21863

Управление геомеханическими процессами при системах с искусственным поддержанием выработанного пространства: с закладкой выработанного пространства

Лекция

География, геология и геодезия

Для поддержания подрабатываемого массива горных пород выработанное пространство вслед за выемкой руды или через некоторое время заполняется закладочным материалом. Для повышения плотности создаваемого искусственного массива специально подбираются крупность кусков и фракционный состав смесей. Для достижения высокой плотности закладочного массива рекомендуется принимать максимальный размер куска не более 250 300 мм при этом содержание мелких частиц должна быть до 10 15 а фракция от О до 20 мм до 30. Усадка закладочного массива в первом...

Русский

2013-08-04

344 KB

16 чел.

PAGE  25

Тема 6. Управление геомеханическими процессами при системах с искусственным поддержанием выработанного пространства: с закладкой выработанного пространства. 4 часа.

Общие сведения. Виды и назначение закладки. Особенности развития геомеханических процессов при закладке камер сухой или гидравлической закладкой. Механические свойства массивов из твердеющих закладочных материалов. Создание искусственных массивов из твердеющих смесей. Особенности развития геомеханических процессов при закладке камер твердеющей закладкой. Нормативная прочность закладочного материала. Влияние взрывных работ на искусственный массив.

6.1. Общие сведения.

В классе систем разработки месторождений полезных ископаемых с искусственным поддержанием выработанного пространства выделяются группы систем:

  •  с закладкой выработанного пространства;
  •  с магазинированием;
  •  с креплением очистного пространства.

Все указанные системы относительно дороги, но при правильной технологии и оптимизированных параметрах обеспечивают малые потери и разубоживание полезного ископаемого.

Системы применяются в сложных горно-геологических условиях, при разработке ценных полезных ископаемых и в случаях, когда необходимо предотвращать или минимизировать вредные влияния подземной разработки на опасные или важные народнохозяйственные объекты.

Для поддержания подрабатываемого массива горных пород выработанное пространство вслед за выемкой руды (или через некоторое время) заполняется закладочным материалом.

В качестве закладочного материала используются дробленые горные породы, хвосты обогатительных фабрик, шлаки металлургических заводов или зола тепловых электростанций, твердеющие или бетонные смеси, песок, глина и др. Отдельные компоненты, закладочных смесей могут быть несвязными между собою ним скрепленными вяжущими материалами (твердеющая закладка).

Для повышения плотности создаваемого искусственного массива специально подбираются крупность кусков и фракционный состав смесей.

Все методы закладки выработанного пространства делятся в зависимости от способа транспортирования закладочного материала до места его укладки (самотечная, механическая, пневматическая, гидравлическая).

Самотечная закладка применяется при разработке крутопадающих месторождений, когда закладочный материал может размещаться в выработанном пространстве под действием собственной силы тяжести. Для достижения высокой плотности закладочного массива рекомендуется принимать максимальный размер куска не более 250—300 мм, при этом содержание мелких частиц должна быть до 10—15%, а фракция от О до 20 мм - до 30%. Содержание глинистых пород не должно превышать 20%. Для снижения пылеобразования и увеличения плотности укладки закладочную смесь увлажняют. При мелкокусковом материале усадка достигает 15-25 %. При крупнокусковом — до 30-40 %. Поэтому требуется периодическая дозакладка камер.

При механическом способе закладки применяются специальные метательные закладочные машины, скреперные установки, конвейеры, самоходные машины. В качестве закладочных материалов используются различные сыпучие материалы с размером кусков до 80—100 мм (при метательных машинах) и до 250-300 мм (при других способах доставки). Усадка закладочного массива в первом случае составляет 20-30%, а в других - до 30-40%.

Для пневматической закладки требуются более мелкие дробленые материалы с размером частиц до 30-40 мм и содержанием глины не более 10-15%. Доставка и размещение закладочного материала в выработанном пространстве производится за счет энергии струи сжатого воздуха. Значительная скорость движении частиц материала (до 30-40 м/с) обеспечивает более высокую плотность укладки (усадка составляет 10— 15%), особенно при увлажнении материала.

На практике наиболее часто применяется гидравлическая закладка выработанного пространства песками, гранулированными обесшламленными хвостами обогатительных фабрик с содержанием 10-15% илистых фракций (для меньшего износа труб при транспортировании материала). После обезвоживания размещённого в отработанных камерах материала образуется довольно плотный искусственный массив с небольшой (до 5-10%) усадкой, плотно подпирающий обнаженные стенки камер. Дозакладка пустот после усадки материала может обеспечить надежное подбучивание кровли камер.

6.2. Виды и назначение закладки.

В зависимости от свойств и состояния закладки можно выделить три её разновидности: сухую, гидравлическую и твердеющую. Две первые представляют собой совокупность несвязных между собой частиц.

В случае сухой закладки материал доставляется к закладываемой выработке в сухом виде и укладывается в неё простой насыпью, размещаясь только под действием гравитационных сил или с использованием механизмов.

Сухая закладка представляет собой, чаще всего, породу от горнопроходческих работ (иногда — дробленую). Она используется для заполнения подземных пустот, не имеющих непосредственного контакта с телом полезного ископаемого.

В отдельных случаях сухой породой закладывают камеры между рудными целиками, которые проектом предусмотрено оставлять в недрах в виде потерь. Иногда, теперь уже в редких случаях, сухую породу в качестве закладки используют в системах разработки горизонтальными слоями с восходящим порядком отработки слоев. При этом на каждом слое рудные стенки отделяются от массива закладки крепью или обшивкой.

Материал гидравлической закладки представляет собой смесь сыпучих частиц с водой (тонкий или молотый песок, хвосты обогащения и т.п.). Эта смесь хорошо транспортируется с водой по трубам на значительные расстояния и плотно укладывается в закладываемых камерах. При этом вода затем самотеком дренируется из уложенного закладочного массива через специальные дренажные устройства.

