораживания и оттаивания;
методику определения параметров формирования закладочных массивов, учитывающую взаимовлияние геотермических полей закладочного и горного массивов во времени и пространстве, базирующуюся на использовании функциональных зависимостей прочностных и температурных характеристик закладочных массивов в различных геотермических условиях их возведения;
способ формирования безусадочных закладочных массивов на основе негашеной извести, суть которого - управление термокинетикой гидратации негашеной извести посредством воздействия флегматизаторами и интенсивного заполнения выработанного пространства с геометрическими параметрами не менее 3 м в каждом измерении.
Новизна технологических рекомендаций подтверждена 10 патентами на способы возведения закладочных массивов, приготовления закладочных смесей и их составы.
Практическое значение результатов работы: составление технологических инструкций на производство закладочных работ на рудниках «Интернациональный» и «Айхал»; создание методик прогнозирования свойств закладочных массивов, возводимых в условиях криолитозоны, учитывающих зависимости, характеризующие кинетику их твердения; разработка типовых схем производства закладочных смесей (бесклинкерных на основе негашеной извести, малоцементных и малоклинкерных на основе цеолита, клинкерных и цементных), а также формирования из них твердеющих массивов, расширяющих границы эффективного применения систем разработки с закладкой выработанного пространства.
Реализация результатов исследований:
Разработаны и реализованы: на руднике «Интернациональный» -технические решения по усовершенствованию проектной схемы производства закладочных смесей, способ формирования закладочных массивов с помощью промежуточных, изолирующих и ограждающих перемычек; на руднике «Айхал» - технологии производства, транспортирования твердеющих смесей и формирования закладочных массивов в условиях отрицательных температур шахтного воздуха и горного массива; на рудниках «Айхал» и «Интернациональный» - методы оперативного контроля прочности закладочных массивов,
ежегодные рекомендации по технологии их формирования и нормы расхода цемента на производство закладочных работ.
Разработаны и внедрены в проект: на руднике «Айхал» - технологии производства, транспортирования закладочных смесей, формирования закладочных массивов на основе негашеной извести; на руднике «Мир - технологии производства, транспортирования клинкерных и малоклинкерных твердеющих смесей и способы повышения коррозионной стойкости закладочных массивов.
Разработаны и применяются на рудниках «Айхал» и «Интернациональный» технологические регламенты на производство закладочных работ.
Сформулированы предварительные рекомендации по производству закладочных смесей на основе негашеной извести и технологии формирования из них закладочных массивов при подземной разработке трубки «Удачная».
Разработаны рекомендации по приготовлению, транспортированию закладочных смесей на основе негашеной извести, формированию из них закладочных массивов и контролю их качества при промышленном эксперименте на Учалинском подземном руднике.
Личный вклад соискателя состоит: в выборе и обосновании направлений исследований; организации, планировании и обобщении результатов экспериментов; научно-методическом обеспечении технологий формирования закладочных массивов на алмазодобывающих предприятиях АК «АЛРО-СА». Все исследования и основные технические решения по организации полного цикла закладочных работ на алмазодобывающих рудниках в условиях криолитозоны месторождений, принятые на стадии проектных проработок (рудники «Мир», «Айхал» - постоянные схемы), внедренные в производство («Интернациональный» - постоянная схема, «Айхал» - временная) или используемые на стадии проработки концепций освоения (рудник «Удачный»), разработаны под непосредственным руководством и при участии соискателя.
Апробация работы. Ключевые положения диссертации были доложены и получили одобрение на Всесоюзной научной конференции «Основные направления и меры по ускорению научно-технического прогресса в золото- и алмазодобывающей промышленности на период до 2000 г.» (Иркутск, 1985 г.), IV Болгаро-Советском симпозиуме «Природные цеолиты» (Бургас, 1985 г.), Всесоюзной научно-практической конференции «Добыча, переработка и
применение природных цеолитов (Тбилиси, 1986 г.), научных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва, 2001 и 2003 гг.); III Международной конференции «Комбинированная геотехнология: масштабы и перспективы применения» (Магнитогорск - Учалы, 2005 г.); Международной научно-практической конференции «Мирный - 2001», а также на технических совещаниях и научных конференциях, проводимых АК «АЛРОСА» в Москве и Мирном в 1980-2006 гг.
