Обзор перспективных разработок в области ведения подземных горных работ с применением закладки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГАОУ ВО «Северо-Восточный федеральный университет

им. М.К.Аммосова»

Горный институт

Кафедра «ПРМПИ»

Отчёт по преддипломной практике

на учреждении: ИГДС СО РАН им. Н.В.Черского

Содержание

Введение

1. Способы закладки выработанного пространства

2. Транспортирование закладочных материалов

3. Передвижные закладочные комплексы

Заключение

Список литературы

Введение

За период прохождения практики в Институте горного дела Севера имени Н.В.Черского мной была проведена работа по сбору и изучению научно-технической информации. В результате проведённой работы мной составлен краткий обзор перспективных разработок в области ведения подземных горных работ с применением закладки.

Анализ мирового опыта показывает, что до 35 % рудников применяют системы разработки с закладкой, что определяется углублением горных работ, усложнением горно-геологических условий, особенно в обстановке постоянной борьбы за полноту извлечения полезных ископаемых. Если на подземных рудниках из-за высокой ценности добываемого сырья в основном применяют системы с твердеющей закладкой на основе цементного вяжущего, то на угольных шахтах используют сухую или гидравлическую закладку крупнодроблеными породами от проходки, мелкодроблеными горельниками или специально добываемым песком. Твердеющую закладку на угольных шахтах применяют в исключительных случаях, а именно: при извлечении мощных, крутопадающих пластов; при необходимости снижения эндогенной пожароопасное™; при отработке пластов под охранными объектами.

Применение закладки выработанного пространства позволяет управлять горным давлением и повышать безопасность ведения горных работ, вести одновременную отработку месторождения подземным и открытым способами, повысить коэффициент извлечения, а также снизить негативное влияние горного производства на окружающую среду.

Несмотря на достоинства подземной геотехнологии с закладкой выработанного пространства, в ряде случаев она реализуется недостаточно и требует совершенствования соответствующих процессов, поскольку удорожает добычу полезного ископаемого.

В большинстве случаев на рудниках «Северный» (Мурманская обл.), «Интернациональный» (Якутия), «Ге-ко» (Канада) и некоторых других для закладочных работ используют специально добываемый заполнитель, который характеризуется непостоянством гранулометрического состава, влажности, вещественного состава и т. д., что сопряжено с относительно высокими затратами.

Добавление в закладочную смесь излишнего количества воды с целью повышения ее транспортабельности приводит к расслоению смеси во время транспортирования и, как следствие, к снижению прочности закладочного массива. Например, на руднике «Оутокумпу» (Финляндия) с переходом очистных работ на более глубокие горизонты происходило обрушение боковых стенок искусственных целиков. С целью ликвидации отрицательного воздействии избыточной воды в смесях увеличивали расход вяжущего, что привело к увеличению расходов на добычу.

Кроме того, следует иметь в виду, что применение закладки при добыче полезных ископаемых сопряжено со строительством закладочных комплексов, требующих значительных финансовых затрат, а также с усложнением технологической схемы процесса добычи полезного ископаемого.

1. Способы закладки выработанного пространства

перспективных разработка подземный горный закладка

В связи с тем, что на разных этапах развития техники и технологии закладки выработанного пространства использовали разные способы, возникла необходимость систематизации ее вариантов. Одним из технологических принципов классификации является способ доставки закладочной смеси до места укладки, исходя из особенностей которого выделяют девять групп, объединенных в три класса (см. таблицу): механическая доставка, трубопроводная, полураздельная.

Сухую (породную) закладку до последнего времени применяли достаточно редко ввиду ее невысокой прочности и большого коэффициента усадки. Но благодаря невысокой себестоимости и возможности использования пустой породы от проходки и вскрышных работ сухую (породную) закладку широко применяют при добыче угля, руды малой ценности или в сочетании с другим способом закладки.

Литая (твердеющая) закладка в настоящее время получила широкое применение благодаря своему основному преимуществу -- возможности создания монолитного массива необходимой прочности. Сдерживающим фактором является только экономический, но с повышением на мировом рынке цены на продукцию горной промышленности и с использованием в составе закладочной смеси более дешевого вяжущего стало возможным применение данного способа закладки при добыче низкоценного сырья.

