CC BY
21
СЕМИНАР 15
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 2001” МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.
© О.З. Габараев, Е.Н. Козырев, В.С. Медведев, 2001
УДК
О.З. Габараев, Е.Н. Козырев, В.С. Медведев
ФОРМИРОВАНИЕ ЗАКЛАДОЧНЫХ МАССИВОВ ИЗ РАЗНОПРОЧНЫХ СОСТАВОВ
А
нализ опыта разработки мощных крутопадающих месторождений в сложных условиях показывает, что перспективным направлением в управлении состоянием рудовмещающих массивов являются технологии с погашением выработанного пространства закладкой из комбинированных материалов и составов. Основу комбинации составляет твердеющая закладка, которая позволяет создавать искусственные массивы различной прочности. Такие массивы формируются из разнопрочных конструкций, сочетающих естественные или искусственные целики и несвязанный материал во вторичных камерах или во внутренних частях блоков. Однако технологии формирования закладочных массивов из разнопрочных материалов требуют дальнейшего совершенствования.
Для установления геомеханических характеристик искусственных массивов из разнопрочных материалов были проведены исследования методом фотоупругости на моделях из оптически активных материалов. Изготовлены три серии моделей, различающихся состоянием пустот. В первой серии пустоты оставили незаполненными, во второй пустоты заполняли разнопрочными смесями, в третьей - комбинированно с вариантами опережающего заполнения малопрочной и прочной закладкой.
Анализ количественных результатов моделирования (табл. 1.) показывает, что напряженное состояние массива существенно различается и зависит от состояния пустот. В зависимости от этого границы изменения величины напряжений довольно широки: от 1,2 до 7,2 МПа.
Заполнение пустот малопрочными смесями (О^ж до 1 МПа) снижает напряжения в окрестностях выработки в 1,4—1,6 раза по сравнению с исходным вариантом без заполнения пустот. Заполнение пустот разнопрочной смесью снижает уровень напряжений по отношению к базовому варианту в 2 и более раза. Промежуточное положение между обеими моделями с заполнением пустот занимает комбинированное заполнение: средняя треть заполняется малопрочной смесью, фланговые зоны - прочной закладкой. В этом случае нормальные напряжения не намного отличаются от случая с прочной закладкой, но имеют существенное различие с малопрочной закладкой.
Из сравнения вариантов (табл. 1) следует, что более безопасны варианты с заполнением пустот твердеющей закладкой. Оставление пустот не заполненными увеличивает коэффициент опасности до 1. Варианты заполнения только прочным или комбинированным по прочности материалом различаются несущественно, что позволяет расценивать закладку разнопрочными составами как потенциальный способ управления напряженно-деформированным состоянием рудовмещающих массивов.
Авторы установили, что система «поверхность -массив - пустоты» представляет собой дискретную среду, жесткость которой изменяется в процессе деформирования в зависимости от перераспределения напряжений, вызванных влиянием тектоникоструктурных факторов. Отслаивающаяся часть структурных отдельностей создает упругий отпор массе пород в пределах приконтактной зоны, а при потере несущей способности оказывает пригрузку на закладочный массив.
Условия сохранения геомеханической сбалансированности массива состоят в том, что в зоне разупроч-
Таблица 1
ГЕОМЕХАНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МАССИВОВ В МОДЕЛЯХ
Модель Состояние пустот Геомеханические параметры
максимальные напряжения, МПа коэффициент опасности
I, 2 не заполнена 7,2 1
II, 2 заполнена малопрочным материалом 4,5 0,63
II, 4 заполнена прочным материалом 3,24 0,45
II, 6 заполнена комбинированно 3,6 0,5
III, 2 опережающее заполнение малопрочным материалом 4,4 0,61
III, 4 опережающее заполнение прочным материалом 4,0 0,56
нения пород напряженность заклинивания структурных блоков восстанавливается за счет напряжений в кровле и бокового распора структурных блоков:
Z0 max Z0 max
ао <аост +а = ffx(dx1,dx2...dx )^а = ffx(dHS)
сж сж r J ^ 1 ? 2 n ' закл J V S'
0 0
(1)
где аосж - напряжения в верхнем слое разупроченных отдельностей массива, МПа; аг - напряжение распора структурных блоков нижнего слоя, МПа; а ^ - остаточная прочность разупроченных пород, МПа; Z0 -пролет, при котором сохраняется плоская форма обнажения, м; хь...хп - характеристики материала
структурных блоков; азакл - прочность сжатию закладочного массива, МПа; HS - высота закладки, м.
Напряжения распора и прочность закладки увеличиваются при вводе закладочного массива в режим объемного сжатия, и в этом случае повышение несущей способности элемента геомеханической системы можно учитывать, используя параметры купр в уравнении (1):
Z0max Z0max
а ож<а ожт + ma r = | fx(dxt ,dx2 ...dxn) ^а закл = k^ | fx(dHS)
0 0
(2)
где m - коэффициент бокового распора; купр - коэффициент упрочнения массива.
