CC BY
94
УДК 622.512:622.516:622.515:622.771:622.273.2 © М.В. Рыльникова,
В.В. Олизаренко, А.П. Михальчук, 2014
ФОРМИРОВАНИЕ И СООРУЖЕНИЕ ИЗОЛИРУЮЩИХ ПЕРЕМЫЧЕК В ГОРНЫХ ВЫРАБОТКАХ ПОДЗЕМНЫХ РУДНИКОВ ПОД ЗАПОЛНЯЕМЫМ ХВОСТОВОЙ ПУЛЬПОЙ КАРЬЕРОМ*
Горные работы и переработка руд влекут формирование новых видов георесурсов, требующих обоснованных направлений утилизации. Это пустоты в недрах Земли, а также отходы горно-обогатительного производства. Одним из перспективных направлений утилизации хвостов обогащения руд является заполнение ими отработанного карьера после предварительного обезвоживания. В случае комбинированной открыто-подземной разработки месторождений, для обеспечения устойчивого и безопасного функционирования подземного рудника необходим выбор надежной конструкции изолирующих перемычек. В данной работе представлена систематизация конструкций изолирующих перемычек, обеспечивающая предотвращение проникновения хвостовой пульпы в подземные горные выработки, а также возможность последующего дренажа избытка воды сквозь фильтрационные перемычки, дренажные устройства и комплекс перепускных скважин. Рассмотрена перспективная технология формирования бетонных перемычек с применением передвижного закладочного комплекса модульного типа. Предложен состав бетона на основе пород от проходки горных выработок, цемента, и ускорителей твердения бетонной смеси, обеспечивающих сокращение срока формирования перемычек различного назначения: водонепроницаемых, фильтрационных, изолирующих и специальных.
Ключевые слова: утилизации, хвосты обогащения руд, обезвоживание, изолирующая перемычка, фильтрационная перемычка, дренажное устройство, состав бетона, срок формирования, передвижной закладочный комплекс модульного типа.
Основное содержание статьи
Технология ведения добычи руд открытым и подземным способом с последующим обогащением на обогатительных фабриках неразрывно связана с образованием пустот на поверхности и в недрах Земли в виде выработанных пространств карьеров
* При поддержке гранта НШ-2918.2014.5 124
(Гайского ГОКа №1, 2, 3, Учалинского, Сибайскгого, Александ-ринского, Камаган) и отработанных подземных очистных выработок (требующих на 1 м3 добытой руды заложить 1 м3 закладочной смеси). В тоже время для складирования отходов обогащения руд на поверхности специально сооружают емкостные хвосто-хранилища, занимающие только в Южно-Уральском регионе более 500 га земель. Ежегодный прирост объемов отходов обогащения при освоении медно-колчеданных месторождений составляет более 15 млн. тонн.
В свою очередь законодательством РФ предусмотрена льгота, устанавливающая, что в случае если горные предприятия используют отходы производства и переработки руд в производственных целях для закладки выработанных пространств, то они не производят денежных отчислений в бюджет страны за экологические нарушения недр Земли.
Устранение возникшего дебаланса в сфере недропользования между горно-обогатительными предприятием и регулирующими структурами в РФ привели к необходимости разработки и внедрения технологий активной утилизации отходов обогащения и переработки руд в выработанных пространствах карьеров и отработанных подземных выработках при совмещении подземных горных работ и работ по заполнению выработанного пространства карьера сгущённой хвостовой пульпой.
Наличие в утилизируемой пульпе излишков технической воды, атмосферных осадков, приводит к накоплению в выработанном пространстве карьеров подвижных тиксотропных техногенных масс, вызывающих риск возникновения техногенных аварий с прорывами пульпы в нижележащие подземные горные выработки.
Снижение вероятности возникновения подобных техногенных катастроф осуществляется путем устройства:
• водонепроницаемых перемычек [1; 2];
• фильтрационных перемычек из навала горных пород [3; 4];
• комплекса перепускных скважин для перепуска воды с вышележащих на нижележащие горизонты, оборудуемые фильтрационными перемычками [3-6];
• изолирующих перемычек с дренажными устройствами для водоотведения излишков технологической воды из заполненного пульпой карьера [3; 5; 6].
