автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.22, диссертация на тему:Обоснование организация работ по формированию из техногенного сырья покрытий в горных выработках

На правах рукописи

ГАРЕЕВ АЛЬБЕРТ МАРСЕЛЬЕВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ ОРГАНИЗАЦИЯ РАБОТ ПО ФОРМИРОВАНИЮ В ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ ПОКРЫТИЙ В ГОРНЫХ ВЫРАБОТКАХ

Специальности - 05.02.22 -«Организация производства»,

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидат ООЭ4885БЗ технических наук

МОСКВА 2009 г.

003488563

Работа выполнена в Российском государственном геологоразведочно университете имени С. Орджоникидзе

Научный руководитель:

доктор техн. наук, профессор Юрий Александрович Боровков

Официальные оппоненты:

доктор техн. наук, профессор Владимир Никифорозич Лопатин

кандидат техн. наук, профессор Дмитрий Николаевич Ребриков

Ведущая организация - ФГУП «Гипроцветмет»

Защита диссертации состоится «24» декабря 2009 г. в 16:00 час., а. 5-87 заседании диссертационного совета Д 212.121.09 в Российском государственн геологоразведочном университете им. Серго Орджоникидзе.

Адрес: 117997, г. Москва, ул. Миклухо - Маклая, д.23

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Российско! государственного геологоразведочного университета им. Серго Орджоникид-117997, г. Москва, ул. Миклухо - Маклая, д.23

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Российско государственного геологоразведочного университета имени С. Орджоникидзе

Автореферат разослан «23» ноября 2009 г.

Ученый секретарь у

специализированного Совета, к.т.н.,, доцент- лу\ Л.П. Рыжова

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. При подземной разработке месторождений лезных ископаемых наиболее рациональной технологической схемой выемки пасов руды является схема с применением систем разработки месторождений с кладкой выработанного пространства твердеющими смесями, которые еспечивают максимальное извлечение руд и предотвращают сдвижение и рушение земной поверхности. Такая технология благоприятно сказывается на оэкологической обстановке в районе разработки месторождения. Доля именения систем разработки с закладкой в общем объеме добычи руды ставляет в настоящее время более 40 %, однако высокая стоимость вяжущих и ертных заполнителей снижает экономическую эффективность применяемых стем с закладкой выработанного пространства. Для снижения расхода цемента к кладочному материалу в качестве вяжущего компонента добавляют шламы, лаки, хвосты обогащения, т.е. отходы горного и энергетического производств.

Другой областью применения техногенного минерального сырья является о использование для формирования дорожных покрытий в горных выработках, которым перемещается погрузочно-доставочное оборудование (ПДМ) и томобильный транспорт, а также на очистных работах - в камерах при системах работки горизонтальными слоями с закладкой выработанного пространства. В ом случае на поверхности слоев сооружают настилы, по которым перемещается рное оборудование, доставляющее отбитую руду к рудоспуску. Для сооружения стила может использоваться бетонная или из техногенного минерального сырья ердеющая смесь.

Такие настилы исключают потери руды, улучшают условия работы моходных машин, сокращают приток вредных газов из выработанного ространства и потери свежего воздуха, заменяют распорную крепь, что

повышает производительность труда примерно на 10 — 15%, причем области применения таких настилов устанавливается технико-экономическим! показателями деятельности горного предприятия.

Прочность таких настилов устанавливается с учетом массы гружено машины, усилия черпания и площади соприкосновения шин с почвой. Поэтом решаемая задача - обоснование организации работ по формированию и техногенного минерального сырья покрытий в горных выработках и при система горизонтальные слои с закладкой - является актуальной.

Работа выполнялась в рамках программы "Научные исследования высшер школы по приоритетным направлениям науки и техники" подпрограмма 20 "Экология и рациональное природопользование", за 2003-2008 г.г. (01.2.0 107843, 01.2.00 107844) по теме: «Разработка технологии получения новы композиционных материалов из твердых отходов промышленности I использование их для покрытия горных выработок».

Целью работы является обоснование способа организации работ пр утилизации отходов горного производства для формирования искусственны покрытий в горных выработках и очистных камерах из твердеющих смесей, и приготовления и транспортирования, позволяющего повысить безопасност горных работ, снизить экономические затраты на возведение искусственног покрытия и улучшить геоэкологическую обстановку района добычи полезног ископаемого.

Идея работы заключается в том, что при формировании искусственног покрытия в выработках и в очистных камерах следует применять разнопрочны состав твердеющих смесей, который выбирается по его сдвиговой прочности регулируется расходом цемента и использованием в качестве вяжущег компонента отходов горного и металлургического производств.

Научные положения, защищаемые автором:

1. При организации работ по приготовлению в активаторах состава кладочной смеси для покрытий в горных выработках прочность твердеющей кладочной смеси зависит от расхода вяжущего компонента, его типа и личества добавляемого к вяжущему компоненту техногенного сырья, крупности

плотности заполнителя и от перечисленных факторов функционально еличивается по степенному закону.

2. Для смеси с мелким заполнителем и вяжущим компонентом на ментной и цементно-шлаковой основе, или смеси с вяжущим компонентом на ментно-шлаковой основе, но с крупным и очень мелким заполнителем, менение сдвиговой прочности зависит от показателя расхода цемента, который . 1емится к единице.