Чтобы уложенный массив хорошо дренировал воду, материал перед подачей в трубу очищают в гидроциклонах от пылевидных и глинистых частиц. Однако и эта мера не гарантирует образование несдренированных зон, в которых массив имеет псевдоплывунную консистенцию, опасную в определенных условиях по прорыву. Особенно высока вероятность образования таких зон при соотношении высоты камеры h к ее пролету b в пределах 0,5 < h/b <2. Это должно учитываться при укладке смеси в камеру и организации дренажа воды.

Остаточная влажность массива гидрозакладки колеблется в довольно широких пределах (от 5 до 25 %) и зависит от многих факторов, в том числе от гранулометрического состава твердой фазы и объема закладываемой выработки. Наибольшую прочность на срез имеет уложенный в массив материал с капиллярной влажностью, т.е. порядка 10— 12 %. Плотность заложенного массива зависит от его гранулометрического состава. В свою очередь, от плотности зависит его прочность. Оптимальным считается заполнитель, гранулометрический состав которого обеспечивает наименьшее расстояние между частицами [Кегель К. Механика сыпучих и твёрдых тел применительно к горным работам. // Международная конф. По горному давлению (г. Льеж). – М.: Углетехиздат, 1957.].

В любом случае необходимо стремиться к достижению наибольшей усадки закладочного массива при его сооружении, так как, во-первых, от этого зависят его плотность и прочность, а во-вторых, последующая усадка его (при выполнении им функциональной роли) может негативно отразиться на состоянии элементов системы разработки, в составе которых находится закладочный массив.

С точки зрения технологии очистных работ время усадки закладочного массива желательно свести к минимуму. С целью ускорения этого процесса иногда прибегают к специальным мерам. Среди них эффективной мерой является уплотнение массива действием взрыва.

Практика работы предприятий показывает, что отбойка руды взрывным способом непосредственно у закладочного массива вызывает его усадку на 20—25 %. В этом отношении показателен опыт применения отбойки руды в зажиме: отбитая и замагазинированная руда уплотняется взрывом скважин на 25—35 %, при этом уплотнение распространяется на 20—25 м в глубину отбитой рудной массы при сравнительно небольших взрываемых зарядах (1—1,5 т).

Сухая и гидравлическая закладки используются, главным образом, для выполнения вспомогательных или не очень ответственных функций в технологических процессах очистных работ. Это объясняется, прежде всего, тем, что обе разновидности закладки массива не могут самостоятельно выполнять роль несущей конструкции (или несущего элемента в конструкции систем разработки в целом).

Только в отдельных случаях удается создать массив гидрозакладки высокой плотности, который может воспринимать определенные нагрузки. Для оценки величины этих нагрузок предложены зависимости, в которые в качестве параметров входят плотность, влажность и начальная прочность гидрозакладки, плотностные и деформационно – прочностные характеристики массива пород, глубина отработки и параметры закладываемой камеры, технологические параметры закладки - высота закладочного слоя, величина недозакладки, коэффициент компрессии закладочного массива.

Принципиальным отличием массива твердеющей закладки от сухой и гидравлической закладки является способность её не только самостоятельно сохранять свою форму и свойства, но и нести различные нагрузки. Эти особенности твердеющей закладки оказали революционизирующее влияние на совершенствование применявшихся и создание новых способов выполнения очистных работ при добыче полезных ископаемых.

Твердеющая закладка стала применяться в горнодобывающем производстве сравнительно недавно (последние 50—60 лет) — это, по существу, разновидности «тощих» бетонов, опыт получения и изучения которых насчитывает сотни лет. В связи с высокой стоимостью твердеющих материалов данный вид закладки используется после технико-экономического анализа целесообразности этого варианта.

Твердеющая закладка применяется для создания монолитных искусственных целиков (столбов), ограждающих подпорных стенок, перемычек, искусственных массивов.

Твердеющие закладочные смеси включают вяжущие материалы, инертные заполнители, воду и пластификаторы. В качестве вяжущего наиболее часто применяются различные цементы (шлаковые, пуццолановые и портландцемент) в чистом виде или как активизирующие добавки к другим более слабым вяжущим материалам. Портландцемент и шлакопортландцемент в своем составе имеют СаО, SiO3, Аl2O3, Fе2О5, МgO, SO3, (в различных сочетаниях), схватываются в течение 6—12 ч. и через 28 сут. набирают прочность па сжатие от 3 до 4 МПа.

Из-за дефицитности и высокой стоимости цемента в горнорудной практике стремятся его заменять более дешевыми местными вяжущими материалами, приготовленными на базе шлаков металлургических заводов и золы тепловых электростанций, к которым цемент может добавляться в небольших количествах как активатор. Кроме этого, используются также небольшие добавки глины, известь, отходы обогащения, гипс и другие материалы. Для выбора состава вяжущих компонентов в закладочных смесях необходимы специальные исследования на базе конкретных местных материалов с технико-экономическим обоснованием рекомендуемых рецептов, так как стоимость вяжущих составляет 60-80% от общей стоимости закладочного материала. Основу твердеющих закладочных смесей составляют инертные заполнители, которые должны иметь предел прочности не менее 10-15% от нормативной прочности искусственного массива и включать не более 1-3% вредных примесей. Крупность отдельных кусков и гранулометрический состав выбираются из условий технологии закладочных работ и требований прочности материала после затвердения. В случае совместной подачи закладочных смесей по трубам крупность кусков обычно принимается не более 40 мм (10%), а при раздельном способе закладки—до 100-150 мм.

На прочность искусственного массива большое влияние оказывает плотность укладки, т.е. заполнение промежутков между крупными кусками мелкозернистым инертным материалом и вяжущим.