Применяемые на подземных рудниках перемычки обеспечивают, как предотвращение проникновения шахтной воды в действующие горные выработки, так и водоотведение частично осветленной воды через дренажные устройства перемычек в водосборные емкости комплекса рудничного водоотлива для последующей откачки насосами главного водоотлива в отстойники на поверхности.
Обзор работ [1-6] показал, что размещение в подземных горных выработках перемычек: металлических и клиновых водонепроницаемых; фильтрационных из навала несортированной насыпной породы и скальной наброски; деревянных, бетонных, железобетонных и металлических изолирующих без дренажных устройств и с ними, должно проводится на расстоянии:
• не менее 15 м для водонепроницаемых перемычек (рис. 1), возводимых перед защищаемыми действующими горными выработками (наклонные съезды, для размещения подземных участковые электроподстанций, насосных станций главного водоотлива, складов взрывчатых и горюче-смазочных материалов);
Рис. 1. Конструкция водонепроницаемой металлической перемычки с давлением до 4 МПа [1], сооружаемой в горной выработке на водоносных направлениях при локомотивной откатке: 1 — лебедка; 2 — лаз; 3 — откидной затвор; 4 — боковая плита; 5 — опорный кронштейн; 6 — откидной рельс; 7 — горная выработка
Рис. 2. Конструкция бетонных одно (а) и многоступенчатых (б) клиновых водонепроницаемых перемычек с дренажной трубой и проходной дверью (в):
1 — горная выработка; 2 — клинчатые одно (а) и многоступенчатая (б) бетонные изолирующие перемычки; 3 — дренажное устройство с задвижкой; 4 — проходная дверь [2]
• не менее 3 м до одно (рис. 2, а) и многоступенчатых (рис. 2, б) клинчатых водонепроницаемых бетонных и железобетонных перемычек с дренирующими устройствами и без них или с проходными дверями, возводимых в отработанных горных выработках;
• не менее 3 м до врубовых сводчатых деревянных (рис. 3), бетонных и железобетонных (рис. 4) изолирующих перемычек с дренажными устройствами, возводимыми в отработанных транспортных выработках;
Рис. 3. Конструкции деревянных перемычек: а, б — с затяжкой стоек досками и фильтротканью: 1 — стойки; 2 — доски; 3 - фильтроткань; 4 - поперечный прогон; 5 - подкосы; в) с затяжкой стоек проволочной сеткой и фильтротканью: 1 -стойки; 2 — подкосы; 3 - прогоны; 4 - металлическая сетка; 5 - фильтроткань
а) 6) е}
Рис. 4. Конструкция водонепроницаемой врубовой деревянной, бетонной и железобетонной сводчатой перемычки: 1, 2 — горные выработки; 3 — бетонная перемычка (а) или железобетонная перемычка с арматурой, установленной в подбурках; 4 — заложенный массив из недробленой горной породы и не-обезвоженной гидрозакладки; 5 — подпорный бурт перемычки (б)
• 12 м от устья горной выработки на внутреннем борту отработанного карьера (рис. 5, 6) до фильтрационной перемычки длинной 10-50 м из недробленой горной массы, возводимой в расширенной по высоте части изолируемой горной выработки (рис. 5, а) или в вертикальной горной выработке (рис. 4, б), имеющей гидравлическую связь (рис. 6) с подземными горными выработками действующего подземного рудника;
Рис. 5. Схема фильтрационной перемычки в горизонтальной и вертикальной подземной горной выработке: 1, 2 — горные выработки; 3 — фильтри-рующая изоляционная перемычка из навала несортированной горной породы (а) и скальной наброски (б); 4 — гидрозакладка, поступающая из карьера в горную выработку; 5 — участок навала горной породы, закальматированной ило-шламовой составляющей закладочного материала; 6 — фильтрируемая осветленная вода
Рис. 6. Схема размещения фильтрационных перемычек в подземных горных выработках при складировании хвостовой пульпы в карьере [4]: 1 — выработанное пространство карьера; 2 — уступы борта карьера; 3 — предохранительные бермы уступов; 4 — подземные горные выработки; 5 — массив из твердеющей закладки; 6 — сгущеные хвосты обогащения; 7 — фильтрационные перемычки
Рис. 7. Схема перепуска вод прудка в горную выработку нижележащего горизонта (а) и устройство на нижележащем горизонте фильтрационной перемычки (б)
• 3-5 м от перепускных скважин воды на нижележащем горизонте до фильтрационной перемычки длиной от 5 до 15 м из недробленой породы (рис. 7);
• не менее 3-х м до возводимых изолирующих перемычек с дренажными устройствами для водоотведения фильтрируемой воды из заложенного в подземной камере массива, сбитой с горными выработками (не менее 6-и изолирующих перемычек для камеры с соотношением параметров ширины, длины и высоты как: В:Ь:Н=20:50:60 м - для Гайского подземного рудника; В:Ь:Н=12:25:30 м - для Учалинского подземного рудника), возведение перемычек производится перед закладкой камер твердеющей смесью (рис. 8).