Способ формирования бесклинкерных закладочных массивов был представлен на 9-м Московском международном салоне промышленной собственности «Архимед-2006» (Москва, 2006 г.) и удостоен золотой медали в номинации «Изобретения, промышленные образцы, товарные знаки».
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 39 печатных трудах, в числе которых 2 монографии, 19 индивидуальных работ. Новизна результатов подтверждена 10 авторскими свидетельствами и патентами РФ.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 382 страницах машинописного текста и содержит Введение, 7 глав, Заключение, библиографический список из 175 наименований, а также 121 рисунок, 114 таблиц и Приложения, в которых приведены материалы по реализации результатов исследований.
Автор выражает глубокую благодарность чл.-корр. РАН Д. Р. Каплу-нову, профессорам М. В. Рыльниковой и В. Н. Калмыкову за ценную научно-консультативную помощь в подготовке данной работы; специалистам подземных алмазодобывающих рудников АК «АЛРОСА» - за помощь в проведении опытно-промышленных и промышленных экспериментов и внедрении новых технологий; специалистам Учалинского ГОКа, Магнитогорского государственного технического университета - за организацию промышленного испытания способа возведения закладочного массива на основе негашеной извести; специалистам Управления АК «АЛРОСА», институтов Гипроникель и Якутнипроалмаз - за поддержку и помощь в организации исследований, проводимых под руководством и при непосредственном участии автора, а также за внедрение в проекты основных положений диссертационной работы. Автор хранит светлую и благодарную память о своих учителях - докторах технических наук М. Н. Цыгалове и Н. К. Звонареве.
Анализ рекомендаций для коренных алмазных месторождений в области составов закладки и технологии их приготовления
Малоцементный тип в строительстве широко используют пуццолано-вый цемент [19, 80, 133,173], получаемый совместным помолом клинкера и активных минеральных добавок, обладающих пуццолановыми свойствами, т. е. способностью в присутствии воды реагировать с гидратом окиси кальция и образовывать продукты гидратации, обладающие вяжущими свойствами. При этом активность вяжущих идентична активности чистого цемента, что позволяет рассматривать пуццолановые добавки в качестве мощного средства сокращения расхода цемента. Известны исследования в данном направлении [37, 100, 129, 130]. К.Ю.Реппом концентрируется внимание на перлито-цементном вяжущем, но упоминается и возможность использования в закладку таких пород, как туфы, туфобрекчии, пемза, трассы [129, 130]. Известны отрицательные результаты исследований по использованию в качестве активных минеральных добавок цеолитовых пород, полученные в Унипромеди и Магнитогорском горнометаллургическом институте [146], где применительно к условиям ПО "Дальполиметалл" и Сибайского месторождения исследована целесообразность использования цеолита в составе закладки. На рудниках Восточного Казахстана [147] получены положительные результаты использования пуццолановых вяжущих.
В местных условиях имеются месторождения и проявления пуццоланов [59, 60, 92, 88, 98, 115]. Из практики строительства известно [19, 80, 133, 173], что пуццолановыми свойствами обладают исключительно разные материалы. Классификация пуццоланов представляет значительную трудность. Такое состояние вопроса не позволяет слепо использовать в качестве средств сокращения расхода цемента местные породы, классифицированные в известных литературных источниках как активные добавки. В каждом конкретном случае необходимы детальные исследования свойств пород, потенциально способных к гидравлической активности, а также вяжущих и закладочных смесей на их основе.
Бесцементный или бесклинкерный тип закладки упоминается в технической литературе довольно часто [5, 10, 38, 111, 141, 165, 176], но по существу описываемый тип закладки относится к малоцементным композициям, которые содержат в своем составе цемент и какую-либо активную минеральную добавку или шлак. Из практики закладочных работ известно использование бесцементных закладочных смесей на Миргалимсайском месторождении [2], где в качестве вяжущего используются обожженные хвосты обогащения.
Хвосты обогащения различных фабрик характеризуются различным химическим и минералогическим составом. По этой причине лишь на одном руднике, а не повсемстно, из хвостов обогащения получено вяжущее, заменяющее цемент[2, 156]. Однако данное направление должно быть рассмотрено при разработке составов и технологий приготовления закладки из хвостов обогащения кимберлитовых трубок.
