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 приготовления 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 369
Приложения 383
- Анализ практики производства закладочных работ на отечественных и зарубежных подземных рудниках
- Изыскание целесообразных заполнителей для закладочных смесей
- Рудник «Мир»
- Рудник «Айхал»
Введение к работе
Актуальность работы. 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 высокоминерализо-
ванных 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 экономию)-математическое моделирование; натурные исследования свойств и состояния горного и искусственного массивов ; статистическую обработку результатов исследований.
Задачи исследований:
изучить особенности подземной разработки коренных алмазных месторождений 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, соленасыщенно-стью 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).
-
Транспортабельность закладочных смесей на основе негашеной извести, свободное растекание, саморазогревание и твердение с увеличением объема в выработанном пространстве достигается их затворением малоконцентрированным раствором флегматизатора, например, лигносульфоната технического, замедляющего гидратацию извести на время технологических операций по возведению искусственных массивов.
-
Формирование закладочных массивов из твердеющих композиций цеолито-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 «АЛРОСА».
Научная новизна диссертационной работы заключается в новом научно-методическом подходе к обоснованию технологии отработки кимберлитовых 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 прочностных 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:
1. 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 «АЛРОСА». 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 природ-
ных цеолитов (Тбилиси, 1986 г.), научных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва, 2001 и 2003 гг.); III Международной конференции «Комбинированная геотехнология: масштабы и перспективы применения» (Магнитогорск - У чалы, 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. Но -визна 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, 113 таблиц и Приложения, в которых приведены материалы по реализации результатов исследований.
Автор выражает глубокую благодарность чл.-корр. РАН Д. Р. Каплуно-ву, профессорам М. В. Рылышковой 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. Цыганове и Н. К. Звонареве.
Анализ практики производства закладочных работ на отечественных и зарубежных подземных рудниках
Системы разработки с закладкой выработанного пространства широко используются в мировой практике добычи подземных ископаемых. Объективные преимущества систем данного класса: эффективное управление горным давлением; высокое (до 95-96 %) извлечение руды из недр; надежное поддержание и сохранение поверхности от обрушения; повышение безопасности отработки месторождений, возможность утилизации отходов горно-обогатительного производства. Эффективность отработки месторождений системами с закладкой зависит от ценности руды, уровня ее извлечения, производительности рудников, стоимости закладочных материалов. Снижение себестоимости изготовления закладочной смеси, являющейся составной частью себестоимости руды, является актуальным вопросом для всех подземных рудников.
Значительный вклад в создание, развитие теории и практики отработки месторождений системами с закладкой выработанного пространства, а также в совершенствование способов формирования закладочных массивов внесли ученые: М. И. Агошков, О. А. Байконуров, Р. В. Балах, Д. М. Бронников, Ю. В. Волков, А. П. Вяткин, И. Е. Ерофеев, Н. Ф. Замесов, П. Э. Зурков, А. П. Илюшин, В. Р. Именитов, В. Н. Калмыков, Д. Р. Каплунов, В. В. Квитка, Е. И. Коган, И. Ш. Коган, В. П. Кравченко, В. Т. Кравченко, Л. А. Крупник, Е. В. Кузьмин, В. В. Куликов, Л. В. Малетин, А. И. Мохов, В. Д. Палий, Г. А. Прокушев, К. Ю. Репп, М. В. Рыльникова, И. Н. Савич, К. Н. Свет-лаков, И. Т. Слащилин, А. А. Смирнов, А. Е. Смолдырев, А. Л. Требуков, К. Н. Трубецкой, М. Н. Цыгалов, Э. О. Штернбек и др.
Заслугой исследователей является повышение эффективности подземной разработки с твердеющей закладкой, обоснование вяжущих и составов закладочных смесей, технологии их приготовления, трубопроводного транспорта, укладки в выработанном пространстве, формирования искусственных массивов, нормативных параметров и оценки их физико-механических свойств, классификация типов закладки.