Наиболее часто в качестве заполнителей, кроме дробленых горных пород, применяются пески с примесью глины в объеме-5-10%, которая выполняет роль пластификатора. Считается, что наиболее строгим требованиям отвечает крупный песок, в котором не менее 20-35% зерен имеют размер 0.30-0.15 мм, что обеспечивает наиболее полное заполнение пустот между крупными фракциями и, следовательно, сокращает расход вяжущего [Цыгалов М.Н. Подземная разработка с высокой полнотой извлечения руд. М., Недра,1985]

В качестве дроблёных горных пород наиболее широко используются породы отвалов. Прочность этих пород обычно выше нормативной прочности искусственных закладочных массивов, а гранулометрический состав включает большой объём (40-60%) фракций крупностью менее 40 мм, которые могут быть сразу использованы для приготовления закладочных материалов без дополнительного дробления. Очень важно, чтобы они не были склонны к самовозгоранию и не содержали большого количества глины (не более 20%).

Хвосты обогатительных фабрик содержат различные минералы (кварц, полевой шпат и др.) и состоят из частиц размером от 0,1 до 2,0 мм. Перед смешиванием с другими компонентами их обезвоживают и отделяют от флотореагентов. Шлаки металлургических заводов могут примениться в смеси с песком и дроблеными породами.

Для закладочных материалов прочностью от 1,0 до 5,0 МПа соотношение между цементом и инертным заполнителем, соответственно изменяется от 1:30 до 1:5.

На калийных предприятиях в качестве схватывающейся закладки могут широко использоваться галитовые отходы. Они содержат NaCl (95-96%), КCl (2,0-2,7%), нерастворимый остаток (1-2%) и некоторые другие примеси долях процента). Крупность входящих в закладочный материал компонентов составляет 0,075-1,0 мм, плотность отходов – 2.5 т/м3, прочность на сжатие - 2-5 МПа. Искусственный массив из галитовых отходов при надёжном подбучивании кровли камер может служить надежным средством поддержания вышележащих пород.

6.3. Особенности развития геомеханических процессов при закладке камер сухой или гидравлической закладкой.

Поскольку предполагается, что к закладочному массиву из несвязной закладки не предъявляются требований выдерживать какие-либо внешние нагрузки, каких-либо предрасчетов их свойств , как правило, не требуется. Однако если всё же возникает необходимость в увеличении плотности массива закладки, то применяют специальные меры при её укладке. Так как плотность несвязной (в частности, сухой) закладки определяется, главным образом, гранулометрическим составом, его необходимо подбирать исходя из принципа максимально плотной упаковки разновеликих частиц. С учётом указанного требования оптимальный гранулометрический состав закладки может быть рассчитан по специальным формулам.

Из практического опыта известно, что смесь из дробленой породы и хвостов обогащения в соотношении 1:1 достаточно хорошо отвечает условию максимальной упаковки частиц. Что касается повышения скорости усадки и увеличения плотности закладки, то с этой целью можно при ее укладке в камеру добавлять некоторое количество воды или, как было показано, использовать энергию взрыва.

Однако массив закладочного материала, размещенный в отработанной камере, оказывает распорное действие на стенки междукамерных целиков и таким образом влияет на их геомеханическое состояние.

Отсюда управление геомеханическими процессами в случае применения несвязной (сухой или гидравлической) породной закладки может осуществляться путём учёта влияния закладки камер на состояние междукамерных целиков и регулирования взаимодействия закладки с массивом пород целиков.

В соответствии с этим рассмотрим механизм взаимодействия несвязной закладки (сухой и гидравлической) с рудными целиками. В общем случае при осевом сжатии в междукамерном целике (рис. 6.1) возникают напряжения сжатия (по направлению оси Z), а в направлении осей X и Y - деформации растяжения.

Рис. нарисовать.

Рис. 6.1. Схема к определению напряжённо-деформированного состояния междукамерных целиков.

Если применяются системы с закладкой камер, то в принципе возможны две различных схемы (стадии) взаимодействия массивов междукамерного целика и закладки:

  •  целик находится между заложенной и незаложенной (пустой) камерами, т. е. под односторонним боковым давлением;
  •  целик с обеих сторон граничит с заложенными камерами.

В первом случае междукамерный целик, испытывая одностороннее боковое давление, подвергается дополнительным изгибающим усилиям, что отрицательно влияет на его устойчивость. Для данного случая разработаны расчётные схемы оценки устойчивости целиков, в которых целик рассматривается как прямоугольная плита, шарнирно опирающаяся по контуру, сжатая в двух направлениях усилиями РX и РZ и подверженная действию односторонней поперечной нагрузки q (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Схема к расчету напряжений при одностороннем воздействии закладки на целик

Решая дифференциальное уравнение изогнутой поверхности плиты, получают уравнение прогибов, используя которое определяют наибольшие изгибающие моменты и максимальные нормальные напряжения. По этим значениям вычисляют величину допустимого бокового давления закладки на целик.

Во втором случае учитывается эффект возрастания (и достаточно резкого) сопротивления разрушению горных пород по мере перехода от одноосного напряжённого состояния к двухосному и далее к объёмному состоянию. На рис. 6.3 приведён типичный график зависимости предела прочности пород [σсж] от величины бокового давления σх.

(Рис.5.20. стр.203, Казикаев…)

Рис. 6.3. Типичный график зависимости предела прочности пород [σсж] от величины бокового давления σх.

Этот же эффект наблюдается и при деформировании и разрушении междукамерных целиков, когда они испытывают дополнительные боковые давления от несвязной закладки, заполняющей камеры. При наличии отпора (от закладки) в целике возникают горизонтальные напряжения растяжения. Если они достигают предела прочности пород на растяжение, целик начинает разрушаться с образованием трещин отрыва.

Начало разрушения целика можно выразить через предел прочности целика на одноосное сжатие в направлении оси Z. Но если закладка оказывает давление на боковые стенки целика, то потребуется дополнительное осевое давление, необходимое для разрушения целика.

Таким образом, если обозначить предел прочности целика осевому сжатию при незаполненных камерах через [σсж], то условие прочности целика при заложенных камерах выразится:

[σсж]К[σсж] + ΔσZ ,                                                             (6.1)

где ΔσZ — дополнительное осевое давление на целик в связи с влиянием закладки.

