Содержание к диссертации
Сїр,
ВВЕДЕНІЇ 5
ГЛАВА І. Горноїехнические условия разрабоїки Североуральского бокситового месторождения и обобщение опыта заполнения выработанного пространства закладочными бетонными смесями
1. Горнотехническая характеристика Северо-
4 уральского бокситового рудника Ю
2. Требования к физико-механическим свойствам
т материала искусственных целиков 15
# >
Анализ существующего положения по заполне-нию выработанного пространства закладочными бетонными смесями IS
Обоснование актуальности исследований, цеди,
задачи и методы исследований 49
Вы в о д ы 53
ГЛАВА П. Исследование материалов для приготовления
закладочных бетонных смесей ... 55
1. Исследование вяжущих материалов и обоснова
ние рациональной области их применения .... 55
Цементы и микронаполнители 56
Зольные вяжущие 65
Вяжущие из доменных шлаков 77
2. Исследование влияния свойств инертных запол
нителей на физико-механические характеристи
ки закладочных смесей Ю9
В ы в о д ы '3
ГЛАВА Ш. Подбор составов закладочных бетонных смесей
1. Исследование влияния температурного фактора
ч0 на прочность и устойчивость искусственных
целиков 125
Исследование влияния водовяжущего отношения на прочность закладочных бетонных смесей ... 132
Исследование влияния активности и расхода вяжущего на прочностные характеристики закладочных бетонных смесей 137
Методика подбора составов закладочных бетонных смесей с учетом свойств материалов 140
В ы в о д ьз 148
ГЛАВА ІУ. Технология приготовления закладочных бетонных смесей на шлаковых и зольных вяжущих I. Исследование измельчаемости шлаковых и зольных материалов и влияния тонкости их помола
на прочность закладочных смесей '49
,. 2. Технология приготовления закладочных бетонных
смесей на шлаковых и зольных вяжущих 157
3. Влияние магнитной обработки закладочных бе
тонных смесей на их прочность 163
Выводы..... 'б?
ГЛАВА У. Оптимизация состава закладочных бетонных
,« смесей '68
I. Построение экономико-математической модели
ч оптимизации состава закладочных бетонных
смесей 168
-. 4 -
Выбор опіимадьного сосїава закладочной беїонной снеси ддя условий Североуральского
боксиїового рудника 173
В ы в о д ы 131
3 А К I Ю Ч Н И В ,. (84
ОТ1Р АТУР А №
Введение к работе
Планомерное развитие всех отраслей народного хозяйства Советского Союза предусматривает дальнейшее развитие горнодобы-
А'
вающей промышленности, увеличение объема выдаваемой продукции,
улучшение ее качества и снижение себестоимости. При этом рост производства в промышленности, как отмечается в Директивах ШУ съезда КПСС по девятому пятилетнему плану ращвития народно-го хозяйства СССР, должен происходить, прежде всего, за счет;/
У увеличения производительности труда, внедрения новой прогрессив-"
ной технологии, интенсификации и концентрации горных работ \ЪЩ.
і Перед цветной металлургией Советского Союза девятым пятилет-
ним планом поставлена задача увеличения выпуска продукции в 1,4 * раза, в том числе алюминия на 50-6(. В свете этих решений добыча бокситов на Североуральском ордена Ленина бокситовом руднике, являющегося основным поставщиком высококачественного алюминиевого сырья в стране, к 1980 г. должна увеличиться в 1,6 раза по сравнению с уровнем 1970 г. при одновременном резком повышении
\ производительности труда.
В настоящее время на руднике применяют две системы - слоевое обрушение и камерно-столбовую, удельный вес которых примернб^ЪО^. Камерно-столбовая система разработки значительно эффективнее слоевого обрушения, она обеспечивает в 1,5 раза большую производи-тельность груда забойного рабочего, более высокую интенсивность отработки месторождения и снижение себестоимости руды почти на I руб. Однако дальнейшее расширение области ее применение сдерживается из-за отсутствия подходящих горнотехнических условий.
Необходимость применения системы слоевого обрушения вызвана прежде всего неустойчивостью покрывающих пород и сложным строенй-
ем рудных тел. Основной недостаток системы слоевого обрушения -большой объем трудоемких работ по креплению выработанного пространства, которые трудно поддаются механизации и занимают до 5Qfo времени забойного цикла. Возможности дальнейшего повышения эффективности системы слоевого обрушения весьма ограничены, что ставит под угрозу срыва выполнение правительственных заданий по повышению производительности труда и увеличению объемов производства на руднике.
Решение поставленной задачи по увеличению добычи боксита в 1,6 раза на Североуральском бокситовом руднике невозможно без применения новой, более совершенной,технологии разработки месторождения. Наиболее полно поставленной задаче на данном этапе развития горнорудной промышленности соответствует разработка месторождения системами с заполнением выработанного пространства закладочными бетонными смесями. Это позволит значительно увеличить объем добычи руды высокопроизводительной камерной системой разработки за счет расширения области ее применения. Замена рудных целиков искусственными позволит значительно сократить потери дорогостоящего высококачественного боксита,особенно на участках с большой мощностью и при ведении горных работ на большой глубине.
институтом "Унипромедь" разработан и обоснован проект перевода шахт Североуральского бокситового рудника (СУБРа) на новую технологию с применением систем разработки с искусственными целиками.
С 1973 года на шахте 15 СУБРа начато внедрение новых систем разработки с заполнением выработанного пространства закладочными бетонными смесями, а к 1930 году намечается закончить перевод на новую технологию всего бассейна. При этом объем закладочных работ превысит I млн.куб.м в год.
Все это выдвигает проблему закладочных работ на предприятии в разряд актуальных.
Эффективность новой технологии добычи бокситов во многом будет определяться экономическими показателями закладочных работ и в первую очередь эффективностью применяемого состава закладочной бетонной смеси и технологической схемой ее приготовления.
На отечественных предприятиях при приготовлении закладочных бетонных смесей в качестве вяжущих применяются цемент и гранули-* рованные доменные шлаки, расход которых в настоящее время превышает 300 тые.т в год каждого. Причем отсутствие достаточно обоснованной методики подбора состава закладочных смесей с учетом свойств материалов и требований, предъявляемых к ним, зачастую приводит к перерасходу дорогостоящего и дефицитного цемента. ^ Высокая стоимость цемента и относительная дефицитность гранулированных доменных шлаков являются одной из основных причин, препятствующих широкому применению систем разработки с искусственными целиками.
Несмотря на дефицитность .цемента и гранулированных^доменных шлаков практически не используются для закладочных смесей такие материалы, как отвальные шлаки черной металлургии, титанистые гранулированные шлаки и зодо-шлаковые отходы 1Э&, имеющие широкое распространение и почти не ограниченные запасы. Кроме того, отвалы этих материалов занимают большие земельные площади, на их содержание расходуются огромные средства и они засоряют окружающую среду.
Целью диссертационной работы является исследование основных закономерностей изменения активности вяжущих из различных по составу и свойствам шлаков черной металлургий и зол ТЭЦ, имеющих широкое распространение и большие запасы, что дает возможность использовать результаты исследований не только на Североуральском
бокситовом руднике, но и на других горно-рудных предприятиях страны, исследование влияния свойств вяжущих и инертных материалов на физико-механические характеристики закладочных бетонных смесей и выбор по результатам исследований оптимального состава для условий СУБРа.
В диссертации на основании анализа и обобщения теоретических и экспериментальных исследований, а также лабораторных и производственных исследований, выполненных автором, разработана методика подбора закладочных бетонных смесей с учетом свойств материалов и технологических требований и экономико-математическая модель оптимизации составов вяжущих и закладочных смесей, а также произведен выбор оптимального состава закладочной бетонной смеси для условий СУБРа.