Технические разработки по технологии ведения закладочных работ, обеспечивающие возможность отработки месторождений подземным способом, характеризуются широким спектром технических средств и приемов для достижения основных технических результатов: обоснования и повышения прочности закладочного массива, снижения затрат на его возведение, повышения эффективности закладочных работ и обеспечения безопасности горных работ.
Технологии производства закладки базируются на основных нормативных требованиях к прочностным показателям возводимых закладочных массивов. На сохранение устойчивости закладочного массива при ведении горных работ влияют: 1- нагрузка в окрестности обнажения; 2- физико-механические свойства и структурные характеристики закладочного массива. Первый фактор является определяющим, и воздействовать на него можно в ограниченных пределах; второй же целиком и полностью поддается нормированию [13, 31, 40, 45, 49, 61, 78, 82, 112, 135, 156, 163]. На различных месторождениях нормативные требования к прочности закладки существенно отличаются [38, 84, 156, 163], и их обоснование и уточнение является неотъемлемым условием обеспечения безопасности, требуемой интенсивности ведения закладочных и очистных работ, а также снижения себестоимости закладки. Из теории [82] и практики [9, 105] применения слоевых систем разработки нисходящего порядка известно, что при расположении смежных по высоте выработок вкрест по отношению друг другу устойчивость искусственного массива в кровле очистных выработок увеличивается в 1,5 раза в отличие от соосного расположения. Отмеченное необходимо учитывать при обосновании технологии формирования искусственных массивов.
Стремление уменьшить затраты на закладку привело к формированию разнопрочной, разноагрегатной (комбинированной) структуры как одного искусственного массива, так и группы искусственных массивов, слагающих выемочный слой, блок [51, 52,64,66,68, ПО, 138,139,142,155,161].
Разнопрочные закладочные массивы формируются в несколько приемов. Количество приемов определяется системой разработки месторождений. При нисходящем порядке отработки первоначально (первый прием) формируется высокопрочная (несущая) часть закладочного массива, обнажаемая впоследствии в кровле очистных выработок. Мощность несущей части зависит от прочности закладки и пролетов обнажений [38, 82, 112, 135, 142]. Далее формируется оставшаяся часть закладочного массива (второй прием), обнажаемого только в стенках выработки. При восходящем порядке отработки в первый прием формируется низкопрочная часть массива, во второй - часть массива, являющаяся в последующем почвой очистных выработок и выполняющая роль дорожного полотна для передвижения горной техники. При ведении горных работ одновременно на разных уровнях рудного тела возникает необходимость формирования закладочного массива в три приема: I - высокопрочная несущая часть; II- малопрочная часть закладочного массива, обнажаемого только в стенках выработки; III- часть массива, являющаяся в последующем почвой очистных выработок (прочность массива зависит от массы используемого горного оборудования).
Разнопрочные закладочные массивы широко используются на рудниках Талнахского месторождения, Восточного Казахстана, Урала и др. [38, 42, 49, 50, 53, 54, 68, 73, 103, 104, 168]. При этом на ряде месторождений, например, Орловском руднике, для сокращения объемов высокопрочной закладки в несущих слоях возводят промежуточные перемычки, с помощью которых мощность несущего слоя выполаживается по всей длине заходки [9].
Дифференцированный подход к назначению расхода дорогостоящих вяжущих при формировании разнопрочной структуры искусственных массивов является эффективным средством снижения стоимости последних и подлежит использованию на алмазодобывающих рудниках.
