автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Повышение эффективности системы этажного принудительного обрушения за счет создания экранирующей поверхности на границах вторичных блоков

Р Г Б ОД

О ТОО

- О и,'.}и 15.10

" На правах рукописи

ХАЙРУТДИНОВ Марат Минизяетович

УДК 622.272.132:622.257.14(043)

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМЫ ЭТАЖНОГО ПРИНУДИТЕЛЬНОГО ОБРУШЕНИЯ ЗА СЧЕТ СОЗДАНИЯ ЭКРАНИРУЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ НА ГРАНИЦАХ ВТОРИЧНЫХ БЛОКОВ

Специальность 05.15.02 — «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1998

Работа выполнена в Московском государственным горном университете.

Научный руководитель канд. техн. наук, проф. В. Ф. АБРАМОВ.

Научный консультант канд. техн. наук, проф. А. А. ФОРСЮК..

Официальные оппоненты: док-г. техн. наук И. И. АЙНБИНДЕР, канд. техн. наук В. А. ГАЛКИН.

Ведущее предприятие — «ГИПРОЦветмет».

Защита диссертации состоится « /¡>. » 1998 г

в /3. час. па заседании диссертационного совете К-053.12.02 в Московском государственном горном универси тете по адресу: 117935, Москва, В-49, Ленинский пр., 6. "

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке уннвер ситета.

Автореферат разослан « . . 1998 г

Ученый секретарь диссертационного совета

канд. техн. наук, доц. В. Н. КОРОЛЕВА

Общая характеристика работа

Сложность экономического положения большинства горнодобывающих предприятий РФ предопределяет направление исследовательских и конструкторских работ на поиск, обоснование параметров и разработку технологий, предусматривающих снижение затрат на добычу при высоком уровне количественных и качественных показателей извлечения полезного ископаемого из недр.

Применение систем разработки с закладкой выработанного пространства литыми смесями позволяет решить задачи по обеспечению качества добываемой руды при низком уровне потерь, однако требует весьма высоких затрат как капитальных, так и текущих.

Наиболее экономичными и безопасными, позволяющими эффективно управлять горным давлением посредством обрушения налегающей толщи, 1 являются технологии, предусматривающие массовую отбойку руды и выпуск ее под обрушенными породами..

Опыт применения таких■технологических решений показывает, что существенным их недостатком являете^, высокий уровень потерь и разубоживания руда Однако уровень потерь и разучивания руды зависит от многих факторов и особенно от количества плоскостей контактов выпускаемой руды с обрушенными породами -чем меньше количество и площадь контактов, тем лучше эти показатели.

Следовательно, решить проблему обеспечения высоких количественных и качественных показателей добычи при относительно низком уровне затрат возможно путем модернизации систем с обрушением руд и вмещающих пород за счет создания крупноблочных или сплошных связных структур на контакте обрушенных пород с рудной массой путем их тампонажа вяжущими растворами.

Важное1" указанной проблемы с экономических позиций, а такие требо^^ния по обеспечению высоких показателей извлечения обусловливают необходимость научно-технич .кого обоснования технологии создания разделительных экранов между обрушенными породами и рудной массой.

В свете изложенного "л?работка новых методов и технологии, формирования экранирующей поверхности, снижающих влияки-э гик-

- г -

шдющих" пород на процесс выпуска рудной массы и позволяющих значительно расширить область применения систем с принудительным обрушением руд и вмещающих пород является актуальной научной задачей.

Целью работы является установление зависимостей изменения свойств экранирующей поверхности от структуры среды обрушенных пород на контакте с вторичными блоками и состава тампонажного раствора, что позволяет создать экран, обеспечивающий снижение потерь и разубоживания при применении систем с обрушением руд и вмещающих пород.

Основная идея работы заключается в том, что экранирующая поверхность создается путем сегрегации пород за счет изменения угла наклона боковой стенки блока с их последующим тампонированием.

