Управление геомеханическими процессами при разработке рудных месторождений технологией с высокоплотной закладкой

Размещено на http://www.allbest.ru//

6

Размещено на http://www.allbest.ru//

Специальности: 25.00.20 - Геомеханика, разрушение горных пород,

рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика;

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Управление геомеханическими процессами при разработке рудных месторождений технологией с высокоплотной закладкой

Аглюков Харис Исхакович

Екатеринбург 2009

Работа выполнена в Магнитогорском государственном

техническом университете им. Г.И. Носова

Научный консультант -доктор технических наук

Сашурин Анатолий Дмитриевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Волков Юрий Владимирович,

доктор технических наук, профессор Леонтьев Аркадий Васильевич,

доктор технических наук, профессор Кашников Юрий Александрович

Ведущая организация - ИПКОН РАН (г. Москва)

Защита диссертации состоится « 28 » октября 2009 г. в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д 004.010.01 при Институте горного дела УрО РАН по адресу:

620219 г. Екатеринбург, ГСП-936, ул. Мамина-Сибиряка, 58.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять в адрес совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института горного дела Уральского отделения Российской академии наук

Автореферат разослан «___ » « ____________» 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор В.М. Аленичев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Технология с твердеющей закладкой обеспечивает полноту извлечения запасов и сохранность подрабатываемых объектов, однако как инструмент управления горным давлением, особенно при отработке пологопадающих и наклонных рудных месторождений, остаётся в «тени». Искусственный массив находится фактически в зоне разгрузки даже при полной подработке. В силу особенностей технологии возведения монолитной закладки, податливости искусственного массива, при пологом и наклонном падении залежи закладка не является полноценным инструментом управления горным давлением. Естественное напряжение перераспределяется и концентрируется в опорных зонах - рудных и породных разделительных целиках, концентрация напряжений в которых достигает 3 и более, создавая тяжелые условия поддержания подготовительных выработок. Выработки, пройденные в разделительных и околоствольных целиках или в зонах их влияния на уровне вентиляционно-закладочных и откаточных горизонтов, испытывают прогрессирующее влияние опорного давления по мере сокращения целиков. В зависимости от прочности и структурного строения пород и руд, слагающих целики, выработки на одних участках оказываются в условиях сильной концентрации напряжений, когда их величина приближается к мгновенной прочности руд или пород (создаётся удароопасная ситуация), на других, если массив представлен сильно нарушенными породами и рудами, разрушение выработок главным образом связано с неустойчивостью обнажений, склонностью массива к «расползанию» по тектоническим трещинам под действием опорных нагрузок. Для традиционной технологии с твердеющей закладкой характерно наличие лага от нескольких месяцев до нескольких лет между началом погашения выработанного пространства и нагружением искусственного массива. За этот период происходит перераспределение напряжений в массиве и интенсивное накопление упругой энергии, а также первоначальное расслоение и нарушение сплошности массива.

Изменить роль искусственного массива как активного несущего элемента возможно при использовании технологии отработки со сплошной уплотнённой породно-твердеющей закладкой выработанного пространства. В основе технологии лежит система разработки со сплошной выемкой слоями или подэтажными камерами, восходящим порядком отработки запасов и породной закладкой с использованием технологии динамического механизированного уплотнения. Технология с уплотнённой, «забитой», породно-твердеющей закладкой позволяет изменить роль искусственного массива как действенного инструмента управления горным давлением. Уплотнённая закладка начинает воспринимать горное давление практически сразу и становится активным несущим элементом в силу специфики её уплотнения. Роль уплотнённого искусственного массива сводится не к пассивному «ожиданию» увеличения размеров подработки, а «упреждающему» воздействию на неблагоприятное развитие геомеханической ситуации на месторождении в процессе отработки. Увеличение размеров выработанного пространства уже не является необходимым условием работы искусственного массива как полноценной реакции отпора. Разработанный способ возведения искусственных массивов с механизированным динамическим уплотнением породной и породно-твердеющей закладкой позволяет эффективно управлять горным давлением, особенно при отработке запасов мощных рудных месторождений под ответственными охраняемыми объектами и в сложных горно-геологических условиях.

Фактором, сдерживающим широкое применения технологии с твердеющей закладкой, является её дороговизна и высокая энергоемкость, особенно если возникает необходимость использовать в качестве заполнителя крупнообломочные отвальные скальные породы для приготовления пастообразных смесей. В этом случае энергоемкость процессов дробления и тонкого измельчения компонентов закладочной смеси достигает 25 - 30 кВт*ч/м3 смеси. Вместе с тем, существует реальная возможность изменения содержания процессов погашения с закладкой выработанного пространства. С одной стороны, процессы дробления и последующего измельчения компонентов обусловлены требованиями трубопроводного транспортирования смеси, с другой - дробление и измельчение заполнителя негативно влияет на прочностные характеристики искусственного массива. С развитием самоходного транспорта на подземных горных работах появляется возможность отказаться от трубопроводного как основного вида (или хотя бы частично). Известно, что трубопроводный транспорт экономически оправдан при массовых непрерывных материалопотоках, а на рудных месторождениях чаще всего потоки нерегулярны, изменяются место и время работ. Привязка к трубопроводу значительно ограничивает гибкость процесса.

С уменьшением объёмов и увеличением площадей отрабатываемых рудных тел привязка к трубопроводному транспорту ведёт к увеличению удельных затрат на закладку. Сократить удельный вес твердеющей закладки без увеличения ущерба от потерь руды возможно в случае применения новых технологий возведения высокоплотных массивов. Внедрение современных ресурсосберегающих технологий базируется на достаточно сильном операционном «рычаге», создаваемом технологическим комплексом в процессе погашения отработанного пространства с использованием принципов логистики. В традиционных технологиях существующие материалы «подгоняются» под требования приготовления и транспортировки закладочной смеси, например, дробление и глубокое измельчение крупнообломочных скальных пород. Разумнее «подгонять» технологию под существующие скальные материалы как основному носителю затрат. Для этого необходимо перестроить всю логистическую схему погашения выработанного пространства с монолитной закладкой, отказаться от строительства мощных капиталоёмких закладочных комплексов. С технической точки зрения процесс сводится к возведению высокоплотных искусственных массивов с незначительной долей твердеющей закладки (10 - 15% общего объема) и использованием механизированного динамического уплотнения породной отсыпки, применяемого в дорожном строительстве.