Состав закладочной бетонной смеси на основе зольного вяжущего заложен в проекты закладочных комплексов шахт 9 и 13 Северо-урапьского бокситового рудника, а разработанное нами вяжущее на основе отвальных доменных шлаков признано изобретением.
Внедрение результатов нащих исследований в проектные разработки закладочных комплексов для Североуральского бокситового рудника позволило получить условную экономическую эффективность в размере 1,2 млн.руб., а использование нащих рекомендаций на действующей закладочной установке шахты 15 дало годовой экономический эффект в размере 60 тыс.руб.
Диссертационная работа выполнена по результатам научно-исследовательских раббт по проблемам закладочных работ для Североуральского бокситового рудника и ряда других рудников цветной металлургии.
Основные положения диссертации докладывались на научно-техническом совете института "Унипромедь11, на конференции по исполь-
зованию зол ТЭЦ в производстве стройматериалов в 1972 г. (г. Свердловск), на технических совещаниях Североурадьского и Южно-Уральского боксиговых рудников, Красноураяьского медепна-вильного комбината и на юбилейной сессии института "Унипромедь".
Автор выражает глубокую благодарность научным руководителям доц.канд.техн.наук А.С.Щукину, ст.научн.согруднику, канд.техн. наук В.А.Рубцову, а также канд.техн.наук В.А.Коурову, канд.техн. наук К.Ю.Репп, канд.экон.наук М.С.Суменкову за консультации и ценные советы, подученные при выполнении исследований и написании диссертации.
Автор благодарит за оказанную помощь работников Североуральского рудника В.Г.Сафронова, \С.й.Этингова1, И.й.Бакиновского, сотрудников дабораіории закладочных работ института "Ушшромедь" Л.К.Гертман, Д.А.Упорову, В.А.Комова, М.И.Куванникова, принимавших участие в проведении исследований по данной работе.
-ю-
Г Л А В A I ГОРНОТЕХНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ РАЗРАБОТКИ СЕВЕРОУРАЛЬСКОГО БОКСИТОВОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ И ОБОБЩЕНИЕ ОПЫТА ЗАПОЛНЕНИЯ ВЫРАБОТАННОГО ПРОСТРАНСТВА ЗАКЛАДОЧНЫМИ БЕТОННЫШ СМЕСЯМИ
I. Горвотехвичесная характеристика Североурадьского бокситового рудника
Североурадьский ордена Ленива бокситовый рудник является крупнейшим поставщиком алюминиевого сырья в нашей отраве и но качеству добываемой руды занимает одно из первых мест в мире.
В геологическом отношении район месторождения представлен отложениями верхнего силура, вижвего, средвего и верхвего девона. Отложения вижвего девова характеризуются осадками эйфедьского и живетского ярусов. Первые залегают ва очевь вероввой закарстовав-ной поверхности светлосерых известняков. Мощность рудного тела из-за вероввостей рельефа подстилающих пород колеблется от 25 и до полного выклинивания. Угод падения рудного тела -23-30. Непосредственная кровля представлена амфипоровьши и бихуминози-рованными известняками и глинистыми сланцами различной устойчивости, зависящей от степени трещивоватосхи и наличия прослойков глины. Выше залегают светло-серые массивные рифогенные известняки значительной прочности.
Североуральсвие бокситовые месторождения приурочены к обширной карстовой области, простирающейся вдоль восточного склона Уральского хребта и сложенной известняками силура и девона. Бакарстовавные известняки занимают пониженное положевие в рельефе поверхвости и поэтому сильно обводнены [ б] .
В настоящее время горные работы повсеместно перемещатся в зову развития локальных карстовых систем, и темпы снижения уровня
подземных год начали отставать от темпов опускания горных работ. В связи с этим ва ряде участков вад очистными рабо сани образовались остаточные напорные воды (табл.І) [43] .
Таблица I Состояние горных работ и откачки воды но Североуральскому бокситовому руднику
Максимальные гидростатические напоры вад гори-
Шахта
Максимальная глубина горных работ, м
Из изложенного видно, что Североуральские бокситовые месторождения являются весьма сложным объектом для разработки. Это обусловлено прежде всего пологим падением и небольшой мощностью залежей, сложной морфологией рудного тела, различной, часто изменяющейся устойчивостью висячего бока и большой обводненностью закарстованных вмещающих пород.
Сложность геологического строения месторождения обусловила примевение ва руднике двух систем разработки - слоевое обрушение и камерно-столбовую, удельный вес которых примерно Ьс$. Участки мощностью более 8 м отрабатываются только системой слоевого обрушения. Камерно-столбовая система разработки значительно эффектив-
вей слоевого обрушения, ова обеспечивает в 1,5 раза большую производительность хруда забойного рабочего, более высокую интенсивность отработки месторождения и снижение стоимости боксита почхи ва I руб. Эха система применяется на участках рудного хела с устойчивой кровлей и мощностью до 3 м.
Необходимость применения системы слоевого обрушевия вызвана прежде всего неустойчивостью покрывающих пород, сложным строением рудных хед, а хакже стремлением снизигь похери руды при охра-бохкв участков мощностью более 8 м с устойчивой кровлей.
Сисхема слоевого обрушевия обеспечивает добычу руды с малыми похерями и разубоживанием, во являєхся весьма хрудоемкой и малопроизводительной. Пологое задегавие рудвого хела ве позволяет накопить вад очистными рабохами предохранительную древесно-породную подушку досхахочвой мощности, чхо приводит в повышению опасности ведевия очистных рабох. К недостаткам этой системы относится хакже большой объем хрудоемких рабох по креплению выработанного просхравсхва, которые хрудво поддаются механизации и завимаюх до 30% времени забойного цикла.
Возможности дальвейшего повышения эффективности системы слоевого обрушевия весьма ограничены, чхо ставит под угрозу срыва выполнение правихедьсхвеввого задания по повышению производительности хруда и увеличению объемов производсхва ва руднике в 1,6-2,8 раза к 1980 г.
С понижением горных рабох похери боксита возрастут при камерно-столбовой сисхеме разработки за счех увеличения размеров и количесхва опорных целиков, а сисхемы с обрушением не обеспечах подвой безопасности, так как горные работы перемещаются в зону локальных карстовых пустот и напорных вод в налегающих породах.
В этих условиях институтом "Унипромедь" предложен и обосновав перевод Североурадьского боксихового рудвика ва вовую хехво-
логию разработки с заполнением выработанного пространства закладочными бетонными смесями, а с 1973 г. на шахте 15 начато промышленное освоение систем с искусственными целиками.
Применение систем разработки с заполнением выработанного пространства закладочными бетонными смесями в условиях СУБРа позволяет увеличить объем добычи руды высокопроизводительной камерной системой разработки за счет отработки участков с кровлей средней устойчивости и мощных участков с устойчивой кровлей, отрабатываемых, как правило, системой слоевого обрушения, сокращает потери руды, особенно на участках с большой мощностью и при ведении горных работ на большой глубине, и повышает безопасность труда.
Возведение искусственных целиков создает предпосылку для одновременного ведения очистных работ на нескольких этажах, что значительно увеличит интенсивность отработки месторождения*
В условиях СУЕРа внедряются два варианта систем с применением заполнения выработанного пространства закладочными бетонными смесями.
Первый вариант - камерно-столбовая система с ленточными искусственными целиками. В настоящее время эта система внедряется на шахте 15. При этой системе блок разделяется на камеры шириной по простиранию 8 м. Верхняя часть камер ограничена рудным венти-дяционно-закладочным штреком, а нижняя - участками непромышленного оруденения или подэтажным штреком.