Рис. 8. Схемы установки перемычек с дренажными устройствами для водо-отведения излишков технической воды из заложенного массива в камере: 1
— закладочная смесь: 2 — изолирующая перемычка; 3 — дренажное устройство для водоотведения; 4 — скважины сброса излишков воды из прудка отстоя в закладываемой камере; 5 — «прудок» отстоявшей воды в закладываемой камере; 0 — угол растекания закладочной смеси в закладываемой камере [3; 5]
Результаты моделирования процесса заполнения пульпой карьера [5; 6] показали, что техническая вода из складируемых обезвоженных и сгущенных хвостов:
• скапливается совместно с атмосферными осадками и подземными водами в прудке отстоя, расположенном в противоположной стороне от точки сброса пульпы с бровки борта, и в двух прудках отстоя при двух или трех точках сброса пульпы с бровок борта карьера [7];
• просачивается по трещиноватым в подземные горные выработки;
• фильтрируется через дренажные устройства изолирующих перемычек: врубовых бетонных и железобетонных, и представленных навалом насыпной породы длиной 10-50 м.
Формирование железобетонных перемычек (рис. 4, в) производится из монолитного железобетона с дренажным устройством из перфорированных труб для отведения из заложенной смеси излишков воды при послойной укладке бетона в опалубку изолирующей перемычки.
В настоящее время на подземных рудниках сооружение врубовых железобетонных перемычек осуществляется в основном вручную с приготовлением бетонной смеси в ковше погрузочно-
доставочной машины для дальнейшей закладки готовой смеси в межопалубочное пространство, что весьма трудоемко и предположительно занимает 2-3 дня.
Для оценки возможности сокращения времени на заливку перемычки в работе [7] оценена возможность изменения марки бетона и толщины перемычки. Расчет производился для давлений, создаваемых столбом закладочной смеси различной высоты. Высота столба варьировалось от 1 до 10 м. Результаты расчета толщины перемычки приведены в табл. 1.
Для сокращения времени возведения изолирующих перемычек в работе [6] разработаны составы быстротвердеющих бетонов, обеспечивающие единовременную заливку перемычки на высоту до 2 м (против 1^1,2 м — по традиционной технологии). Для сокращения времени укладки бетона в межопалубочное пространство предложено использование пневматического бетоноукладчика типа ШБ, позволяющего готовить твердеющую смесь и транспортировать ее на значительные расстояния. Проведенные исследования показали, что применение ускорителей твердения БК08ЛЬ и 81асЬер1а^ в количестве соответственно 1 % и 0,2 % от массы цемента, и механизированной укладки бетона позволяет снизить затраты времени на возведение перемычек на 45 % (табл. 2). Сменная производительность по укладке бетона увеличилась с 6 до 14 м3/смену.