Иными словами, решаемая в настоящей диссертационной работе проблема управления геомеханическим состоянием массива при отработке рудных месторождений с возведением высокоплотных искусственных массивов методом механизированного динамического уплотнения представляется актуальной научной и практической проблемой. В основе её решения лежит научно-методическое обоснование влияния новой технологии погашения выработанного пространства с возведением высокоплотной закладки методом механизированного динамического уплотнения на геомеханические процессы и технологию разработки мощных рудных месторождений.

Объектом исследования является способ управления геомеханическим состоянием массива при отработке рудных месторождений, предметом исследования - закономерности изменения геомеханического состояния массива при отработке рудных месторождений с применением высокоплотной закладки.

Цель работы. Исследование закономерностей изменения геомеханического состояния массива при отработке рудных месторождений с применением высокоплотной закладки для разработки методов управления состоянием массива, обеспечивающих, повышение эффективности и безопасности ведения горных работ.

Основная идея - использование активной реакции отпора высокоплотных искусственных массивов, возводимых методом механизированного динамического уплотнения в условиях, запрещающих деформации в горизонтальной плоскости, в целях снижения нормальных и изгибных напряжений пород висячего бока и обоснования параметров технологии отработки месторождений, обеспечивающих эффективность управления геомеханическим состоянием массива горных пород.

Задачи исследований:

? Исследовать деформационные свойства монолитных и высокоплотных искусственных массивов, разработать эффективные способы возведения закладки повышенной плотности.

? Исследовать оптимальные параметры режимов уплотнения тяжёлых скальных насыпных массивов и способов возведения устойчивых вертикальных обнажений уплотнённых породно-твердеющих массивов.

? Исследовать роль высокоплотных искусственных массивов в геомеханических процессах и выявить закономерности сдвижения вмещающих пород при их возведении; установить взаимосвязи параметров отрабатываемого рудного тела и сдвижения массива.

? Исследовать логистическую модель движения материалопотоков при технологии с уплотнённой породно-твердеющей закладкой.

? Разработать инженерные методы расчета параметров систем сплошной отработки запасов рудных месторождений с возведением высокоплотных искусственных массивов методом механизированного динамического уплотнения. месторождение насыпной массив

? Оценить эффективность вовлечения в эксплуатацию запасов охранных целиков с применением технологии механизированного динамического уплотнения породно-твердеющей закладки.

Методы исследований. При выполнении работы использован комплекс современных средств и методов исследований, включающий: системный и структурно-функциональный анализ отечественного и зарубежного опыта исследований технологических схем подземной разработки рудных месторождений системами разработки с закладкой; физическое и математическое моделирование с использованием современных программных продуктов; экономико-математическое моделирование; методы математической статистики и экспертных оценок; промышленные исследования; натурные экспериментальные наблюдения процессов сдвижения вмещающих пород и земной поверхности при повторной отработке запасов охранного целика на Миндякском руднике и промплощадке Гайского рудника. Окончательные выводы сделаны на основании технико-экономического анализа результатов исследований.

Защищаемые положения:

? Технология погашения выработанного пространства с уплотнённой закладкой, создающей предварительный распор вмещающих пород, предотвращает развитие разупрочнения массива горных пород и формирование очагов деформирования, снижает концентрацию напряжений в опорной зоне с 1,7 -2 до 1,1 - 1,4 при достижении полной подработки. Обеспечивает благоприятные условия управления горным давлением, снижает интенсивность динамических форм проявления горного давления в зоне влияния очистных работ.

? Механизированное уплотнение с динамическим усилием забивки до 500 кН обеспечивает плотность укладки породно-твердеющей закладки 0,95 - 0,98 по Проктору без дополнительной классификации компонентов закладочной смеси. Динамическая забивка породно-твердеющей закладки в условиях, запрещающих деформации в горизонтальной плоскости, создаёт распор, исключающий деформации висячего бока.

? Несущая способность высокоплотных породно-твердеющих искусственных массивов, возведённых методом механизированного динамического уплотнения, превышает реакцию отпора массивов, возведённых из монолитной закладки. Высокоплотные искусственные массивы воспринимают до 70 - 80% веса налегающей толщи пород при размерах подработки до 70 метров, в отличие от монолитных искусственных массивов.

? Технология возведения уплотнённых искусственных породно-твердеющих массивов позволяет переориентировать материалопотоки, изменить традиционные процессы приготовления и транспортирования закладочной смеси. Исключение процессов дробления и глубокого измельчения компонентов смеси снижает энергоёмкость процесса погашения выработанного пространства от 25%.

Научная новизна работы:

Активная реакция отпора искусственного массива, возникающая вследствие динамического механизированного уплотнения с усилиями до 500 кН в условиях зажатой среды, исключает развитие концентрации напряжений в опорных зонах, величина которых не превышает 1,1-1,4.

Технология механизированного динамического уплотнения исключает лаг между окончанием закладки в забое и его нагружением породами налегающего массива, в отличие от традиционной технологии монолитной закладки.

Напряжения, возникающие в искусственном массиве, в процессе его уплотнения компенсируют нормальные и изгибные напряжения в контактирующей с ним толще налегающих пород, величина которых достигает нулевых значений.

Впервые разработана логистическая схема погашения выработанного пространства и технология сплошной отработки запасов рудных месторождений с использованием технологии механизированного динамического уплотнения, исключающая энергоёмкие процессы мелкого дробления и измельчения компонентов закладки.