Достаточно перспективным способом является полураздельный, так как имеется возможность создания разнопрочных закладочных массивов, сочетающих в себе невысокую цену и необходимую прочность.

При бутовой закладке используют каменные блоки различного размера и скрепляют их вяжущим раствором. В этом случае заполняют не все выработанное пространство, а лишь участки, граничащие со смежными блоками, а в оставшуюся часть блока подают породную закладку. Достоинством является минимальный расход воды, что имеет большое значение для снижения относительной влажности рудничной атмосферы, а недостатком -- сложная механизация работ.

При консолидированной закладке происходит формирование монолита под воздействием пара или химических растворов на уже размещенную в очистном пространстве сухую закладку. При этом использование химических растворов реагентов через определенное время приводит к повторной кристаллизации, что позволяет консолидировать породу в выработанном пространстве. Такая закладка обладает достаточно высокими прочностными характеристиками, которые сохраняются при длительном нагружении налегающими породами.

Инъекционная закладка предусматривает предварительное заполнение выработанного пространства сухой закладкой при дробленой самообрушающейся породой с последующей подачей по трубам с поверхности вяжущего раствора. Раствор проникает в пустоты дробленой породы и превращает ее в монолит. Также инъекционный способ закладки позволяет формировать подошву слоя при слоевой выемке и избежать просыпания руды в закладочный массив и отказаться от временных настилов.

Как видно, применение технологий с закладкой связано с существенными затратами и эффективно при разработке более ценных руд, что в настоящее время часто сопряжено с необходимостью увеличения их бортового содержания.

Использование местных природных материалов и отходов производства позволит существенно сократить затраты не только на закладочные работы, но и на содержание различного рода отвалов и хвостохранилищ, соответственно уменьшив площади земель для горных отводов.

Рациональное использование элементов закладочных работ с утилизацией в закладку отходов горнообогатительного производства позволит эффективно разрабатывать менее ценные месторождения полезных ископаемых.

Следует иметь в виду, что эффективность использования отходов не только влияет на технико-экономические показатели горнодобывающего предприятия, но и способствует снижению вредного экологического воздействии на окружающую среду.

Большая доля стоимости закладочных работ приходится на транспортирование закладочной смеси в выработанное пространство. Развитие горных работ приводит к удалению (углублению) места укладки смеси от места приготовления и соответственно увеличению длины ее транспортирования. Так, на Бурибаевском ГОКе (Башкортостан) развитие горных работ привело к удалению места очистной выемки от закладочного комплекса на 2,5-3 км. Такое удаление сделало неэффективным и нецелесообразным применение системы с закладкой на данном руднике.

2. Транспротирование закладочных материалов

По способу транспортирования закладочного материала и формирования из него массива закладка разделяется на гидравлическую, пневматическую, твердеющую, самотёчную, механическую.

Транспортирование закладки -- это отдельный технологический процесс и еще одно звено в цепи, связанной с добычей полезного ископаемого. При этом возникают некоторые трудности. Так, на Гайском ГОКе и в рудниках ГМК «Норильский никель» подача литой смеси на глубокие горизонты приводила к возникновению воздушных ударов и повреждению трубопроводов. Кроме того, при подаче гидросмеси на большие глубины возникает резкое колебание давления в моменты пуска и остановки подачи пульпы.

При перемещении закладочного материала на большие горизонтальные расстояния необходимо устройство различных конструкций, так как кинетической энергии зачастую бывает недостаточно. Подача литой смеси по трубопроводам приводит к их износу ввиду высокой абразивное™ инертного заполнителя. В то же время при перемещении закладочного материала происходит его расслоение и соответственно ухудшение качества закладочного массива.

Необходимость внесения изменений в конструкцию трубопровода (монтаж и демонтаж секций, наращивание или уменьшение длины трубопровода, установка пнев- моврезок и др.) приводит к увеличению себестоимости, простоям закладочного комплекса, снижению общей производительности.

