CC BY
43
М.В. Каймонов, А. С. Курилко
ПОДБОР СОСТАВА ОПТИМАЛЬНЫХ ЛЬДОПОРОДНЫХ ЗАКЛАДОЧНЫХ СМЕСЕЙ
Приведены результаты лабораторных исследований по разработке оптимальных составов льдопородной закладки для выбора оптимальных технологических параметров формирования закладочного массива.
Ключевые слова: подземная разработка, закладочный массив, многолетнемерзлые горные породы.
щ я рименяемая система подземной разработки особо цен-
-Л.Ж. ных полезных ископаемых с закладкой выработанного пространства позволяет существенно снизить потери и разубожи-вание. Использование для закладки смеси на основе цементных вяжущих материалов в условиях криолитозоны в настоящее время вызывает определённые сложности. Это связано, во-первых, с трудоемкостью ее применения, необходимостью строительства дорогостоящих закладочных комплексов, дефицита вяжущих материалов и т.п. Во-вторых, в состав твердеющего закладочного массива в качестве связующего вещества, как правило, входит цемент. Химические реакции гидратации цемента экзотермичны, т.е. протекают с выделением тепла, что нарушает естественное температурное поле в массиве вокруг выработки. Соответственно, ореолы протаивания вокруг выработки с закладкой могут быть значительными, что, в итоге, может привести к потере устойчивости вмещающих горных пород [1].
Начиная с середины прошлого века проводятся исследования применения в условиях распространения многолетнемерзлых горных пород систем подземной разработки месторождений с ледяной и льдопородной закладкой, позволяющих намного снизить себестоимость горных работ, т.к. в качестве связующего вещества выступает лед или пресная (способная замерзнуть) вода. Наиболее интенсивно эти работы проводились применительно к подземной разработке россыпных месторождений [2, 3]. В настоящее время, по технологии, разработанной в Институте горного дела Севера им. Н.В. Черского СО РАН, льдопородная закладка в промышленных масштабах внедрена на месторождении Бадран [4-6].
К недостаткам ледяной и льдопородной закладки стоит отнести длительность ее формирования до необходимой механиче-
ской прочности - от 3 до 15 и более месяцев в зависимости от мощности промораживаемого слоя и количества пролитой воды и теплофизических характеристик вмещающих пород.
В связи с вышеизложенным, для обеспечения нормального технологического процесса очистной выемки необходимо разработать оптимальные способы и технологии, при которых достигается максимальная прочность и минимальное время смерзае-мости закладочного массива. В работе приведены результаты лабораторных исследований по разработке оптимальных составов льдопородной закладки для выбора оптимальных технологических параметров формирования закладочного массива. Прочность мерзлых дисперсных горных пород зависит от гранулометрического состава, влажности, температуры и обуславливается наличием в метериале льда-цемента [7-10].
Проведены лабораторные исследования прочности мерзлых образцов из речного песка, щебне фракции 5-20 мм и их смесей (86 % щебень + 14 % песок; 68 % щебень + 32 % песок; 62 % щебень + 38 % песок; 40 % щебень + 60 % песок). Количество воды в образцах менялась от полного влагонасыщения до воздушно-сухого состояния.
Исследуемый материал увлажняли до заданного значения, тщательно перемешивали и засыпали в металлическую разборную форму с внутренним размером 100х100х100 мм. Формы с исследуемым материалом помещали в морозильную камеру, где в течение суток образцы замораживались при температуре минус 20 °С. Испытания на прочность при одноосном сжатии мерзлых образцов проводили на машине Ц^-250.
Основные результаты, полученные для образцов ледопородно-го закладочного массива, приведены на рисунке.
Области изменения прочности мёрзлых материалов в зависимости от объёмного влагосодержания очерчены овалами и обозначены цифрами 1 - щебень; 2 - песок; 3 - оптимальная по составу смесь песка (38 %) и щебня (42 %). Образцы из щебня испытывались при полном влагонасыщении и при влажности, которая удерживалась на поверхности кусков щебня не стекая с них.
О 5 10 15 20 25 30 35 40 45
\Л/, %
Изменение прочности смерзшихся дисперсных горных пород различного гранулометрического состава от объемного вла-госодержания: 1 - щебень фракции 5-20 мм; 2 - песок речной; 3 - смесь: песок речной 38 % + щебень 42 %
Поэтому на рисунке выделены две области обозначенные цифрой 1 при низкой (2,5-6,5 %) и высокой (32-42 %) влажности. Из рисунка видно, что прочность мёрзлых образцов при полном вла-гонасыщении из щебня (Ж « 35-40 %) изменялась от 6 до 11 МПа; песка (Ж « 32-37 %) от 14 до 17 МПа. Т.е. прочность мёрзлого речного песка при полном влагонасыщении практически в два раза выше прочности влагонасыщенных образцов щебня. Объёмные влажности материалов практически одинаковые.
Оптимальная по составу смесь песка и щебня при полном вла-гонасыщении (Ж « 17-22 %) имеет прочность 15-18 МПа. Т.е. при близких значениях прочности мёрзлых смеси и песка объёмное содержание льда в смеси практически в два раза меньше.