При формировании несущей части закладочных массивов к их качеству предъявляются жесткие требования не только по прочности, но и по однородности и монолитности. Последние параметры не всегда достигаются в силу специфических особенностей закладочных работ (использование некондиционных материалов, необходимость обеспечения высокой часовой и суточной производительности закладочных комплексов и т.п.). При слоистом строении закладочного массива условие монолитности (совместности деформаций) в пачке переслойков несущего слоя достигается вводом в конструкцию кровли элементов арматуры [45, 107]. По опыту рудников (Таймырский, «Октябрьский», «Комсомольский», Северо-Уральский бокситовый рудник и др.) в качестве основного материала арматуры используются сварные металлические сетки. При многообразии ассортимента сварных сеток применению того или иного типа сеток по диаметру проволок и размерам ячеек должен предшествовать расчет основных параметров армировки: глубина заделки сетки по вертикали; расстояние между элементами («шаг армировки»); площадь сцепления ячеистой сетки с закладкой в объеме удерживающей плиты в нижнем (контактном) слое. Конструктивно армировка может выполняться в виде: плоских полос сеток, устанавливаемых вертикально продольными или поперечными рядами относительно оси выработки; отдельно стоящих вертикальных трубчатых цилиндров; отдельно укладываемых полусфер с ориентировкой свободных концов сетки по вертикали [107].
Комбинированная закладка представляет собой различные варианты твердеющей, соляной или инъекционной закладки и нетвердеющей (породной, гидравлической) [40, 42, 49-52, 65, 110, 125, 126, 139, 170]. Например, на Тишинском, Зыряновском рудниках находит применение как твердеющая, так и гидравлическая закладка [22, 35,40, 155,147]. Комбинированную закладку широко используют на зарубежных рудниках [12, 125, 127, 161, 168]. Комбинированный тип закладки (породная + твердеющая) находит незначительное применение при отработке кимберлитовой трубки «Интернациональная» (см. рис. 1.3) при отработке лент последней очереди и возведении слоев в восходящем порядке [118]. Но ее использование ограничивается объемами пустых пород от проходки, которые невелики.
Повсеместное использование при отработке кимберлитовых трубок комбинированных составов закладочных смесей твердеющего и сухого или гидравлического состава неэффективно по следующим причинам. Использование сухих закладочных смесей требует иной, по сравнению с твердеющей, технологии доставки закладочного материала в очистное пространство.
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) корректировать 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 бесшаровых 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 неподготовленного 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 подогрева, 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).
Предварительными исследованиями (приведены ниже) установлена требуемая степень обезвоживания песка на месторождении «Прикарьерное». Наиболее характерные составы закладочных смесей на основе мелкозернистого песка, удовлетворяющие требованиям производства по прочностным и реологическим параметрам, представлены в таблице 3.10. Во всех составах используется добавка лигносульфоната технического - ЛСТ.
При этом начальная влажность песка варьировала от 5 до 35 %, а его температура от минус 5 до минус 30 С. Диапазон изменения температуры мерзлого песка в зимнее время установлен экспериментально на руднике «Интернациональный». Методика определения включала уплотнение песка в емкости, в которую предварительно помещался электроконтактный термометр «Темп - 1». Измерялась температура песка при отборе его как из бурта, расположенного на промплощадке закладочного комплекса, так и с конвейерной ленты дозатора, который находится в отапливаемом здании. Разница в результатах измерений составляла не более 2 С, что свидетельствует о том, что влияние воздуха на результаты измерений было несущественно.
Рудник «Мир»
Проектная производительность подземного рудника «Мир» составляет 1000 тыс.т руды в год. Для отработки основных запасов трубки «Мир» принята слоевая система разработки с твердеющей закладкой при комбайновой отбойке руды. Из рассмотренных в гл. 3 возможных вариантов систем разработки с закладкой наиболее перспективными признаны: слоевая камерно-целиковая система разработки с восходящим порядком выемки (КЦСВ - Т) (рис. 5.8); слоевая камерно-целиковая система разработки с нисходящим порядком выемки (КЦСН - Т) (рис. 5.9). По опыту работы подземного рудника «Интернациональный» установлено, что наиболее надежно устойчивость очистных выработок обеспечивается при нисходящем порядке выемки слоев (вариант КЦСН - Т), когда работа ведется под искусственной кровлей. При этом в отличие от восходящей выемки практически исключается крепление очистных заходок. Вместе с тем использование нисходящего порядка выемки слоев предопределяет повышенные требования, как к качеству закладки, так и к технологии формирования закладочного массива.