3. При организации работ по формированию дорожного покрытия из хногенного сырья необходимо предусмотреть заполнение выработанного остранства слоями с различным расходом вяжущего компонента 85 % высоты оя закладывается закладочной смесью с расходом вяжущего компонента на —20 % меньшим, чем при закладке смесью с постоянным расходом вяжущего; рхняя часть слоя заполняется закладочной смесью с большим (на 16%) сходом вяжущего компонента.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и екомендаций подтверждается применением комплексного метода, <. [ючающего: анализ и обобщение достижений отечественной и зарубежной рной науки и практики в области управления состоянием массива горных пород кладкой выработанного пространства при подземной разработке есторождений, установление закономерностей между технологическими араметрами и экономическими показателями, экономико-математическое

моделирование с использованием методов математической статистики I апробацией научных положений на горных предприятиях.

Научное значение работы заключается в установлении закономерносте изменения прочности твердеющей закладочной смеси от расхода цемента, типа количества добавляемого к вяжущему компоненту техногенного сырья, крупност и плотности заполнителя при организации работ по формированию дорожны покрытий в горных выработках и в очистных камерах для сокращения потер руды, улучшения условий работы самоходных машин, сокращения приток вредных газов из выработанного пространства и потери свежего воздуха, чт повышает производительность труда и сохраняет в целом геоэкологическ) обстановку в районе очистных работ.

Практическое значение работы состоит в разработке организационны мероприятий по формированию разнопрочных искусственных закладочны дорожных покрытий, позволяющих снизить затраты на приготовлени твердеющих закладочных смесей за счет использования техногенног минерального сырья и сохранения геоэкологической обстановки район проведения горных работ.

Реализация работы. Результаты исследований использованы в проекта института «Гипроцветмет». Установленные закономерности и разработанны практические рекомендации используются в учебном процессе при изучени дисциплин «Управление состоянием массива горных пород» и «Горное дело окружающая среда».

Апробация работы. Основные научные положения и результата исследований докладывались на Международных научно-практически конференциях «Наука и новейшие технологии при поисках, разведке и разработк месторождений полезных ископаемых» 2005-2008 г.г.

Публикации. Основные положения диссертации изложены в 7 убликованных работах, в т.ч. одной монографии.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из едения, 4 глав и заключения, изложенных на 130 страницах машинописного кета, содержит 21 рисунка, 40 таблиц и список литературы из 73 наименований.

Основное содержание работы

В процессе ведения горных работ вокруг горных предприятий образуются хногенные массивы, состоящие из крупных и измельченных обломков горных ород, которые занимают значительные площади. Со временем эти разрыхленные рные породы преобразуются в особые искусственные массивы, свойства оторых значительно отличаются от разрыхленных пород в процессе отделения от естественного массива

Свойства техногенных массивов определяются как составом их атеринской породы, характером ее первичного разрушения, так и процессами онсолидации. Такие породы представляют из себя твердое тело, свойства оторого в значительной степени определяются кусковатостью, их связанностью, ормой и влажностью. Техногенные массивы имеют упорядоченное строение, пределяемое схемой и способом укладки, применяемой техникой.

Проблема предупреждения и ликвидации нежелательных последствий оздействия горнодобывающих предприятий на геологическую среду, которое по асштабам может быть сопоставимо с природной геологической деятельностью, а о интенсивности может превосходить ее, имеет большое практическое значение, аибольшие успехи при решении этой проблемы могут быть достигнуты при ассмотрении не только экономической стороны проблемы, требующей при своем ешении весьма больших материальных и трудовых затрат, но и экологических.

Для решения проблемы в целом требуется комплексный подход, начиная с геолого-экономической оценки разведуемых месторождений горнодобывающих и перерабатывающих предприятий. Такой подход должен включать в себя: совершенствование способов добычи и переработки техногенного сырья; сокращение масштабов нарушенное™ массивов горных пород и земель.

Вопросам применения техногенных образований в отечественной и зарубежной практике посвящено значительное число исследований. Наибольший вклад в решение задач применения техногенных образований для возведения закладочных массивов и использования их для различных технологических нуж внесен работами Бакка Н.Т., Буянова Ю.Ф., Брюховецкого О.С., Галченко С.П., Назаренко C.B., Карасева Ю.Г., Ломоносова Г.Г., Резниченко С.С., Сычева Ю.И., Ткача В.Р., Трубецкого К.Н., Федорина В.Ю., Христолюбова В.Д., Эйриха В.И. и др.

Проблема организации работ по утилизации отходов горного производства для формировании искусственных дорожных покрытий в горных выработках и на очистных работах состоит в обосновании статической (за счет гравитационной составляющей напряжений без сдвига по плоскостям скольжения при движении самоходного оборудования) нормативной прочности покрытия при использовании в качестве вяжущих отходов горного и энергетического производств возникла при разработке сложноструктурных месторождений типа Шокпак - Камышовое (Северный Казахстан) и доработке запасов Тишинского рудника.

На горных предприятиях статическая прочность твердеющих смесей для дорожных покрытий подбирают с учетом предварительной подготовки смесей перед её размещением на почве горной выработки или в выработанное пространство с учетом его размеров. Для приготовления твердеющей смеси применяют вяжущие из портландцемента М-400 или мокро-молотого доменного

лака. Для получения прочности в диапазоне 0,5-1,5 МПа расход цемента ставляет 70, 50, 30 кг/м3, а шлака, соответственно, 130, 150,200 кг/м3.

