Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние изученности вопроса, цель и задачи исследований 9
1.1. Анализ опыта отработки наклонных рудных тел малой и средней мощности 9
1.2. Анализ и обобщение теоретических работ, посвященных процессу транспортирования горной массы водным потоком 22
1.3. Цель, задачи и методы исследований 34
2. Исследование факторов, влияющих на показатели доставки руды безнапорным водным потоком 36
2.1. Изыскание новых технологических схем камерной выемки наклонных рудных тел с доставкой руды водным потоком 36
2.2. Систематизация технологических схем камерной выемки рудных залежей с гидравлической доставкой руды 44
2.3. Лабораторные исследования факторов, влияющих на показатели гидродоставки руды 47
2.4. Определение основных параметров процесса доставки руды водным потоком... 64
Выводы... 76
3. Разработка технологии камерной выемки наклонных рудных тел с доставкой руды водным потоком 78
3.1. Технология приема и обезвоживания гидросмеси в в днище блока 78
3.2. Управление выпуском воды из накопительной емкости 86
3.3. Исследование отбойки руды разноплоскостными (диагональными) веерами скважин 90
Выводы 98
4. Промышленные испытания и экономическая оценка разработанных вариантов камерной выемки наклонных рудных тел с гидродоставкой руды 100
4.1. Промышленные испытания камерной выемки с доставкой руды водным потоком на Березовском руднике 100
4.2. Методика промышленных испытаний 106
4.3. Экономическая оценка технологии камерной выемки с с доставкой руды водным потоком 108
4.4. Рациональная область применения разработанной технологии... 112
Выводы 114
Заключение. 115
Список использованных источников 116
- Анализ и обобщение теоретических работ, посвященных процессу транспортирования горной массы водным потоком
- Лабораторные исследования факторов, влияющих на показатели гидродоставки руды
- Исследование отбойки руды разноплоскостными (диагональными) веерами скважин
- Промышленные испытания камерной выемки с доставкой руды водным потоком на Березовском руднике
Анализ и обобщение теоретических работ, посвященных процессу транспортирования горной массы водным потоком
Процесс безнапорного гидротранспортирования горной массы достаточно глубоко исследован при изучении природных селевых потоков. Селевой поток состоит из воды и продуктов разрушения горных пород: крупнообломочного материала, пылеватых, песчаных и глинистых частиц. Доля твердого материала в селевых потоках оставляет от 10-15 до 60-70 % по объему [32], тогда как в обычных водотоках не более 1 %. Сужения русла вызывают заторы селевой массы, расширения и, следовательно, уменьшение скорости — отложение наиболее крупных кусков породы. При уменьшении уклона русла происходит отложение крупных фракций, для движения которых скорость становится уже недостаточной, а при резком увеличении уклона, наоборот, захватываются отложившиеся ранее наносы вследствие резкого увеличения скорости потока. Движение природных селей начинает затухать, прекращаясь в зависимости от гранулометрического состава и скорости движения потока на участках, имеющих уклоны от 8-12 до 2-5.
Транспортирующей средой для переноса продуктов разрушения горных пород может являться вода, водно-грунтовая суспензия и высоковязкая глинистая паста, поэтому по своим типам селевые потоки подразделяются на связные и несвязные.
Несвязным селевым потоком принято называть поток, в котором основная масса воды, не будучи связана грунтовыми частицами, находится в свободном состоянии и является транспортирующей средой для переноса твердой фазы потока. Физически процесс этого переноса аналогичен обычному переносу тяжелых включений водными потоками — он лишь количественно усложнен.
Связным селевым потоком называют поток, основная масса воды в котором физически связана силами молекулярного притяжения, характерными для тонкодисперсных гидрофильных глинистых и пылеватых частиц, и окружает эти частицы в виде гидратных пленок, неразрывно связанных с самими частицами. Поскольку свободной воды в таком потоке почти не имеется, происходит совместное гравитационное движение, а при остановке потока — отложение всей селевой массы, в целом без разделения фаз. Сам поток в данном случае представляет собой вяз- копластическую коагуляционную структурированную среду, промежуточную между жидкостью и твердым телом.