При всех рассматриваемых системах разработки для механизации основных и вспомогательных технологических процессов при очистной выемке предусматривается использовать унифицированные комплексы на основе проходческих комбайнов избирательного действия. С учетом исследований по обоснованию выбора оборудования для рудников "Интернациональный" и "Айхал» рекомендуется принять комбайн AM - 75Р (фирмы "Фест-Альпине", Австрия), модернизированный по предложениям специалистов АК «АЛРОСА». Масса комбайна 102 т, что обусловливает требования к прочности закладочного массива в почве очистных выработок не менее 3,5 МПа. При всех рассматриваемых вариантах разработки рудная залежь по длинной оси разделяется на ленты шириной 5,1 м (из условий геомеханики и вентиляции), а по вертикали -на слои высотой 3,5 - 5 м (исходя из конструкции системы разработки). Однако, по опыту работы рудника «Интернациональный» ширина лент может достигать 6,0 м. Отмеченные параметры очистных заходок предопределяют требования к нормативной прочности закладочного массива при обнажении в стенке - 1,0 МПа, а при обнажении в кровле очистных заходок ниже лежащего слоя - 4,0 МПа. Для удобства закладки выработанного пространства с учетом углов растекания закладочных смесей последние имеют уклон 3 от центра трубки к флангам. Ленты ориентируются по длинной оси залежи. Такая ориентация лент позволяет максимально унифицировать условия работы очистных комплексов, более или менее равномерно разделить запасы слоя, отрабатываемые одновременно 2-4 комплексами. Поперечная или диагональная ориентация лент (например, по направлению горизонтальной составляющей поля напряжений) существенно усложняет подготовку и отработку блока из-за увеличения числа лент, в том числе лент малой протяженности.
Для обеспечения полноты закладки все заходки имеют уклон 3 на северо-запад и юго-восток рудного тела (линия перегиба слоев - в средней части залежи). Очередность выемки заходок в слое такова, что ширина целиков между незаложенными заходками составляет 5 - 25 м. Слоевые заезды обеспечивают развитие добычных и закладочных работ как на северо-западную, так и юго-восточную часть слоя. В связи с отмеченным, величина обнажения закладочных массивов в месте сопряжения слоевых заездов нижележащего слоя с лентами может достигать 14 м, что предопределяет нормативную прочность закладки в кровле 8,0 МПа - при соосном расположении заходок в смежных по высоте слоях и 5,7 МПа - при их взаиморасположении вкрест (мощность несущего слоя не менее 2,5 м).
Анализом сырьевой базы для производства твердеющих смесей на руднике «Мир», а также кадастра разработанных составов для подземного рудника «Мир» рекомендуется «мельничный» способ получения закладочных смесей с использованием в качестве основных сырьевых материалов диабазовых пород и привозного цементного клинкера. Принципиально пригодны для использования в качестве заполнителей закладочных смесей текущие хвосты обогащения фабрики № 3. Однако кимберлит, перерабатываемый на ОФ № 3, весьма нестабилен по своим свойствам. Верхние горизонты трубок «Мир» и «Интернациональная», отрабатываемые подземным способом, характеризуются невыдержанной и трудно прогнозируемой степенью засоленности, нижние - невыдержанной и трудно прогнозируемой степенью нефтенасыщенности. Известно, что и соль, и нефть оказывают существенное влияние на свойства цементных композиций, что может привести к нестабильным свойствам закладочных смесей на основе хвостов обогащения. Руда месторождения «Мир» характеризуется высокой стоимостью, и риск при разработке данного месторождения не оправдан. На основании изложенного к использованию рекомендуется материалы, стабильные по своим свойствам: диабазовые породы, месторождение которых расположено в 12 км от рудника, и, за отсутствием сырья для производства бесклинкерной закладки, привозной цементный клинкер.