Исследованиями по определению статической прочности покрытия из ердеющей закладки установлено, что между расходом цемента и прочностью шествует прямая зависимость, зависящая от крупности заполнителя в составе еси на её прочностные качества. С этой целью были проведены испытания на бразцах.

Прочность твердеющей смеси («,,) .

МПа

0.5 l.O 1,5 2.0 2,5 3,0 3,5 4,0

Рис. 1. Зависимость прочности закладки в образцах от расхода ортландцемента М:400 при твердеющей смеси: 1-е мелким заполнителем на ементном вяжущем компоненте; 2- то же на цементно-шлаковом вяжущем омпоненте; 3- с крупным заполнителем на цементно-шлаковом вяжущем омпоненте;4 - с очень мелким заполнителем на цементно-шлаковом вяжущем омпоненте.

Результаты исследований сведены в семейство графиков, представленных на рис.1. Кривая 1 построена по стандарту при использовании песка с удельной поверхностью 12-14 м2/кг и цементно-шлакового вяжущего, а кривая 2 - по результатам обработки данных закладочного комплекса рудника при тех же компонентах. Кривая 3 описывает расход цемента в случае применения крупного заполнителя. Она построена по данным статистической обработки результатов работы закладочной установки. В составах этой закладки - шлако-цементное вяжущее и смесь из дробленых пород и песчано-гравийной смеси с удельной поверхностью 3-6 м2/кг. Кривая 4, построенная по результатам исследований описывает расход цемента в составах на шлако-цементном вяжущем с очен мелким заполнителем.

Параметры твердеющей закладки с очень мелким заполнителем и хвостов обогащения исследованы при компонентах: портландцемент М:400 -15 кг/м3, зола с электрофильтров ГРЭС - 80 кг/м3, хвосты -1100 кг/м3, и воды 480 500 л/м3. Прочность в 28 - дневном возрасте 2-3 МПа.

Расход цемента можно снизить укрупнением поверхности стандартног заполнителя (в пределах 13 м2/кг) до значений, описанных кривыми 1, 2, 3 посредством добавления более крупного материала. Соотношение объемов весов материалов:

у, __УкшУи'(3ст-8к) ^

Ум" (8м ~ 8ст ) + У к' (8ст ~~ ®к )

где Ум - объем очень мелкого песка до смешивания его с крупным материалами, м3; У,^- объем очень мелкого песка после смешивания его крупным материалом, м3; у _ плотность очень мелкого песка, кг/м3; у -

плотность добавляемого крупного материала, кг/м3; в« - удельная поверхност очень мелкого песка, м2/кг; в к - удельная поверхность крупного песка, м2/кг;

ст - удельная поверхность мелкого песка, принятого при подборе составов, аложенных в стандарте, м2/кг (13 м2/кг).

При одинаковой плотности очень мелкого песка и добавляемого крупного атериала их объемы и массы соотносятся:

На основании экспериментов были получены функциональные ависимости изменения статической прочности закладочной смеси (стст) от асхода цемента (дц)при различной крупности заполнителя. В общем виде эти ависимости описываются степенной функцией:

где а, р - коэффициенты пропорциональности, определяющие крупность,

V'

лотность и характер вяжущего в твердеющей смеси покрытия; п ---

оказатель расхода, представляющий отношение объемов очень мелкого песка до мешивания его с крупными материалами и после смешивания, тсюда следует, что при организации работ по приготовлению в активаторах остава закладочной смеси для покрытий в горных выработках прочность вердеющей закладочной смеси зависит от расхода вязнущего компонента, о типа и количества добавляемого к вяжущему компоненту техногенного ырья, крупности и плотности заполнителя и от перечисленных факторов унщионально увеличивается по степенному закону. Таким образом, для смеси с заполнителем: • мелким на цементном вяжущем компоненте (кривая 1 рис.1.)

V

(2)

(3)

а = 0,5358 ■ I 0,266 • /а -1 ст ^ V Д

• то же на цементно-шлаковом вяжущем компоненте (кривая 2 рис. 1)

СТ = 0,3967 [ 1 + 0,0262-а ст ^ ц

• крупным на цементно-шлаковом вяжущем компоненте (кривая 3 рис. 1);

СТ = 2,55- 0,0495-За -1 ст ^ \ ц

• очень мелким на цементно-шлаковом вяжущем компоненте (кривая 4 рис.

1)

СТ =0,815-[ 1 + 0,0748-я ]

ст V НУ

Коэффициент корреляции в среднем составляет 0,96.

4. Таким образом, для смеси с мелким заполнителем и вяжущим компонентом на цементной и цементно-шлаковой основе, или смеси с вязнущим компонентом на цементно-шлаковой основе, но с крупным и очень мелким заполнителем, изменение сдвиговой прочности зависит от показателя расхода цемента, который стремится к единице.

Соотношение статической нормативной прочности закладочной смеси и прочности контрольных кубиков, изготовленных из смеси на сливе смесителя закладочной установки:

о'ст=-—-. (4)

К1К2'К3К4

где стг - нормативная прочность закладки в массиве, МПа; а'г - нормативная прочность закладки в образце, МПа; К1 _ коэффициент, учитывающий неоднородность массива.

где К вар - коэффициент вариации для условий рудника Шокпак -25-35%, огда К1 = 0,65-0,75; К2 - коэффициент, учитывающий увеличение прочности акладки в зависимости от времени твердения, принимается равным соотношению очности образцов, отобранных на сливе смесителя в 90 дневном возрасте, к рочности в 28- дневном возрасте:

Коэффициент К2 принимается для закладки на цементном вяжущем омпоненте -1,2 и цементно-шлаковом вяжущем компоненте - 1,3.