Впервые разработана технология сплошной отработки запасов рудных месторождений с использованием механизированного динамического уплотнения породно-твердеющего массива на основе выявленных закономерностей изменения геомеханического состояния.

Достоверность научных положений, выводов и результатов подтверждается:

? использованием научно обоснованной методики исследований;

? представительным объёмом промышленных и лабораторных экспериментальных исследований с использованием математических методов обработки результатов исследований;

? системным подходом к использованию аналитического аппарата и математических методов обработки результатов исследований;

? инструментальными натурными наблюдениями и лабораторными исследованиями;

? сходимостью фактических сдвижений и деформаций вмещающих пород (при отработке запасов охранного целика с высокоплотной комбинированной закладкой) с результатами экспериментальных исследований при отработке с уплотнённой закладкой;

? положительными результатами внедрения технологии механизированного динамического уплотнения скальных пород и различных тяжёлых грунтов;

? использованием математического и физического моделирования.

Практическая ценность работы заключается в:

? научно-методическом обосновании технологии отработки запасов мощных рудных месторождений с использованием способа активного управления горным давлением с возведением высокоплотных искусственных массивов;

? внедрении новых технологий возведения высокоплотных искусственных массивов при отработке мощных рудных месторождений со значительным сокращением монолитной закладки при достижении равнозначного эффекта по показателям полноты отработки запасов;

? разработке логистической схемы возведения высокоплотных искусственных массивов, включающей транспортировку закладки на поверхности, перепуск, подземный транспорт с помощью самоходной техники и укладку с последующим механизированным динамическим уплотнением в забое, позволяющей сократить удельный вес твердеющей закладки до 15 - 20% общих объёмов возводимого искусственного массива;

? разработке методики проектирования технологических схем отработки запасов рудных месторождений с возведением высокоплотных породно-твердеющих искусственных массивов методом механизированного динамического уплотнения.

Реализация. Результаты работы использованы институтом Уралгипроруда (г. Екатеринбург) при составлении технических проектов Саткинского подземного рудника "Магнезитовая", отработки охранного целика под Механическим заводом на шахте «Магнетитовая» Высокогороского ГОКа; институтом Унипромедь при проектировании отработки Узельгинского месторождения; ПО Уралзолото при выполнении исследований, проектировании и внедрении технологии повторной отработки запасов охранного целика шахты №6 Миндякского рудника; корпорацией «Казахмыс» при разработке предложений по проектированию технологии отработки предохранительных целиков Анненского рудника Жезказганского месторождения; институтом ВНИМИ при составлении ТЭО отработки Соль-Илецкого месторождения. Разработанные с участием автора технологические схемы отработки запасов охранных целиков на Высокогорском железорудном месторождении под ВМЗ и под охраняемыми объектами на Саткинском месторождении магнезита были удостоены дважды серебряной и бронзовой медалей ВДНХ СССР в 1981 г. и 1982 г.

Апробация результатов работы: на VI всесоюзной конференции по механике горных пород (г. Фрунзе, 1979 г.); всесоюзной конференции «Безотходная технология переработки исходных ископаемых» (г. Челябинск, 1985 г.); всесоюзной научно-технической конференции «Перспективы развития технологий подземной разработки месторождений» (г. Москва, 1995 г.); на VII уральской научно-технической конференции по системам подземной разработки руд цветных металлов (г. Дегтярск, 1985 г.); IX всесоюзной научно-технической конференции по механике горных пород (г. Фрунзе, 1989г.); всесоюзной научно-технической конференции «Теория и практика проектирования, строительства и эксплуатации высокопроизводительных рудников» (Москва, 1990 г.); международных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва, 2003, 2004, 2005, 2006, 2007гг.); ежегодных научно-технических конференциях МГТУ; технических советах Учалинского комбината, Саткинского комбината «Магнезит», Миндякского рудника, института Уралгипроруда; на международной конференции Горно-геологического института ЗСФ АН СССР - Института горного дела Сибирского отделения РАН «Проблемы и перспективы развития горных наук» (Новосибирск, Академгородок, 2004 г.); симпозиуме «Уральская горная школа регионам» (Екатеринбург, 2005г.).

Публикации. По теме диссертации автором опубликованы 32 работы, в том числе две монографии, авторское свидетельство на изобретение, два учебных пособия с грифом УМО.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения; содержит 314 страниц, включая 109 рисунков, 28 таблиц и список использованных источников из 209 наименований работ отечественных и зарубежных авторов. В приложении представлены акты внедрения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Анализ проблемы повышения эффективности управления геомеханическим состоянием массива при отработке рудных месторождений. Изучению проблемы управления геомеханическим состоянием массива при отработке рудных месторождений с закладкой посвящены труды отечественных и зарубежных специалистов. Существенный вклад в развитие технологий отработки месторождений внесли учёные А. Г. Акимов, Д. М. Бронников, Г. Кратч, В. Кортейн, Г. И. Богданов, Н. П. Влох, Н. Ф. Замесов, М. Н. Цыгалов, Ю. В. Волков, Е. В. Бошенятов, А. Б. Макаров, В.И. Борщ-Компанеец, Ю.П. Шуплецов, А.Д. Сашурин, В. Д. Палий, Е. С. Смелянский, С. Н. Зеленцов, М. А. Кузнецов, Т. Ш. Сакаева, В. Б. Дьяковский, К. Ю. Репп, А. П. Ильюшин, Д. В. Бакиновский, а также ВНИМИ, ИПКОН, ИГД, Унипромедь, Уралгипроруда и др.

Наиболее радикальным методом комплексного повышения эффективности отработки являются технологии с твердеющей закладкой. Вместе с тем исследования учёных показывают, что при отработке мощных пологопадающих и наклонных месторождений технология с твердеющей закладкой не позволяет достаточно эффективно управлять геомеханическим состоянием массива. Потенциальная несущая способность искусственных массивов не используется в полной мере. Существуют определённые пробелы в технологии возведения искусственных массивов, снижающие качество управления геомеханическим состоянием массивов и, как следствие, эффективность отработки месторождений.