Повышение прочности бетона изолирующих перемычек за счет введения ускорителей твердения обеспечивает снижение расхода технической воды на приготовление закладочных смесей. Расход технической воды на приготовление 1 м3 закладочной смеси составляет 420^650 дм3 [3-5]. При этом водоотдача заложенного массива через дренажные устройства перемычки — 8^10 %
Таблица 1
Толщина железобетонной перемычки в зависимости от давления закладочной смеси и марки бетона, м
Марка бетона Давление столба высотой, м
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
М150 0.3 0.5 0.6 0.7 0.8 0.8 0.9 1.0 1.0 1.1
М200 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.7 0.8 0.9 0.9 1.0
М300 0.3 0.4 0.4 0.5 0.6 0.6 0.7 0.7 0.8 0.8
М400 0.3 0.3 0.4 0.5 0.5 0.6 0.6 0.7 0.7 0.7
Таблица 2
Характеристики технологии возведения перемычек
Показатель Технология
традиционная рекомендуемая
Состав 1 м3 бетона Цемента, кг 250 430
Отсев, кг 1500 1500
Ускоритель твердения EKOSAL+ Stacheplast БК08ЛЬ-4,5 кг. Stacheplast-0,86кг
Толщина перемычки, м 0,5 0,5
Высота единовременной заливки, м 1,0 2,0
Способ укладки бетонной смеси Ручной Механизированный
Затраты времени на возведение перемычки, сут 5 3
от общего расхода воды и на практике считается незначительным количеством воды по объему. Последнее, подтверждают данные экономического сравнения вариантов замены состава(ов) закладочной смеси при закладке камеры шириной 15 м, длиной 60 м и высотой заложенного слоя 5 м (табл. 3, 4).
При этом общий годовой объем технической воды, поданной в шахту на Учалинском подземном руднике, составляет 150373 м3, а затраты только на откачку этой воды насосами рудничного водоотлива составили 1804.5 тыс. руб., в том числе на откачку воды от закладочных работ - 441.68 тыс. руб., т.е. 24.5 %.
Таблица 3
Составы твердеющей закладки прочностью 1.5 МПа на основе цементного (№1) и цементно-шлакового (№2) вяжущего
Принятая нормативная прочность составов смеси, МПа Расход компонентов, кг на 1 м3 Всего, кг/м3
вяжущих твердого Технической воды
цемент шлак известняк
1.5 состав №1 100 - 1500 420 2020
1.5 состав №2 30 200 1070 560 1860
Таблица 4
Данные расчета экономического сравнения составов №1 и №2 в табл. 3
"а 8 о с Затраты на компоненты, тыс. руб. Всего тыс. руб. Экономия, тыс. руб./ (%)
Объем слоя, I и е м с Я я н и о О Сравниваемые ставы цемент шлак, извест. Техн вода вяжущее Техн вода по вяжущему по техн. воде
4500 №1 Цементный 900 0 7.077 900 7.077 0 2.373 (0.88 %)
№2 Цементно-шлаковый 270 360 9.450 630 9.450 270.0 (30 %) 0
Применение дренажных устройств в бетонной изолирующей перемычке, оборудованной в горной выработке Учалинского подземного рудника, и замеры объемов фильтрируемой воды из заложенного массива позволили установить зависимость объема фильт-рируемой воды от времени потери закладочной смесью подвижности и позволяет прогнозировать водоотведение из заложенного массива и период набора закладочной смесью нормативной прочности.
Проведенные опытно-промышленные испытания поверхностного и подземного передвижного закладочных комплексов на Уча-линском подземном руднике указали на предпочтительность применения последнего (рис. 9) для приготовления и транспортирования бетонной закладки в межопалубочное пространство возводимых перемычек различной конструкции с использование горной породы от проходческих работ дробленной до фракции 0+5 мм и дезинтеграции их на щековой и конусной инерционной дробилке.
Использование передвижного бетонного закладочного комплекса перспективно при сооружении бетонных и железобетонных корпусов водонепроницаемых врубовых одноклинчатых глухих перемычек. Например, возведение таких перемычек в транспортном квершлаге сечением 4650х4100 мм потребует до 300 м3 бетона на одну перемычку, а перемычки с проемом 4100х3800 мм с распашными воротами в корпусе для проезда самоходной техники (рис. 10) - 240 м3 на одну перемычку, включая устройство бетонных полов.