Уточненная с учетом свойств рекомендованных к использованию закладочных смесей годовая производительность закладочного комплекса со-гласно (2.1) составит 490 тыс. м При этом объемная масса руды принята 2,44 т/и3; поправочный коэффициент, учитывающий потери закладочной смеси (плановая и аварийная очистка трубопроводов) и ее усадку (вследствие водопотерь и уплотнения), - 1,10; поправочный коэффициент, учитывающий расход смеси на закладку нарезных выработок (слоевых заездов) по породе, - 1,08. Исходя из минимизации простоя дорогостоящего комбайнового оборудования и необходимости обеспечения требуемой производительности по добыче руды при ограниченных параметрах рудного тела в плане, часовая производительность закладочного комплекса Q3 час принимается согласно (2.2) с учетом коэффициента неравномерности закладочных работ (К 3= 0,6) и годового объема закладочных работ (Q3 = 490 тыс.м) и составляет 180 м /ч. Основные данные для разработки технологии производства закладочных смесей на руднике «Мир» представлены в таблице 5.3.
К опытно-промышленному опробованию в условиях рудника «Мир» рекомендованы спецсоставы: малоклинкерные составы с использованием цеоли-товых пород и составы твердеющих смесей на основе комбинированного заполнителя. Малоклинкерные составы закладочных смесей характеризуются высокой водоудерживающей способностью, низкой абразивностью, высокой коррозионной стойкостью по отношению к галогенным породам и рассолам Метегеро-Ичерского водоносного горизонта. Составы на комбинированном заполнителе характеризуются меньшей, по сравнению с базовыми составами, абразивностью и улучшенными реологическими параметрами. Замена части диабаза в составе заполнителя доломитовыми породами из спецотвалов карьера «Мир» приводит к сокращению стоимости закладки и имеет природоохранное значение, т.к. в производство вовлекаются отходы промышленности.
В таблице 5.4 приведены базовые составы закладки, рекомендуемые к использованию, и специальные составы закладочных смесей, рекомендуемые к опытно-промышленному опробованию. Составы адаптированы для условий II геотермической зоны, поскольку начало закладочных работ предусматривается в условиях формирования искусственных массивов в контакте с высокотеплопроводными галогенными вмещающими породами и кимберлитом, трещины которого залечены каменной солью.
С целью снижения водоотделения от закладки, что особенно важно в условиях ведения закладочных работ в контакте с водорастворимыми галогенными породами, а также улучшения технологических параметров закладочных смесей все составы содержат добавку лигносульфоната технического (ЛСТ). С учетом установленных на руднике «Интернациональный» данных об отсутствии прироста прочности периферийной части закладочных массивов при их твердении в криолитозоне месторождения в возрасте более 28 сут, граничный срок набора нормативной прочности принят 28 сут твердения.
Представленные в таблице 5.4 закладочные смеси характеризуются остатком закладочной смеси 25 - 30 % на сите № 0,2 после измельчения в рудной мельнице; подвижностью (по полному погружению конуса) 14,0 см; углом растекания 1 05 - 1 55 ; предельным напряжением сдвига 40 - 100 Па; водоотде-лением 1,5 - 3,5 %; набором нормативной прочности в условиях криолитозоны алмазного месторождения «Мир». После наработки фактических данных по производству закладочных смесей и прочности искусственных массивов на их основе, базовые составы подлежат уточнению.
Рудник «Айхал»
В 2003 - 2004 гг. очистные работы на руднике приостановлены, что связано с ликвидацией последствий прорыва обводнённых илов со дна карьера в подготовительные и очистные выработки. Руководством АК «АЛРОСА» принято решение о переходе на отработку подкарьерных запасов слоевой системой с закладкой выработанного пространства под предохранительным целиком, обеспечивающим защиту рудника от затопления поверхностными водами.