Известно [19], что используемое в строительстве известково - пуццолано-вое вяжущее - одно из эффективных вяжущих веществ по простоте технологии, затратам топлива, энергии, труда, а также по низким показателям инвестиций в производство. Как уже отмечалось выше, в районе коренных алмазных месторождений распространены пуццолановые материалы. Для производства извести пригодны карбонатные породы более низкого качества, чем для производства цемента. Такие породы в рассматриваемом районе имеются [86, 89, 93, 94]. Следовательно, принципиально известково-пуццолановый тип вяжущего может быть произведен в местных условиях. Но их специфические свойства потребуют разработки новых методов управления термокинетикой твердения обожженных карбонатных пород и закладочных смесей на их основе, а также новых способов формирования искусственных массивов.
Закладочные смеси различаются не только типом вяжущего, но и типом заполнителя. При производстве закладочных смесей используются заполнители, применение которых в строительной промышленности зачастую не допускается. Технических условий на заполнители для закладки не существует. В качестве заполнителя закладочных смесей используются как природные материалы, так и отходы производства. Как свидетельствуют многочисленные исследования, использование отходов производства часто бывает экономически более выгодным за счет сокращения эксплуатационных и капитальных затрат, связанных с разведкой месторождений, строительством карьеров и добычей природных материалов. Учитывая, что только на строительство одного километра дороги в северных условиях расходуется более миллиона рублей становится очевидным, что изыскание заполнителя в местных условиях является весьма актуальной задачей.
Выбор заполнителя определяется главным образом запасами, стоимостью его добычи, подготовки и транспорта, а также принятым способом транспортировки закладочной смеси. В практике закладочных работ получили наиболее широкое использование: дробленые породы вскрыши, хвосты обогащения, отсевы дробильно-сортировочных фабрик, породы от проходческих работ и т.п.
Закладочные работы, являются составной частью горных работ, формирующих основные статьи затрат в себестимости добываемой руды [38, 163, 164]. По опыту работы основных горнодобывающих предприятий, работающих системами с закладкой выработанного пространства, затраты на закладочные работы составляют - 40 % затрат на горные работы [103, 107, 146]. Следовательно, минимизация стоимости закладочной смеси при сохранении ее основных технологических параметров - является неотъемлемой частью повышения эффективности разработки месторождений системами с закладкой выработанного пространства.
Анализом опыта производства закладочных смесей на отечественных и зарубежных рудниках установлено, что в силу необходимости отработки ким-берлитовых трубок с высокой интенсивностью, предпочтительнее ориентироваться на технологии производства литых и пастовых твердеющих закладочных смесей, характеризующихся высокими темпами ведения закладочных работ. При этом следует стремиться к минимизации водоотделения и усадочных деформаций закладочного массива. С целью сокращения стоимости возведения искусственных массивов необходимо возводить разнопрочные закладочные массивы, снижая мощность высокопрочных слоев с помощью промежуточных перемычек. Допустимо использование при восходящей системе разработки комбинированной закладки: твердеющей в комбинации с сухой. Однако следует учесть, что объемы комбинированной закладки, в силу незначительных объемов пород от проходки, невелики.
Для транспортирования закладочных скважин необходимо использовать наиболее производительный вид транспорта - трубопроводный. При этом с целью снижения затрат на возведение закладочных скважин целесообразно использовать их конструкцию «труба в трубе», позволяющую многократно использовать закладочный став, заменяя перфорированный закладочный трубопровод на новый.
Расчет основных параметров трубопроводного транспорта закладочных смесей
В связи с необходимостью обеспечения требуемой высокой интенсивности отработки алмазных месторождений для подачи закладочных смесей в выработанное пространство наиболее целесообразно использование трубопроводного транспорта.
Схемы трубопроводного транспорта на рассматриваемых месторождениях представлены на рис. 2.9. Закладочные трубопроводы подразделяются на магистральные и участковые. Магистральный трубопровод состоит из наземного горизонтального (наклонного) участка, вертикального става и подземного горизонтального (наклонного), проходящего по основным выработкам. Участковые трубопроводы являются продолжением магистрального, прокладываются по вспомогательным выработкам и подвергаются частому перемонтажу по мере окончания закладки отдельной выработки или их групп.