Определить [σсж]К или ΔσZ в формуле (6.1) можно по-разному, например испытанием образцов пород (руд) на одноосное сжатие при различных значениях бокового давления.

Другим возможным путем может быть построение паспортов прочности пород целика для условий одноосного и объемного сжатия (создаваемого действием закладки). Используя этот метод, можно получить соотношение прочностей целика при указанных напряженных состояниях. Так, в работе [?] это соотношение получено в виде:

                               1+sinφ

[σсж]К = [σсж] + σу -----------,                                                        (6.2)

                           1-sinφ

где  σу — горизонтальная составляющая реакции массива закладки на целик; [σсж]  — прочность целика при осевом сжатии при незаполненных камерах; φ — угол внутреннего трения пород целика.

6.4. Механические свойства массивов из твердеющих закладочных материалов.

Искусственные массивы из твердеющей закладки должны обеспечивать безопасную эффективную выемку полезного ископаемого, поэтому их прочностные, деформационные и другие характеристики должны удовлетворять конкретным условиям разработки месторождения. Для правильной оценки свойств массива его испытания необходимо проводить в различных местах в разные стадии формирования.

Из прочностных характеристик наиболее часто пользуются пределом прочности на одноосное сжатие. Образцы кубической формы с размером ребра 7, 10, 15, 20 см испытываются в лабораторных или шахтных условиях с промежутками через месяц (или год) в зависимости от сроков отработки камер (блоков). Исследования показывают, что с течением времени прочность бетонной закладки увеличивается: через 3 месяца в 1,5 раза, через 1 год - в 1,75, 2 года — в 2,0, 5 лет - в 2,5 раза. Это объясняется медленным развитием процесса гидролиза и гидратации частиц вяжущего от периферийных участков к центру.

Для определения прочности на растяжение и изгиб изготавливают образцы цилиндрической формы (диаметром 10 см) и испытывают их методом раскалывания.

Существуют корреляционные связи между пределами прочности на растяжение [σp], изгиб [σи] и сжатие [σсж]. По данным М.Н. Цыгалова для материала, у которого [σсж]=1-6 МПа

[σp]=0,02556 [σсж] + 0,045 и [σи]=0,04[σсж]+ + 0,01.

Установлено, что [σсж]=(3÷4)[σp, а величина сцепления [τ0] очень близка по своей величине к [σи] и [σp], а именно, [τ0]=0.0383 [σсж] + 0,05.

Угол внутреннего трения φ для наиболее часто применяемых искусственных массивов изменяется от 6,50 до 17,50.

При всестороннем погружении [σсж] в 1.5—2.0 раза больше, чем при одноосном.

Упругие и пластические свойства монолитных закладочных массивов зависят от степени неоднородности строения и пористости. Вследствие этого при нагружениях происходит заметное уплотнение материала и наблюдается его упругое деформирование, а при разгрузке имеют место необратимые остаточные деформации. Исследования показали, что даже при сравнительно небольших нагрузках (0,5-0,6 от разрушающей) модуль упругости Е изменяется в широких пределах (от 1,6 103 до 2,2 103 МПа), а коэффициент Пуассона ν - от 0,2 до 0,3.

Твердеющие закладочные материны обладают значительной ползучестью ([σ] / [σмгн]=0,30-0,35), особенно при наличии песчано-глинистых прослоев. В результате этого происходит потеря несущей способности искусственных опор при нагрузках, значительно меньших, чем разрушающие.

Наилучшие условия поддержания твердеющим закладочным материалом обеспечивается при полном заполнении закладываемых пустот, когда под воздействием давления вышележащих пород искусственный массив не имеет возможности бокового расширения, т.е. работает в условиях всестороннего сжатия. В этом случае деформации толщи вышележащих пород зависят от компрессионных свойств закладочного материала.

Под компрессией понимается свойство закладочного материала уплотняться под влиянием давления сверху при невозможности бокового расширения. Компрессионные свойства материала характеризуются коэффициентом сжимаемости, который определяется следующим образом

          h0h1

Ксж = ------------                                                                  (6.3)

               h0

          γ0γ1

Ксж = ------------                                                                  (6.4)

               γ0

где h0 ,h1 - высота испытываемого образца соответственно до и после сжатия; γ0, γ1 - плотность материала при тех же условиях.

Для твердеющих закладочных материалов, наиболее часто встречаемых на практике ([σсж] =2-4 МПа), при давлении сверху 12 МПа Ксж=2-6%, при увеличении нагрузки до 24 МПа - Ксж=7,2÷11,5%.

Несущая способность массива по мере уплотнения материала (без бокового расширения) практически может возрастать до бесконечности.

6.5. Создание искусственных массивов из твердеющих смесей.

В выработанное пространство закладочные смеси могут подаваться сразу в готовом виде или отдельными компонентами. В первом случае все составляющие закладочную смесь компоненты перемешивается на поверхности и из закладочного комплекса по трубопроводу транспортируются до места укладки, во втором - заполнитель и вяжущий раствор поступают раздельно и перемешиваются непосредственно перед началом закладочных работ. Наиболее часто в практике применяется первый способ.

Иногда прибегают к созданию искусственных массивов путем инъекции вяжущих растворов в дробленые породы, наполняющие выработанное пространство.

При транспортировании по трубам закладочные смеси должны обладать хорошей подвижностью. Поэтому их приготавливают с повышенным водовяжущим отношением 0,8÷1,3, вместо 0,4÷0,6, необходимым для полной гидратации вяжущего. Излишнее количество воды отрицательно действует на структуру и время упрочнения массива.

Для удаления излишней воды затвердевающие закладочные массивы должны обладать хорошими фильтрационными свойствами. Это необходимо учитывать при подборе их состава. Кроме того, на выходах из выработанного пространства до начала закладочный работ требуется сооружать специальные перемычки с дренирующими устройствами. С этой целью в перемычках (из бетона или дерева) устанавливаются перфорированные трубы, обернутые фильтрующей тканью (обычно мешковиной). Избыток воды повышает пористость искусственного массива, снижает его прочностные свойства и увеличивает компрессию при давлении сверху.