По своему виду, в зависимости от гранулометрического состава твердой фазы, селевые потоки подразделяются на 1) водно-каменные, 2) водно-песчаные, 3) грязевые, 4) грязе-каменные, 5) водно-снежно-каменные. Сели первого и второго видов могут быть только несвязными. Сели третьего и четвертого типов могут быть как связными, так и несвязными, в зависимости от относительного количества воды, принявшей участие в формировании селя.
С. М. Флейшман [32] отмечает, что границей между селевыми потоками и обычными паводками принято считать содержание твердой фазы в потоке не менее 100-150 кг на 1 м воды; при плотности наносов в пределах 2,4-2,6 такая весовая концентрация дает плотность селевой массы порядка 1,07- 1,10. При концентрации наносов ниже указанного предела влияние твердой составляющей на режим движения потока незначительно, при концентрации выше этого предела происходит переход количества в качество — поток представляет собой промежуточную среду между жидкостью и твердым телом.
Обычно средняя плотность селевых потоков составляет для несвязных селей 1,2-1,5, а для связных — 1,4-1,9. В отдельных случаях средняя плотность густых каменно-грязевых селей доходит до 2,0 и даже превышает эту величину.
Скорости селевых потоков в зависимости от глубины потока, уклона русла и состава селевой массы составляют от 2-3 до 7-8 м/с и более. Продолжительность селей, как правило, колеблется от десятков минут до нескольких часов.
Наибольшие размеры скальных обломков, выносимых несвязными водно-каменными селями, могут быть 3-4 м (в поперечнике). Масса таких глыб достигает 300 т. Связные густые сели могут переносить глыбы размером в поперечнике до 8-10 м. Крупные скальные обломки размерами 1 м и более останавливаются при уклонах 8-10. Движение густых связных селей при таких уклонах также прекращается.
В фундаментальной работе [32] отмечается, что в процессе изучения условий формирования и движения селевых потоков значительную роль играют теоретические и особенно экспериментальные методы исследования. Чисто аналитическим путем невозможно раскрыть все факторы, влияющие на формирование и движение селей, дать количественную оценку их значений без значительных искажений. Экспериментальная проверка и уточнение формул и зависимостей, полученных аналитическим путем, имеют решающее значение.
Наиболее полно разработана теория движения несвязных водно- каменных селей. По своей физической природе такой поток представляет лишь количественно усложненную модель водного потока, переносящего тяжелые включения. На основании теоретических предпосылок и анализа проведенных экспериментальных исследований, связанных с движением наносонесущих потоков, И. В. Егиазаров разработал механизм образования и движения несвязных селевых потоков [33]. Начальное положение частиц в момент приобретения движения в потоке отлично от их положения в состоянии полной неподвижности. Потеря устойчивости объема частиц происходит за счет явлений дилатации и сальтации. Явление дилатации состоит в том, что приложение сдвигающего усилия вызывает некоторое расширение общего объема частиц для несвязных грунтов в том случае, если поры заполнены водой. Давление в порах растет, частицы теряют взаимный контакт, и грунтовая масса плотной укладки превращается в суспензию. Однородные водонасы- щенные песчаные грунты под внешним динамическим воздействием (удар, вибрация, сдвиг) приходят в состояние разжижения и приобретают свойства вязкой жидкости.
Лабораторные исследования факторов, влияющих на показатели гидродоставки руды
На основании результатов проведенных исследований с помощью масштабных коэффициентов рассчитаны основные параметры доставки руды водным потоком (табл. 2.10) для натурных условий. Анализ данных таблицы показывает, что нисходящая выемка камер позволяет снизить потери отбитой руды в 2-3 раза и удельный расход воды на 25-30 % по сравнению с восходящей выемкой камер.