На рудниках Интернациональньій и «Айхал», характеризующихся относительно небольшой производительностью (табл. 2.2), допустима последовательная закладка горных выработок, т.е. в работе - один трубопроюд. На рудниках «Мир» и «Удачный», в силу их высокой прошвддительности, вероятна одновременная закладка нескольких выработок, поэтому требуется соответственно два или более трубопроводов. Следовательно, по предварительным расчетам, на руднике «Мир» в работе может находиться как один (с приемистостью 180 м3/час), так и два трубопровода одновременно (с приемистостью по 90 м3/час), на руднике «Удачный» - как два (с приемистостью по 350 м3/час), так и четыре (с приемистостью по 180 м3/час)
Согласно расчетным данным по (2.37 и 2.38), приведенным в табл.2.8, и по ГОСТу 8732 устанавливаются предварительные наиболее рациональные диаметры трубопровода. Для рудников «Интернациональный», «Айхал», «Мир» и «Удачный» рациональные внутренние диаметры трубопроводов составляют соответственно: 144-148 мм, 144-148 мм, 195-199 мм, 244-248 мм. Толщина стенки трубопровода принимается с учетом абразивности закладочных смесей 10-12 мм.
С целью обеспечения бесперебойной работы транспорта закладочных смесей в выработанное пространство трубопровод по всей длине должен быть выполнен из труб одинакового диаметра. В отдельных случаях допустим переход с меньшего диаметра на больший. Переход с большего диаметра на меньший недопустим по причине увеличения сопротивления движению смеси. Радиус закруглений трубопроводов должен быть не менее 10 - кратного диаметра труб. Допускается выполнение поворотов в горизонтальной плоскости из сегментов труб, при этом угол между осями соседних отрезков не должен превышать 15. Параллельно с закладочным прокладываются тракты сжатого воздуха и воды, для обеспечения промывки, очистки трубопровода. По всей трассе он должен быть оснащен устройствами аварийного сброса закладочных смесей. Первая камера аварийного сброса организуется, как правило, в непосредственной близости от вертикального става с целью оперативного его освобождения при закупорках горизонтального участка трубопровода. Объем камеры принимается из расчета объема вертикального става и ориентировочного количества закупорок в течение года.
В случае если планируемая величина вертикального става меньше требуемой, организация самотечного транспорта закладочных смесей невозможна, а применяется самотечно-пневматический способ транспортирования. При этом способе смесь по части трубопровода перемещается самотёком, а далее до конца трубопровода - с помощью сжатого воздуха. Возможны следующие виды самотечно-пневматического транспортирования: 1- смесь подается по скважине самотёком, на переходе вертикального става трубопровода в горизонтальный вводится сжатый воздух и по всему горизонтальному участку перемещается за счет энергии сжатого воздуха; 2- смесь подается по скважине самотеком и за счет напора в ней по части горизонтального участка также самотеком, а далее до конца участка трубопровода с помощью сжатого воздуха. Ар 100 где Р] - давление в нижней точке трубопровода без учета потерь в нем, МПа; НАр - потери в вертикальном ставе трубопровода, МПа. Продолжительность движения смеси по трубопроводу [45] определяется производительностью комплекса, длиной L, м и диаметром d, м трубопровода T_60nd2L 1 - 4Q мин- (2-45) Для пневмотранспорта закладочных смесей устанавливаются три рабочих пневмоврезки. Установка первой пневмоврезки предусматривается в месте перехода вертикального участка трубопровода в горизонтальный, второй - на расстоянии 15 - 20 м от первой, третьей - на расстоянии 60-100 м от второй. Резервные пневмоврезки (используются при ликвидации закупорок трубопровода) устанавливаются через 50 - 60 м после 300 м длины горизонтального участка трубопровода и по одной на последующую секцию труб, разделенную фланцевой вставкой.
Диаметр пневмоврезки определяется по формуле d=0,18De, мм , (2.46) где Д, - диаметр трубопровода, мм. Рабочее давление сжатого воздуха у пневмоврезок, от которого зависит эффективность работы пневмотранспорта смеси по трубопроводу, должно поддерживаться в пределах 0,6 МПа. Приборы контроля давления устанавливаются за коленом вертикального става и в районе пневмоврезок. Расход сжатого воздуха для пневмотранспорта определяется по формуле где Ph яРк- начальное и конечное давление сжатого воздуха соответственно, МПа; V - скорость движения смеси, м/с; S - площадь сечения трубопровода, м2; Q3 - производительность установки, м3/с.
Температуру сжатого воздуха целесообразно поддерживать в пределах: +5 С Т +40 С. Верхнее ограничение по температуре сжатого воздуха обусловлено опасностью «заваривания», т.е. резким снижением подвижности и потерей активности вяжущих закладочных смесей. Нижнее ограничение вводится с целью обеспечения температуры закладочных смесей, направляемых в горные выработки, способствующей гидратации вяжущих.