Особую актуальность приобретают исследования по повышению эффективности технологии отработки месторождений с использованием принципов логистики. Современные технологии с твердеющей закладкой традиционно ориентированы на приготовление твердеющих смесей на закладочных комплексах. При такой технологии исходные материалы «подгоняются» под требования технологии приготовления и транспортировки смеси. Так, если в качестве заполнителя предполагается использовать отвальные скальные породы, то потребуется дробление в три стадии и дальнейшее измельчение компонентов смеси по условиям транспортирования. Эти процессы достаточно энергоемки (до 25 - 30 кВт·ч/м 3 смеси) и обременительны для предприятий, а с точки зрения логики нецелесообразны - сначала измельчать в пыль, затем сцементировать, ухудшив при этом прочностные параметры. Однако такая технологическая цепочка воспринимается как аксиома - существует закладочный комплекс, трубопровод, отдалённое выработанное пространство. Вместе с тем часто предпринимаются небезуспешные попытки сокращения доли твердеющей закладки либо путем утилизации пород, получаемых в процессе горных работ под землей, либо использованием гидравлической закладки при отработке вторичных камер. В последние годы предприятия часто оставляют непогашенным выработанное пространство, особенно при выемке залежей ограниченных размеров. Подобные мероприятия позволяют в той или иной мере уменьшить долю дорогостоящей твердеющей закладки, но все же в своей основе технология предполагает эксплуатацию мощных закладочных комплексов со всеми присущими им издержками. Поэтому особую актуальность приобретают исследования, в результате использования которых эффективность разработки достигается за счет снижения затрат на погашение выработанного пространства с закладкой с одной стороны, а с другой - раскрывается в полной мере потенцальная несущая способность искусственных массивов как полноценной реакции отпора. В разработанной технологии снижение затрат на погашение выработанного пространства (по сравнению с технологиями с монолитной закладкой) достигается за счет внедрения новой технологии возведения высокоплотных искусственных массивов с принципиальным изменением содержания процессов погашения выработанного пространства с закладкой, а возникновение активной реакции отпора уплотнённого массива, вследствие механизированного динамического уплотнения с усилиями до 500 кН в условиях зажатой среды, исключает развитие концентраций напряжений в опорных зонах. Активная реакция отпора уплотнённого массива позволяет компенсировать нормальные и изгибные напряжения в породах налегающего массива.

Технология погашения выработанного пространства с уплотнённой закладкой принципиально меняет роль и место закладочных комплексов. Технология возведения искусственного массива «привязывается» к основному носителю затрат - отвальным скальным породам. В существующих технологиях, использующих отвальные скальные породы в качестве заполнителя, необходимо на дробление в три стадии с последующим измельчением в мельницах. В разработанной технологии трубопроводный транспорт закладочной смеси замещается доставкой породно-твердеющей смеси раздельно с применением комбинированного транспорта. Энергоемкие процессы среднего и мелкого дробления исключаются. Отвальная скальная порода доставляется карьерными автосамосвалами к месту перепуска в скважину на поверхности после крупного дробления до крупности -160 мм по условиям транспортирования подземным конвейером. Дроблёная порода перепускается по восстающему на гор. +350 м, далее конвейером транспортируется до закладочного восстающего. Погрузка подземных автосамосвалов производится с помощью секторного затвора. Подземная транспортировка производится 20-тонными самосвалами типа МоАЗ. Возможно применение более эффективных самосвалов германской фирмы PAUS грузоподъёмностью от15 до 25 т (модели РМКТ 8000, РМКТ 1000, РМКТ 1250). Вариант автосамосвалов с жёстко смонтированным кузовом с разгрузкой с помощью гидравлического выталкивателя позволяет уменьшить высоту выработанного пространства до 3 - 3,5 м. После отработки запасов ленты вкрест простирания залежи производится закладка выработанного пространства. Отсыпка породы в заходке производится слоями толщиной 60 - 70 см в направлении от висячего бока к лежачему в отступающем порядке. На удалении 5 - 7 м от висячего бока отсыпается первый бруствер зигзагообразной формы (2 - 3 самосвала породы) поперек ширины ленты, после чего производится первичная планировка бульдозером с созданием поперечного бруствера высотой до 1 м (с одной стороны ленты, подлежащей упрочнению). Вторая, большая, часть ленты (шириной до 6 м) планируется до проектной отметки 0,6 м от поверхности уплотненного слоя. После этого осуществляется доставка жесткой твердеющей закладки, разгрузка за породный бруствер и планировка с перемешиванием. Для ее доставки можно использовать как автосамосвал, так и миксер фирмы Atlass Copco. Жесткая твердеющая смесь доставляется самоходной техникой до забоя и выгружается за породный бруствер с левой стороны заходки. После этого породный навал надвигается бульдозером на твердеющую закладку и планируется. Уплотнение осуществляется после укладки породной и породно-твердеющей закладки по всему слою (рис.1).

Рисунок 1- Система разработки с уплотнённой породно-твердеющей закладкой

Продолжительность отработки и закладки одной ленты протяжённостью 40 - 50 м около одной недели. Суммарное количество уплотняемых слоёв соответствует толщине отбиваемого слоя. Закладка прекращается, когда высота свободного выработанного пространства достигает 3 м. Послойное возведение искусственного массива с постоянным уплотнением незначительных по толщине слоев позволяет высококачественно уплотнять искусственный массив, а смещение участков в вертикальной плоскости, возведенных с примешиванием твердеющей смеси, создает слоеный, многократно «перевязанный» массив, обладающий повышенной устойчивостью и несущей способностью.