При малых углах наклона рудных тел и увеличенной массе отбитой руды требуется большой объем воды, что не всегда осуществимо в реальных условиях. Целесообразно уменьшить объем воды в два-три раза и осуществить смыв и доставку отбитой руды путем нескольких последовательных выпусков воды из накопительного резервуара. В этом случае необходимо использовать рассекатель потока воды, который делит поток на два рукава и направляет их к стенкам камеры, возле которых сосредотачивается оставшаяся после первого пуска воды руда. Рассекатель потока представляет собой металлическую клиновидную конструкцию, высотой не менее глубины потока (0,5-1,0 м). Боковые стенки рассекателя могут выполняться вогнутой формы для увеличения действия потока воды по ширине камеры. Рассекатель опускают в камеру с верхнего (вентиляционного) горизонта с помощью установленной там лебедки. Для передвижения рассекателя по камере трос, которым он соединен с лебедкой, выпускают на необходимую величину и подают в камеру поток воды, перемещающий рассекатель в нужное место. Длина эффективного смыва руды у стенок камеры составляет 15-20 м с одной установки рассекателя. С помощью описанной технологии можно также устранить потери отбитой руды, остающиеся после выемки запасов руды в камере с использованием доставки руды водным потоком и концентрирующиеся у боковых стенок (самоотмостка русла).
Разработаны технологические схемы камерной выемки наклонных рудных тел с доставкой руды водным потоком, отличающиеся друг от друга порядком выемки камер: сверху вниз, снизу вверх и одновременно снизу и сверху. Общие отличительные черты предложенных схем: — доставка руды водным потоком производится по специальной выработке для увеличения длины доставки и уменьшения удельного расхода воды; — почве камер придается форма, обеспечивающая наиболее полный смыв отбитой руды; — руду отбивают разноплоскостными (диагональными) веерами скважин, образующими забой клиновидной формы. 3. Произведена систематизация технологических схем камерной выемки с гидравлической доставкой руды. 4. Экспериментальными исследованиями установлено, что основными факторами, влияющими на показатели доставки руды водным потоком, являются объем воды и угол наклона рудного тела, увеличение которых с нижнего на верхний уровень повышает показатель смыва руды соответственно на 47,6 и 36,6 %. Повышение шероховатости русла и размера среднего куска снижает показатель смыва на 8,8 и 3,2 %. При расположении забоя в верхней части камеры показатель смыва меньше на 7,0 "/(Сравнению с расположением забоя в нижней части. Увеличение выпускного отверстия при нисходящей выемке не оказывает достоверного влияния на эффективность гидросмыва (в рассмотренном диапазоне). 5. Получены зависимости показателя смыва от объема воды для трех основных технологических схем при различных углах наклона рудного тела. Установлено, что показатель смыва руды имеет предел (98,0-99,9 %), зависящий от технологической схемы доставки руды и угла наклона рудного тела — дальнейшее увеличение объема воды не приводит к повышению показателя смыва. 6. Исследования показали, что наименьшие значения удельного расхода воды достигаются при показателе смыва, равном 60-70 %. При максимальных значениях показателя смыва (остатки руды в камере минимальны) удельный расход воды увеличивается на 25-35 %. 7. Увеличение массы одновременно смываемой руды в два раза снижает удельный расход воды на 20-30 %. 8. Рассчитаны основные параметры доставки руды водным потоком для натурных условий при максимальных значениях показателя смыва руды. При нисходящей выемке камер потери отбитой руды меньше по сравнению с восходящей выемкой в 2-3 раза, а удельный расход воды снижается на 25-30 %. 9. При малых углах наклона рудных тел и большой массе отбитой руды рекомендуется уменьшить объем воды в два-три раза и осуществить смыв и доставку руды путем нескольких последовательных выпусков воды из накопительного резервуара с использованием рассекателя потока воды. Для реализации предложенных вариантов камерной системы разработки большое значение имеет конструкция приемного днища. Требования, предъявляемые к днищу блока, описаны в параграфе 2.1. Наиболее важным из них является безопасность работ, возможность применения самоходного погрузочно-доставочного оборудования, скорость и качество обезвоживания.
Известно днище блока для камерной системы разработки с селедостав- кой руды, применявшееся на рудниках Ачисайского ГОКа. В доставочном штреке устанавливали перемычку для остановки потока гидросмеси, а за ней монтировали фильтрующую перемычку. С другой стороны на расстоянии 10-15 м от места выпуска гидросмеси доставочный штрек перекрывали разборной водонепроницаемой перемычкой для предотвращения растекания воды. Осветленная вода перепускалась в водоотливную канавку или в специальную камеру-отстойник, откуда насосом ее перекачивали в накопительный резервуар на вентиляционном штреке для повторного использования. Основные недостатки этой схемы — высокая трудоемкость возведения и разборки перемычек, длительность процесса обезвоживания руды. Нами предложена конструкция днища очистного блока без использования фильтрующих устройств [78].