Рис. 9. Подземный передвижной комплекс модульного типа для приготовления бетонной смеси: 1 — ПДМ; 2 — приемный бункер с колосниковой решеткой; 3 — электровибропитатель; 4 — ленточный конвейер; 5 — приемная воронка электровибропитателя; 6 — смеситель; 7 — расходный бункер; 8 — геро-торный насос; 9 — гофрированый шланг для подачи бетона; 10 — БРС гофрированного шланга с закладочным трубопроводом; 11 — закладочный трубопровод; 12, 13 — закладываемое внутриопалубочное пространство бетонной и железобетонной перемычек; 14 — арматура перемычки; 15 — сливная труба дренажного устройства; 16 — заложенный массив; 17 — станция растаривания мягких контейнеров «Биг-Бэг» с цементом; 18 — конвейер шнековый для подачи цемента; 19 — емкости для сбора фильтрируемой воды и взятия проб смеси
Рис. 10. Общий вид расположения водонепроницаемой врубовой клинчатой перемычки с распашными створками ворот в камере квершлага концентрационного горизонта: 1 - камера; 2 - корпус железобетонной перемычки с проемом для проезда самоходного транспорта; 3 - рама ворот водонепроницаемой перемычки; 4 - створки ворот (в закрытом и открытом положении); 5 - ручные лебедки для перемещения створок ворот
С учетом возведения в закладываемой камере (по 6 штук на камеру в горных выработках различных поперечных) изолирующих бетонных или железобетонных перемычек (толщиной 0.5 м
для условий Учалинского подземного рудника) потребный объем бетонной смеси увеличивается, что обеспечит бесперебойную работу передвижного бетонозакладочного комплекса.
Заключение
Обзор формирования и конструктивного исполнения водонепроницаемых, фильтрационных, изолирующих и специальных перемычек указывает на широкое использование их для защиты действующих горных выработок подземных рудников от поступления поверхностных карьерных и подземных вод.
Применение ускорителей твердения бетонной смеси и передвижных комплексов для её приготовления и транспортирования с использованием пустой породы от подготовительно-нарезных работ позволит существенно сократить период времени на устройство и возведение водонепроницаемых, фильтрационных, изолирующих и специальных перемычек.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Донченко А.С., Донченко В.А., Сосин А.А. Справочник механика рудной шахты. - М.: Недра, 1991. — 368 с.
2. Калмыков В.Н. Борьба с внезапными прорывами воды в горные выработки. - М.: Недра, 1973. — 240 с.
3. Технологическая инструкция по производству закладочных работ на под-земных рудниках. - Екатеринбург-Учалы: ОАО «Унипромедь», 1999. — 36 с.
4. Зотеев О.В., Калмыков В.Н., Зубков А.А., и др. Разработка технологии закладки Учалинского карьера сгущенными отходами обогатительного производства // Комплексное освоение месторождений полезных ископаемых Сб. научых трудов. — 2012. — С. 194.
5. Олизаренко В.В., Мингажев М.М. Рудничный водоотлив при отработке медно-колчеданных месторождений Южного Урала: Монография. - Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ им Г.И.Носова», 2010. — 252 с.
6. Зубков А.А. Интенсификация подземной добычи руд камерными системами разработки с твердеющей закладкой. Автореф. ... дис. к-та техн. наук. - Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2008. — 20 с.