При укладке закладочного материала в очистном пространстве обычно происходит его неравномерное распределение. Более тяжелые составляющие смеси (инертные заполнители) сосредотачиваются в месте падения, а более текучая составляющая (смесь воды и вяжущего) распределяется по периферийным зонам. Это приводит к формированию разнопрочного массива. Невозможна подача закладочного материала под кровлю очистного пространства, что приводит к появлению «недозакладки». Отсюда -- проседание массива и соответственно нарушение его сплошности, а также образование каналов для прорыва воды.

Закладочный массив характеризуется достаточно долгим временем схватывания (набора прочности), что также приводит к снижению производительности, а применение различных добавок, регулирующих сроки схватывания, удорожает закладочную смесь, а иногда приводит к случаям затвердевания раствора в трубопроводах.

Применение сухой или гидравлической закладки при выпуске приводит к проникновению закладочного материала в руду и, соответственно, к увеличению ее разубоживания.

Искусственный закладочный массив представляет собой инородное тело внутри горного массива. Его качество определяется несколькими показателями: прочностными, компрессионными, реологическими свойствами, а также устойчивостью в обнажении. Очень важно обеспечить те свойства закладки, которые приемлемы для конкретных горнотехнических условий.

На свойства твердеющего закладочного массива наиболее существенное влияние оказывают: качество, гранулометрический состав и соотношение крупного и мелкого заполнителей, а также их количество в единице объема; количество воды (водовяжущее отношение); способ приготовления, транспортирования и укладки; условия (температурный режим) и возраст твердения.

Как показывают исследования, одним из определяющих факторов экономичности смеси является содержание в ней воды. Существующая на горных предприятиях технология закладочных работ характеризуется наличием в смесях значительного количества воды (до 550 кг/м3), что резко снижает прочность искусственного массива и ухудшает технико-экономические показатели применения систем разработки с закладкой.

Увеличение массовой доли твердого в смеси -- значительный резерв уменьшения расхода вяжущего материала.

Тип и соотношение заполнителей также оказывают влияние на прочность закладочной смеси. Заполнитель в смеси занимает 70-90 % (масс.), он существенно дешевле вяжущего и, следовательно, экономически выгодно, чтобы в закладочной смеси было как можно больше заполнителя и как можно меньше вяжущего. Однако экономические соображения не являются единственными при выборе заполнителя. Для устойчивости искусственного массива также важен зерновой состав заполнителя, влияющий на увлажнение поверхности зерен, относительный объем заполнителя, хорошую укладываемость закладочной смеси и склонность ее к расслоению.

Важной характеристикой закладки является динамика набора прочности во времени. Закономерность роста прочности имеет значение при определении минимального срока начала отработки целиков, влияя тем самым на выбор параметров систем разработки. Как показали исследования, наиболее интенсивный прирост прочности наблюдается в течение первых 60 дней твердения. В последующий период (до 3 мес) нарастание прочности несколько замедляется (рост составляет 10-17%), втечение следующих 3 мес происходит еще более медленное нарастание прочности (на 3-5 %), а за следующие полгода она возрастает еще на 2-3 %.

Закладочные смеси в выработанное пространство доставляются самотеком, а при недостаточном напоре используют сжатый воздух или вибрацию горизонтального участка закладочного трубопровода.

При пневмотранспортировании движение смеси происходит порционно при помощи установленных в трубопроводе пневмоэжекторов. Кроме рабочих пневмоэжекторов, по всей длине пневмоучастка устанавливают аварийные (через 50-60 м), которые включаются при падении скорости движения закладочной смеси в трубопроводе.

Для транспортирования твердеющих смесей используют стальные трубы диаметром 76-220 мм и толщиной стенок 4-14 мм. Пропускная способность труб до недопустимого износа зависит от абразивных свойств материала, марки стали и достигает 500-700 тыс. м3.

Перспективным является применение труб из полипластов, характеризующихся высокой износостойкостью и меньшим коэффициентом трения, что увеличивает срок службы трубопроводов и приводит к уменьшению себестоимости закладки.

На некоторых закладочных комплексах (например, на руднике «Норанда» (Канада) применяют вибрационный метод (продольная вибрация) предупреждения и ликвидации закупорок трубопровода.