Исследование отбойки руды разноплоскостными (диагональными) веерами скважин
Днище блока состоит из выпускной выработки I (рис.3.1), соединяющей рудоприемник 2 с выработанным пространством камеры, водосборника 3, горизонтального участка водостока 4 с цилиндрическим расширением 5, нисходящей части водостока 6 и погрузочного заезда 7.
После смыва отбитой руды в камере поток гидросмеси через выпускную выработку 1 поступает в рудоприемник 2, пройденный в тупике выпускной выработки путем расширения ее в одну из сторон и рассчитанный на прием всего объема гидросмеси. Достигнув торцовой стенки рудоприемни- ка, поток гидросмеси ударяется о нее и изменяет направление своего движения на обратное, образуя кругообразное движение гидросмеси в рудоприем- нике.
В результате сильного торможения поток гидросмеси теряет свою кинетическую энергию, а частицы рудной массы осаждаются на почву рудо- приемника. Учитывая то, что основная масса кусков руды в камере захватывается передним фронтом потока воды, большая часть твердого оседает на почву рудоприемника на первых этапах его затопления.
Ниже рудоприемника расположен водосборник 3, предназначенный для сбора и отстаивания воды, использующейся при гидродоставке руды. Рудоприемник соединен с водосборником с помощью водостока, состоящего из горизонтального участка 4, имеющего в конце цилиндрическое расширение 5, и нисходящей части водостока 6.
Вследствие того, что устье горизонтального участка водостока расположено на сопряжении рудоприемника с выпускной выработкой, поток гидросмеси во время выпуска его из камеры и движения по выпускной выработке препятствует поступлению воды в водосток. И лишь после того, как основная часть гидросмеси будет выпущена из камеры и твердая фракция осядет в рудоприемнике, вода начинает поступать в водосток. Для ускорения обезвоживания руды почва рудоприемника имеет уклон в сторону водостока.
За счет цилиндрического расширения 5 конца горизонтального участка водостока 4 и смещения центра отверстия нисходящей части водостока 6 в сторону от продольной оси горизонтального участка водостока 4, над отверстием образуется вихревое воронкообразное движение жидкости и, как следствие этого, сток воды происходит с ее поверхности через нисходящую часть водостока 6 в водосборник 3. На уровне дна в закрученной струе воды возникают центробежные силы, которые поддерживают стенки образовавшейся воронки и препятствуют глубинному стоку воды. Придонные слои воды движутся по окружности с небольшой скоростью. Такое движение воды препятствует попаданию твердых частиц в нисходящую часть водостока и водосборник. В водосборнике технологическая вода отстаивается, затем ее насосами перекачивают в накопительную емкость на верхнем горизонте для последующего процесса смыва и доставки руды.
Погрузочный заезд 7 в рудоприемнике выполнен в виде наклонного съезда такой длины, чтобы вода не достигла доставочного горизонта при максимальном затоплении рудоприемника. Сопряжение погрузочного заезда с рудоприемником целесообразно располагать на боковой стороне рудоприемника, вдоль которой идет возвратное течение гидросмеси, с целью снижения ударного воздействия потока.
После обезвоживания руду, лежащую в рудоприемнике, грузят самоходными погрузочно-доставочными машинами и через погрузочный заезд транспортируют на доставочный горизонт и далее к рудоспуску.
Конструкция днища блока при доставке руды водным потоком признана изобретением [79].
Моделирование процесса приема и обезвоживания гидросмеси проведено в лабораторных условиях. Исследования проводились на модели, выполненной в масштабе 1 : 40. Длина камеры рудоприемника составила 600 мм, ширина —250 мм, высота —80 мм. Диаметр цилиндрического расши-рения горизонтальной части водостока, в котором происходит закручивание потока воды, равнялся 100 мм, а высота — 80 мм. Диаметр вертикального водосброса 30 мм.