К3 - коэффициент, учитывающий изменение прочности закладки в ассиве относительно контрольных кубов. Если прочность в искусственном ассиве меньше, чем образцов, отобранных на сливе смесителя закладочной становки, в 1,15-1,25 раза, то К3 =1/1,15 -1/1,25 = 0,8 -0,87; К» - коэффициент словий работы, при длительности закладки слоя из твердеющей смеси в чистной камере до 2 месяцев - 0,85, при больших сроках - 0,6.

Одними из основных направлений утилизации техногенного инерального сырья являются: технологии по возведению закладочных массивов, одержащих в качестве заполнителя пустые породы карьерных отвалов и ерриконов, а в качестве вяжущего компонента хвосты обогащения или золы лектростанций; шлаки от металлургического производства; а также спользование техногенных отходов горного производства для малоэтажного ажданского строительства. Ниже рассмотрена технология утилизации ехногенного сырья с добавлением вяжущих компонент применительно к ормированию сложной структуры покрытия почвы горных выработок.

°90

(6)

Такие покрытия необходимы при проведении капитальных, подготовительных выработок и на очистных работах. Они позволят сохранить длительное время без ухудшения механические характеристики погрузочно-доставочных машин, работающих при системе разработки горизонтальные слои с закладкой выработанного пространства и повысить производительность блоков.

С этой целью необходимо изучить несущую способность и компрессионные свойства уплотненных покрытий из техногенных отходов, а для этого выявить факторы, влияющие на неё.

В практике горного дела наиболее часто встречаются два случая нагружения закладочного массива из техногенного сырья. В первом случае нагружение массива происходит без возможности его бокового расширения (компрессионное сжатие). Во втором случае нагрузка действует на ограниченную площадь поверхности (передвижение забойного оборудования по закладочному массиву, давление крепи и т. д,), при этом деформация (осадка) материала под опорной поверхностью происходит в границах сыпучего полупространства.

В зависимости от плотности материала (во втором случае) его деформации могут сопровождаться выпиранием масс в стороны (общий сдвиг) либо уплотниться под нагруженной поверхностью (местный сдвиг). Под несущей способностью, как в первом, так и во втором случаях понимается реакция закладочного массива под нагруженной поверхностью, соответствующая заданной величине его деформации.

В реальных условиях при работе оборудования и механизмов в забое условия взаимодействия их опорных элементов с закладочным массивом, имеющим ка плотное, так и рыхлое сложение, могут существенно отличаться характеризуются изменением в широком диапазоне плотности и строения закладочного массива, площади и формы опорной поверхности и характер воздействия нагрузки.

Для определения прочности и деформаций закладочных массивов под оздействием опорных элементов машин, механизмов и крепи были выявлены сновные факторы, влияющие на его несущую способность. Все факторы, лияющие на несущую способность закладочного массива, можно разделить на и группы: 1 — факторы, характеризующие условия нагружения: вид нагрузки равномерно распределенная, внецентренная); характер нагрузки (статическая, инамическая); глубина установки опоры относительно поверхности основания, од нагрузкой глубина погружения опоры; 2 — геометрические параметры порной поверхности (её площадь и форма); 3 — физико-механические свойства атериалов и строение основания (вид, плотность и влажность материала в сновании).

При определении изменчивости физико-механических характеристик добнее использовать комплексный метод исследования — испытания штампом в очетании с динамическим зондированием, — что позволяет за сравнительно ороткий промежуток времени обследовать большие площади закладочных ассивов в различные периоды их укладки в выработанное пространство.

Вследствие того, что испытание закладочного массива штампом зондирование) проводилось на Московском заводе сухих смесей по методике узПУ и характеризуется большой трудоемкостью и занимает много времени, пыты со штампом проводились в наиболее характерных и удобных для азмещения оборудования точках закладочных массивов. В опытах использовали руглый жесткий штамп площадью 400 см2. Нагружение закладочных массивов тампом производили непрерывно возрастающей нагрузкой.

Метод зондирования использовали для определения удельного веса, а акже косвенной оценки несущей способности закладочных массивов. Глубина ондирования определяется исходя из глубины возможного распространения апряжений под опорными элементами машин.

-16В соответствии с моделью линейно-деформируемого полупространства сжимающее напряжение под центром загруженной площадки:

о* = Ко Р, (7)

где Ко — эмпирический коэффициент, Р - величина нагружения, МПа Ширина ходовой части самоходного оборудования, используемого для очистной выемки, и выемочных машин находится в пределах 20 - 50 см. Распределение напряжений под нагруженной площадкой шириной и длиной менее одного метра представлено на рис. 2, из которого видно, что основная доля напряжений имеет распространение до глубины ъ = 1 м, поэтому глубину зондирования принималась не менее 1 м.

Вес груза для динамического зонда в соответствии определялся из условия:

1<<2Л1<2, (8)

где <} и я — соответственно вес груза и зонда.

Угол заострения конуса выбирали из условия минимального сопротивления материала погружению зонда. Диаметр штанг был принят равным 16 и 20 мм.