При этом ввод в эксплуатацию рудника планируется осуществлять по пусковым комплексам (ПК): 1ПК - ввод в эксплуатацию временного закладочного комплекса на вспомогательной площадке, выдача добываемой руды на поверхность по существующим выработкам, проветривание - при помощи временной вентиляторной установки. Производительность рудника 200 тыс.т руды в год; 2 ПК - ввод в эксплуатацию наклонных стволов, ввод в эксплуатацию постоянного закладочного комплекса. Производительность рудника 400 тыс.т. руды в год; 3 ПК - ввод в эксплуатацию вертикального клетевого ствола. Производительность рудника 500 тыс.т руды в год.
Учитывая, что добыча руды по длинной оси трубки завершена на разных отметках, граница предохранительного целика, ниже которой могут быть начаты очистные работы с применением слоевой системы с закладкой, будет проходить на отм. +180 м в юго-западной части основного рудного тела и на отм. +155 м в северо-восточной. Запасы в пределах этажа подготавливаются слоевыми штреками, которые проходятся из спирального съезда только с одной стороны трубки. На каждые три слоя проходится один слоевой штрек, который соединяется с откаточным горизонтом рудо- и породоспусками, а с вентиляционным горизонтом вентиляционными восстающими. Из слоевого штрека проводятся слоевые заезды (от одного до нескольких заездов на каждый слой). Для обеспечения попадания слоевых заездов на очистные слои слоевые заезды в зависимости от расположения контакта трубки имеют уклон в пределах от 0 до 8. Нарезные работы в слое заключаются в проведении от слоевого заезда разрезного штрека или орта, из которого производится отработка очистных захо-док. Разрезной штрек или орт проходится в пределах рудного тела, и в этом случае условия поддержания его сопряжений с очистными заходками несколько ухудшатся. Однако поскольку предполагается использовать в основном нисходящий порядок отработки слоев, то кровля этих сопряжений будет находиться в закладке вышележащего слоя, прочность которой на участке расположения сопряжений может быть повышена с учётом увеличения пролёта обнажения. Что касается разрезных слоев, когда кровлей очистных и разрезных выработок будет являться руда, то в случае необходимости (при слабой устойчивости кровли) следует предусматривать полевое расположение разрезных штреков. Как показали расчёты Гипроникеля, данная схема подготовки позволяет более чем в 2,8 раза сократить выход породы на тонну эксплуатационных запасов и в 1,25 раза сократить объём закладки.
В качестве основной системы принята слоевая система с закладкой с ка-мерно-целиковым порядком выемки запасов при нисходящем порядке выемки слоев (КЦСН). Это связано с тем, что при сплошной схеме отработки запасов слоя фронт очистных и закладочных работ в его пределах ограничен двумя заходками, что приводит к необходимости ведения работ одновременно на нескольких слоях. Это в свою очередь существенно усложняет организацию очистных работ, замедляет темпы их развития, требует частых протяжённых перегонов комбайна со слоя на слой и с одного фланга рудного тела на другой, сокращает время твердения закладки до момента её обнажения в кровле очистных заходок нижележащего слоя. Отличие КЦСН от сплошной слоевой системы разработки с нисходящим порядком выемки слоев (ССН) фактически заключается только в схеме отработки запасов в слое. При вытянутой конфигурации рудных тел, суммарная длина которых составляет порядка 400 - 500 м, камер-но-целиковая схема отработки запасов позволит разместить для ведения очистных работ не менее двух комбайновых комплексов на одном слое. Нисходящий порядок отработки слоев предпочтительнее, так как в условиях слабоустойчивых руд, позволяет надёжно управлять горно-геомеханическими процессами. Эффект применения нисходящего порядка отработки слоев в условиях неустойчивых руд обеспечивается за счёт возможности отработки очистных заходок без крепления, что в свою очередь позволяет добиться максимальной производительности комбайновых комплексов.