Более высокое качество искусственного массива получается в том случае, когда содержание вяжущего, наполнителей и воды в смеси по составу соответствует литому бетону. Такие смеси наиболее дорогие, их транспортирование по трубам требует значительного расхода сжатого воздуха и связано с интенсивным износом труб (особенно при крупном заполнителе).

Формируемые искусственные массивы могут быть выполнены из закладочных смесей одинаковой или различной прочности. Часто после выемки первичных камер укладывается материал, обладающий высокой прочностью, а при отработке вторичных камер — малопрочный (даже сыпучий) материал. Это позволяет широко использовать местные вяжущие материалы и тем самым снижать стоимость закладочных работ.

Особо высокие требования к прочности закладочных смесей предъявляются при нисходящей выемке, когда отработка каждого слоя производится под искусственной кровлей из монолитного высокопрочного бетона (или железобетона). В наиболее сложных условиях горного давления такие перекрытия устраиваются на каждом слое.

Во время твердения закладочных материалов в результате физико-химических процессов гидратации вяжущего массив разогревается до 60-80° С, что сказывается на его прочностных и деформационных свойствах. Установлено, что наиболее интенсивное нарастание прочности и температуры в плотном массиве происходит в течение первой недели после укладки. Оказывая положительное воздействие на упрочнение искусственного массива в начале его формирования, в дальнейшем влияние температуры на процесс твердения снижается, сроки окончательного твердения растягиваются. Зато возрастают тепловыделения в рудничную атмосферу, отрицательно влияющие на работоспособность горного персонала. Ввиду малой теплопроводности закладочного материала, остывание искусственного массива протекает медленно. По данным практики Норильских рудников, максимальный разогрев смеси, содержащей 300 кг цемента на 1 м3 материала, наступает через 10-12 сут., достигает 38-40°С и затем снижается до нормальной рудничной температуры через 50—60 сут. Дли снижения тепловыделения рекомендуется уменьшение расхода и изменение состава вяжущего, предварительное снижение начальной температуры смеси до 5-120С перед ее затворением, искусственное охлаждение массива (отвод тепла водой, циркулирующей по трубам или по специальным полостям в бетоне), снижение производительности закладочных работ, уменьшение объемов камер (слоев), интенсивное охлаждение поверхности искусственного массива вентиляционной струей.

В заключение следует отметить, что при создании искусственных массивов должны выполняться основные требовании по полноте заполнения выработанного пространства и соответствию нормативной прочности закладочного массива конкретным условиям поддержании подрабатываемых пород.

Полнота заполнения пустот закладочной смесью зависит не только от технологии закладочных работ, но и от условий залегания и отработки месторождения полезного ископаемого, от способа оформления кровли камер и контроля за ней. Пункты подачи закладочной смеси в камеры должны располагаться с таким расчетом, чтобы заполнение пустот было полным, а работы по дозакладке - минимальными. Для обеспечения свободного растекания закладочного материала отрабатываемым слоям придают угол наклона 5-7° .

Инъекционный метод создания искусственного массива.

Основная сущность данного метода заключается в укреплении предварительно размещенного в выработанном пространстве сыпучего материала нагнетаемыми в него вяжущими растворами.

В качестве закладочного материала могут применяться породы, получаемые при проходке выработок или из карьерных отвалов, специально приготовленные дроблёные материалы, гравий, песок, шлаки и др. Материал должен обладать хорошей проницаемостью для инъектирующих растворов, поэтому в нем не должно быть излишнего количества глинистых и илистых частиц (обычно не более 10-15%). Хорошие фильтрационные свойства закладочного материала обеспечивают равномерную пропитку и надежное сцепление отдельных кусков, что в конечном счете повышает прочность искусственного массива.

Для инъекции применяют цементные или химические растворы, способные проникать в закладочный материал на значительные расстояния от места иньекции. Кроме того, инъекционные растворы должны быть стабильными по своему составу и не должны расслаиваться в процессе производства работ. Стоимость их должна быть невысокой.

К цементным растворам для снижения стоимости прибавляют глину, тонкомолотые шлаки и золу. Например, на Дегтярском руднике применялись для инъекций растворы следующих составов: цемент, котельный шлак, вода (в соотношении 1,0:1,5:5,0:4,3) и цемент, котельный шлак, глина, вода (в соотношении 1,0:2,0:0,6:4,5). В испытанных растворах добавка глины обычно составляла 30-50%, а известняка - 20—30% от массы цемента. Плотность растворов изменялась от 1.1 до 1.8 т/м3. Отмечается, что в добавляемых к растворам глинах (для лучшей проницаемости) должно быть не более 25-30% песка, ибо при больших количествах он выпадает в осадок и тем самым нарушает стабильность состава раствора; повышается его склонность к расслаиванию. В течение суток растворы схватываются. Прочность смешанного вяжущего изменяется в зависимости от соотношения составляющих компонентов обычно от 1,0 до 5,0 МПа. Прочность на сжатие искусственного массива после полного затвердения раствора может достигать 2,0—3,0 МПа, что обеспечивает в дальнейшем выемку междукамерных целиков.

Наиболее стабильными по составу являются растворы химических соединений (карбамидные смолы, жидкое стекло и др.). Эти растворы способны, как и вода, проникать в любые пустоты. Но их применение для создания искусственных массивов пока не получило широкого распространения из-за высокой стоимости и сложности транспортирования в подземные выработки в больших количествах. Они чаще всего применяются в случае инъекционного упрочнения трещиноватых пород вокруг горных выработок, боков и кровли камер.

Подача растворов для упрочнения закладочного материала осуществляется самотечным (гравитационным) способом или при помощи избыточного давления (2-2,5 МПа) методом восходящего потока (рис 6.4). Инъекционный раствор в последнем случае подается за перемычки, начиная с нижних подэтажей, до тех пор, пока не появляется в выработках верхних подэтажей.