В результате испытаний установлены эмпирические зависимости между условным динамическим сопротивлением зондированию Рд и удельным весом закладочных материалов у (рис. 3):

у = АРда + В, (9)

где А, В, а - эмпирические коэффициенты, зависящие от крупности и физико-механических свойств закладочного материала (А = 0,54, В = 1,32, а = 0,61 - для крупнокускового дробленного закладочного материала из отвалов с добавления вяжущего компонента в верхнем слое покрытия и А = 1,22, В = 0,05, а = 0,1 - без добавлением).

Рис.2. Распределение вертикальных напряжений аг под опорной оверхностью по глубине ъ.

3500 х 3000

«о &

Т: 1500 Ч

I 2000

в.

V X

I 1500 л

X 1000 н

^ 500 О

Рис.3. Зависимость между сопротивлением зондирования Рд и плотностью для крупнокускового дробленного закладочного материала из отвалов с обавлением вяжущего в верхнем слое покрытия (1) и без добавления (2)

Исследования закладочных массивов из отвалов с добавлением вяжущего омпонента, со штампом и зондом проводились на очистных участках 6, 7 оризонтов Тишинского рудника при применении системы горизонтальные слои с

1 1 ^ 1 Г*"

/

_1 /

О 2 * « I

Сопротввлеяае зовдвроваавю, Рд, МПа

2

закладкой выработанного пространства при выемке прибортовых запасов месторождения.

На рис.4, приведена схема организации очистных работ применительно к системе горизонтальные слои с закладкой выработанного пространства с нанесением вяжущего компонента на верхний слой закладочного крупнокускового дробленного, материала из отвалов.

Рис. 4.. Схема организации очистных работ на слое для системы горизонтальные слои с закладкой (а) и возведения разнопрочного закладочного массива из крупнокускового, дробленного материала из отвалов массива с нанесением вяжущего компонента на верхний слой (б): 1 - транспортный уклон; 2 - слоевой орт; 3 - слоевая перемычка; 4 — закладочный восстающий; 5 - торцевая перемычка; 1-1У - порядок проведения работ по формированию покрытия (I -уборка отбитой руды; II - возведение перемычки; III - закладка слоя твердеющей смесью на основе крупнокускового, дробленного материала из отвалов; IV -укладка более прочного слоя толщиной до 0,5м).

Это необходимо для свободного маневрирования на слое самоходного орудования и снижения потерь и разубоживания (в среднем на 1,5-2%) лезного ископаемого.

Формируемая таким способом верхняя часть слоя при неравномерности дачи смеси, излишнего в ней количества воды имеет довольно значительные достатки, такие, как образование кратеров в месте поступления смеси, потоки и плывы, представляющие технические неудобства для передвижения моходного оборудования по слою и уборке отбитой руды.

1800

| 1750

и

| 1700

о

0 1650

1 в

I Ь 1600

я -5

| ^ 1550

£ 1500

о

| 1450

ч

К 1400

Рис. 5. Изменение плотности закладочных массивов за период отработки оя: 1 - крупнокусковой дробленный закладочный материал из отвалов с бавлением вяжущего компонента в верхнем слое покрытия и 2 - тоже без бавления вяжущего компонента.

держание в закладочном массиве вовлеченного воздуха, поступающего с кладочной смесью при пневматическом ее транспортировании по трубам,

1 "" ■■ с >— —ч.

ф

С г

0 2 4 6 8 10

Время отработки слоя, I, сут.

обусловливает пористую структуру массива, требующую в ряде случае дополнительного уплотнения вибраторами типа виброкатков, применяемых дорожном строительстве.

Анализ результатов уплотнения закладочных массивов на опытны участках по данным динамического зондирования показал, что основно уплотнение закладочных массивов под действием силы тяжести происходит первые трое суток (рис. 5). Пространственное изменение плотности и несуще способности по длине слоя определялось путем испытаний закладочных массиво штампом и зондом в течение двух суток (рис. 6).

0 10 20 30 40 50 Длина слоя закладочного массива, Ь,м

Рис.6. Распределение плотности (1) и несущей способности (2 закладочного массива по длине слоя.

Сопоставление результатов отдельных измерений плотности и несущей особности с особенностями расположения исследуемых зон по площади забоев казало, что при формировании закладочных массивов из мелкокусковых горных род с выпуском закладочного материала из одной точки наблюдаются рактерные, ослабленные зоны в районах закладочного восстающего. Это пвано вымыванием мелких фракций из пор массива.

Для определения влияния площади опорной поверхности на несущую особность и деформационные свойства закладочных массивов использовали углые штампы площадью 100, 400, 1000, 2500 и 5000 см2 с нагружением их прерывно возрастающей нагрузкой.

Анализ результатов экспериментов показал, что между реактивным противлением материалов вдавливанию, площадью опорной поверхности и личиной вертикальной деформации существует степенная зависимость рис. 7.

Опыты также показали, что для штампов площадью менее 1000 см2 висимость между напряжением и деформацией нелинейна и хорошо исывается эмпирическими выражениями:

Р = Аг° + <р, (9)

где А, а, ф - коэффициенты, зависящие от физико-механических свойств кладочных массивов.

Для штампов площадью более 1000 см2 зависимость имеет линейный рактер и аппроксимируется уравнением прямой (а=1):

Р = Аг + ф, (10)

При нагружении прямоугольной площадки с различным соотношением орон величина несущей способности определяется не общей площадью опорной верхности, а главным образом ее шириной.

едовательно, с увеличением глубины погружения ходовой части выемочной шины пропорционально будет возрастать и сопротивление материала

движению машины, что может в конечном итоге привести к ее буксованию нарушению проходимости.

