Разработка и внедрение технологии твердеющей закладки при освоении обширных пологопадающих месторождений высокоценных руд в условиях Крайнего Севера Кравченко, Владимир Трофимович

Введение к работе

В диссертации, представленной в виде научного доклада, дается краткое содержание и анализ выполненных автором в 1967-1993 гл\ опубликованных работ и изобретений по результатам научных исследований.

Актуальность проблемы: Повышение эффективности подземной добычи полезных ископаемых сводится, в первую очередь, к изысканию рациональных способов управления горным давлением, определяющим разработку новых производительных систем и механизалию технологических процессов очистной выемки. Эти обстоятельства приобретают первостепенное значение при разработке обширных пологопадающих месторождений разносортных, совместно залегающих руд и разновременности их отработки, склонности сплошных руд к слеживанию и самовозгоранию, наличии вышележащих водоносных горизонтов, газоносности, больших глубин залегания рудных залежей и большой их мощности.

Таковыми условиями характеризуются крупнейшие в мире и одни из самых богатых Талнахское и Октябрьское полиметаллические месторождения Норильского промышленного района. Рудные тела сплошного и вкрапленного сульфидного орудене-ния, каскадно погружающиеся со 150 м до 1600 м, образуют обширные пологопадающие залежи больших размеров, пространственно отстоящие друг от друга до 3,5 км, мощностью до 50 м (средняя - 20 м) -по богатым рудам, до 80-100 м - по, вышерасположенным;, вкрапленным рудам, подлежащим сохранению для последующей выемки. Форма залежей пластообраз-ная, с плавно изменяющейся мощностью. Углы падения залежей - от 0 до 20 . Над значительной площадью Талнахского месторождения расположено месторождение питьевой воды в объеме около 10 млн.м³. Склонность сплошных сульфидных руд к самовозгоранию в 2 раза выше, чем известных руд Дегтярско-го месторождения.

Совокупность сложных горно-геологических и горнотехнических условий разработки месторождений и высокая ценность руд обусловили необходимость полной закладки выработанного пространства твердеющими смесями в качестве способа управления горным давлением.

Отсутствие отечественного и мирового опыта разработки

аналогичных месторождений, особенно, в части производства огромных объемов (до 4 млн.м³ в год) твердеющей закладки в условиях Крайнего Севера, отсутствий железнодорожного сообщения, исключающего по экономическим соображениям завоз вяжущих (до 1,5 млн.т в год цемента) и части материалов для ее производства, а также опыта трубопроводного транспорта закладки на большие расстояния, вызвало необходимость организации и проведения широкого комплекса научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ.

Решению проблемы "Разработка и внедрение технологии твердеющей закладки при освоении обширных пологопадаю-щих месторождений высокоценных руд в условиях Крайнего Севера" посвящена совокупность выполненных работ. Исследования проводились в соответствие с Программой, утв. 31.01.1968г. Главникелькобальтом Минцветмета СССР, Решением координационного совещания по Талнахской проблеме, утв. 27.03.1969г. Минцветметом СССР, Программой научно-координационного совещания по проблеме разработки Талнах-ского и Октябрьского месторождений, утв. 10.05.1971г. Минцветметом СССР, Программой НИР и ОКР, утв. ГКНТ и АН СССР 21.11.80г.

Цель работы заключается в разработке научно-обоснованного комплекса технических, технологических и организационных решений технологии твердеющей закладки, включающих создание новых вяжущих и составов, способа их приготовления и транспортирования, возведения закладочных массивов с заданными свойствами для выемки обширных пологопадающих месторождений.

Идея работы состоит в минимизации потребления производственных и сбережении природных ресурсов за счет применения твердеющей закладки из отходов производства и местных материалов на основе разработки соответствующих способов, методов и процессов ведения закладочных работ.

Методы исследований. В работе использован комплексный метод исследований, включающий научный анализ теории и практики применения твердеющей закладки, аналитические и лабораторные разработки, широкие промышленные испытания, технико-экономические анализы и расчеты.

1. Композитные смеси на основе природных соединений и отходов горно-металлургического производства при соблюдении заданных соотношений компонентов, технологии приготовления, использовании клинкерсодержащих катализаторов образуют вяжущие, которые в составах смесей с определенными заполнителями обеспечивают необходимые физико-механические свойства закладочного массива.

1. Методика оценки транспортабельности твердеющих смесей, позволяющая определять предельное напряжение сдвига, вязкость, коэффициенты раздвижки зерен и расслаиваемости в зависимости от применяемых составов, водовяжущего отношения, начальной температуры смеси, времени ее транспортирования и производить расчеты параметров самотечно-пневматического транспорта твердеющей закладки.