Коэффициент упрочнения характеризует степень компенсации пустотности в геомеханической системе. Радикальная компенсация обеспечивается при заполнении пустот твердеющими смесями, равнопрочными по сравнению с извлеченными материалами, минимальная -при заполнении сыпучим материалом с высокими компрессионными свойствами (табл. 2):
Напряжения ам, создаваемые в результате подпора материалом-заполнителем пустот, складываются из совокупного влияния всех элементов управления:
і
а = nа - + nа - + nа - + nа - + nаоот = / плу
м 1 п.3 2 с.3 3 m.3 4 н.З 5 і m
1
(3)
где ап3,ас3,агп 3,ан3 - величины подпора, соответственно, прочного, среднепрочного и малопрочного состава твердеющей и нетвердеющей смесей; і -число упрочняющих элементов; n ,. . ., n - массовое
Таблица 2
КОЭФФИЦИЕНТ УПРОЧНЕНИЯ МАССИВОВ
число материала в общем количестве смеси; аут -прочность материалов упрочнения.
Соотношение фактических и расчетных параметров обнажений позволяет считать, что при отработке запасов в сложных горнотехнических условиях для погашения выработанного пространства возможно применение состава закладки разной прочности и из различных материалов.
На основе проведенных исследований предложены технологические решения позволяющие снизить затраты на закладочные работы и повысить полноту использования недр при отработке маломощных крутопадающих рудных тел. Основные принципы конструирования которых заключаются в полном заполнении очистных камер закладочной смесью; производстве работ на недостаточно устойчивых участках без оставления открытого очистного пространства; дифференциации технологических решений по затратам на закладочные работы.
Вариант 1. Система разработки с закладкой выработанного пространства разнопрочными смесями. Эксплуатационные блоки в пределах этажа разбивают на камеры, которые располагают вкрест простирания месторождения. Подготовительные работы заключаются в проходке выработок вентиляционного и доста-вочного горизонтов. Нарезка блоков осуществляется проходкой через каждые 15-25 м по вертикали подэ-тажных ортов, из которых по середине рудного тела проходятся подэтажные штреки. Очистные работы (рис. 1) начинают с отработки потолочины высотой 8-10 м и заполнения выработанного пространства твердеющей закладкой повышенной прочности. После чего приступают к отработке подэтажей. Производство работ ведут с опережением выемки каждого нижележащего подэтажа вышележащим на 4-5 м. После отбойки и выпуска запасов подэтажей и отработки целиков днища приступают к погашению выработанного пространства.
Материал заполнения пустот Прочность материала, МПа Коэффициент упрочнения
Прочные твердеющие смеси 3-15 0,97-1
Слабопрочные твердеющие смеси 1.0-3.0 0.9-0,95
Малопрочные твердеющие смеси 0.5-1.0 0.82-0,9
Сухая закладка >0,4 0,7-0,8
Рис. 1. Вариант системы разработки с закладкой выработанного пространства разнопрочными смесями: 1 -
руда; 2 - твердеющая закладка; 3 - породная закладка; 4 - упрочненная цементно-породная закладка
Рис. 2. Система разработки подэтажными ортами наклонными слоями с закладкой: 1 - породная закладка; 2 -отбитая руда; 3 - рудный массив
Первоначально формируют искусственный целик высотой 8-10 м в основании камер, путем подачи твердеющей закладочной смеси по закладочным скважинам. Затем рассчитывают параметры выработанного пространства, которое подлежит заполнению малопрочным составом из дробленных пород вскрыши по условию обеспечения необходимых поддерживающих свойств.
Подачу дробленных пород в выработанное пространство осуществляют путем сброса с выработок вентиляционно-закладочного горизонта через закладочные рудоспуски.
Заполнив необходимый объем камеры породной закладкой приступают к закладке оставшейся части цементно-породной смесью, при этом грансостав пород подбирают с расчетом наибольшей пустотно-сти для более эффективного проникновения песчаноцементного раствора в породы
Выемку запасов камеры ведут в одну стадию, без разделения участка месторождения на камеры и целики.
Система разработки подэтажными ортами наклонными слоями с закладкой. Очистные работы (рис. 2) начинают с образования отрезной щели путем взрывания глубоких скважин на отрезной восстающий. Всю отбитую руду при отбойке отрезной щели выпускают и приступают к отбойке руды на подэтажах. Отработку ведут с опережением вышележащих нижележащими подэтажами. Опережение отбойки нижележащего подэтажа по отношению к вышележащему производят следующим образом: сначала отбивают руду вертикальной прирезкой только на нижнем, затем одновременно на двух нижних, после - на трех подэтажах; в результате образуется сплошной столб отбитой руды, связанный с рудовыпускной дучкой в основании камеры. После каждого очередного взрывания выпуск от-
битой руды производят из соответствующих дучек и приступают к закладке выработанного пространства породной закладкой. Закладку подают таким образом, чтобы она располагалась по отношению к целиковым частям подэтажей под углом естественного откоса.
Дальнейшую выемку запасов руды в камере также производят прирезками одинаковой ширины, с отбойкой руды на наклонные слои породной закладки.
Разработанные технологии позволяет создавать более прочные участки в местах наибольших напряжений и в приконтактной зоне с рудным массивом и менее прочные во внутренних зонах закладочного массива, что обеспечивает снижение себестоимости и повышение интенсивности закладочных работ на 18-25 %.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
,________________________________________________________________________________________________________Q
Габараев О.З. — профессор, доктор технических наук, Северо-Кавказский государственный технологический университет (СКГТУ).
Козырев Е.Н. - профессор, доктор технических наук, СКГТУ.
Медведев В. С. - инженер, СКГТУ.