Очистные работы в каждой камере начинают с подсечки кровли. Для этого проходят подсечную выработку шириной 4 м и высотой 2,5 м, которую располагают либо по центру камеры, либо на границе с междукжмерным целиком. После подсечки выработку расширяют на проектную ширину камеры. Кровлю, по мере обнажения, крепят
кливо-щелевыми металлическими штангами по сетке 1x1 м. После выемки подсечного слоя производят выемку остальных запасов руды в камере наклонными слоями высотой до 3 м. Отбойка руды производится шпуровым методом. После отработки руды в камере в нижней ее части возводится перемычка и производится ее закладка.
Нормативная прочность закладочной бетонной смеси при этом варианте должна составлять 50-60 кг/см* через 5-6 месяцев твердения.
После достижения закладкой нормативной прочности приступили к выемке междукамерных целиков, отработка которых аналогична выемке камерных запасов. Отработка междукамерных целиков в первом опытном блоке показала, что, несмотря на вертикальную высоту искусственных целиков 12-15 м,заметных нарушений их поверхности не происходило. Зазоров между кровлей и искусственными целиками не наблюдалось.
Первые опытные работы по применению камерной системы разработки с искусственными целиками показали полную пригодность ее для условий СУБРа.
Закладочная смесь хорошо растекается по камерам, длина которых по падению составляет 50 м, и хорошо подбучивает кровлю. Дозакладка камер не требуется.
С переводом всех шахт СУБРа на системы с искусственными целиками удельный вес камерных систем составит порядка 70-80%.
Второй вариант - послойная выемка сверху вниз с заполнением выработанного пространства закладочными бетонными смесями - применяется для разработки рудных участков с неустойчивой кровлей, где невозможно применение первого варианта.
Отработка слоя под затвердевшей закладочной бетонной смесью производится спаренными или одиночными заходкани. Вариант отра-
ботви спаренными заходвами принят для производственных испытании, которые начнутся с 1974 г. Но данному варианту рудную залежь делят на внеммочвые участки длиной по простиранию 80-100 м. После выемки первого сдоя производится его закладка. Последующие слои отрабатываются под затвердевшей закладочной смесью, которая к этому времени (через 30 суток после укладки) должна иметь прочность 25-30 кг/см2. Слои отрабатываются с креплением распорными стойками. При проведении заходов рядом с заложенными затвердевшая закладочная смесь должна иметь прочность 7-Ю кг/см^ через 12-15 суток.
Применение этого варианта позволит применять досгавочно-пог-рузочное самоходное оборудование ив1,8 раза увеличить производительность труда забойного рабочего по сравнению с производительностью при системе слоевого обручения [39] .
Намечается использовать самоходное оборудование и при камерных системах с искусственными целиками.
2. Требования к физико-механическим свойствам материала искусственных целиков
Основное назначение искусственных целиков заключается в надежном поддержании подработанных пород в течение определенного срока.
Длительность поддержания определяется горнотехническими условиями разработки, а также зависит от назначения искусственных целиков.
Горнотехнические условия и интенсивность ведения очистной выемки определяют прочность материала искусственных целиков, а также время твердения, через которое закладочная бетонная смесь должна приобрести нормативную прочность.
Так, на СУБРе искусственные целики должны набрать проектную прочность к моменту начала отработки междукамерных целиков. Этот срок порядком отработки камерных запасов в блоке определен в * шесть месяцев.
При послойной выемке с заполнением выработанного пространства закладочной смесью в направлении снизу вверх материал закладки должен иметь такую прочность к началу отработки следующего слоя, чтобы можно было производить скреперование без его разру-* шения, а при использовании самоходного оборудования, последнее могло свободно передвигаться по заложенному слою. При отработке слоями сверху вниз искусственная потолочина, которой является затвердевшая закладочная смесь, к началу отработки нижележащего слоя должна иметь прочность, обеспечивающую безопасную работу % ' под ней.
В то же время искусственный целик должен набрать прочность, необходимую для восприятия горного давления при отработке смежных рудных площадей.
В этом случае закладочная смесь должна быстро твердеть и для условий СУБРа иметь прочность через 12-15 суток твердения порядка 7-Ю кг/см2. Проектная прочность искусственного целика определяется величиной горного давления и временем отработки смежных рудных площадей.
Для расчета необходимой прочности искусственных целиков к.т.н. Вольхиным Б.А., к.ї.н. Смирновой Т.Н. [28,Зі] предложена формула, учитывающая глубину разработки, размеры искусственных целиков, и площади поддерживаемой целиками подработанной кровли:
Р - П /ГН кр +-г Ji І, (І-П
-\7-
где ґі - коэффициент запаса прочности;
fci*lQ5-005r (прн1<т<4)- коэффициент, учитывающий вниявие
ва прочность отношения высоты целика А и к ширине и S и; ^2=0,77-1,00 - коэффициент, учитывающий полноту подбу-
чивавия кровли закладкой; &з =0,88-0,91 - коэффициент, учитывающий влияние неоднородного строении искусственного целика ва его несущую способность; ft* =1,62 - коэффициент, учитывающий увеличение несущей способности целика при двуосвом сжатии, при одноосном сжатии h =1,0; Г- объемный вес налегающих пород, г/м3; Н - мощность налегающей толщи пород, м; Skp- площадь кровли, поддерживаемой искусственным
целиком, м2; F3 - площадь искусственного целика, м2; F - площадь рудного целика, м2; ЕР,Ез - модуль упругости руды и закладки, т/м2; fb - объемный вес закладки, т/м3; hs - высота искусственного цнлика, м. Достоинством данной формулы является то, что можно не только определить нормативную прочность искусственных целиков, во и в зависимости от прочности материала целика можно определить необходимую для надежного поддержания кровли площадь искусственных целиков и, следовательно, их объем.
В дальнейшем путем технико-экономического сравнения можно определить целесообразность повышения прочности бетонных закладочных смесей и свижевия объема закладочных работ иди наоборот.
3, Анализ существующего положения по заполнению выработанного пространства закладочными бетонными смесями
По существующей классификации систем разработки рудных месторождений, предложенной член-корр. АН СССР М.Ш.Агошковым, системы разработки е закладкой очистного пространства отнесены к I классу и занимают промежуточное положение между системами с маганизи-рованием и системами с креплением и закладкой.
Согласно исследованиям член-корр, АН СССР М.И.Агожкова [2І к числу достоинств систем с закладкой относятся:
высокое извлечение руды при условии устранения потерь рудной мелочи в закладочном материале, минимальное разубоживание руды и возможность оставления пустой породы в выработанном пространстве;
безопасность работ в очистном забое, безопасность системы в пожарном отношении, что особенно существенно для руд, склонных к самовозгоранию;
возможность одновременной разработки нескольких этажей иди подэтажей, что позволяет интенсивно вести выемку и обеспечивать значительную добычу при малой рудной площади.
Недостатками данных систем являются низкая производительность забойного рабочего на очистной выемке (от 0,4 до 4 м3/смену), высокая трудоемкость и стоимость закладки выработанного пространства. Кроме того, системы разработки с сухой и гидравлической закладкой выработанного пространства для своего применения требуют определенных горно-геологических условий:
Мощность рудного тела от 0,7 до 4-5 м.
Достаточно устойчивые руды, допускающие подработку кровли в блоке без крепления.
H9-
3. Угод падения рудных тел не менее 45.
Системы разработок с искусственными целиками свободны ох недостатков,присущих сисхемам с закладкой выработанного пространства обычными материалами (сухая и гидравлическая закладка) и имеют целый ряд существенных преимуществ, позволяющих:
применять высокопроизводительные способы отбойки руды как в первичных камерах, так и при отработке рудных целиков между искусственными;
механизировать процесс закладки выработанного пространства и снизить затраты на ведение закладочных работ;
производить первоочередную выемку богатых руд с сохранением вмещающих их бедных руд и отработать бедные руды с минимальными потерями и разубоживанием;
производить отработку месторождений комбинированным способом без оставления предохранительных рудных целиков, вести очистные работы под водоемами и охраняемыми объектами с минимальными потерями и разубоживанием и тем самым значительно увеличить добычу руд с ограниченных рудных площадей.