2. Прочностные и деформационные свойства закладочного массива обуславливаются составом твердеющих смесей, их реологическими характеристиками (вязкость, подвижность, рас-слаиваемость), условиями формирования и зависят от технологических параметров его возведения.

3. Физико-химические процессы, протекающие в закладочном массиве, сопровождаются экзотермическим разогревом и выделением значительного количества тепла, влияют на прочностные свойства закладки, окислительные процессы в сульфидных рудах и рудничную атмосферу и зависят от технологических факторов (типа и расхода вяжущего, состава и водовяжущего отношения, начальной температуры смеси, объемов и интенсивности закладки), учет и регулирование которыми позволяет снизить их негативные последствия.

4. Методика определения нормативной прочности твердеющей закладки, основанная на особенностях взаимодействия закладочного массива с вмещающими породами при различных технологических схемах очистной выемки.

Лоспюаерность научных положений подтверждается: сходимостью результатов теоретических исследований с результатами всесторонних опытно-промышленных испытаний и ис-

следований; апробацией и применением предложений и рекомендаций, методик расчета проектными институтами; широким промышленным применением и положительными результатами внедрения разработанных новых вяжущих и составов твердеющей закладки, методов расчета параметров трубопроводного транспорта, технологии возведения закладочных массивов, методики определения нормативной прочности закладочного массива, в целом - применяемой технологией производства твердеющей закладки на рудниках Норильского комбината.

Научное значение работы заключается:

в установлении механизма взаимодействия природных и техногенных материалов, образующего новые экономичные вяжущие;

в выявлении характера влияния технологических параметров на реологические свойства твердеющих смесей, обеспечивающего их транспортабельность по трубопроводам;

в установлении закономерностей теплофизического взаимодействия закладочного массива с окружающей средой;

в разработке методики определения нормативной прочности закладки, основанной на особенностях взаимодействия вмещающих пород и закладочного массива при различных схемах очистной выемки.

Научная новизна

Установлены соотношения компонентов ангидрита, гран-шлака и катализатора - цемента ( клинкера ), при которых образуется гидравлическое вяжущее, твердеющее за счет кристаллизации при гидратации анпідрита, а также низкоосновнкх гидросиликатов и гидросиликоалюминатов кальция, возникающих при химическом взаимодействии компонентов шлака (SiC/2, AI2O3, Fe20j и др.) с минералами портландцемента (клинкера) и ангидрита.

Молотый природный ангидрит, при добавке по весу в его состав не более 10% цемента (клинкера), образует гидравлическое вяжущее, при этом цемент (клинкер) является лучшим катализатором гидратации.

Ангидрито-шлако-цементные вяжущие обеспечивают прочности твердеющей закладки до 20 МПа практически с любым заполнителем, отвечающим требованиям ГОСТ к строительным материалам, в то время как ангидритоцементное вяжущее воз-

можно применять только с дробленным ангидритом или гран-шлаком, или комбинацией последних.

При этом наибольшие прочности (до 30 МПа) твердеющей закладки достигаются при использовании в качестве заполнителя гракшлака.

Разработана методика оценки транспортабельности твердеющей закладки, основанная на определении предельного напряжения сдвига, вязкости, коэффициентов раздвижки зерен и расслаиваемости с учетом начальной температуры смеси и времени ее транспортирования, позволяющая производить расчеты параметров самотечно-пневматического трубопроводного транспорта твердеющей закладки.

Установлены зависимости величины и интенсивность тепловыделения закладочных массивов от технологических факторов, их влияние на прочность закладки, окислительные процессы в сульфидных рудах и рудничную атмосферу и разработаны методы их учета и регулирования.

Установлен характер распределения напряжении в закладочном массиве, степень влияния механических характеристик закладки на напряженно-деформированное состояние закладочного массива и пород, вмещающих очистную выработку.

Разработана методика определения нормативной прочности твердеющей закладки.

Практическая ценность работы

1. Созданы новые вяжущие на основе природного ангидрита и гранулированного шлака никелевого производства с клинкер-содержащими катализаторами; применяются на всех рудниках Норильского комбината (50,51).

2. Разработана технология производства твердеющей закладки на основе мокрого помола клинкера (8,45,44).

3. Разработан способ дистанционного контроля полноты заполнения выработанного пространства (3,9).

4. Разработана технология возведения закладочного массива дифференцированной прочности (44,45,40).