1

„ < у ■г

{ / у

/ , 1 1 '

0 2 4 6 8

Несущая аюсобшсп гак ладо чно го мае ста Р, МПа

-3

-—С 1

„ г к

0\ 1" 1

/ I

0 2 4 6 8

Несущая способность ¡акладочного массша Р, МПа

-2

-3

Рис.7. Кривые Р—г вдавливания штампов различной площади в закладочны массив с добавлением вяжущего (а) и без его добавления (б).

Таким образом, в зависимости от размера ходовой части могут возникать кие условия, когда максимальная несущая способность основания еще не стигнута, а движение машины уже невозможно. Все это зависит от способа и чества возведения и формирования покрытия.

Бетонные покрытия (настилы) возводят двумя способами: брызгиванием (торкретированием) и разливом смеси. При первом способе ой цемент и песок перемешивают в бетономешалке. Сухую смесь загружают в ркрет-машину, сжатым воздухом подают в очистной забой к соплу, где ачивают и наносят на поверхность породной закладки. Перед бетонированием верхностный слой породы разравнивают, толщину наносимого бетонного крытия контролируют по установленным реперам.

Второй способ бетонирования заключается в разливе бетоно-твердеющей еси. В бетономешалке приготовляется жидкая смесь и перегружается в евмонагнетатель, из которого сжатым воздухом по трубопроводу диаметром О—150 мм раствор подается в рабочие блоки и из шланга разливается по верхности закладки. Для транспортирования по трубопроводу смесь должна ладать более высокой подвижностью, чем при набрызгивании, что достигается еличением водовяжущего отношения до 0,8—1. В результате предел прочности сжатие материала снижается на 20—25%. Недостаток организации работ по зведению бетонного покрытия является расслоение смеси в пневмонагнетателе и ее транспортировании.

Состав смесей для возведения бетонного настила принимают в висимости от предъявляемых требований по прочности, технологии возведения срокам твердения (табл. 1).

ализ опыта организации работ по возведению бетонных покрытий на почве рных выработок показал, что основным влияющим фактором применения крытий из техногенного сырья является прочность наносимого слоя смеси.

Сравнивая данные таблицы 1 и эмпирические зависимости набор прочности смесей с различными по крупности заполнителями из техногенног сырья можно

утверждать, что покрытия на бетонной основе по прочности совпадают прочностью покрытий, например, с крупным заполнителем на цементно шлаковом вяжущем (кривая 3 рис. 1).

Таблица

Предел прочности на сжатие песчано-цементных смесей

Соотношение цемент/песок + дробленная порода (по объему) Марка цемента Водоцементное отношение В/Ц Предел прочности на сжатие, МПа, в возрасте, суток

2 14

1:4 ПЦ М 400 0,5 2 —

1:5 ПЦ М 400 0,5 1,3 2,5

1:4 ШПЦ М 400 0,5 1,5 —

На основании сравнительного анализа необходимо обосновать прочност и толщину наносимого слоя покрытия из техногенного сырья на почву горны выработок. Учитывая прочностные характеристики закладываемого слоя параметры самоходного оборудования, минимально допустимая толщи покрытия определяется по следующей формуле:

6М

(П)

Ьш-ПСТиз

где М — максимальный изгибающий момент, Н-м; Ь — ширина упруго основания, соответствующая ширине следа колеса, м; т — коэффицие характеризующий условия работы покрытия (принимается 0,8—1,0); ц коэффициент неоднородности закладочного массива (т) = 0,6—0,8); ою - предел

очности материала покрытия на растяжение при изгибе [ои, = (0,06— 0,11) Яс*]; - предел прочности материала покрытия на одноосное сжатие), МПа.

При толщине покрытия 0,5 м необходимая прочность закладки для именяемых типов ПДМ на момент заезда составляет (МПа): ПД-5 - 0,7; ПД-8 -; ПД-12 - 1,5. Зависимость толщины упрочненного слоя закладки (Ь„) от её очности (оп) имеет по нашим исследованиям с коэффициентом корреляции 0,95 едующий вид:

аа = стсл' ехР

1т

ЧЬпу

(12)

где Ои - прочность остальной части заложенного слоя составляет 0,3—0,4 Па.; Ьш - максимальная толщина упрочненного слоя при оп = 1 МПа и леблется от 0,65 до 0,8 м.

На рис. 8. приведен график зависимости толщины упрочненного слоя кладки от её нормативной прочности.

Толщина упрочненного слоя закладки Ьп, см

с. 8. График зависимости толщины упрочненного слоя закладки (Ь„) от её рмативной прочности (оп).

Как видно из формулы (12) и графика приведенного на рис.8 величин нормативной прочности закладочного массива зависит от толщины верхнег упрочненного слоя закладки и изменяется от этого фактора по экспоненциально зависимости.

Если закладочный массив имеет предел прочности на сжатие 0,2 - 0, МПа, то верхнюю его часть (бетонное покрытие) возводят из материала толщино 35 - 50 см, предел прочности которого около 1 МПа, что обеспечивав нормальные условия для работы тяжелого самоходного оборудования.

В случае последующей подработки искусственного массива прочност закладки нижнего слоя должна соответствовать требованиям нисходящей выемк

Организация работ по формированию дорожного покрытия из отходо горного производства заключается в заполнении выработанного "пространств слоями с различным расходом вяжущего компонента (рис.9).