Изложенные преимущества систем разработки с искусственными целиками послужили причиной того, что за последние годы наметилась тенденция значительного увеличения удельного веса систем с заполнением выработанного пространства закладочными бетонными смесями и снижения с другими видами закладки.
Системы разработок с искусственными целиками с использованием в качестве вяжущего цемента получили достаточно широкое распространение на рудниках, разрабатывающих ценные и богатые руды цветных металлов. С использованием дешевых местных материалов для приготовления вяжущих таких,как шлаки металлургических переделов, золошлаковые отходы ТЭЦ и других отходов производств,область применения этих высокоэффективных систем распространится на горно-
рудные предприятия черной метаддургии и на рудники цветной металлургии, отрабатывающие бедные и малоценные руды.
Особенно возрастает роль систем с искусственными це дивами с понижением горных работ, вогда размеры рудных це дивов увеличиваются, а вместе с ними и потери.
Кав правило, ддя ведения закладочных работ на рудниках строях специальные комплексы. При этом закладочные работы могут быть распределены в соответствии с предложенной нами классификацией (табл.2) следующим образом:
1. По виду вяжущего:
I) На вяжущих, твердение которых происходит за счет реакции гидратации:
а) на цементе - отечественные рудники: Аптын-Топканский,
Кансайский, Тасеевсвий, Зырявовсний, Лениногорский, Текедийский,
Красногвардейский, Маяв; зарубежные: им. Мархлевского, им. Варин-
свого, Отял Беды, Варинска (ПНР), рудники Тюрингии (ГДР),
канадские рудники компаний вФодкон$риджи и пИНК0и, "Мэфлауэр"
(США), Оутокумпу (Финляндия);
б) на других вяжущих - отечественные рудники: Гайский, Перво
майский, "Валявко-Северная", шахта Ш 15 СУБРа, Норильский комби
нат; зарубежные: рудники Тюрингии (ГДР), 4Толландя (ФРГ).
2. На вяжущих, твердение которых происходит за счет окисли
тельных процессов:
а) на пирротиносодержащих хвостах: канадские рудники Наранда, Квемонт, Су лливан.
П. По технологии приготовления закладочных бетонных смесей: I) Децентрализованные установки периодического действия.
Отечественные рудники: Аятын-Топканский, Кансайский, Тасеевсвий, Зыряногский;
Таблмца 2
Кпассификация закладочных работ по технологии приготовления и транспортирования закладочных бетонных смесей
Признаки классификаций
Основные показатели
До характеру твердения
I. По виду вяжущих
I. Твердение за счет \2. Твердение за счет реакции гидратации). окислительных
процессов
А. Цементы
Б. Бесклинкерные и многокомпонентные вяжущие
А. Пирротиносодержа-щие хвосты
До способа приготовления вяжущих
І V,
I. По технологии приготовления закладочных бетонных смесей
I. Централизованное
А. Установки периодического действия
Б. Установки непрерывного действия
2. Децентрализованное
А* Установки непрерывного действия
Б. Установки периодического действия
По виду транспорта
II. По технологии
транспортирования и укладки закладочных бетонных смесей
I. Трубопроводный
А. Самотечный
Б. Самотечно-пвевматический
2. Механический
А. Бетоноукладчиками
Б. Бетононасосами
,* к
» *
-22.-2) Децентрализованные установки непрерывного действия. Все остальвые отечественные и зарубежные рудники. Ш. По технологии транспортирования и укдадки закладочных бетонных смесей,
I) Трубопроводный травспорт:
а) Самотечный.
Отечественные рудники: Лениногорский; зарубежные: рудники Тюривгии (ГДР), Норавда, Квемовт, Судливан, рудники коапавий иФояконбриджи и ИИШШИ (Канада), "Мэфлауэр" (СМ).
б) Самотечно-пневмагический.
Отечественные рудники: Гайекий, Первомайский, Текелийский, рудвики Норильского комбивата; "Валявко-Северяая".
Зарубежные: рудвики Тюривгии (ГДР), Отел Беды (ШР). 2. Механический.
а) Бетоноукладчиками; Зырявовский, им* Мархлевского и им.
Варинского (ПНР);
б) вагонетками и самосвалами; Зыряновский, Тасеевский,
Оутокумпу (Фивдандвя).
Из перечисленных технологических схем ведения закладочных работ наибольшее распространение подучила технологиям децентра-дизованвыми установками непрерывного действия с трубопроводным транспортом самотечвого и самотечво-пневматичесного режима транс-портирования.
Ниже приводится описание технологических схем приготовления закладочных бетоввых смесей в соответствии с предлокеввой классификацией.
Приготовление закладочных бетонных смесей на цементе I. На децентрализованных установках периодического действия. На Адтыв-«Топкавском и Кавсайском рудниках [32,69,80]
приготовдение закладочных бетонных смесей производилось в подземных условиях. Цементно-десчаный раствор подавался в рудоспуск (Кансайский рудник) или в траншею (Аятын-Топкансайсний рудник) с пустой породой (рис.1), где происходило их перемешивание. Готовый материал скрепером укладывался в выработанное пространство.
На Тасеевском руднике при отработке части рудной зоны в пойме реки применили системы с маганизировавием руды и искусственными целиками [46 ] .
Закладочный бетон приготавливался в бетономешалке периодического действия, установленной на вышележащем горизонте. Доставка готового материала к закладочным дучкам производилась в опрокидных вагонетках, а в выработанное пространство - по трубам диаметром 400 мм.
На Зыряновском руднике при комбинированном способе отработки месторождения закладочная бетонная смесь приготавливается на подземной закладочной установке [56,68] .
Материалы, составляющие закладочную бетонную смесь, доставляют на установку - цемент в вагонетках В0І-80, а инертный заполнитель (иесчано-гравийную смесь) - по трубам диаметром 529 мм. Приготовление закладочного бегона производится в двух бетономешалках С-І58, емкостью 425 л, производительностью 20-25 м3/смену. Доставка готовой снеси до закладочных дучек осуществляется в вагонетках, а заполнение выработанного пространства - пневмобетоно-укдадчиком ПИБ-ЗМ, рис.2.
Для ведения закладочных работ ниже 7-го горизонта закладочная бетонная смесь приготавливается в бетономешалке С-355В емкостью 500 н. Производительность бетонного узла - 40-45 м3/смену.
На руднике применяются закладочные бетонные смеси 150 и И90, состав которых приведен в табл.3.
Ffitcr>..' ї...''' СхеШ; приротовлешш закладки;.-.на' Длтьш-Іоііка иском ;.','.^ руднике::.''.'і-скрепе$вэй яебеддэ; Жвзронєтей; ...:*.":.' З-рэатвороиещалка; 4-Еневмонзрне^атель; ;
. ; 5-фрз?боировод; б-їрайшей; ?-скрепернай лебедка;
в-скрепе;р дли. прйрошовленйй заіотадкіЯ'й доставки
-.'".'' v ".ее.-.в камеру; ^-закладк а; Ю-породэ,
РисіЕ. Црщнцйциальйза схема!; шдачй'Йеїона: в «заходк^ с
/. -:,: пшоеіш пнф^обе'гонауішадчйка.::', ,-..'.;
2. На децентрализованных установках непрерывного действия.
Дня устранения возникновения эндогенных пожаров на Текедий-ском руднике применяется камерно-стодбовая система разработки с искусственными цедиками [33,45,46,57,60,63,64,65] .
