CC BY
19
© В.О. Шсховпова, В.И. Мурко, 2014
УДК 622.027
В.О. Шеховиова, В.И. Мурко
ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНОЙ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКИ СЛЕПЫХ СБЛИЖЕННЫХ РУДНЫХ ЗАЛЕЖЕЙ С ЗАКЛАДКОЙ ВЫРАБОТАННОГО ПРОСТРАНСТВА ТВЕРДЕЮЩЕЙ СМЕСЬЮ НА ОСНОВЕ ЗОЛОШЛАКООТХОДОВ*
Представлено обоснование экологически безопасных и экономически целесообразных технотехнологических решений по отработке полезных ископаемых с закладкой выработанного пространства. Для закладки выработанного пространства готовится твердеющая смесь на основе тонкоизмельченных золошлаковых отходов (ЗШО) и отходов горнодобывающей и металлургической промышленности. Ключевые слова: подземная разработка; закладка выработанного пространства; утилизация золошлокоотходов.
При эксплуатации железорудных месторождений во многих регионах России возникают проблемы экологического характера, связанные с нарушением земной поверхности при обрушении выработанных пространств, а так же со складированием и хранением ЗШО угольных ТЭЦ и отходов горнодобывающей и металлургической промышленности. Особую остроту данная проблема приобретает для таких районов, как Кузбасс, Хакасия и др., многие территории которых в настоящее время становятся заповедными.
Подземная отработка слепых рудных тел (не выходящих под наносы) связана с определенной спецификой, заключающейся в образовании незаполненных пустот значительных объемов, что влечет возможность возникновения провалов на поверхности и создает угрозу безопасности как горных работ, так и эксплуатации объектов на земной поверхности над выработанным пространством.
Таким образом, является актуальной разработка технологии отработки слепых сближенных рудных залежей, обеспечивающей безопасность ведения горных работ, сохранение земной поверхности и снижение капитальных и эксплуатационных затрат.
Суть предлагаемых технологических решений заключается в следующем. В первую очередь на верхнем горизонте ведется отработка полезного ископаемого одиночными камерами (I) с оставлением междукамерных целиков (II) (рис. 1). После выемки запасов из камер (I) осуществляются работы по закладке выра-
*Работа выполнена при поддержке федеральной программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России» на 2007 - 2013годы, ГК №14.515.11.0063 от 21.06.2013г.
ботанного пространства специально приготовленной твердеющей смесью с минимальным содержанием цемента.
Во вторую очередь одновременно отрабатываются оставленные целики (II) между камерами. В этом случае обеспечивается равномерное распределение напряжений в горном массиве. Образовавшиеся пустоты заполняются безце-ментной твердеющей
Рис. 1. Технология отработки слепых сближенных закладкой с исп°льз°-рудных залежей под охраняемыми объектами ванием тонкоизмель-
ченных ЗШО.
Выемка запасов полезного ископаемого на нижележащем горизонте 2 (и последующих) осуществляется в такой же последовательности, но с «шахматным» смещением положения камер и целиков по сравнению с горизонтом 1.
Созданный искусственный массив из твердеющей закладки должен обладать такими прочностными свойствами, которые позволили бы ему выдерживать статические нагрузки от горного давления, динамические - от взрывных работ по отбойке полезного ископаемого в камерах, а так же допускать значительные площади обнажений, возникающих в результате выемки полезного ископаемого из камер.
Для твердеющей закладки предлагается использовать материалы местной сырьевой базы - отходы металлургической и горнодобывающей промышленности.
Для обоснования предлагаемых технологических решений были проведены экспериментальные исследования по приготовлению образцов твердеющей закладочной смеси. Для проведения экспериментальных исследований были взяты пробы ЗШО пяти ТЭЦ Кузбасса и Иркутской области. Характеристики проб ЗШО представлены в табл. 1.
Методика приготовления закладочных смесей заключалась в следующем. После классификации ЗШО по классу 3 мм производилось мокрое измельчение (кл. 0 - 3 мм) в виброкамере. Затем полученная суспензия смешивалась с цементом и заполнителем. В качестве заполнителя использовалась смесь ЗШО (кл. +3...+10 мм) и граншлака (кл. +3... + 10 мм). Полученная смесь загружалась в формы (70x70x70) и выдерживалась для набора прочности. Так же готовилась смесь из тонкоизмельченного ЗШО и заполнителя без использования цемента. Прочность образцов определялась в соответствии с ГОСТ 21153.2-84.
- твердеющая закладка на основе ЗШО с пониженным содержанием цемента;
- твердеющая безцементная закладка на основе ЗШО; I, II, III, IV - порядок отработки.
Исходя из данных рентгеноспек-трального анализа проб ЗШО видно, что твердеющие смеси с добавлением ЗШО Томь - Усинской и Ангарской ТЭЦ будут наиболее пригодны для закладки выработанного пространства (высокое содержание оксида кремния и оксида алюминия сочетаются с низким содержанием С, незначительным мехнедожегом).
На рис. 2 представлена диаграмма результатов испытаний образцов на прочность.