Применительно к Саткинскому месторождению магнезита (в начале была запроектирована камерная система разработки со сплошной твердеющей закладкой) твердеющая смесь готовилась на финском поверхностном бетонном комплексе «PARTEC». Производительность комплекса по закладке достигала 100 м3/ч. Процессы доставки руды и транспортировки породной закладки протекают последовательно во времени, что упрощает управление подземными транспортными потоками - в силу относительной равномерности интенсивности потоков (рудного и встречного породного). Послойная укладка породной и породно-твердеющей закладки с динамическим вибрационным уплотнением позволяет возводить искусственный массив в напряженном состоянии, близком к уровню давления налегающего массива. Динамическое усилие, создаваемое тяжелыми дорожными катками типа Bomag BWDM-3 (Германия), в процессе уплотнения достигает 320 и 250 кН при частоте вибрации, соответственно, 35 и 28 Гц. Масса катка 19,2 т. Катки отличаются высокой маневренностью, способны преодолевать подъем до 30є, высокопроизводительны. Часовая производительность уплотнения тяжелых скальных пород при толщине отсыпки до 0,7 м достигает 700 - 1000 м3 (степень уплотнения от 95% по Проктору). Стоимость машины 200 000 $, стоимость эксплуатации 1 машино-часа 700 рублей. Появление этих машин в отечественных дорожно-строительных компаниях подняло строительство дорог на качественно иной уровень (возможность высокопроизводительного и качественного уплотнения дорожного основания до 95 - 98 % по Проктору при низких затратах), что в принципе не было возможным при прежних технологиях. Внедрение настоящей технологии в горнодобывающей отрасли позволит отказаться от непродуктивных издержек, связанных с дроблением, измельчением и приготовлением в больших объемах твердеющих смесей.

Технология с вибрационным механизированным уплотнением предполагает сплошную отработку запасов рудных тел. Выемка ведется в восходящем порядке лентами шириной 8-10 м (см. рис. 1). Для повышения устойчивости подработанной рудной консоли-потолочины предполагается придание наклона забою в пределах 10-15° от вертикали (в направлении искусственного массива), что создаёт дополнительную усиленную боковую плоскость опоры рудной консоли. «Забивка» породно-твердеющей смеси расклинивает боковую плоскость рудной консоли (потолочины соседней заходки) и компенсирует растягивающие напряжения в ней. Боковое давление, создаваемое уплотнённой породно-твердеющей закладкой, повышает устойчивость обнажений в заходке, особенно в местах тектонических нарушений массива.

Уплотнённая закладка. Эффект динамического воздействия на породную насыпку при уплотнении проявляется прежде всего за счет активного заполнения пустот более мелкими фракциями, смятия и уплотнения наиболее слабых частиц. В силу воздействия усилий не только в вертикальной, но и горизонтальной плоскости интенсивность заполнения существующих пустот заметно возрастает. В последующем происходит взаимодействие более прочных частей породной насыпки, интенсивно сопровождающееся процессами среза, смятия и сжатия. Высокие динамические нагрузки способствуют образованию достаточно высоких локальных напряжений, приводящих к разрушению с последующим уплотнением. Процесс уплотнения массива, включающего крупные фракции, можно условно разделить на три части (рис.2).

Рисунок 2 - Зависимость коэффициента уплотнения шихты дробленого доломита 0 - 25мм от соотношения . I (от 0 до 0,8); II (до 1,5); III (более 1,5 - 2) - стадии уплотнения при статическом нагружении - ряд 1; динамическое уплотнение вибрационными катками - ряд 2.

На первой, начальной, происходит перемещение крупных фракций под давлением и «выборка» пустот; на второй начинается взаимодействие между собой крупных фракций с процессом их разрушения, дальнейшего уплотнения и роста местных точек концентрации напряжений. На третьей происходит процесс переуплотнения с разрушением крупных фракций в условиях, близких к объемному сжатию, при наличии некоторой податливости сыпучего массива в плоскости приложения сжимающих сил. Первая стадия уплотнения (при статическом нагружении) протекает при нагрузках, не приводящих к возникновению разрушающих напряжений; вторая - при разрушающих напряжениях и превышающих его на 15 - 50% и третья - при напряжениях, превышающих предел прочности в два-три раза. По достижении предела упругости появляется первая макроскопическая плоскость , ориентированная в соответствии с условием статистического отбора элементов под углом . По площадке отрыва происходит отрыв, сдвиг с упрочнением идет по площадке сдвига, упрочнение приводит к вовлечению в процесс новых плоскостей . Это продолжается вплоть до предела прочности, когда число плоскостей максимально.

Участок диаграммы от предела упругости до предела прочности характеризуется однородностью деформации по всему объему образца. На пределе прочности однородность деформации прекращается. Процесс локализуется на наиболее слабых плоскостях сдвига, остальные плоскости из процесса исключаются. На оставшихся в работе плоскостях начинают уменьшаться площади сдвига. Это приводит к уменьшению сечения образца и, следовательно, к снижению общего усилия, необходимого для продолжения деформации. Однако по мере роста бокового давления в условиях объемного сжатия интенсивность роста деформаций резко падает (конец II стадии), начинается процесс переуплотнения материала при более высоких напряжениях. В условиях высокого бокового давления (более 10 - 15 МПа) сдвиговые процессы прекращаются и начинается сжатие с разрушением пород на контактах и заполнением оставшихся микропустот.

Анализируя деформации гидрозакладочного массива, твердеющей закладки, можно отметить, что связь между пустотностью и напряжением, практически прямо пропорциональна при напряжениях ниже предела прочности на одноосное сжатие. В дальнейшем эта связь носит экспоненциальный характер и интенсивность снижения деформаций заметно падает по мере роста напряжений, в такой же степени изменяется пустотность материала. Уплотнение менее крепких пород происходит, соответственно, при более низких напряжениях. Высокоплотные тонкозернистые шихтованные материалы обладают низкой пустотностью и низкими деформациями, соизмеримыми с твердеющими смесями.