Прочность закладочного массива при этом способе зависит от полноты пропитки сыпучей массы и качества инъекционных растворов. Контроль за прочностью формируемого искусственного массива осуществляется путем испытания выбуриваемых в нем кернов.

Рис. 6.4. Схема создания искусственного массива методом инъекции:

1 - откаточный штрек; 2 - восстающие; 3 - камера, заполненная закладочным материалом; 4 - перемычки; 5 — трубопровод для подачи инъекционного раствора; 6 - закладочный восстающий; 7 – вентиляционный штрек.|

6.6. Особенности развития геомеханических процессов при закладке камер твердеющей закладкой.

Несмотря на большое многообразие вариантов систем разработки месторождений с твердеющей закладкой, с геомеханической точки зрения их можно объединить в две группы:

  •  многостадийная отработка слоя, этажа;
  •  одностадийная сплошная отработка.

Однако в обоих случаях управление геомеханическими процессами заключается в определении оптимальных параметров искусственных целиков или закладочных массивов (геометрических, прочностных, состава и свойств).

При многостадийной отработке руды этаж или горизонтальный слой делят по простиранию на камеры (при слоевой схеме — заходки) 1-й, 2-й, 3-й и т. д. очереди очистной выемки. Чаще всего используют двухстадийную отработку. Большее количество стадий отработки применяют при очень слабых, неустойчивых рудах.

На рис. 6.5 показана многостадийная схема отработки панели, ограниченной барьерными целиками, камерами в две очереди. Сначала отрабатывают запасы камер 1-й очереди (лучше в направлении от центра к периферии панели), заполняя образовавшиеся пустоты твердеющей закладкой. Во 2-ю очередь отрабатывают камеры, соседние с камерами 1-ой очереди, и заполняют их обычно несвязной, как правило, гидравлической закладкой. В результате образуется неоднородный закладочный массив.

Рис.6.5. Расчетная схема к определению давления пород на закладочный массив с неоднородными свойствами:

1 — твердеющая закладка в первичных камерах; 2 — гидравлическая закладка во вторичных камерах; 3 — панельные целики; q׳эпюра нагрузок на твердеющую закладку; q״эпюра нагрузок на несвязную (гидравлическую) закладку.

По технологическим соображениям ширину камер обеих очередей целесообразно принимать одинаковой. При этом обычным расчетным путем устанавливают устойчивый размер естественного целика между камерами 1-ой очереди, т.е., фактически, ширину будущих камер 2-ой очереди, а затем принимают равный ему размер (ширину) камеры 1-ой очереди.

Общая ширина панели устанавливается как по технологическим, так и по геомеханическим факторам, но с условием, что к началу отработки камер 2-й очереди массивы твердеющей закладки в камерах 1-й очереди приобрели необходимую минимальную прочность.

Последующее заполнение камер 1-й очереди твердеющим закладочным материалом существенно изменяет первоначальное распределение напряжений. Многолетней практикой установлено, что твердеющие смеси существенно упрочняют целики и повышают их несущую способность, предотвращают опасные деформации окружающих пород.

Степень упрочнения рудного целика после закладки смежных камер можно характеризовать коэффициентом упрочнения Ку, который может быть вычислен по формулам, учитывающим соотношения линейных размеров целиков и заложенных камер, а также соотношения упругих характеристик полезного ископаемого и закладочного материала. Значения Ку при применяемых в настоящее время закладочных смесях изменяется в пределах от 1.2 до 2.0.

Монолитный закладочный материал не только упрочняет рудные целики, но и воспринимает на себя давление вышележащих пород, если он плотно подпирает кровлю камеры. И всё-таки, вследствие значительной разницы в прочности рудных целиков и искусственных опор, основную роль поддержания выполняют междукамерные и панельные рудные целики (рис. 6.6).

Рис. 6.6. Схема распре-деления опорного давления на рудные целики и искусственные опоры:

1междукамерные целики; 2 - заложенные камеры; 3 – панельные целики.

По мере отработки естественных междукамерных целиков, т.е. камер 2-ой очереди, нижняя поверхность потолочины, прогнувшись, приходит в контакт с искусственными целиками (отработанные и заложенные твердеющей закладкой камеры 1-й очереди), нагрузки от вышележащих пород на целики будут перераспределяться. При этом максимальные нагрузки будут приходиться на ещё не вынутые жёсткие междукамерные и панельные целики и постепенно возрастать на уплотнённый закладочный массив, работающий в условиях всестороннего сжатия (рис. 6.7).

Рис. 6.7.. Схема распределения опорного давления при последовательной отработке междукамерных целиков:

1 и 2соответственно междукамерные и панельные целики; 3 искусственный массив.

На стадии последовательной отработки рудных целиков в зависимости от порядка их выемки могут возникать различные комбинации целиков с искусственными опорами. На практике наиболее часто встречаются комбинированные опоры: бетон—руда—бетон; руда—бетон—руда; бетон—руда. Исследования показывают, что общие предельные деформации комбинированной опоры больше предельных деформаций отдельных составляющий её элементов.

Рудный целик, располагаемый между бетонными опорами (рис. 6.8), обладает более высокой несущей способностью, так как он работает в условиях всестороннего сжатия.

Рис. 6.8 . Комбинированная опора при разработке с закладкой: 1-бетон; 2-целик.

Общая несущая способность опоры возрастает с увеличением отношения b/h (где b,h ширина и высота) комбинированной опоры и повышением прочности закладочного материала.

Дня предотвращения деформирования и разрушения рудных и бетонных опор все образующиеся в процессе отработки пустоты должны своевременно заполняться закладочным материалом. После полной отработки и закладки выработанного пространства давление будет распределяться на закладочный массив и панельные (или междуэтажные) целики, которые в дальнейшем могут быть извлечены.

На рис 6.9 показана общая картина распределения напряжений на рудный и закладочный массив. Максимум опорного давления приходится на краевую часть рудного массива. Нагрузка на искусственный массив возрастает по мере удаления от очистного пространства, где закладочный материал будет более плотным.