Приготовление закладочной бетонной смеси, рис.3, производится на поверхности в смеситеде барабанного типа производительностью 200 м3/час. Готовый бетон из смесителя поступает во вращающуюся бутару и через нее в приемную воронку закладочного трубопровода. Составы закладочных смесей, применяемых на руднике, и расход материалов приведен в табл.3.
Из таблицы 3 видно, что на руднике применяется три вида закладки. Для заполнения камер первой и второй очереди и для создания днища в камерах третьей и четвертой очереди применяется бетон. Закладка камер третьей и четвертой очереди производится "глинобетоном", а остальные - "цементобетоном".
На Дениногороком комбинате шахта Скиповая [48] приготовление закладочной бетонной смеси производится на поверхностном комплексе, рис.4,в смесителе непрерывного действия. Готовая смесь по трубам самотеком транспортируется в выработанное пространство. Данные по составу смеси и расходу материалов приведены в табд.З.
При первоочередной отработке богатых руд для сохранения и последующей отработки вмещающих их вкрапленных руд на руднике "Маяк" Норильского комбината приняты системы с искусственными целиками [5i] . Схема приготовления закладочных бетонных смесей представлена на рис.5, а данные по их составу - в табд.З. Готовая закладочная бетонная смесь транспортируется в выработанное пространство по трубам самотечно-пневматическим способом.
На рудниках им. Махлевского, им. Варинского, Отел Беды, Варинска (ПНР) [5,93,96,106,109,По] применяются закладочные
Рие^З. Схема;; аакладочноІ'уЬїанодки -на руднике Текели:
, 1,2-ц,ементные бункер!;; 3-расэ?воромешалка; 4-смєсйфєді у:;; \ : 5-лейагошы конвейер^, б^бункер дл« песка; 7-бетоно- :. /і; провод; б-виброго^этёяь;-'^-Питатель; Ш-трэшпор-, . тер; 'И -при емка а площадкаддй аескэ; Ш-скрєпер; ; 13-е креп ернай лебедка;' 14-заклйДОЧНЫЙ восстающий. ;
ВоЗаиь SodonpoSoda
%
Рис.4. Схема-; фкдадоздоії;^^
і-разгшзочные/ вутещ;:. 2-алеват;оры; 3,:4^;асгодные , бункеры; S^Mecii^e^b!-^
Га-промещгочныШ сштосх;; ЇЗ-ттошШ: шнеЕ;';14-злєватор;
Ш-расЩітньїІ йунЕвр;. Іб^шнек. ; :, * /.[
бетонные смеси на основе цемента.
На руднике Оаел Бяды закладочная бетонная смесь приготавливается на поверхности в бетономешалках непрерывного действия. Готовая смесь транспортируется в самотечно-пневматичесвом режиме в выработанное пространство.
На рудниках им. Мархлевского и им. Варинского приготовление закладочных бетонных смесей производится по единой технологической схеме. Закладочные комплексы расположены под землей в двух смежных камерах на расстоянии 3QQ-5QQ м от закладываемого участка. В одной из камер размещен цементный бункер, растворомешалка и два поршневых насоса. В другой установлен бункер для инертного заполнителя, двухкамерная закладочная машина иБриденмашшен|абрикн и общий пульт управления, рис.6.
На руднике Варински инертный заполнитель гидротранспортом подается к месту производства закладочных работ, где установлен гидроциклон, обезвоживающий инертный заполнитель.
К трубопроводу, отводящему из гидроцикдона обезвоженный инертный заполнитель (песок иди песок и доломитовый щебень), под острым углом подведен трубопровод, дозирующий цементное молоко. Здесь происходит смешивание материалов и готовый бетон под давлением подается в выработанное пространство.
Инертный заполнитель транспортируется по трубам диаметром 150 мм, а цементное молоко - 50 мм.
Основные данные по составам бетона и производительности закладочных комплексов на вышеуказанных рудниках приведены в габд.З.
В Германской Демократической республике системы разработок с искусственными целиками применяются на рудниках Тюрингии [і].
-зо-
- X *
s S $
Q) 3 с» <
о: X
о о E
jr. a at
* « (0
< с T о і:
»s
x з-о
-а: <
X со
б x 2 5 r
I »-О Ol О
аз о
I с*
St -JL
з: л X
х Vio
G Z —
а <: і о ?*
С ,_6» ** л X О
-5 2 х л < о л з>
'III*-
I S
8 So.
«с
*
S О.
Рис. 6. Схема закладочного узла:
1 — рудничная вагонетка; 2 ~ боковой опрокидыватель; 3 —бункер для доломита; 4— питатель; 5 — закладочная машина; 6 — закладочный трубопровод; 7 — бункер для цемента; 8 — питатель для цемента; 9 —резервуар для цементного раствора; 10«*- поршневые насосы; 11 -— трубопровбд Для цементного раствора.
Пригоговпение закладочных смесей производится в стационарных иди передвижных закладочных установках. Готовая смесь транспортируется в выработанное пространство по трубопроводам диаметром 7-Ю дюймов иди по закладочным скважинам. Ери этом применяются три вида транспорта:
Транспортировка за счет статического давления, создаваемого весом закладочной смеси в вертикальном ставе.
Транспортировка пневмотранспортом.
Транспортировка комбинированным способом, самотечный транспорт и пневматический.
Расход материалов и составы закладочных смесей, применяемых на рудниках Тюрингии приведены в табл.3.
На канадских рудниках (Фдин-Флон, Геко, Муррей и др.) компаний "Фолконбридж" и "МКО" применяется закладка, состоящая из хвостов обогатительных фабрик, песка и цемента [107,114,115] . Соотношение компонентов - хвосты: песок: цемент - составляет 3,5:3,5:1 или б,Ofб,0:1, а для верхней части закладки на высоту слоя 150-300 мм расход цемента увеличивается. Приготовление закладочного материала производится на поверхности и по трубам транспортируется в выработанное пространство.
Для приготовления закладки применяются две типовые схемы, которые приведены на рис.7,8.
По схеме, представленной на рис.7, обезвоженные хвосты доставляют на рудники в 80-тонных железнодорожных вагонах и разгружают в бункер емкостью 3000 т. Гидромонитором хвосты размываются и в виде пульпы поступают в смеситель. Цемент доставляют в автомашинах и разгружают в бункер емкостью 200 т, откуда самотеком поступает в расходный бак емкостью 5 т. Тарельчатый питатель и конвейер-весы подают цемент в смеситель непрерывного действия, где происходит перемешивание с пульпой. Плотность пульпы замеряют
Рис»? Автоматізізровзвйай/взкдадоодэй установка ^ш
;. рудт&эхкажавшш. *%ИШ*с - '-;/ І-Зункер для цемента; 2^кяёйэв; В-п&жетуправления;.. 4-мошгор діій размыва хвосїов; 5-Ш-тондае желеанодорож-нуе вагон»; ^-б^икёр дл^;ішосїов ; , f-рэ с хрдны!. бункер дли цемента> 8^з?&рельч8їйй шффєжа; Ф-амесйїельшІ оак; іQ-указагель глубины; П^йзммз дагчшЕ.;.пло2?нооет пульпы; і^-марнвїшй расходомер; IjS-марістральньШ трубопровод:.
f%Q:,;8. -Закіадочнай установка с ручным управлением на
.. . рудниках кошэний "ШШИ;,.: :/'"''
І-бункер ддйі ЦбМвнга|)В»конвр; З-обораеттелнаа фэб-'';."/ рвкэ; 4*^кяЬны для обезвоадвашя жвосшв; 5~рас~ ..] предедйгеяьДОі бак; бйрасходнМ бак дт цемент; 7~;варедьче!Ші пштажет; 8-трубопровоД» 9~шнековый
-35-g помощью гамма-лучей, а скорость подачи пульпы - магнитным расходомером. Показания датчиков передаются в аналоговую электронную машину, которая выбирает оптимальный режим и автоматически регулирует подачу цемента с точностью до 3%.