Исследования уплотнения дроблёного доломита, включающего крупные фракции, показывают, что до 80 - 85% уплотнение происходит на первой и начале второй стадии процессов уплотнения. На третьей стадии остается уже не более 10% начальной пустотности. Это свидетельствует о том, что 80% результата уплотнения материала достигается при напряжениях, равных пределу прочности на одноосное сжатие (см.рис. 2). Коэффициент уплотнения возрастает до определенного предела, после чего дальнейшее воздействие вибрации уже не приводит к росту коэффициента уплотнения, то есть необходимо определить количество проходов катка по одному следу для достижения максимального эффекта.

Динамическое механизированное уплотнение дорожными катками. Проведенные сравнительные испытания по уплотнению щебенистых грунтов гладковальцовым и кулачковым виброкатками (рис. 3) показывают, что наибольший эффект при уплотнении скальных пород достигается при использовании виброкатков ABG-100. При уплотнении шихтованного скального материала динамическое уплотнение эффективнее статического более чем на 150 - 200% при напряжениях, достигающих 60 - 70% от предела прочности материала на одноосное сжатие. Вибрационные катки создают давление до 5 - 7 МПа, что ниже предела прочности доломита на одноосное сжатие. Но данный уровень напряжений достаточен для интенсивного разрушения по контактам крупных частиц доломита. Динамическое воздействие нагрузок способствует более эффективному заполнению пустого пространства между обломочными фракциями без расходования излишней энергии на разрушение материала в процессе его уплотнения.

Исследование уплотнения крупнообломочных скальных пород было осуществлено с помощью радиоизотопного влаго-плотномера «Troxler-3440». При статическом воздействии уплотняющих нагрузок для достижения равного эффекта по уплотнению скального материала необходимы напряжения превышающие предел прочности на одноосное сжатие в два - три раза. Динамическое механизированное уплотнение породной и породно-твердеющей отсыпки производится тяжелыми (20т) дорожными катками типа Bomag BWDM-3 (Германия). Сравнительные испытания по уплотнению щебенистых грунтов вибрационными катками (см.рис. 3) показывают, что наибольший эффект при уплотнении скальных пород достигается за 4 - 6 проходов катка, за 8 - 10 проходов катка плотность укладки достигает 0,97 - 0,98 по Проктору.

Усилие вибрации, создаваемое катком, составляет 304,8 и 243 кН при частоте вибрации 35 и 29 Гц, соответственно. При статическом уплотнении для достижения равного эффекта по уплотнению необходимы напряжения, многократно превышающие предел прочности на сжатие (два - три раза). Анализируя динамическое вибрационное уплотнение и деформационные характеристики породной и породно-твердеющей закладки, можно отметить, что по степени уплотнения массива динамическое вибрационное уплотнение не уступает технологии с твердеющей закладкой. Имеет существенное качественное преимущество - он не даёт усадки и деформаций при давлениях до 5-7 МПа.

Уравнение равновесия сил в системе: бандаж катка - закладка имеет вид

FB = Fstat + Fz - ma,

где FB - сила реакции отпора уплотненного массива; Fstat - статическая нагрузка; Fz - центробежная сила; m - масса бандажа; a - ускорение.

Смещение бандажа Х = А•sinщt, ускорение a = -Aщ2 sinщt,

где А - амплитуда; щ - угловая скорость.

ma = - m Aщ2 sinщt, при частоте колебаний 29 и 35 Гц , амплитуда - 1,8/0,9 и 1,84/0,82 мм, центробежная сила 320 и 250 кН, масса катка 18016 кг (BOMAG BW 217D-2).

Пустотность крупнообломочного материала зависит от степени заполнения пустот мелкой фракцией. При этом пустотность однородной крупнообломочной фракции может достигать 40 - 45%. Под действием давления на первоначальном этапе начинается процесс уплотнения и перемещения более тонких фракций в свободное пространство. Дальнейшее нагружение приводит к контактному взаимодействию крупнообломочных фракций между собой. При механизированном динамическом уплотнении крупнообломочных фракций, включающих не менее 30% мелкой фракции, степень уплотнения выше, чем у твердеющей закладки.

Рисунок 3 - Изменение коэффициента уплотнения скальных грунтов в зависимости от количества проходов катка ABG-100 (гладковальцовый вибрационный каток)

Ряд 1 - грунт щебенистый, крупнообломочный с 20% мелкозема;

ряды 2 и 3 - грунт щебенистый, крупнообломочный с 30% мелкозема

С целью создания монолитных искусственных массивов с устойчивостью вертикальных обнажений не менее 10 м были исследованы технологии совместной укладки породной засыпки и низкомарочного состава бетона (М-100), близкого по прочностным свойствам жесткой твердеющей закладке. Соотношение скальной породной засыпки и бетонной смеси 4 : 1. Перемешивание смеси при укладке осуществлялось бульдозером. Были проведены также исследования уплотнения породных массивов сцементированных глинопесчаной смесью в количестве до 30%. Степень уплотнения породно-твердеющей закладки достаточно высока и достигает 0,98 по Проктору, т.е. близка плотности естественного нетронутого массива (рис. 4). Данные массивы отличались как высокой плотностью, так и высокой прочностью массива, достигающей 7 МПа. Результаты промышленных исследований производительности уплотнения тяжелых скальных пород при строительстве дорог, представлены в табл.1.

Рисунок 4 - Изменение коэффициента уплотнения скальных грунтов (ряд 1) и массивов, перемешанных с твердеющей смесью (ряд 2) и глинопесчаными составами (ряд 3), в зависимости от количества проходов гладковальцового катка ABG-100.