При удовлетворительных параметрах транспортирования закладочных смесей следует последовательно сокращать участок пневмотранспорта путем организации участка самотека.
Работа пневмоврезок обязательна при окончании цикла закладки и в аварийных режимах. При этом осуществляется последовательный их запуск в направлении от закладываемой выработки к вертикальному ставу. При очистке трубопровода при авариях смесь может выпускаться в выработки, которые должны иметь возможность быть очищенными, а также в специальные камеры. Закладочный трубопровод должен быть оснащен устройствами для предотвращения попадания воды в закладочный массив при промывке трубопровода и приспособлениями для аварийного выпуска смеси из труб за счет статического давления в трубопроводе. Устройства аварийного сброса закладочной смеси и промывочной воды из трубопровода устанавливаются: первое - в месте перехода вертикального участка трубопровода в горизонтальный; второе - на расстоянии 60 м от первого; последующие - с интервалом 150 - 200 м, а также перед каждым поворотом труб под углом более 30 и на участке перехода магистрального трубопровода в участковый.
Изыскание целесообразных заполнителей для закладочных смесей
Не менее актуальным для алмазодобывающих подземных рудников является и вопрос изыскания рациональных заполнителей для закладочных смесей.
В результате открытых горных работ на рассматриваемых месторождениях образовались значительные объемы пород вскрыши, которые складированы в отвалы. Целесообразность использования отвальных пород при производстве закладочных смесей устанавливалась на примере отвалов карьеров «Интернациональный» и «Мир». Состав отвальных пород нестабилен и изменяется в самых широких пределах. Содержание мергеля в отвалах варьирует от 30 до 80 %. Мергель - прочная горная порода, но при соприкосновении с водой разлагается вплоть до тонкодисперсного состояния. Валовое использование пород вскрыши при получении закладочных смесей (опробовано 8 отвалов) не принесло положительных результатов. Закладочные смеси из пород вскрыши характеризуются высокой водопотребностью, вязкостью и, даже при расходе цемента 400 кг на 1м3 смеси, низкой прочностью, что делает их неэкономичными.
Исследованиями установлено, что для получения твердеющих смесей с удовлетворительными реологическими и прочностными показателями необходимо, чтобы в сырье содержание мергелей не превышало 30 % от общей массы. Заданный состав сырья для изготовления заполнителя можно получить при соблюдении следующих условий: 1) производить селективную отработку отвалов, используя только участки с требуемым соотношением компонентов; 2) коррек тировать состав исходного сырья прочными разностями пород - известняков и доломитов; 3) осуществлять обогащение заполнителя по прочности.
Первые два условия практически неприемлемы для использования. Содержание мергелей в отвалах изменяется как по высоте, так и по простиранию последних. По этой же причине не представляется возможным выделить участки отвалов, состоящие только из известняков или доломитов. Месторождения известняков или доломитов находятся на значительном расстоянии от рудников «Мир» и «Интернациональный». По причине высоких транспортных расходов их использование в качестве заполнителя нерентабельно. Третье из рассматриваемых условий получения заполнителя из отвальных пород принципиально осуществимо при применении для их переработки мельницы мокрого самоизмельчения, широко используемой в обогащении полезных ископаемых. Разработан способ обогащения по прочности пород переменного состава в бесшаро-вых мельницах, основанный на различной способности их к размалываемости при совместном нахождении в измельчительном аппарате [91].
Однако разработанная технология получения заполнителя из пород вскрыши переменного состава имеет недостатки: образуется до 40 % отхода (тонкодисперсная пульпа) из преобладающих в сырье пластичных разностей пород, в частности - мергелей. Для складирования пульпы теоретически возможно использование емкостей карьеров, но с экологической точки зрения данное решение в местных условиях признано нецелесообразным.
При производстве закладочных смесей на подземном руднике «Интернациональный» используется мелкозернистый песок месторождения «Прикарь-ерное». Сырье характеризуется весьма специфическими свойствами. Исходная льдистость от 15 до 32 %, на отдельных участках месторождения влажность песка достигает 80 %. Структура - мелкозернистая, неоднородная, содержание фракций менее 0,14 мм от 12 до 56 %. Фиксируются включения крупной гальки фракции (20 - 80 мм) от 0,5 до 20 %. Вследствие высокого содержания тонкодисперсных частиц и влаги песок характеризуется высокой слеживаемостью и водоудерживающей способностью - влажность растепленного материала 18%.