Для своевременного предупреждения воздушных ударов, возникающих в результате повышения давления при самотечном вертикальном перемещении закладочного материала на большие глубины, применяют различные механизмы: устройства для сброса смеси, избыточного воздуха, изменения направления движения промывочной воды и сброса ее в специальный отстойник.

Для улучшения свойств в монолитную закладку вводят разные химические добавки -- пластификаторы, катализаторы (замедлители и активизаторы) твердения. Реологические свойства закладочных смесей регулируют различными добавками. Можно увеличить пластичность смесей при меньших расходах воды и вяжущего, предотвращать расслоение смесей с последующим возникновением слоистой структуры, закупоривание транспортного трубопровода, слишком быстрое или медленное твердение, увеличение механической прочности.

Анализ структуры себестоимости закладки на предприятиях цветной металлургии показывает, что специально добываемые материалы обладают лучшими качествами, но их стоимость самая высокая. Так, затраты на заполнитель на закладочном комплексе некоторых рудников России составляют 25-35 %. Поэтому генеральным направлением здесь должно стать использование отходов горно-обогатительного производства. Эти отходы дешевы и при соответствующей технологии подготовки и приготовления закладочной смеси могут заменить специально добываемый заполнитель без ухудшения характеристик возводимого закладочного массива, при этом их доля в себестоимости закладки не превысит 5-8 %.

Для компенсации негативных характеристик заполнителей и обеспечения стабильных прогнозируемых свойств смеси и затвердевшей закладки необходима принципиально новая технология приготовления твердеющих закладочных смесей.

В ее основе лежит использование свойства тиксотропного разжижения увлажненных дисперсных материалов при механическом воздействии на них. В таких структурах при наложении механического воздействия связи между отдельными частицами становятся исчезающе малыми и структуры переходят в состояние золя, который при снятии механического воздействия обратимо переходит в гель и затем затвердевает.

Таким образом, при использовании описанной технологии можно получать жидкотекучие смеси, которые легко и качественно перемешиваются, доставлять их по трубам на большие расстояния и с высокой полнотой заполнять выработанное пространство, а также обеспечивать их быстрое загустевание и лучшие условия структурообразования.

Исследования показали, что для реализации такой технологии необходимо, чтобы закладочная смесь обязательно имела в своем составе не менее 30 % тонкодисперсных частиц крупностью менее 44 мкм; содержание воды в смеси находилось в пределах 78-82 %. При этом в процессе приготовления закладочной смеси должна быть разрушена ее первичная структура. Особо важно, что такие смеси не будут содержать избыточной воды. За рубежом такой вид закладки получил название -- пастовая закладка.

Для реализации такой технологии можно использовать пульпообразные или сыпучие заполнители.

Исходя из особенностей технологии закладочных работ, разработана структура типовых схем закладочных комплексов.

При использовании хвостов текущей переработки получить требуемое количество и качество инертного заполнителя возможно путем их обезвоживания в каскаде гидроциклонов, в которых последовательно обрабатывается пульпа. При этом необходимо учитывать ряд факторов, оказывающих влияние на процесс сгущения, а также затраты на все элементы технологического цикла. Современный научно-технический уровень позволяет выполнять это с помощью компьютеров на основе программ имитационного моделирования, учитывая многокритериальность (как формализуемые, так и неформализуемые критерии).

При разработке оптимальных составов для улучшения свойств закладочного материала можно использовать следующие способы активации закладочных смесей или их компонентов: доизмельчение (до- мол) вяжущих, воздействие вибраций, электромагнитную обработку, введение химических добавок.

Помимо экономических и технологических аспектов, в данной области существует ряд технических вопросов, требующих решения, например, создание «мобильных» мини-закладочных комплексов, позволяющих отрабатывать отдельные локальные и удаленные рудные тела системами с закладкой очистного пространства на больших глубинах и др.