На фотографиях модели показаны три стадии процесса: на рис.3.2 — поступление гидросмеси в рудоприемник, на рис.3.3 — слив воды через водосток и цилиндрическое расширение и на рис.3.4 — вид днища после обезвоживания руды.
На фотографиях цифрами обозначены детали днища. На рис.3.2 заметно, что размещение устья горизонтального участка водостока 3 на сопряжении рудоприемника 2 с выпускной выработкой 1 обеспечивает перекрытие водостока смеси, и обезвоживание получает заметное развитие только после завершения поступления гидросмеси в рудоприемник. Цилиндрическое расширение 4, вертикальная ось которого смещена относительно оси горизонтального участка водостока 3 и совпадает с центром отверстия в нисходящей части водостока 5, представляет собой центробежную камеру, в которой происходит отделение значительной части мелких частиц руды.
Поток воды, закрутившийся в цилиндрическом расширении водостока, продолжает вращаться в нисходящей части водостока. По оси канала образуется воздушное ядро, сечение которого зависит от скорости вращения. Чем выше уровень воды в цилиндрическом расширении, тем выше скорость вращения воды, тем более сечение воздушного ядра. За счет изменения сечения ядра расход воды остается постоянным и не зависит от уровня воды. Этот расход выбирается таким образом, чтобы скорость воды в горизонтальной части водостока была меньше гидравлической крупности мелких частиц руды.
Промышленные испытания камерной выемки с доставкой руды водным потоком на Березовском руднике
Для отработки наклонных и пологих рудных тел на Березовском руднике применяют следующие системы разработки: горизонтальные слои с гидравлической закладкой и камерно-столбовую систему разработки с использованием самоходного погрузочно-доставочного оборудования. Большой объем подготовительно-нарезных работ, необходимость нахождения людей в очистном пространстве, значительные потери обогащенной рудной мелочи на почве камеры и в гидрозакладке, присущие указанным системам разработки, потребовали изыскания новых технологических решений. Промышленные испытания предложенной технологии камерной выемки с доставкой руды водным потоком решили провести в геологическом блоке 99 дайки Сойма- новской в этаже 210-262 м.
Березовское золоторудное месторождение расположено в центральной части Восточно-Уральского поднятия между Верх-Исетским и Мурзинским гранитными массивами. Северной границей месторождения является Пыш- минский габбро-перидотитовый массив, южной —- Шарташский гранитный массив. Площадь месторождения около 80 км . Основная часть месторождения сложена вулканогенно-осадочными породами [88]. Все вулканогенные породы интенсивно изменены вторичными процессами и часто превращены в различные сланцы. Наиболее широко на месторождении распространены хлоритовые, серицитовые и серицито-хлоритовые сланцы.
В пределах Березовского месторождения известно более 100 даек преимущественно гранитоидного состава, из них промышленную ценность имеют лишь 10. Большая часть даек ориентирована в направлении, близком к меридиональному. Падение даек чаще всего восточное под углами 60-70, реже 25-40. Мощность их изменяется от 3 до 20 м. Длина даек по простиранию чаще всего составляет 800-1000 м, иногда достигая 1500-2000 м.
Морфология даек, в основном, зависит от наличия в местах их формирования зон древних дизъюнктивных нарушений и характера разломов, к которым они приурочены. Например, дайки, приуроченные к надвигам, имеют весьма простую форму и выдержанные элементы залегания. Дайкам, приуроченным к другим типам разломов, свойственны волнистые контакты, изменения мощности по падению и простиранию. Бодыиое влияние на морфологию даек оказывают древние дизъюнктивные нарушения, а также зоны рассланцевания, при пересечении с которыми они резко изменяют элементы залегания и усложняют свою форму.
Главным полезным компонентом руды является золото. Оруденение связано с многочисленными кварцево-сульфидными жилами, залегающими в дайках (полосовые или лестничные жилы) и вмещающих породах (красич- ные жилы). Лестничные жилы заполняют трещины широтного простирания, т.е. расположены вкрест простирания даек. Мощность лестничных жил в среднем 3-5 см, иногда около 1 м [89].