Управление закладочной установкой производится дистанционно с центрального пульта.
По второй схеме приготовления закладочной смеси (рис.8 ) закладочная пульпа приготавливается непосредственно на обогатительной фабрике и по трубам подается к месту закладочных работ. Цемент из бункера емкостью 200 т подается шнековым питателем в расходный бав, а оттуда тарельчатым питателем непосредственно в закладочную пульпу. Плотность пульпы и расход цемента замеряется оператором на обогатительной фабрике и регулируется изменением числа оборотов тарельчатого питателя.
На руднике "Гарсон" компании *ЙНК0И в связи с большими объемами закладочных работ действует автоматизированная закладочная установка (рис.9).
6 качестве инертного заполнителя применяется песчано-гравийная смесь, которая автосамосвалами доставляется от карьера на шахту. Из приемного бункера песчано-гравийная смесь поступает на вибрационный грохот. Крупная фракция отделяется на грохоте и через люк поступает в скип емкостью 900 кг, который разгружается в бункер отходов. Мелкая фракция через вибрационный грохот попадает в расходный бункер емкостью 2700 т.
Схема подачи закладки предусматривает автоматическое регулирование ее состава и жесткости в зависимости от количества подаваемого песка и заданного содержания цемента [lubj .
На руднике "Мэфлауэр" компании яГеклаи (США) [5] закладка выработанного пространства производится хвостами обогатительной фабрики с добавлением цемента. Обесиламленные хвосты перека-
Рис.9. Автонатичарованная, закладочная установка на »
руднике "Гарсон": ; і-бункер &яъ материалов; /.'2-скип для выдачи крупной фракции; 3-бункер дли отходов; 4-приешый бункер; 5-виброгрохот; f о-тэрельчатый питатель;' 7-конвейер с автоматически кими весами; S-смесительные баки; 9-магистральны1 тр.уборровод.
/Рйс.Ю: Схема закладочной установки; на руднике
[<' №МэЙфязуарн": -
;^1«насосная устзноака^Дчглэвна^озгкаточнай щтольнл;
- [З-бужкер. ;ддй закладочного .материала; 4-рерулирукщэй _
::(:зэдвйжка; З-расходный.,.трубопровод; б-скважина для пода
;'; чи. цементного раствора!; ;?-очшстной блок; в-восстающие.
чиваются насосом по трубопроводу диаметром 50 мм на расстояние свыше 2 км до подземной закладочной установки (рис,10). Пульпа содержит 48-51% твердого. Закладка выработанного пространства на рудниках "Гекла", "Кеннекотт Конкер" и др. производится хвостами и цементом с соотношением 1:20 - 1:40.
При отработке большого месторождения медноцинковых и кобадь-то-никелевых руд на финском руднике Одтокзмиу [32,95] закладка выработанного пространства производится тощим бетоном. Бетон состоит из 2-х частей песка, одной части хвостов обогатительной фабрики и 120 кг цемента.
Приготовление бетона производится на поверхности в смесительных установках и самосвалами доставляется к скважинам, по которым поступает в выработанное пространство.
Скважины пробурены через 100 м друг от друга и оборудованы фугированными резиной трубами диаметром 150 мм.
Прочность бетона на сжатие через 3 месяца твердения составляет 30 кг/см2.
На полиметаллических рудниках Швеции [33] проводятся опытные работы по упрочнению верхнего слоя закладки цементацией специальным самоходным культиватором.
Технология приготовления закладочных бетонных смесей на
многокомпонентных вяжущих, твердеющих за счет гидратации,
на децентрализованных установках непрерывного действия.
На Первомайском» Гайском рудниках и вахте "Вадявко-Севервая" [7,74,76,77,78,79,83,86] применение систем разработки с искусственными целиками обусловлено соответственно следующими причинами: поддержание бедных руд для последующей отработки при первоочередной выемке богатых руді одновременная отработка месторождения открытым и подземным способом; отработка охранных целиков.
РисЛГ. Окема взклэдочной установки >ґа Рз/Іеком руднике;
. Л-траншейный скяэд; Й-екрепер; S-ррохот;Ч-б^нкер';
';.. -вйбропйтагель; б-леятсйный жонвейер; ?-вєсбі;
б-тігаїедь; 9-шэроваа мельница; Ш-водопровод;'
Н- їечка; ій-смеситвдь; ІВ-шнековніІ питатель";
.-, 14-цеменгные силосы; 15-трубы дзїй зэгрузкш цемента;
16-ло-еок; 1?-тр\/бопровзд> ...
Ршс ,:-:42. Схема прирофовленші и- доссавіш гвёрдею^ей смеси на
, взкладочвам ромштексе )Шьц&шщжо-Отпов8нпл
;.' і^ємкосфь' ддд ррэнзШ^овавйоРо- гоїакз; 2*б^нкер' дзш ,, vffljisEa; 3-гашшорт@р дш подач» шйака в штест в мельнщу; %~екршершё яебедШ; ^-бункер дай йзвєсшй; > ,б-доаз5Бор ддй йзвесзш; ?~шэровэй меяьнш*э* 8-скрёнер-йзй лейёдка> @-гру#о;п|швод Дй подачи пуяьды в смеситель; .Ш-скдэд песка;: I i-оуыкер дйй Песка; Ш-тран- : : шорфер дна подачи веека в смєсіфєдь; Ш-смєєйфєжь» :
14~машштрай$вш ЗД
:,::v,- їб^кзвшра. ..;ч':..; .:".;.>
На этих рудниках применяются шлаковые вяжущие из гранулированных доменных шлаков, технологические схемы приготовдевия которых представлены ва рис.II,12. Составы закладочных смесей, применяемых на этих рудниках^ приведены в табл.3.
На шахте "Голланд". а также и ва других шахтах Рурского бассейна [33,34] для возведения околоштрековых целиков ва выемочных штреках лав, отрабатываемых прямым ходом с обрушением кровли, приме вили природный ангидрид.
Природный ангидрид в виде кусковатого материала крупностью 0-6 мм подается сжатым воздухом к месту укладки. Для активизации применяется смесь, состоящая из одной части K2SO4 и 1,8 части
Fe^SO^Ph^O в количестве 1% от веса ангидрида. При отношении жидкого к твердому равном 0,08-0,16 прочность материала через 24- часа после его затвердевания составляла 5-105 кг/см^ в зависимости от влажности и температуры окружающей среды*
Закладочные смеси, твердение которых происходит за счет окислительных процессов, применяется на канадских рудниках Норанда, Івеионт. Сулдиван [ІІ2,ІІЗ] .
На руднике Норавда для закладки выработанного пространства применялись гранулированный медеплавильный шлак (72%), отвальный шлак (25%) и пирротиновые хвосты (3%) с содержавием 56% пирротина, 6% пирита, Що окиси железа и 28% нерастворимого остатка.
Шлак и хвосты с поверхности подавались к подземной смесительной установке по скважинам, готовая пульпа самотеком или конвейером транспортировалась в выработанное пространство.
Закладочный материал после окисления пирротина превращался в прочный монолит, допускающий достаточное обнажение. Процесс твердения продолжался 9-12 месяцев и сопровождался разогревом искусственных целиков до Ю0-200С.
Аналогичная закладка применялась и на рудниках Квемоит и
Таблица З Технико-экономическая характеристика закладочных комплексов
ЗО
6J Дениногорский комбинат
7.
Норильский к-т і рудник "Маяк" \ 70
І 50-60
Цемент ІІ400
Цемент
М400
клинкер
Хвосты обогатительной фабрики 1400
Песок 1300
400-45(І 8,90
340 f 21,29
Трубопроводный самотечный
Трубопроводный, само те ч-но-пневмати-ческий
8*
9.