3. Передвижные закладочные комплексы

Системы разработки рудных залежей с твердеющей закладкой выработанного пространства позволяют проводить очистную выемку запасов в сложных горно-геологических условиях с высокими показателями качества и извлечения руды из недр. При этом область применения таких систем ограничена высокими капитальными и операционными затратами на осуществление закладочных работ, связанными со строительством закладочных комплексов на поверхности; бурением и оснасткой закладочных скважин; прокладкой протяженной системы трубопроводов для транспортирования смесей; высокой стоимостью компонентов закладочной смеси и энергетических ресурсов на их дезинтеграцию до технологически необходимого гранулометрического состава. В связи с этим системы с твердеющей закладкой выработанного пространства применяют в основном на крупных месторождениях руд с высокой ценностью, при развитой региональной инфраструктуре.

В целях расширения области и объемов применения систем с закладкой на разработку небольших, удаленных от инфраструктуры залежей средне- и низко- ценностных руд в ИПКОН РАН совместно с ЗАО «НПК «Механобр-техника» предложена концепция производства закладочных работ на основе передвижных комплексов с безмельничной технологией приготовления твердеющих закладочных смесей [1].

Передвижной закладочный комплекс в полной комплектации включает следующие технологические модули: I и II стадий дезинтеграции заполнителей; смешивания компонентов закладочной смеси; транспортирования смеси до выработанного пространства; ее укладки и отведения избыточных вод с их осветлением и с удалением шламов. В зависимости от горно-геологических, горнотехнических и других условий горного производства возможно размещение передвижных закладочных комплексов на поверхности или в выработках подземного рудника.

Поверхностные передвижные закладочные комплексы целесообразно использовать при небольшой глубине залегания месторождения. Доставку приготовленной на поверхности закладочной смеси до выработанного пространства осуществляют традиционно -- в самотечном или напорном режиме по скважинам, а далее -- по трубопроводам, смонтированным в выработках подземного рудника. Блочно-модульный принцип компоновки оборудования позволяет перемещать его в горизонтальной плоскости вслед за развитием фронта добычных работ, в том числе при разработке отдаленных участков, локальных залежей и других месторождений.

Таблица 1. Коэффициенты, характеризующие степень заполнения выработанных пространств в различных системах разработки с закладкой

Таблица 2. Технологические решения в зависимости от обеспеченности подземного передвижного закладочного комплекса (ППЗК) породным заполнителем

Размещение передвижных закладочных комплексов в подземных условиях позволяет разнести в пространстве отдельные модули и перемещать их по выработкам рудника вслед за развитием фронта горно-подготовительных (ГПР), подготовительно-нарезных (ПНР) и очистных работ.

Рис. 1. Передвижной подземный закладочный комплекс в камерной системе разработки крутопадающей залежи в нисходящем порядке с закладкой выработанных пространств:

1 -- узел приготовления закладочной смеси; 2 -- модуль I стадии дезинтеграции пород от проходки выработок; 3 -- наклонный съезд; 4 -- закладочный трубопровод; 5 -- закладываемые камеры; 6 -- искусственный массив; 7 -- отрабатываемая камера; 8 -- проходческие работы; 9 -- породоспуск

При этом значительную часть или весь объем пород от проведения горных выработок можно использовать в качестве наполнителя закладочной смеси непосредственно в подземном руднике, без выдачи на поверхность. Эффективность передвижного комплекса зависит от разработки, направления подвигания фронта работ, а также доли полевых выработок в общем объеме ПНР.

Рис. 2. Система разработки пологопадающих рудных тел с закладкой выработанного пространства, движением фронта работ в горизонтальном направлении и доставкой породного заполнителя I стадии дробления с поверхности:

1 -- камеры размещения передвижного закладочного комплекса; 2 -- закладочный горизонт; 3 -- закладочные трубопроводы; 4 -- искусственный массив; 5 -- закладываемые камеры; 6 -- отрабатываемые камеры

Дезинтеграцию пород от проходки выработок осуществляют в открытых циклах в две стадии дробления: крупное (до 100 % класса -50 мм) и мелкое (до 30 % класса -0,074 мм). Оборудование для I и II стадий дробления может быть разнесено в пространстве подземного рудника. Например, модуль I стадии дезинтеграции заполнителя приближают к зоне ведения ГПР или ПНР, а затем транспортируют крупнодробленый материал к узлам приготовления закладочной смеси. При размещении в подземном руднике нескольких передвижных комплексов приготовления закладочной смеси типоразмерный ряд оборудования подбирают таким образом, чтобы один модуль I стадии дезинтеграции, размещенный на проходческих горизонтах, обеспечивал производительность нескольких работающих модулей II стадии дезинтеграции и приготовления смеси.