Ряд 1 - дробленый доломит фракции 0 - 200 мм с включением мелкой фракции (0 - 6 мм) в количестве 10%; ряд 2 - дробленый доломит фракции 0 - 200 мм с твердеющей смесью до 20%; ряд 3 - дробленый доломит фракции 0 - 200 мм с включением глинопесчаной смеси до 30 %

Следует отметить что, несмотря на примерно равную пустотность твердеющей закладки и уплотнённой (от 2 до 5 %), это качественно разная пустотность. Природа остаточной пустотности уплотнённой закладки обусловлена процессами уплотнения и переуплотнения в результате воздействия значительных динамических нагрузок в условиях объёмного сжатия. Структура уплотнённого массива сродни предварительно напряжённой сотовой конструкции. Твердеющая закладка, напротив, представляет собой разгруженную конструкцию, и деформации её при напряжениях, соизмеримых с давлением налегающей толщи пород на глубине 300 - 400 м, составляют не менее 3%.

Высокий уровень прочностных свойств массива и низкие деформации свидетельствуют о высоких качественных характеристиках процесса механизированного динамического уплотнения. С экономической точки зрения эффективность также бесспорна - цена эксплуатации 1 машино-часа, по данным ЗАО «Южуралавтобан», около 500 руб., то есть менее 1руб/м3 на планировку и уплотнение. Себестоимость доставки в выработанное пространство и планировки породной закладки на шахте «Магнезитовая» около 70 руб/м3. Что же касается капиталовложений, здесь также выигрышная ситуация по сравнению с традиционной технологией с твердеющей закладкой. Стоимость катка ABG-100 в пределах 200 тысяч долларов США, закладочного комплекса производительностью до 500 тыс. м3 в год около 10 млн. долларов (данные института «Уралгипроруда»).

Таблица 1- Производительность уплотнения скальных пород, м3/ч

Количество проходов	Скорость, км/ч	Толщина уплотнённого слоя, см	Уплот- нённая площадь, м2/ч
		20	30	40	50	60	70	80	90	100	110	120
2	1 4 5	475 430 825	727 990 1218	990 1320 1650	1238 1650 2063								2455 3300 4125
4	1 4 5	248 330 413	371 495 619	485 650 815	619 825 1052	743 980 1218	867 1075 1394	990 1320 1650	1114 1485 1837				1236 1550 2022
6	1 4 5	165 220 275	247 330 412	330 440 540	413 550 688	495 660 825	578 770 963	660 880 1080	743 990 1238	825 1100 1353	908 1210 1513		825 1100 1323
8	1 4 5	124 145 201	186 227 104	247 320 412	109 402 516	371 485 609	433 578 722	495 660 825	553 743 928	619 825 1021	681 908 1034	743 990 1171	610 805 1011

Заполненные клетки соответствуют производительности при плотности 95 % по Проктору; в незаполненных «эталонная» плотность не достигается.

Управление горным давлением. По данным исследований учёных ИГД УрО РАН, массив пород до начала отработки залежи является подвижным. Относительную устойчивость ему придаёт плотная упаковка его элементов или блоков, разделённых тектоническими нарушениями и блоками. В процессе отработки месторождения начинается нарушение сплошности упаковки массива, приводящей к движению отдельных частей с разуплотнением. Начальное уплотнение блочной структуры массива значительно изменяется. При извлечении рудного тела на большой площади локальные участки разуплотнения массива выстраиваются в зоны, вдоль которых происходит интенсивное неупругое деформирование массива.

Геомеханические процессы, происходящие при отработке месторождений, по характеру можно условно разделить на две группы с точки зрения преследуемой недропользователями цели. В первом случае преследуется цель погашения выработанного пространства путём обрушения пород налегающего массива. Развитие процессов разупрочнения рассматривается как позитивный фактор. Чрезмерная устойчивость подработанного массива, как и недостаточная, создаёт дополнительные трудности - необходимость принудительного обрушения пород налегающего массива. Во втором, напротив, преследуется цель минимизации негативного воздействия горных работ на разупрочнение массива. В этом случае принятые технологии отработки должны исключать зарождение очагов разупрочнения на ранней стадии отработки месторождения, являющихся причиной накопления упругой потенциальной энергии в зонах опорного давления. Практика камерно-целиковых систем с открытым выработанным пространством показала: если первая половина задачи решается на начальном этапе отработки месторождения, то в последующем, по мере увеличения параметров подработки, эффективность процесса управления горным давлением падает ниже критической точки.

При технологии с твердеющей закладкой отработка запасов разделительных целиков, массивов на больших глубинах на мощных пологозалегающих месторождениях становится неблагоприятным фактором по мере развития фронта работ. По данным исследований ученых ВНИМИ, на рудниках Норильского ГМК решаются серьезные задачи поддержания выработок, расположенных в зонах опорного давления. На Октябрьском месторождении особенность проявления горного давления в динамичной форме заключается в том, что с глубины 700 м в нетронутом массиве вне зоны влияния очистных работ возникает шелушение, интенсивное заколообразование и стреляния на обнажении одиночных выработок. Глубина разрушения контура выработок достигает 15 - 20 см. Толщина пластин при этом изменяется от 3 до 10 см. На глубине 700 и более метров в зонах опорного давления, особенно в местах пересечения подготовительных выработок, происходят горные удары с разрушением приконтурного массива. Разрушение массива сопровождается образованием и ростом трещин, которые распространяются субпараллельно контуру выработок.