5. Создан комплекс устройств и контролирующих приборов для дистанционного управления трубопроводным транспортом твердеющей закладки (18,19,40).

6. Разработаны способы изоляции выработанного пространства при его закладке твердеющими смесями (36,53,54).

7. Разработан способ образования полостей и выработок в закладочном массиве с использованием гидроопалубки из по-лиэтиленов высокой плотности (13).

8. Создан расширитель РС-315 для закладочных скважин (8,9).

9. Разработана технология приготовления твердеющей закладки (совместный мокрый помол компонентов вяжущего и доизмельчение заполнителя) в шаровых мельницах, положенное в основу реконструкции и создания закладочных комплексов на рудниках Норильского комбината, шахте "Коксовая" (г.Прокопьевск) и предусмотрена в рабочем проекте реконструкции Тырныаузского вольфрамо-молибденового комбината.

10. Разработаны: "Методические указания по определению
нормативной прочности твердеющей закладки и оценке проч
ностных свойств искусственных массивов" (Л., 1975г.); (29)
Технологические инструкции по производству закладочных ра
бот на рудниках Норильского комбината и комбината Ачполи-
металл (Л., 1975, 1981, 1985 г.г.) (30,39,43)

"Руководство по определению нормативной прочности твердеющей закладки на рудниках цветной металлургии" (СПб, 1993г.) (48)

Личный вклад автора заключается в:

выборе задач, путей и способов их решения, формулировке и обосновании научных положений;

разработке программ и методов исследований, выборе рациональных технических и технологических решений, определении их параметров;

разработке и создании новых технологий (мокрый помол клинкера, разнопрочная закладка, мельничный способ ее приготовления, и др.);

организации и проведении лабораторных исследований и промышленных испытаний и внедрении в производство новой технологии твердеющей закладки; анализе и обобщении результатов.

Реализация работы

Результаты исследований положены в основу разработки:

- Технологических регламентов на проектирование грануля
ционной установки, ДСФ и карьера "Скальный", рудника
"Ангидрит";

ТЭО сырьевой базы для закладочных работ Норильского ГМК;

проектов реконструкции закладочных комплексов рудников "Маяк", "Комсомольский" и "Октябрьский";

проектов строительства закладочных комплексов рудника 'Таймырский" и "Скалистый";

нормативно-технической документации и технологических инструкций;

технические решения по закладочному комплексу рудника 'Таймырский" использованы при проектировании и строительстве комплекса на шахте "Коксовая" ПО "Прокопьевскуголь" и в рабочем проекте реконструкции Тырныаузского вольфра-мо-молибденового комбината;

внедрение на всех рудниках Норильского комбината твердеющей закладки на основе ангидрито-шлаково-цемснтного вяжущего и разнопрочной закладки позволило получить экономию цемента в объеме более 500 тыс. т;

Реализация всего комплекса решений обеспечила экономический эффект более 30 млн.руб. (в ценах 1990 г.).

Внедрение результатов работы отмечено премией Совета Министров СССР (1991 г.), золотой и серебряной медалями ВДНХ СССР (1984 г.).

Апробация работы. Основные результаты выполненного комплекса работ докладывались и получили одобрение на Всесоюзных и отраслевых научно-технических совещаниях, конференциях и семинарах, научно-технических советах предприятий и организаций: на научно-техническом семинаре 'Технология производства закладочных работ и пути ее совершенствования на рудниках Норильского комбината (Норильск, 1977 г), на конференции "Совершенствование технологических процессов на предприятиях цветной металлургии" (Красноярск, 1974г. ), на научно-координационном совещании "Вопросы совершенствования горной технологии и механизации на глубоких горизонтах Талнахского и Октябрьского месторождений" (Ленинград, 1971 г); школе передового опыта по закладочным работам (Лениногорск, 1975г) на Всесоюзном научно-техническом совещании "Основные направления развития техники и технологии добычи руд металлов на глубоких горизонтах" ( Норильск» 1974 г); на Всесоюзном совещании

"Разработка рудных месторождений на больших глубинах" (Москва, 1986 г); в объединенном научном семинаре в ИПКОН РАН и др.

Публикации. По теме диссертации опубликовано: 61 научная работа, из них 2 монографии, 6 брошюр , 8 нормативно-методических документов и 9 авторских свидетельств на изобретения. Автор выражает глубокую благодарность Э.О.Штернбеку, В.П.Кравченко, В.Д.Палию, А.И.Мохову, САСтудзинскому и А.П.Вяткину за участке в совместных исследованиях и промышленных экспериментах, содействие и поддержку в работе.