При подаче закладочной смеси в выработанное пространство самотеком комплекс приготовления закладочной смеси должен быть размещен выше закладываемых камер с учетом обеспечения высоты вертикального става, достаточной для создания необходимого напора в трубопроводе. С учетом разницы высотных отметок определяют рабочую зону самотечного транспортирования закладочной смеси по трубопроводам от одного закладочного комплекса. При этом место размещения узла приготовления закладочной смеси относительно выработанного пространства выбирают по критерию максимально возможного объема закладываемого подземного пространства при минимальном расстоянии транспортирования смеси.

Число закладочных комплексов, их производительность и место размещения определяются объемом и пространственным расположением пустот, закладываемых в проектируемый период времени, а частота и направление их перемещения -- интенсивностью и направлением развития горных работ.

Конструкцию ППЗК в целом и его элементов проектируют в зависимости от параметров рудного тела (мощности, углов падения) и принятой системы разработки с закладкой выработанного пространства (рис. 1-3), соблюдая при этом изложенные выше критерии и принципы обеспечения эффективности ведения закладочных работ, максимально возможных объемов утилизации пустых пород от ГПР и ПНР, оптимальных систем и схем транспортирования породного заполнителя и закладочной смеси.

Рис. 3. Слоевая система разработки в восходящем (а) и нисходящем (б) порядке с закладкой выработанного пространства в варианте доставки заполнителя I стадии дробления с поверхности к местам расположения закладочных комплексов:

1 -- место расположения передвижного закладочного комплекса; 2 -- наклонный съезд; 3 -- закладочные трубопроводы; 4 -- закладываемый слой; 5 -- искусственный массив

Исследованиями доказано, что предлагаемый ППЗК обеспечивает приготовление закладочных смесей с требуемыми сроками твердения и прочностью искусственного массива [2]; позволяет существенно сократить капитальные затраты на закладочное оборудование и создание транспортных коммуникаций, а также эксплуатационные расходы на приготовление и транспортирование смесей и формирование закладочных массивов в подземном выработанном пространстве.

Заключение

Важное значение имеет и то, что закладка позволяет уменьшить использование в шахте лесных материалов, что само по себе является решением экологической и экономической проблем. Таким образом, применение закладки выработанного пространства обеспечит улучшение экологической обстановки в регионе, позволит снизить, а по некоторым видам исключить плату за негативное экологическое воздействие. В современных условиях закладку следует рассматривать как способ защиты окружающей среды от техногенного воздействия подземных работ. На Западе закладку применяют давно и довольно широко, стоит задуматься, что и в отечественных условиях возможно использовать прогрессивный опыт.

Список литературы

1. М.М.Хайрутдинов. Пути совершенствования системы разработки с закладкой выработанного пространства. //Горный журнал.-2011.-№7.-С.40-43.

2. Д.Р.Каплунов, М.В.Рыльникова, Д.Н.Радченко, Ю.В.Корнеев. Передвижные закладочные комплексы в системах разработки рудных месторождений с закладкой выработанных пространств. //Горный журнал. - 2013, №2, с. 101-104.

3. Каплунов Д.Р., Рыльникова М.В., Арсентьев В.А., Квитка В.В., Маннанов Р. Новая технология и оборудование для высокопроизводительной закладки выработанного пространства при подземной отработке месторождений // Горный журнал. 2012. № 2. С. 41-43.

4. Маннанов Р. Зверев А.П., Ангелов В.А., Лавенков В.С.Исследование составов и способов приготовления закладочных смесей на подземных передвижных закладочных установках// Маркшейдерский вестник. 2012. № 3. С. 12- 16. ЕЗ

Размещено на Allbest.ru