10,
II
Рудник ЙМ.
Мархлевского
(ПНР)
Рудник им. Варинского (ПНР)
Рудник Отяд Бялы (ПНР)
Рудники Тюрингии
І -.
Цемент М250
Цемент М250
Цемент М250
Цемент М225
Цемент
Шлак
Зола
Песок-500
Щебень--0,65 м3
Щебень-1690
Шшк -996 Щебень-209
Песок -1200
150 153,97зд,
юо рб,2б зл
/
350-400 350-400 |
Трубопроводный пневматический
Трубопроводный пневматический
Трубопроводный самотечно-пневматический
Трубопроводный самотечный, самогечно-лневматичес-кий
12. Рудники компаний "Фояконбридж'* "ЙНКО"
Рудник Оувокумпу
Первомайский рудник
Цемент
Цемент
Гран.
шлак
домен-
I Хвосты | обогати-! тельных j фабрив
І Песок
І Песок -І 1300
360-400 j 3,00
Трубопроводный самотечный
Автосамосвалами
Трубопроводный
самотечно-
пневматический
15. Гайский рудник
Шлак доменный 360
Цемент I 40
Песок -1300
j 360-400 І 3,50
Трубопроводный
самотечно-
пвевматический
--І
16. Шахга "Вадявко-Северная'1
Шлак доменный
Известь
Песок +
ХВОСТЫ
Трубопроводный самотечно-
, пневматический*-
Судливан.
Анализ практики заполнения выработанного пространства закладочными бетонными смесями (табл.3) показал, что в подавляющем большинстве случаев для их приготовления применяется цемент с расходом 200-400 кг/м8, а себестоимость таких смесей составляет 8-24 руб/м3. При этом на стоимость материалов приходится 60-8(.
Практика применения систем с искусственными целиками показала, что применение цемента в качестве вяжущего для приготовления закладочных бетонных смесей является нецелесообразным из-за его относительно высокой стоимости и дефицитности, большего, чем необходимо по условиям прочности, расхода по технологическим требованиям, высокой экзотермии.
Проведенный анализ также показал, что применение других видов вяжущих в закладочных смесях весьма ограничен.
Кроме того, объемы закладочных работ определяют способ и мест приготовления смесей, что существенно влияет на вид транспорта и расход вяжущего. Как правило, при небольших объемах работ приготовление закладочных бетонных смесей производится непосредственно около закладываемых камер* Доставка смеси и укладка производится с помощью механизмов.
При значительных объемах пустот, подлежащих заполнению, закладочные комплексы располагаются на поверхности и доставка смесей производится по трубам самотечным или самотечно-пвевматическими способами.
Рядом исследователей, в том числе и автором данной работы, [36,60,77-80] , был проведен подбор составов закладочных смесей на шлаковых вяжущих из гранулированных доменных шлаков, которые применяются ва некоторых предприятиях. Эти вяжущие отличаются от цемента более низкой стоимостью, для перевозки и хранения шлака не требуется специальных вагонов и складов. Кроме того, шлаковые
вяжущие имеют пониженною экзотермию и длительные сроки схватывания.
При расходе шлаковых вяжущих 360-400 кг/и3 искусственные целики имеют достаточно высокую прочность, допускающую обважевие до 3000 и2.
М.Ш.Агошковым и другими [1,95] предложено вяжущее для закладочных смесей из обожженных хвостов обогатительных фабрик. Однако этот вид вяжущего не нашел применения, так как хвосты должны иметь определенный состав и технология приготовления вяжущего довольно сложна.
Ограниченное применение могут иметь также вяжущие из гранулированных шлаков цветной металлургии и природного ангидрида, так как зачастую шлаки находятся на балансе, а месторождения ангидрида ограничены [90] .
В промышленности строительных материалов для приготовления вяжущих применяются нефелиновые шламы [8,9] , а при производстве автоклавных изделий золы ТЭД и шлаки черной и цветной металлургии [10,52,92,100] .
В гидротехническом строительстве и при возведении массивных бетонных сооружений нашли применение цементы с наполнителями [10,15,20,73,92] .
Однако все эти материалы для приготовления закладочных бетонных смесей не применяются.
В качестве инертного заполнителя наиболее широко применяются природные пески. В то же время почти не применяются хвосты обогатительных фабрик, отсевы дробильно-сортировочных фабрик и отвальные породы.
Анализ литературных источников в области заполнения выработанного пространства бетонными закладочными смесями показал, что в настоящее время не имеется методики подбора составов закладочных смесей с учетом свойств материалов, требуемой прочности, транспор-
-47-табеяьности и удобоукладываемосги, обеспечивающей качественное заполнение выработанного пространства и подбучивания кровли.
Методика подбора составов строительных бетонов не ыожет быть применена ври проектировании составов закладочных смесей, поскольку к ним предъявляются другие требования и для их приготовления применяются высококачественные материалы.
Большинство исследователей подбор составов закладочных смесей ограничивают определением расхода вяжущего по условию транспортирования без учета марки вяжущего и свойств заполнителей, влияющих на прочность закладочных бетонных смесей.
М.Н.Цыгадов предлагает определять максимальный объем цементного раствора по формуле [99] :
QP = r^i5o ' (1"2)
где у - объемный расход заполнителя на I м3 смеси;
I - пустотносгь заполнителя; П. =1,4-1,6 - коэффициент насыщения заполнителя вяжущим раствором. В.П.Кравченко и Э.О.Шгернбек [юз] установили, что удовлетворительной транспортабельностью обладают закладочные смеси с коэффициентом раздвижки зерен мелкого заполнителя 1г> 1,2 при содержании в смеси заполнителей фракций +5-40 мм менее 40% и предложили формулу для определения расхода вяжущего на I м3 смеси:
Q „ 125&Га + (узИ-К) (Гзн - tзм) у ,1>и3*
^Гзи Ам [ (д-) Гц "'"Ге ]
/
где 1(зц,Пм - удельный и насыпной вес мелкого заполнителя;
$ц>Х& " удельный вес цемента и воды; G3 - весовой расход заполнителя; .1 - водо цементное отношение. К.Ю.Репп предложил формулу для определения минимального коли-
чества шлакового вяжущего "Ш" на I и3 снеси 1>] :
мі — rF5iu * Уп "*" Ftp ' One /-_ Q , (1-4)
1+-2-
1 ш
где RFtP - суммарная поверхность зерен заполнителя и поверх-
ность трубопровода; Vn - объем пустот заполнителя; G- - суммарный вес фракции - 0,14 мм; &»с - толщина пленки вяжущего теста на зернах заполнителя и стенках трубопровода; f - объемный вес молотого шлака;
~ - водовяжущее отношение. С*А.Студзинский предлагает определять расход вяжущего по условию транспортабельности на единицу веса заполнителя [89] :
В = в|ш№-Г , (1-5)
где f - весовая плотность заполнителя;
Q - удельная поверхность заполнителя; Г'г - содержание в заполнителе фракций -0,14 мм в процентах и весовых единицах. Общим для всех формуя является то, что производится определение расхода вяжущего только по условию транспортабельности и без учета его активности и нормативной прочности искусственных целиков. При этом расход других компонентов закладочной смеси не производится. В формулах В.И.Кравченко и К.Ю.Реппа значение водовяжущего отношения берется заранее без учета водопотребности материалов. Яри таком подходе смесь может оказаться либо очень жесткой, либо быстро рассеивающейся.
Формулой (1-5) определяется расход вяжущего на единицу веса заполнителя, а не зная его расход на I м3 смеси, невозможно опреде-
лить и расход вяжущего.