Наряду с этим, как показывают расчёты Гипроникеля, при креплении очистных заходок на участках, суммарная протяженность которых достигает 50 % длины очистных заходок, производительность комбайнового комплекса снизится в 1,5 раза, при 100 % - в 2,25 раза. Естественно, что для обеспечения проектной производительности рудника при восходящем порядке отработки слоев потребуется увеличить число одновременно работающих комбайновых комплексов, а также увеличить фронт очистных работ путём увеличения числа одновременно отрабатываемых подэтажей. В этом случае возрастёт себестоимость добычи руды по сравнению с нисходящим порядком отработки и использование восходящего порядка будет экономически нецелесообразно.
Применение слоевой системы разработки с камерно-целиковым порядком выемки запасов и с восходящим порядком выемки слоев (КЦСВ) допустимо, если будет установлена возможность отработки очистных заходок с небольшой долей их крепления, т.е. при их устойчивом состоянии. Целесообразно вести отработку основных запасов в нисходящем порядке, рис.5.12 и 5.13, за исключением верхних трех слоев, отработка которых планируется в восходящем порядке в направлении к дну карьера, а начинается - от третьего слоя, рис.5.14.
Для подачи закладки используется вентиляционно-закладочный квершлаг гор. +180 м, который сбивается с узлом приема закладки и со скважинами, пробуренными с поверхности, а в дальнейшем с вентиляционно-клетевым стволом (ВКС). Квершлаг имеет уклон от ВКС и в районе межрудного целика выходит на отметку + 175,7 м. Подача закладки в очистные заходки предусматривается по закладочным скважинам, которые бурятся из вентиляционно-закладочного штрека, пройденного в рудном теле по его простиранию в отметках + 175.5/+ 163 м. Для бурения закладочных скважин предусматривается использовать буровую установку СММ - 2. На юго-западном фланге вентиляционно-закладочный штрек проходится от закладочного квершлага, на северовосточном - от транспортного штрека гор. + 163 м. Как видно по разнице отметок, закладочный штрек, так же как и квершлаг, имеет небольшой уклон порядка 2, что позволит избежать проблем с промывкой трубопроводов после окончания закладочных работ. Горные работы начинаются с проходки наклонного съезда на отм.+143.5м из существующих выработок гор.+163 м.
Очистные работы ведутся тупиковыми заходками по камерно-целиковой схеме. После отработки каждая заходка подлежит закладке твердеющей смесью. К выемке смежных заходок и слоев разрешается приступать лишь после набора закладочным массивом нормативной прочности, достаточной для его обнажения в стенке.
Порядок отработки лент в очистных слоях 1-3 при камерно-целиковой схеме выбирается таким образом, чтобы обеспечить максимальное время твердения закладки в каждой отработанной и заложенной заходке до момента обнажения закладочного массива в процессе отработки запасов смежной ленты и при этом исключить простои комбайна по причине ожидания твердения закладки в стенках заложенных заходок. Предусматривается следующий порядок отработки: заходки первой очереди отрабатываются через целик, равный двойной ширине ленты, затем отрабатываются заходки второй очереди через целик, также равный двойной ширине ленты, состоящий из руды и закладки, и в последнюю очередь - оставшиеся рудные целики.
Выбор данного порядка отработки заходок был обусловлен, также и тем, что очистные работы будут вестись под затопленным карьером, под защитой предохранительного целика. В этом случае данный порядок отработки представляется наиболее безопасным, чем отработка запасов слоя заходками только первой и второй очереди, так как нагрузка на предохранительный целик будет возрастать более медленными темпами. Так как третий слой будет служить искусственной кровлей для слоя 4, формирование закладочного массива производится аналогично описанному выше для нисходящего порядка. Для слоев 2 и 1 закладочный массив образуется закладкой с прочностью, обеспечивающей прочность стенки очистной выработки (1,0 МПа) и возможность проезда по ней самоходного оборудования и комбайна (1,5 МПа).