Технология получения заполнителя закладочных смесей из столь неоднородного сырья характеризуется кажущейся простотой. Использование непод 123 готовленного песка в летнее время приводит к нестабильности свойств твердеющих смесей вследствие нестабильности фракционного состава, плотности и влажности подаваемого в производство заполнителя. В зимнее время ситуация усугубляется высокой льдистостью песка и смерзаемостью его в негабариты. Размеры негабаритов достигают 1 м, что требует их дробления. Разогрев неподготовленного песка в зимнее время горячей водой в принципе невозможен, так как требуемое количество воды на растепление превышает количество воды по рецептуре закладки, с учетом начального содержания льда в песке. Растепление (без сушки) песка в сушильном барабане и накапливание его в промежуточных бункерах нетехнологично ввиду высокой слеживаемости талого песка. Использование для подготовки мелкозернистого песка «мельничной» технологии, путем переработки в шаровой мельнице, неэкономично, т.к. при этом происходит переизмельчение исходного материала, что сопровождается повышением его удельной поверхности, водопотребности и, как следствие этого - увеличением расхода дорогостоящего цемента для обеспечения нормативной прочности закладки.
Чтобы получить закладочные смеси с требуемыми стабильными технологическими параметрами на основе песка, влажность (льдистость) и дисперсность которого варьируют в широком диапазоне, требуется многооперационная опережающая технология подготовки песка. Принятая на руднике «Интернациональный» технология производства твердеющих смесей на высушенном в сушильном барабане песке работоспособна, обеспечивает нормативные показатели закладочных массивов, но затратна, поскольку необходим высокий расход тепла на предварительное растепление песка с целью подачи в сушильный барабан, а также на его сушку. Непосредственно процесс производства закладочных смесей на сухом песке характеризуется стабильностью, поскольку сухой песок в процессе растепления на картах подогрева, сушки в сушильном барабане, накопления в бункерах усредняется по плотности и фракционному составу. Сухой заполнитель стабильно дозируется в смеситель, обеспечивая требуемую непрерывность и высокую производительность получения твердеющих смесей. Однако проблемы высоковлажного и льдистого в зимнее время материала переносятся в «голову» процесса производства закладки, где происходит растепление и частичное обезвоживание песка перед подачей в сушильный барабан. Для данных целей на руднике «Интернациональный» используются карты по 124 догрева, на которых прослеживаются все негативные аспекты использования мелкозернистого песка: низкие скорость растепления и водоотдача, залипание на трактах подачи дисперсного материала в сушильный барабан. В целом технология производства закладочных смесей с предварительной сушкой песка обеспечивает требуемое высокое качество возводимых искусственных массивов, но многооперационная.
По опыту работы с мелкозернистыми песками рудников ГМК «Норильский никель» [107] в проекте подземного рудника «Интернациональный» принято решение производить опережающую подготовку песка, с целью усреднения его фракционного состава и снижения исходной влажности (льдистости). При этом появляется возможность упрощения процесса растепления песка на картах подогрева, а при определенной степени обезвоживания и усреднения песка на карьере - исключение его сушки. Возможно использование и более простой схемы - растепление песка с помощью горячей воды (используется в настоящее время по предложению подземного рудника Интернациональный» при формировании не несущих частей закладочных массивов).
Исследование закономерностей формирования тепловых и прочностных полей закладочных массивов на основе портландцемента для III геотермической зоны
Анализом ситуаций, возможных в действительности при разработке коренных алмазных месторождений в криолитозоне, установлено, что особые условия формирования закладочного массива имеют место при возникновении нештатных ситуаций. К примеру, эксплуатация месторождения в процессе опытно-промышленных работ иными системами разработки привела к негативным результатам, добыча руды прекращена. Рудник еще не достроен: отсутствуют калориферная, вертикальный и наклонный стволы и ряд других сооружений, предусмотренных проектом подземного рудника. Но возникла необходимость срочного внедрения более безопасных систем разработки - с закладкой выработанного пространства. В этом случае производство закладки может быть оперативно организовано по более простой технологической схеме - на основе привозного портландцемента. При этом закладочные массивы должны формироваться в условиях контакта с мерзлым горным массивом и при отсутствии подогрева шахтного воздуха, т.е. воздух в выработках имеет также отрицательную температуру (см. рис.2.9). Причем, закладочные работы, вследствие временных затрат, необходимых на их организацию, могут производиться со значительным отставанием от добычных работ. В этом случае начальная отрицательная температура горного массива из-за контакта с шахтным воздухом, имеющим более низкую температуру, еще более понизится. Дополнительно усугубляют ситуацию низкие темпы ведения добычных и закладочных работ, когда возведенный закладочный массив продолжительное время находится в условиях негативного воздействия отрицательных температур шахтного воздуха и горного массива, что не исключает возможность их частичного или полного перемерзання к моменту обнажения. Очевидно, что данная задача требует индивидуального подхода, а условия формирования закладочных массивов должны классифицироваться как I геотермическая зона.