Оптимальная смесь песка и крупнообломочного наполнителя имеет минимальную пористость и значит минимальную влагоёмкость. А как показывают расчёты, повышение влажности с 10 % до 40 % увеличивает сроки формирования закладочного льдопородного массива в несколько раз [11].
Если при производстве работ потребуется возводить льдопородный массив с прочностью не ниже 15 МПа, то в этом случае можно использовать полностью влагонасыщенный песок или его смеси со щебнем (или другим крупнообломочным материалом). Содержание песка в смеси должно быть не ниже 40 %.
Если требуемая прочность закладочного массива должна быть не ниже 6 МПа, то могут быть использованы и крупнообломочный материал, и песок и их смеси. Но нужно иметь в виду, что содержание воды в единице объёма закладки будет для крупнообломочного материала 35-40 %; в песке около 15 %; в оптимальной смеси 8-10 %. Уменьшение содержания воды в закладочной смеси будет способствовать ускорению процесса замораживания.
Проведённые лабораторные исследования показали, что существует оптимальное соотношение мелкозернистой и крупнозернистой фракций закладочной смеси, при которой требуемая прочность закладочного массива достигается при существенном снижении связующего (в нашем случае льда). Это позволяет уменьшить расход воды и, соответственно, ускорить процесс проморозки закладочного массива.
Наибольшего ускорения закладки выработанного пространства можно добиться, используя оптимальные закладочные смеси в тех-
нологии послойного намораживания при формировании льдопородного массива [11, 12].
Расчёты выполненные по специально разработанной математической модели показывают, что если используя оптимальную смесь песка и щебня с влажностью 12 %, укладывая и замораживая её слоями толщиной 0,4-0,5 м можно заложить выработанное пространство высотой 3 м за 7-8 суток [12]. При этом прочность сформированного массива будет не менее 8 МПа, что существенно превосходит скорости закладки выработанного пространства по традиционной технологии.
Таким образом, проведенные исследования показывают, что оптимизация технологических параметров (гранулометрический состав, влажность и начальная температура материала закладки, толщина укладываемого слоя, температура и скорость воздушной струи над слоем закладываемого материала) позволяет формировать закладочный массив с необходимыми прочностными свойствами. Это будет способствовать повышению безопасности ведения горных работ и ускорению сроков отработки месторождения.
----------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Хохолов Ю.А., Курилко А.С. Теплообмен породных и закладочных массивов при отработке кимберлитов // ФТПРПИ. - 2004. - №1. - С. 35-41.
2. Бакакин В.П. Лед в качестве материала для закладки выработанного пространства. - М.: Изд-во АН СССР, 1955. - 84 с.
3. Подземная разработка россыпных месторождений: Библиогр. указатель отеч. лит. (1965-2001 гг.) / Сост. В.А. Шерстов; РАН. Сиб. отд. Ин-т горн. дела севера. НТБ. - Якутск: Типогр. ИМ, 2002. - 152 с.
4. Необутов Г.П., Гринев В.Г. Разработка рудных месторождений с использованием замораживаемой закладки в условиях многолетней мерзлоты. -Якутск: Изд-во ЯНЦ СО РАН, 1997. - 104 с.
5. Необутов Г.П., Зубков В.П., Мамонов А.Ф. Подземная добыча руды с использованием льдопородной закладки на месторождении Бадран в Якутии // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2001. - №10. - С.71-74.
6. Необутов Г.П., Васильев П.Н., Черепанов А.Ю., Федорова Л.Л. Совершенствование технологии возведения льдопородного целика на основе исследования динамики его промерзания // Колыма. - 2001. - №3. - С. 25-27.
7. ЦитовичН.А. Механика грунтов. - М.: Высш. школа, 1973. - 280 с.
8. Вотяков И.Н. Физико-механические свойства мёрзлых и оттаивающих грунтов Якутии. - Новосибирск: Изд-во «Наука», Сибирское отделение, 1975. -176 с.
9. Вялов С.С. Реология мёрзлых грунтов. - М.: Стройиздат, 2000. - 464 с.
10. Тайбашев В.Н. Физико-механические свойства мерзлых крупнообломочных пород. - Магадан: Труды ВНИИ-1, т. XXXIII, 1973. - 160 с.
11. Каймонов М.В., Хохолов Ю.А., Курилко А.С., Необутов Г.П. Методика расчёта послойного намораживания пород при формировании льдопородного массива в горных выработках // Г орный информационно-аналитический бюллетень. -2003. - № 9. - С. 47-49.
12. Хохолов Ю.А., Мамонов А.Ф., Зубков В.П. Оптимизация формирования льдопородного массива в горных выработках // Горный информационноаналитический бюллетень. - 2004. - № 10. - С. 103-106. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -----------------------------------------
Курилко А.С. - доктор технических наук, заведующий лабораторией горной теплофизики,
Каймонов М.В. - научный сотрудник,
Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского СО РАН.