Рис. 6.9. Схема распределения опор-ного давления на рудный и закладоч-ный массивы при сплошной выемке:

1 очистное пространство; 2 рудный массив; 3 и 4 - эпюры распределений опорного давлении на рудный и закладочный массивы; 5 - закладочный массив; К0- коэффициент концентрации опорного давления; стрелкой показано направление выемки.

Подобная картина распределения напряжений будет и при сплошной выемке с закладкой, когда отработка ведется без оставления рудных целиков. Сплошная отработка месторождения (или шахтного поля) обычно начинается от середины по направлению к флангам и реже от одного фланга к другому.

Величина опорного давления на искусственный массив и панельные целики зависит от пролета подработки, прочности пород, слагающих целик, и компрессионных свойств закладочного материала. При жестких закладочных смесях, когда коэффициент компрессии невелик и материал надежно подпирает кровлю, давление на краевые зоны рудного массива нарастает медленнее, чем при податливых смесях. На практике коэффициенты компрессии бетонной закладки изменяются в пределах от 2 до 10%, как правило, не превышают 15%. Коэффициент концентрации опорного давлении К0 в средней части искусственного массива достигает максимального значения при LH (где L - пролет подработки; Н - глубина работ). Исследования показывают, что наибольшие значения вертикального напряжения на искусственный массив σZ = (1.0÷1,5)γH, а на оставляемый панельный целик максимум опорного давления может достигать (1.5÷3.0)γH. Такое положение характерно для случая, когда вес подрабатываемой толщи пород полностью распределяется на закладочный массив.

При отработке пологих залежей в устойчивых породах картина распределения давления будет несколько иной. Благодаря образованию сводов обрушения пород выше искусственного массива, возникающие напряжении в нём будут меньше γН, обычно (0,3÷0,5)γН, а опорное давление на панельные целики может достигать (4÷5)γН.

6.7. Нормативная прочность закладочного материала.

Под нормативной прочностью закладочного материала понимается его прочность, при которой обеспечивается безопасное проведение работ в принятые проектом сроки. Величина нормативной прочности обычно определяется временным сопротивлением на одноосное сжатие и выбирается в зависимости от горно-геологических условий, принимаемого варианта системы разработки и порядка выемки.

Искусственный закладочный массив должен выполнять задачи поддержания выработанного пространства и предотвращения опасных деформаций земной поверхности. Исходя из этого, величина нормативной прочности определяется на основании заданных нагрузок или допустимых деформаций.

При отработке камерами прочность твердеющей закладки выбирается по условию нагружения искусственных опор весом налегающих пород и собственным весом при наиболее неблагоприятных условиях работы (смежные камеры возле опоры не заложены). Тогда необходимую прочность материала искусственной опоры, если LH рекомендуется определять по формуле:

            γп Нп Вп                     Кα Кз

σсж = (--------------- + γи hи ) ------------,                                            (6.4)

                  bи                          Кф Кt

где γп и γи - удельный вес соответственно пород и закладочного

материала; Нп - мощность пригружающих целик налегающих пород;

Вп -ширина столба пород, приходящихся на искусственный целик;

hи, bи - соответственно высота и ширина искусственного целика; Кα

коэффициент, зависящий от угла падения залежи; Кз - коэффициент

запаса прочности; Кф - коэффициент формы; Кt коэффициент длительной прочности.

В том случае, когда над подработанным пространством образуется свод давления, вес пригружающих пород на опору принимается в пределах свода давлении, предел прочности на сжатие закладочного материала можно определить по формуле:

            γп hсв Вп                     Кα Кз

σсж = (--------------- + γи hи ) ------------,                                            (6.5)

                  bи                          Кф Кt

где Н св - высота свода давления.

По рекомендациям ВНИМИ принимают

Кз=1.5; Кt=0.4÷0.7;

Кф=0,6 + 0,4 bи/hи, если 0,25 ≤ bи/hи ≤1

или Кф=√ bи/hи, если 1 ≤ bи/hи ≤4

Кα=cos2α+λ sin2α (здесь λ – коэффициент бокового распора).

Если после полной выемки рудных целиков на пролете L и окончательной закладки всех вторичных камер отрабатываются панельные целики, то необходимая прочность искусственного массива находится по формуле:

            γп Нп (В+ L)                  Кα Кз

σ’’сж = [------------------ + γи hи ] -----------,                                            (6.6)

                  Ви                              Кф Кt

где В – ширина панельного целика; Ви - ширина рассчитываемого искусственного массива.

Величина Ви принимается из условия надежного подпора подработанных пород и предотвращения опасных деформации земной поверхности, исходя из компрессионных свойств закладочного материала.

На основании сравнения полученных величин σ’сж и σ’’сж для применения выбирается закладочный материал, прочность которого больше.

При выемке с закладкой стенки и кровля искусственного массива могут обнажаться и для обеспечения их устойчивости и предотвращения попадания бетона в отбиваемую руду прочность закладочного материала должна определяться по условию безопасных деформации. Для этих случаев необходимую прочность закладочного материала можно определять по формуле:

                           Eи Δh

σ’’’сж = (γи hи + ------------) Kз,                                            (6.7)

                               hи 

где hи - высота искусственной опоры; Еи - модуль деформации закладочного материала; Δh - уменьшение высоты очистного пространства.

В прочных неслоистых породах деформации кровли в пределах очистного пространства шириной 6-10 м обычно не превышают 20 мм.

При устойчивых рудах и породах возможно применение восходящей слоевой выемки. При этом очистные работы производятся под защитой устойчивых руд и пород и возникают обнажения вертикальных стенок искусственного массива. Прочность закладочного материала определяется при этом по формуле (6.7). Для улучшения работы самоходного оборудования и снижения потерь отбиваемой руды почва очистного забоя (поверхность закладочного материала) специально упрочняется. В зависимости от грузоподъемности оборудования поверхностный слой толщиной не менее 0,5 м должен иметь прочность от 1.0 до 2.0 МПа.