Насыщенность даек жилами различная. На одних участках они располагаются равномерно (на каждые 2,5-3,0 м одна промышленная жила), на других на 1 погонный метр приходится несколько жил.
Все породы вблизи жил интенсивно изменены процессами метасоматоза и превращены в листвениты и березиты. Березиты содержат золото и поэтому отрабатываются вместе с лестничными жилами. Листвениты приурочены к красичным жилам и не содержат золота.
Дайка Соймановская в этаже 210-262 м сложена плагиогранитпорфира- ми. Простирание дайки меридиональное, падение в пределах геологического блока № 99 изменяется от 12 до 45. Нормальная мощность дайки 8-10 м, но в местах осложнения морфологии возможны отклонения в ту или другую сторону. Коэффициент крепости пород дайки 12-14 по шкале проф. Прото- дьяконова. В блоке имеются тектонические нарушения, которые сопровождаются зоной ослабленных пород повышенной трещиноватости. Дайка залегает в толще тальк-карбонатных пород и диабазов. Коэффициент крепости тальк-карбонатных пород 7-8 (в зонах тектонических нарушений 4-5), диабазов— 10-12.
Длина блока по простиранию 100 м, всего предусмотрено отработать семь камер в пределах блока. Камеры шириной 10 м расположены по восстанию залежи, ширина сплошных междукамерных целиков — 4 м (рис. 4.1).
Основным отличием предлагаемой технологии является то, что доставка руды в очистном пространстве камеры производится энергией водного потока. В штреке вентиляционного горизонта 210 м с помощью герметичных перемычек сооружается емкость для накопления объема воды, необходимого для смыва и доставки руды в приемное днище блока. Резервуар для воды сбойками соединяется с буровыми восстающими, которые проходят по центру камер, а в сбойках предусмотрено установить водонепроницаемые перемычки с герметичными дверями, которые открываются дистанционно путем вытягивания пневматической лебедкой дверного запора.
Почва камеры выполняется желобообразной формы за счет заглубления бурового восстающего в породы лежачего бока. Скважины в веере бурят в двух плоскостях под углом 100-110 между ними. Такое расположение скважин обеспечит качественное дробление руды и концентрацию ее посередине камеры.
Первоначально камеры предусмотрено отрабатывать снизу вверх. После отбойки очередного слоя руды в очистное пространство камеры подают поток воды, который смывает отбитую руду и доставляет ее к выпускным выработкам. Поток гидросмеси останавливают в приемном днище, здесь происходит обезвоживание руды. Вода стекает в нижерасположенный водосборник, отстаивается там и затем насосом перекачивается в накопительную емкость, расположенную на горизонте 210 м. Рудную массу с помощью по- грузочно-доставочной машины типа ТОРО-200 доставляют в один из рудоспусков, пройденных на откаточный горизонт.
Приемное днище блока, выполненное с учетом технических решений по а. с. № 1645518, состоит из подэтажного штрека гор. 255 м, пройденного у висячего бока дайки, погрузочных заездов, водостока с цилиндрическим расширением и водоприемника на нижнем горизонте 262 м (рис. 4.3). Дос- тавочный штрек гор. 255 м при подходе к опытному блоку пройден в виде наклонного съезда, который будет служить элементом приемного днища, являясь преградой для распространения воды по выработкам.
Параллельно штреку гор. 210 м, который предусмотрено использовать в качестве накопительной емкости для воды, пройден обходной полевой штрек (впоследствии он будет использован для отработки запасов, расположенных выше гор. 210 м).
Буровые восстающие сечением 3 х 3 м будут пройдены механизированным комплексом КПН-1М. Бурение скважин диаметром 51 мм предусмотрено производить с помощью буровых установок КБУ-80М, установленных на салазки и перемещаемых по буровому восстающему с помощью лебедки, расположенной на вентиляционном горизонте. Для заряжания скважин используют передвижной полок с установленным на нем пневмозаряд- чиком ЗП-1. Отбойку руды ведут слоями, взрывая по одному вееру. На первых этапах отработки камеры, когда руда перемещается к выпускным выработкам, в основном, за счет силы взрыва, допускается взрывать по два веера с замедлением 50-100 мс.