В этой же формуле расход вяжущего ставится в зависимость от объемного веса заполнитедя в куске, хотя известно, что молотый материал любого объемного веса может транспортироваться.
Все рассмотренные формулы не дают возможность определить расход всех компонентов, входящих в состав закладочной смеси. Кроме того, определенный из указанных формул расход вяжущего без учета его марки и характера твердения во времени не гарантирует нормативную прочность искусственных целиков.
4. Обоснование актуальности исследований, щели, задачи и методы исследований
Как отмечалось выше, для выполнения правительственного задания по значительному увеличению добычи высокосортного алюминиевого сырья^Североуральский бокситовый рудник переходит на новую технологию подземной добычи с заполнением выработанного пространства закладочными бетонными смесями. При этом объем закладочных работ превысит 1,0 млн.куб.м в год. Кроме того, по мере опускания горных работ в зону с напорными водами обычные варианты камерно-столбовой и слоевой систем разработки не смогут обеспечить полную безопасность ведения очистных работ, а также приведет к значительному увеличению потерь высококачественного и дорогого боксита в опорных целиках.
В этих условиях исследование материалов для приготовления закладочных бетонных смесей и выбор оптимального состава смеси являются одной из актуальнейших задач для Североуральского рудника.
Применение дешевых материалов, в первую очередь отходов производств, позволит не только снизить стоимость закладочных работ, но и улучшить технико-экономические показатели систем с искусствен-
ными целиками.
Вышеописанный анализ показал, что системы разработки с искусственными целиками, как наиболее прогрессивные и позволяющие производить отработку с минимальными потерями и разубоживанием, в текущем пятилетии получат дальнейшее развитие. Объем закладочных работ на рудниках цветной металлургии возрастет с 1,6 млн.м3 в 1971 г. до 4,0 млн.м3 в 1975 г., расход цемента превысит I млн.т. Одной из важнейших задач является снижение расхода цемента за счет широкого применения местных материалов для приготовления вяжущих и, в первую очередь, отходов ТЭЦ и металлургических переделов.
Применение отходов производств для получения дешевых вяжущих позволит значительно расширить область применения систем с искусственными целиками и распространить этот прогрессивный метод на отработку бедных и малоценных руд. Утилизация отходов позволит значительно сократить непроизводительные затраты, связанные с содержанием отвалов. Так, по данным Тепдоэнергопроекга [46,75] общие затраты на содержание золоотвалов только действующих тепловых электростанций в 1971 году составили более 120 млн.руб. Капитальные затраты на строительство системы золоудаления и золоотвалов одной крупной ТЭС составляют 4-Ю млн.руб. В районах золоотвалов наблюдается значительное загрязнение воздуха, происходит минерализация рек и водоемов. Обследование, проведенное Стройбанком СССР [2l] t показало, что около 40^ шлака вывозится в отвалы, стоимость содержания шлааов в которых в среднем составляет 0,33 руб/т. Так, только Магнитогорский металлургический комбинат расходует на содержание шлакоотвалов около 3 млн.руб. в год.
Делью диссертационной работы является обоснование рациональной области применения различных видов вяжущих материалов, разработка методики подбора составов закладочных смесей с учетом технологических требований, разработка метода оптимизации составов вяжущих
и закладочных бетонных смесей на основе экономико-математических методов, выбор оптимального состава закладочной смеси для Североуральского бокситового рудника. Частные задачи включают:
а) исследование гидравлической активности зольных и шлаковых
вяжущих и определение основных закономерностей изменения их актив
ности;
б) изучение влияния свойств инертных материалов на физико-
механические характеристики закладочных смесей;
в) аналитическое решение ряда зависимостей влияния свойств
материалов на физико-механические характеристики закладочных бе
тонных смесей;
г) исследование влияния технологических факторов на формирова
ние и устойчивость искусственных целиков;
д) разработку методики подбора закладочных смесей с учетом
свойств материалов и необходимых физико-механических ее характе
ристик;
е) разработку технологических схем приготовления многокомпо
нентных вяжущих из отходов производств;
ж) оптимизация составов закладочных смесей.
Решение поставленных задач осуществлялось методами:
I. Научного обобщения и анализа материалов исследований отечественных и зарубежных авторов применительно к конкретным условиям.
2* Лабораторными исследованиями материалов, применяемых для приготовления закладочных смесей.
3. Математической статистики.
4-. Линейного программирования.
5. Промышленных исследований, проведенных в условиях Райского и Североуральского рудников.
Исследования гидравлической активности вяжущих производилось в соответствии с ГОСТ 310-60.
Испытание закладочных смесей производилось на растворах пластичной консистенции при подвижности 10-II см по конусу СтройЦНИЛ иди 23-25 см по стандартному конусу. Образцы хранились во вдажных опилках при t =2(3±2С и испытывались через 7,28,90,180 и 365 еуток твердения.
Испытания на прочность производились на прессе НСУ-І5. Скорость нагружевия принималась равной 10 кг/см2/сек, Образцы-балочки предварительно испытывались на изгиб на приборе МИ-100. Половины бадочек испытывались на сжатие.
1 При испытаниях составов закладочных смесей изготовлялись кубы размером 10x10x10 с применением инертных заполнителей с максимальной крупностью зерен 20 мм и 7x7x7 для мелкозернистой закладки.
Количество образцов, необходимое на одно испытание устанавливалось статистическим путем по первым 5 испытаниям, исходя из коэффициента изменчивости (коэффициента вариации) Cv и требуемой степени точности Р по формуле [43,Ш] :
П = ^- <Ь6)
где t - количество "сигм" при которой гарантируется
(в наших исследованиях t =1,3) вероятность получения результата испытания 85% с заданной точностью Р ; С«г= ~рё?— " коэффициент изменчивости;
б6=р:'всж-Ксж) « среднее квадратичное отклонение; R.c*~ отделение измерения образца закладочной смеси
на сжатие; К.СЖ- среднее арифметическое значение предела прочности
образцов закладочных бетонных смесей на сжатие;
n. - число измерений;
n m ер юо
Ps —n— - показатель точности;
/-»
ГГЦ>= -7=— средняя ошибка среднего арифметического
значения предела прочности на сжатие. При исследованиях гидравлической активности вяжущих и прочности закладочных смесей на сжатие„Ксж определялась как Ясжsf(N,t) где N - количество добавок в вяжущем (для цемента - микронаполнителя; для зольных и шлаковых вяжущих - количество активизатора твердения);
t - время твердения.
Выводы
Для выполнения правительственного задания по увеличению выпуска высококачественного алюминиевого сырья, снижения потерь руды и обеспечения безопасного ведения горных работ Североуральский бокситовый рудник переходит на новую технологию подземной разработки с заполнением выработанного пространства закладочными бетонными смесями.
В настоящее время на отечественных рудниках в подавляющем большинстве случаев для возведения искусственных целиков применяется цемент. Вольные вяжущие и вяжущие из отвальных доменных шлаков не применяются.
Существующие методы расчета закладочных смесей основаны
на определении только расхода вяжущего по условию транспортабельности. При этом не учитываются свойства вяжущих и инертных материалов, нормативная прочность искусственных целиков. Данные методики не дают возможность определить расход других компонентов смеси.
4. Основные закономерности влияния вида и кодичества активиза-
торов твердения на гидравлическою активность шлаковых и зольных
вяжущих изучены недостаточно.
Отсутствует научно-обоснованный метод прогнозирования активности местных вяжущих в зависимости от свойств шлаков и зол, а также активизирующих добавок.
5. Отсутствует методика подбора составов закладочных бетонов
с учетом активности вяжущих, технологических и физико-механических требований, предъявляемых к закладочным смесям и материалу искусственных целиков.
6. Не имеется метода оптимизации составов вяжущих и закладоч
ных смесей на основе низкосортных материалов.