По мере отработки разделительных массивов широтными фронтами и увеличения площади отработанных полей за счет соединения отработанных площадей шахтных полей 1 и 2 на руднике фиксируются динамические проявления в форме толчков сравнительно небольшой энергии. Анализ сейсмической активности показал, что 60% толчков произошло в зонах сопряжения меридиональных и широтных фронтов в РМ-1, 20% - в отработанном пространстве, 20% - в нетронутом массиве. Выработанное пространство заложено твердеющими смесями, поэтому смещения блоков, а соответственно и сейсмическая энергия - сравнительно небольшие относительно месторождений, где работы ведутся с открытым очистным пространством. Как правило, используются различные варианты усиленной крепи выработок. При этом зачастую фактические размеры выработок существенно увеличиваются по сравнению с проектными (до 25 - 40 %). В целом же несущая способность искусственных массивов реализуется недостаточно вследствие отсутствия надлежащего контакта с налегающим массивом по всей площади подработки. Главными фактороми являются недостаточная несущая способность твердеющей закладки и недозакладка выработанного пространства. Модуль упругости закладки на порядок меньше модуля рудных целиков - в таких условиях совместная их «работа» при ограниченных размерах подработки невозможна. Главным несущим элементом остаются рудные разделительные целики. При технологии с твердеющей закладкой коэффициент концентрации напряжений в опорной зоне достигает трехкратного значения гН и более, а напряжения в искусственном массиве 0,3 - 0,4 гН, даже при достижении полной подработки. Искусственный массив в этой ситуации не является полноценным несущим элементом.

При технологии с уплотнённой закладкой появляется более эффективное технологичное решение проблемы. Устраняется также один из важных недостатков технологии с твердеющей закладкой - временной лаг между окончанием закладочных работ и началом «работы» искусственного массива как полноценной реакции отпора. Принципиально изменяется механизм управления геомеханическим состоянием массива. Активная реакция отпора искусственного массива - главное отличие.

Для определения напряжений в кровле рудного тела на контакте с уплотнённым искусственным массивом с учётом влияния уплотнённого массива рассмотрена схема нагружения наклонной залежи под углом более 40°. Из кровли наклонно расположенного рудного тела вырезается балка с жёстко защемлёнными концами и нагруженной распределённой нагрузкой q. Схема нагружения в виде балки, защемлённой по концам и распределённой нагрузкой q= сгh (рис. 5), представляющая собой статически неопределимую балку. Расчет произведён методом сил, соответствующей статически определимой системе.

Задача для наклонно падающих залежей. Схема нагружения в этом случае сводится к предыдущей, для чего спроектируем q на нормаль и продольную составляющую (см. рис. 5). Нормальная составляющая приведет к схеме, уже рассмотренной, а продольная составляющая приведет к напряжениям, значительно меньшим, чем изгибные. Напряжения на изгиб в данном случае

,

где l - длина налегающего массива по падению,

,

где S -площадь поверхности соприкосновения бандажа катка с поверхностью закладочного массива.

Размещено на http://www.allbest.ru//

6

Размещено на http://www.allbest.ru//

Уплотнённый массив

Рисунок 5- Расчётная схема нагружения при наклонном падении

Анализ формулы позволяет заключить, что напряжения возможно не только уменьшить, но и исключить вовсе.

Для наклонно падающего массива с боковым подпором, создаваемым уплотнённой закладкой (рис. 6), касательные напряжения определятся зависимостью

.

Отсутствие касательных напряжений в основании является наиболее благоприятным с точки зрения устойчивости пород висячего бока и исключает накопление упругой потенциальной энергии. Условие, при котором касательные напряжения у основания наклонной плиты ф = 0, описывается следующим уравнением:

Размещено на http://www.allbest.ru//

6

Размещено на http://www.allbest.ru//

Рисунок 6 - Расчётная схема нагружения при наклонном падении при наличии бокового подпора уплотнённой закладкой

Таким образом, в результате решения задачи можно сделать вывод о том, что процесс уплотнения приводит к существенному снижению напряжений, как касательных, так и нормальных. В определенных условиях эти напряжения могут достигнуть нулевого значения - «состояния разгрузки» налегающей породной пачки к уплотнённому искусственному массиву. Косвенным образом это положение подтверждается результатами экспериментальных исследований (методами конечных элементов и физического моделирования) коэффициента концентрации напряжений при сплошной закладке выработанного пространства уплотнённой породно-твердеющей закладкой. По данным экспериментальных исследований коэффициент концентрации напряжений с возведением уплотнённого искусственного массива снижается до 1,1 - 1,2.

Уравнение равновесия сил на контакте пород висячего бока и уплотнённой породно-твердеющей закладки (см. рис. 6) имеет вид

P ЧлЧsinб/ S = гЗЧcosб,

где P - давление, создаваемое катком при уплотнении закладки, кН; S - площадь поверхности соприкосновения бандажа катка с поверхностью закладочного массива; л - коэффициент бокового распора уплотненной закладки; б - угол падения залежи; г - плотность пород налегающего массива; Н - глубина горных работ на месте возведения искусственного массива.

Из условия равновесия сил в системе бандаж катка - уплотняемая поверхность закладки развиваемое катком давление должно быть в пределах

P =гЗЧcosбЧS / лЧsinб =гЗЧS/лЧtgб

при л ? 0,5; б = 45?, P ? 2гН S.

Возведение искусственного массива с усилием уплотнения P = гЗЧS / лtgб исключает развитие упругих деформаций висячего бока, тем самым предотвращает локальное и масштабное перераспределение напряжений в процессе отработки. Высокоплотный искусственный массив исключает нарушение сплошности налегающей толщи пород. Предотвращение причин накопления потенциальной энергии в массиве на начальной стадии значительно повышает эффективность управления геомеханическим состоянием массива. Поскольку непосредственно в зоне очистных работ напряжения в налегающем массиве не успевает претерпеть значительных изменений, первоначальное поле напряжённо-деформированного состояния массива не подвергается трансформации в упруго-неустойчивое состояние. Усилие забивки 320/ 250 кН (достигающее 500 кН), создаваемое бандажом, компенсирует составляющую давления налегающего массива, создавая тем самым предпосылки устойчивого состояния массива при ведении горных работ.

Технология с уплотненной закладкой изменяет характер взаимодействия налегающего и искусственного массива (рис. 7). Технология возведения уплотнённого искусственного массива позволяет практически без промедления использовать энергию уплотнения с целью компенсации накопления упругой энергии налегающего массива. Уплотнённый искусственный массив в этом случае является активным несущим элементом и воспринимает давление пород висячего бока сразу на этапе очистной выемки.

...