В большинстве случаев слепые залежи находятся близко к друг другу и их зоны опасных сдвижений имеют взаимное влияние, что необходимо учитывать в расчете устойчивости обнажений.
В настоящее время отсутствует методика прогнозного расчета устойчивости обнажений в которой учитывается взаимное расположение слепых рудных залежей. В связи с этим целесообразно воспользоваться методами математического моделирования для изучения напряженно-деформированного состояния массива и прогнозирования устойчивости обнажений.
Проведено математическое моделирование процессов сдвижения пород в зоне влияния выработанного пространства методом конечных элементов. Исследованы вертикальные и горизонтальные напряжения, смещения и деформации контуров очистного пространства при различной прочности закладочного массива. Выявлено, что при прочности закладочного массива 5-6 МПа обеспечивается безопасное ведение горных работ, без критических значений радиуса кривизны, указанные условия соответствуют требованиям по подземной разработке под охраняемыми объектами.
По данным, полученным в результате математического моделирования процессов сдвижения пород в зоне влияния выработанного пространства слепых сближенных рудных тел построена мульда сдвижения (Рисунок 3) и рассчитаны уклоны интервалов в мульде сдвижения /, кривизна мульды сдвижения Кр, радиус кривизны мульды сдвиже-
И1 X ---- — Щ ь
1 | - 0} 3 и 0 Ь -к |<1 -г ь Координ 1 4 М Я 4
Рис. 3. Мульда сдвижения земной поверхности при закладке выработанного пространства твердеющими смесями на основе золошлакоотходов
ния НКр и относительные горизонтальные деформации в мульде сдвижения е.
Уклоны интервалов в мульде сдвижения изменяются в пределах от 0,00002 до 0,003 (¡ср= 0,00378/17= 2х10-4). Кривизна мульды сдвижения в пределах от 0,01х10-4 до 1х10-4 м-1. Радиус кривизны мульды сдвижения по расчетным данным не менее 11 км. Относительные горизонтальные деформации в мульде сдвижения не превышают 4х10-3.
Таблица 2
Технико-экономические показатели технологий подземной разработки полезных ископаемых_
№ п/п Наименование параметра Ед-на изм. Таштагол Разработанная технология
1 Уклоны м 7*10-3 /±2*10-3 менее 3*10-3 /±2*10-3
2 Относительные деформации 6*10-3 /±2*10-3 менее 4*10-3 /±2*10-3
3 Радиус кривизны км более 12/±2км более 11/ ±2км
4 Удельная энергоемкость получения твердеющей закладки не более кВт-ч/т 40 15
5 Расход цемента для твердеющей закладки кг/м3 200 150
6 Себестоимость закладочных работ за счет применяемой технологии руб/т 180 155
Рис. 2. Результаты испытаний образцов на прочность
Выполненные исследования подтвердили экологическую безопасность и эффективность разработанных техно-технологических решений по безопасной разработки слепых сближенных рудных залежей с закладкой выработанного пространства твердеющей смесью на основе золошлаковых отходов.
При этом достигнутые технико-экономические показатели превышают аналогичные значения для применяемых в настоящее время подземных технологий отработки рудных месторождений с закладкой выработанного пространства (табл. 2), что подтверждает их высокий рыночный потенциал.
Удельная энергоемкость и расход цемента для получения твердеющей закладки рассчитаны на основе проведенных экспериментальных исследований (опытным путем).
Полученные данные позволяют утверждать, что разработанные технологические решения позволяют реализовать предлагаемую технологию утилизации ЗШО и отходов горнодобывающей и металлургической промышленности путем закладки выработанного пространства твердеющей смесью с необходимыми прочностными характеристиками. При этом расход цемента по сравнению с традиционной технологией снижается более чем в 1,3 раза.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Шеховцова Виктория Олеговна - ст. преподаватель, Сибирский государственный индустриальный университет, e-mail: [email protected]
Мурко Василий Иванович - доктор технических наук, директор по науке ЗАО НПП «Сибэ-котехника», e-mail: [email protected]
UDC 622.027
JUSTIFICATION OF ECOLOGY-FRIENDLY UNDERGROUND GEOTECHNOLOGY FOR BLIND ORE BODY MINING WITH CEMENTED BACKFILL INCLUDING ASH
Shekhovtseva V.O., Senior Lecturer, Siberian state industrial University., e-mail: [email protected] Murko V.l., Doctor of Technical Sciences, Sibekotekhnika, e-mail: [email protected]
The authors substantiate ecologically safe and economically wise engineering solutions on mineral mining with backfilling. The backfill is a cemented mixture including finely ground ashes and mining and metallurgical waste. The studies confirmed the safety and efficacy of environmental techno-developed technological solutions for safety-tion development blind contiguous ore deposits with stowing-dimensional space based on a curable mixture of ash waste. Developed technological solutions allow you to implement the proposed technology and waste disposal ASW mining and metallurgical industry by stowing hardening mixture with the necessary strength characteristics. The consumption of cement compared to the conventional technology is reduced by more than 1.3 times.
Key words: underground mining, backfilling, ash and waste utilization.
A