На формирование тепловых и прочностных полей искусственных массивов влияет не только внешняя среда - геотермические зоны, но и внутренняя среда, т.е. вещественный состав закладочных массивов. Наиболее существенно влияние вида тепловыделяющего компонента закладки: 1 - портландцемента; 2- негашеной извести. Расчеты для цементной и бесклинкерной закладки на ос нове негашеной извести должны выполняться на отдельных математических моделях.
Для условий алмазодобывающих рудников Якутии сформировано десять типов задач, которые должны быть решены для обоснования технологии закладочных работ на месторождениях и которые должны решаться опосредованно друг от друга. Задачи отличаются типами закладочных массивов и типами геотермических зон. Дополнительно необходимо расчетами установить влияние закладочных массивов на температуру горного массива.
При этом, следуя раннее принятому положению обеспечения запаса в результатах расчетов, в качестве исходных данных для разработки теплофизи-ческой модели закладочного массива на основе портландцемента принята максимальная для данного типа теплоемкость закладки и максимальная для данного типа теплопроводность.
Для решения задач используется метод математического планирования теплотехнических расчетов. Результаты теплотехнических расчетов обрабатываются с применением методов математической статистики, с получением полиномов, аппроксимирующих связь между кинетикой саморазогрева и охлаждения блока (или блоков) искусственного массива в подземных условиях и основными факторами, определяющими данную температуру, типа: где Т, - средняя или текущая температура закладочного массива в расчетной точке через / суток твердения; bo ... bw - эмпирические коэффициенты, полученные с использованием математической обработки результатов расчетов; Тгн - температура горного массива, С; Тзн - начальная температура закладочной смеси, С; В - расход и вид тепловыделяющего компонента в составе закладки, кг/м3; h - мощность единовременно возводимого слоя закладки, м. Для выработок второй и третьей очереди дополнительно исследуется влияние температуры уже затвердевшего закладочного массива Тзк на контакте со свежеуложенным.
При этом количество переменных по сравнению с зависимостью (4.1) сокращено за счет классификации результатов теплотехнических расчетов, ис 181 пользуемых для выявления зависимостей, по типам закладочных массивов (бесклинкерные или цементные) и геотермическим зонам их возведения.
По мере развития закладочных работ в слоях температурный режим твердения закладочных массивов в выработках первой и третьей очереди будет существенно отличаться: в боках выработок I очереди - горный массив, имеющий отрицательную или низкую положительную температуру; в стенках выработок III очереди - саморазогретый закладочный массив.
Кроме того, искусственный массив лент третьей очереди ранее других обнажается в кровле очистных выработок при нисходящей выемке руды. При необходимости ведения добычных работ в кимберлитовом теле с высокой степенью интенсивности, именно ленты третьей очереди (см. рис. 4.10) обнажаются в кровле в ранние сроки (3 - 28 сут ), а не через 28 - 90 сут - сроки обнажения в кровле очистных выработок лент первой и второй очереди. Следо вательно, несущая часть закладочных массивов лент третьей очереди находится в более благоприятных температурных условиях твердения, но должна обеспечивать нормативные прочностные показатели в сжатые сроки.
В связи с отмеченными особенностями задачи расчета температурных полей закладочных массивов в заходках первой и третьей очереди решались последовательно. Закладочный массив в выработках II очереди имеет с одной стороны контакт с горным массивом, с другой - с закладочным. Но обнажение его в стенке происходит со стороны горного массива, следовательно, с учетом запаса в результатах расчетов допустимо принимать режим твердения закладки в выработках II очереди аналогично режимам твердения в выработках I очереди. Уровень варьирования факторов в расчетах температурных режимов твердения закладки в выработках I очереди приведен в табл. 4.6.