При неустойчивых рудах и породах непосредственной кровли для обеспечения безопасности работ и полноты извлечения полезною ископаемого применяется нисходящая выемка под защитой искусственной кровли и обнаженных вертикальных стенок. Отработка начинается с выемки подкровельного слоя и создания монолитного слоя повышенной прочности. Прочность монолитного слоя и закладочного материала в каждом конкретном случае определяется горно-геологическими условиями и параметрами выемки. Обычно они устанавливаются на основании производственного эксперимента, так как трудно поддаются расчету. В особо тяжелых случаях сооружаются железо бетонные перекрытия.

Например, на рудниках Норильского ГМК толщина монолитного слоя принимается 1,0-1,5 м, а его прочность при ширине обнажаемых пролетов 6-8 м составляет 4.0-6.0 МПа. Прочность закладочного материала, размещаемого над монолитным перекрытием должна быть не менее 1,0 МПа. В результате проводимых таким образом работ формируется разнопрочный закладочный массив.

6.8. Влияние взрывных работ на искусственный массив.

В результате сейсмического воздействия взрыва па искусственный массив могут подрываться и обрушаться создаваемые искусственные целики. Для предотвращения этих явлений на практике предусматривается целый ряд мероприятий:

  •  недобур скважин при отбойке руды на участках, граничащих с искусственными опорами;
  •  уменьшение величины одновременно взрываемого ВВ;
  •  изменение очередности взрывания скважин;
  •  применение рассредоточенных зарядов и др.

Считается, что нормальное напряжение от взрывной волны, действующее на искусственный целик; не должно превышать нормативной прочности закладочного материала. Искусственный массив будет устойчив, если его динамический предел прочности на разрыв σр.д. будет больше воздействующих на него максимальных нормальных напряжений σвз, возникающих при взрыве ВВ, т.е.:

σр.д.σвз Ко.в.,                                                                      (6.8)

где Ко.в. - коэффициент отражения волн напряжения от поверхности искусственной опоры, граничащей с открытым выработанным пространством.

σвз=Кσ (Rпр)-n; Кσ - коэффициент, зависящий от свойств среды, способа взрывания и массы ВВ; n - степень затухания взрывной волны; Rпр - приведенное расстояние от заряда ВВ, м.

По данным опытных работ величина n =2,3 и остаётся постоянной при различных массах зарядов ВВ, а Кσ  соответственно возрастает от 240 до 550 пропорционально увеличению массы заряда от 0,4 до 1.6 кг.

Предел прочности на растяжение при статическом нагружении σр.с для применяемых в настоящее время закладочных смесей изменяется в пределах 0,6 - 2,0 МПа; при динамических нагрузках он увеличивается в 1.8—2.0 раза.

Предельно допустимые величины зарядов одновременно взрываемого ВВ определяются на основании конкретных условий. Например, на Гайском руднике для бетонных целиков, имеющих σр.с = 1.3 МПа, предельно допустимая масса одновременно взрываемого ВП должна быть не более 5 т в том случае, если искусственный целик, граничащий с отрабатываемым рудным, имеет ширину 15 м. При большей величине заряда происходит скол обнаженной стенки искусственного целика.

В качестве эффективных мероприятий, снижающих сейсмическое действие взрыва на искусственные целики, предлагаются, кроме ограничения массы заряда ВВ, шахматное расположение взрывных скважин, короткозамедленное взрывание с интервалами не менее 25 мс, недобур скважин от 1,0 до 1,5 м, применение зарядов с воздушными промежутками. 

Перечисленные мероприятия устанавливаются на рудниках в зависимости от конкретных условий разработки.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

51055. Работа с конструктивными точками 1.97 MB
  В Mechаnicаl существуют 3 основных типа тел которые могут быть проанализированы: Твердотельные модели 2D и 3D Поверхностные тела Линейные тела При самостоятельном создании геометрии необходимо запустить раздел двойным нажатием мыши и выбрать систему исчисления в появившемся окне DM. После назначения параметров точки создать ее с помощью Generte Таким образом...
51057. Фильтрация изображения от импульсных помех 135.5 KB
  Программа должна выводить исходное и отфильтрованное изображения, должна присутствовать возможность выбора уровня зашумления, порога фильтра, размера окна
51058. Разработка интерактивного справочника магазина Азарт 4.98 MB
  Систематизированная информация на более высоком уровне организует деятельность магазина, позволяя каждому покупателю самостоятельно ознакомиться с ассортиментом и ценами магазина; руководство данного магазина с помощью справочника сможет демонстрировать своим клиентам обновление ассортимента, а так же с акциями, проходящими на территории данного магазина...
51059. Програмування циклів 152.28 KB
  Мета: Створити форму для розвязування задачі табулювання функції. Створити у ній головне меню (обєкт типу MeinMenu) з командами: Закінчити роботу програми, табулювати функцію, очистити поле виведення результатів, а також контекстове меню (PoupMenu), що міститиме команду для очистки поля виведення...
51060. Линейный структурный анализ 4.49 MB
  Изменить назначение контактов: выбрать 4 поверхности контакта в дереве проекта и назначить тип контакта no seprtion остальные контакты оставить bonded 9 Назначить режим нагружения Выделить в дереве проекта Sttic Structurl Выделить поверхность канавки шкива ПКМ Insert Bering Lod Назначить...
51061. Выпрямитель сварочный ВДГИ-301 3.65 MB
  Выпрямитель сварочный ВДГИ-301. Электрическая схема силовой части выпрямителя...
51062. МОДЕЛИРОВАНИЕ ОЦЕНКИ НАДЕЖНОСТИ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ 956.59 KB
  Классическая теория надежности технических систем использовала метод расчленения сложных объектов на элементы расчета. При этом надежность элементов рассчитывалась, в основном, с помощью справочников, в которых приводились значения интенсивностей отказов элементов. Затем оценивалась надежность объекта и принимались меры по ее повышению.