Рис. 9. Технологическая схема слоевой выемки с закладкой: 1 - рудное тело; 2 самоходная буровая установка; 3 - шпуры; 4 - отбитая руда; 5 - погрузочн доставочная машина; 6 - закладочный массив; 7 - покрытие из утилизированнь пород слоя закладки; 8 - рудоспуск.

На основании анализа существующей организации работ по возведению крытий из техногенного сырья с добавлением вяжущего компонента был добран оптимальный состав 1 м3 закладочной смеси для условий разработки с етом зависимостей (3,11,12), включающий: цемент М:400 -130 кг/м3, зола от ЭС - 90 кг/м3, хвосты обогащения - 1000 кг/м3, пустые породы с удельной верхностью 3-6 м2/кг - 100 кг/м3, вода - 480 л/м3. При организации работ по рмированию дорожного покрытия из техногенного сырья необходимо едусмотреть заполнение выработанного пространства слоями с гичным расходом вязнущего 85 % высоты слоя закладывается закладочной есью с расходом вязнущего, на 17—20 % меньшим, чем при закладке смесью постоянным расходом вязнущего; верхняя часть слоя заполняется гадочной смесью с большим (на 16%) расходом вязнущего.

Анализ организаций работ по формированию покрытий из техногенного рья разнопрочными составами показал, что в зависимости от соотношения ъемов закладки величина прибыли на 1 т добытой руды возрастает на 8-10% по авнению с базовым составом твердеющей закладки за счет снижения расхода жущих и инертных заполнителей в 2,2-2,5 раза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано решение научной задачи - обоснование ганизации работ по формированию из техногенного минерального сырья крытий в горных выработках и при системах горизонтальные слои с закладкой, зволяющего повысить безопасность горных работ, снизить экономические 1аты на возведение искусственного покрытия и улучшить геоэкологическую становку района добычи полезного ископаемого.

Основные научные и практические результаты выполненны исследований заключаются в следующем:

1. Установлено, что оценку отходов промышленного производства позиции дальнейшего их использования для изготовления строительны материалов следует производить по их агрегатному состоянию в момен выделения их из основного производственного процесса, в котором следуе выделять класса:

в первый класс входят отходы, не утратившие природные свойств (породы вскрыши и хвосты обогащения);

ко второму классу относятся искусственные продукты, полученные результате глубоких физико-химических процессов. Это в первую очере крупный камень, щебень, пески - остатки после выщелачивания, сепарации отмучивания, а также суспензии, шламы, грязи.

третий класс составляют продукты, образовавшиеся в результа длительного хранения техногенного сырья в отвалах. В основном они состоят суспензии, порошков, песков, щебня.

2. Взаимодействие всех составных частей отходов промышленно производства следует рассматривать по трем основным направлениям:

- взаимодействие минеральных составляющих (при нормально температуре и давлении; при повышенной температуре и давлении; при высок температурах и давлении);

- взаимодействие органических составляющих (при нормальн температуре и давлении, при повышенной температуре и давлении);

- взаимодействие минеральных и органических составляющих (п нормальной температуре и давлении, при повышенной температуре и давлени при повышенном давлении, при повышенной температуре).

-293. При разработке композиций для новых строительных материалов из ногенных продуктов необходимо учитывать микроколичества редких и иоактивных элементов.

4. При производстве строительных материалов (настилов) из отходов омышленного комплекса, например, Афанасьевского карьера, где имеются

оды суглинка, супеси, глины, мергеля, доломита, известняка, следует емиться к максимальному удалению из этих отходов глин и органических имесей, используя получающиеся при этом жидкие экстрактивные отходы в оцессах приготовления вяжущих растворов бетонных настилов.

5. Широкое использование отходов горной промышленности для оизводства строительных материалов невозможно без внедрения экологически стых методов получения прессованных стеновых изделий методом полусухого рмования.

6. Основным методом управления свойствами закладочной смеси из ногенного сырья для дорожных покрытий при сохранении статической мативной прочности возводимого закладочного массива является замена ента, чаще всего, шлаками доменного производства путем изменения тношений исходных компонентов в составе смеси.

7. Показателем эффективности частичной замены цемента служит тношение шлака и цемента в составе комбинированного вяжущего. При готовке в шаровых мельницах для замещения 1 части цемента требуется 8-20 тей шлака, а при подготовке в дезинтеграторной установке - только 6-8.

8. При дорожном строительстве статическая прочность (за счет витационной составляющей напряжений без сдвига по плоскостям скольжения

движении самоходного оборудования) твердеющих смесей для дорожных )ытий подбирают с учетом предварительной подготовки смесей перед её

размещением на почве горной выработки или в выработанное пространство учетом его размеров.

9. Для приготовления рекомендованной твердеющей смеси следуе применять вяжущие компоненты из портландцемента М-400 или мокро-молотог доменного шлака. Для получения прочности в диапазоне 0,5-1,5 МПа расхо цемента составляет 70, 50, 30 кг/м3, а шлака, соответственно, 130, 150,200 кг/м3.

10. При организации работ по приготовлению в активаторах закладочно смеси для покрытий в горных выработках прочность твердеющей закладочно смеси зависит от расхода вяжущего компонента, его типа и количест добавляемого к вяжущему техногенного сырья, крупности и плотност заполнителя и от перечисленных факторов функционально увеличивается степенному закону.

11. Для смеси с мелким заполнителем и вяжущем на цементной цементно-шлаковой основе, или для вяжущего на цементно-шлаковой основе, но крупным и очень мелким заполнителем, изменение сдвиговой прочности завис от показателя степени расхода цемента, который стремится к единице.