7. Рыльникова М.В., Олизаренко В.В., Ахмедьянов И.Х. К обоснованию параметров технологии утилизации отходов обогащения руд в выработанном пространстве карьеров. - Маркшейдерский вестник, 2012. — № 5. — С. 8-14.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Рыльникова Марина Владимировна — доктор технических наук, профессор, заведующий отделом «Теории проектирования освоения недр», [email protected], Институт проблем комплексного освоения недр Российской академии наук (ИПКОН РАН)
Олизаренко Владимир Владимирович — кандидат технических наук, профессор, доцент, МГТУ им. Г.И. Носова, [email protected] Михальчук А.П. — Главный механик Учалинского подземного рудника, ОАО «Учалинский ГОК»
UDC 622.512:622.516:622.515:622.771:622.273.2
FORMATION AND CONSTRUCTION OF BULKHEADS IN OPENINGS OF UNDERGROUND MINES UNDER THE CAREER FILLED WITH TAILINGS
Rylnikova Marina Vladimirovna, Doctor of Technical Sciences, Professor, manager of department of the design theory of mining exploitation, Researching institute of comprehensive exploitation of mineral resources Russian Academy of Science (IPKON RAS), [email protected]
Olizarenko Vladimir Vladimirovich, Сandidateof Technical Sciences, Professor, Magnitogorsk State Technical University of Nosov, [email protected] Mihalchuk A.P., Public Joint Stock Company Uchalinsky mining enrichment plant.
Mining and ore processing involve the formation of new types of georesources requiring reasonable utilization trends. This is a void in the Earth, as well as mining and processing wastes. One of the promising areas of tailings disposal is to filling it ti the open pit spent preliminary dehydration. In the case of a combined open-underground mining, to ensure stable and secure functioning of the underground mine is necessary to choose a reliable designs of bulkheads. This paper presents the systematization of design of the bulkheads providing prevention of penetration of tailings slurry in underground openings, as well as the possibility of subsequent drainage of excess water through filtration bulkheads, drainage devices and bypass wells complex. The perspective technology of forming of concrete bulkheads with modular mobile backfilling complex are considered. Proposed the concrete composition with waste rocks filler from underground openings, cement and cement accelerators that reduce the period of formation of different bulkheads: waterproof, filtration, insulation and special.
Key words: Recycling, tailings, dewatering, bulkhead, filtration bulkhead, drainage equipment, cement composition, the period of formation bulkheads, drainage device, modular mobile backfilling underground equipment
REFERENCES
1. Donchenko A.S., Donchenko V.A., Sosin A.A. Spravochnik mehanika rudnoj shahty
(Handbook mechanics ore mine). Moscow, Nedra, 1991, 368 p.
2. Kalmykov V.N. Bor'ba s vnezapnymi proryvami vody v gornye vyrabotki (The struggle with the sudden outburst of water in mining), Moscow, Nedra, 1973, 240 p.
3. Tehnologicheskaja instrukcija po proizvodstvu zakladochnyh rabot na podzemnyh rud-nikah (Instruction manual for the production of filling operations in underground mines) Ekaterinburg-Uchaly, OAO «Unipromed'», 1999, 36 p.
4. Zoteev O.V., Kalmykov V.N., Zubkov A.A., i dr. Razrabotka tehnologii zakladki Uchalinskogo kar'era sgushhennymi othodami obogatitel'nogo proizvodstva (Development of technology of bookmarks Uchalinsky career condensed waste processing facility)// Kompleksnoe osvoenie mestorozhdenij poleznyh iskopaemyh Sb. nauchyh trudov, 2012, p. 194.
5. Olizarenko V.V., Mingazhev M.M. Rudnichnyj vodootliv pri otrabotke medno-kolchedannyh mestorozhdenij Juzhnogo Urala (Mine drainage at mining of copper-pyrite deposits of the southern Urals): Monografija. Magnitogorsk, GOU VPO «MGTU im G.I.Nosova», 2010, 252 p.
6. Zubkov A.A. Intensifikacija podzemnoj dobychi rud kamernymi sistemami razrabotki s tverdejushhej zakladkoj (Intensification of underground mining of ore chamber development systems with hardening bookmark). Avtoref. ... dis. k-ta tehn. Nauk. Magnitogorsk, GOU VPO «MGTU», 2008, 20 p.
7. Ryl'nikova M.V., Olizarenko V.V., Ahmed'janov I.H. K obosnovaniju parametrov tehnologii utilizacii othodov obogashhenija rud v vyrabotannom prostranstve kar'erov (To the rationale of the technology parameters disposal of tailings ore mined-out space quarries). Mark-shejderskij vestnik, 2012, No. 5, pp. 8-14.