12. Основными технологиями утилизации техногенного сырья являют технологии по возведению закладочных массивов, содержащих в качест заполнителя пустые породы из карьерных отвалов и терриконов, а в качест вяжущего компонента могут использоваться хвосты обогащения или зол электростанций; доизвлечение тяжелых металлов их хвостов обогащени использование отходов горного производства для малоэтажного, гражданско строительства; для формирования дорожного покрытия почвы горных выработ из техногенного сырья с добавлением вяжущего вещества.

13. Для определения прочности и деформаций закладочных массивов п воздействием опорных элементов машин, механизмов и крепи были выявле основные факторы, влияющие на его несущую способность. Все факторы,

ияющие на несущую способность закладочного массива, можно разделить на и группы: 1 — факторы, характеризующие условия нагружения: вид нагрузки вномерно распределенная, внецентренная); характер нагрузки (статическая, намическая); глубина установки опоры относительно поверхности основания, д нагрузкой глубина погружения опоры; 2 — геометрические параметры орной поверхности (её площадь и форма); 3 — физико-механические свойства териалов и строение основания (вид, плотность и влажность материала в новании).

14. Усилие, необходимое для погружения статического зонда в шдочный массив, следует рассчитывать по величине удельного реактивного

противления материалов при вдавливании штампов. Предварительные опыты тическим зондом показали, что сопротивление массивов значительно выше, ожидалось, и составляло 3,5—6,0 МПа для пустых техногенных пород вместо -1,7 МПа по испытаниям штампами.

15. По данным динамического зондирования установлено, что отнение закладочных массивов под действием силы тяжести (от самоходного

орудования) происходит в первые трое суток.

. Влияние эксцентриситета приложения нагрузки на несущую способность тдочных массивов установлено с помощью двойного штампа, делирующего ходовую часть выемочной машины. С увеличением центриситета интенсивность деформаций основания под штампом для инаковых значений нагрузок существенно возрастает. Осадка штампа в точке иложения силы в диапазоне изменения нагрузки от 0 до 0,3 МПа для пнокусковых, дробленных пород без вяжущего и до 0,1 МПа для тех же пород добавлением вяжущего при величине эксцентриситета е = 04- 06- 08 по внению с его погружением при равномерно распределенной нагрузке (е = 0), растает соответственно в 1,2; 1,8; 3,5 и 3,3; 7,6; 15 раз (при величине

эксцентриситета более 0,4 наблюдается интенсивный рост деформаци закладочных массивов.).

17. Результаты исследований использованы в проектах институт «Гипроцветмет» и могут быть рекомендованы для горных предприятий, ведущи разработку месторождений системами горизонтальные слои с твердеюще закладкой выработанного пространства и утилизирующих свои отходы дл формирования дорожных покрытий.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Агапов Е.В., Гареев A.M., Курносов A.M., Полтавец И. Геоэкологические особенности разработки месторождений полезных ископаемы /Под редакцией проф. Боровкова Ю.А. - М.: НИА-Природа, 2004. - 174 с.

2. Агапов Е.В., Гареев A.M., Курносов A.M., Полтавец И.А. и д Вопросы экологического обоснования разработки месторождений полезнь ископаемых //Материалы V Международной научно-практической конференц «Наука и новейшие технологии при поисках, разведке и разработ месторождений полезных ископаемых».- М.: РГГРУ, 2006,с. 60.

3. Агапов Е.В., Гареев A.M., Курносов A.M., Полтавец И. Геоэкологические особенности разработки месторождений полезных ископаемь /Под редакцией проф. Боровкова Ю.А. - М.: НИА-Природа, 2004. - 174 с.сов A.I Полтавец И.А. и др. Новый подход к управлению отходами //Материалы Международной научно-практической конференции «Наука и новейш технологии при поисках, разведке и разработке месторождений полезнь ископаемых».- М.: РГГРУ, 2006,с. 61.

4. Боровков Ю.А., Гареев A.M., Никитин С.Е. Геоэкологический подход определению несущей способности закладочных массивов из отвал техногенного минерального сырья для покрытия почвы горных выработок

атериалы V Международной научно-практической конференции «Наука и вейшие технологии при поисках, разведке и разработке месторождений езных ископаемых».- М.: РГГРУ, 2006, с. 294

5. Боровков Ю.А., Гареев A.M., Тофайл А. Выбор состава материала из алов техногенного минерального сырья для покрытия почвы горных работок //Материалы V Международной конференции

сурсовоспроизводящие, малоотходные и природоохранные технологии оения недр», Москва - Кызыл-Кия, 18-22 сентября, 2006, с. 188-190.

6. Исмаилов Т.Т., A.M. Гареев, A.M. Курносов И.А., Полтавец Разработка одики геоэкологической оценки воздействия на земельные ресурсы горных дприятий при развитии горных работ //Горный журнал Известия ВУЗов -ердловск, 2007, №1,с.27-29.

7. Боровков Ю.А., Гареев A.M Особенности определения несущей собности закладочных массивов из отвалов техногенного минерального сырья покрытия почвы горных выработок //Горный информационно-аналитический

ллетень, 2007, №12, с.18-22.

Отпечатано в типографии РГГРУ Заказ №44 Подписано в печать 15.11.2009г. Формат 60x90/16. Тираж 100 зк. Лицензия №020849 от 04.01.94 г.