Научные положения, разработанные автором, и их новизна:

- физико-механические свойства экранирующей поверхности взаимосвязаны с количеством вяжущего в цементных растворах и зависят от изменения пус'тотности в зоне тампонирования, вызванной сегрегацией обрушенных пород;

- при изменении наклона -боковой стенки первичных блоков и сегрегации заполняющих их пород размеры зоны тампонирования прямо пропорциональны изменению пустотности среды; •

- оптимальная толщина экрана и минимальное разубоживание рудной массы достигаются при углах наклона экранирующей поверхности, равных 75 - 85 град.-

Достоверность к обоснованность научные южнее кий , выводов и рекомендаций подтверждаются большем объемом и удовлетворительной сходимостью полученных аналитических зависимостей с результатами лабораторных экспериментов при среднеквадрати-ческом отклонении расчетных данных от экспериментальных, равном 0,08 - 0,12 их абсолютного значения, что обеспечивает надежность 95%:

Научное значение работы заключается в определении комплекса условий формирования экранирующей поверхности, предусматривал. .¡X наклон боковой стенки блока камер первой очереди, сегрегацию обрушенных пород, определение оптимальной толщины и физико-механических свойств зкраниру^'чеи поверхности, рапхглидае-й породную и рудную зоны, а тага» коглзатели иавле-чек-.н г/-'.!., к прсиессе гипуска рудной массы.

Практическое злаченю работы состоит в разработке технологии Армирования разделительной экранирующей поверхности между обрушенными вмещающими породами и рудой и определении параметров тампонируемого слоя.

Реализация выводов и рекомендаций. Предложенные конструкции систем разработки, технология образования разделительного экрана и режимы выпуска рудной массы под его защитой рекомендованы для внедрения при подземной разработке ряда кимберлито-вых трубог ча предприятиях компании "Алмазы России-Саха".

Апробация работ Основное содержание и отдельные положения диссертационной работы докладывались и были одобрены на конференции ЮТУ в рамках "Недели горняка" и техническом совете АК "Алмазы России-Саха".

Публикации. По теме диссертации опубликованы 3 статьи.

Объем работы Диссертация состоит из.введения, четрех разделов и заключения, содержит ... страниц машинописного текста---- таблиц, ... рисунков, список литературы из ... наименований.

Основное еодергэнке работы

На показатели извлечения в процессе выпуска руды из блоков, как показывают исследования а а Куликова, Г. М. Малахова, Н. Г. Дубинина, а Р. Именит'ова и др. ученых, посвященные этой проблеме, существенное влияние оказывает количество контактов рудной массы с вмещающими породами. Установлено, что наиболее эффективен площадной равномерно-последовательный выпуск рудной массы при одном верхнем горизонтальном контакте с обрушенными породами. Однако обеспечение этог, условия взаимосвязано с необходимоетьп подготовки значительных обгемов запасов руды, что не всегда возможно ввиду высоких затрат на подготовку и поддержание большого количества выработок днишд. Это условие выполнимо при отработке отдельных иэолироваг чх блоков, в то Еремя как остальные блоки будут отрабатываться при наличии двух и более контактов обрушенных пород с рудой. Установлено также, что с увеличением на один контакт потери и разубоживз-ние руды возрастают на 3 - 4 7..

В связи с изложенным задачами настоящей работы являются:

- разработка способа образования экранирующей поверхности

и определение ее свойств в процессе формирования посредством тампонирования обрушенных вмещающих пород вяжущими растворами;

- определение пустотности тампонируемой среды и радиуса распространения тампонажного раствора при формировании экранирующей поверхности;

- определение влияния процесса отбойки на состояние и структуру экранирующей- поверхности в зависимости от вида тампонажного материала;

- определение влияния экранирующей поверхности на выпуск руды и показатели извлечения.

Исходя из поставленных задач кафедрой ТПР МГГУ при участии автора разработана новая технология этажного принудительного. обрушения, при которой крутопадающее месторождение мощностью до 60 - 70 м разделяется на блоки с размерами по простиранию 40 - 50 м, которые отрабатываются в шахматном порядке. При этом перед отработкой вторичных блоков обрушенные породы на контакте с ними тампонируют, создавая экранирующую поверхность.

Тампонажные растворы предлагается подавать через скважины диаметром 100 - 150 мм, пробуренные из подэтажных ортов.

Основы развития инъекционной технологии (тампонажа) при формировании закладочных массивов разработали М. Е Цыгалов, Б. К Миняев, В. Ф.Булатов, Е. П. Калмыков, И. Т. Айтматов, К Г. Дружков, F. Ф. Юркевич и другие ученые.

Работы этих авторов направлены на изыскание и обоснование технологий образования закладочных массивов с нормативными характеристиками и изыскание 'путей снижения расхода вяжущих составляющих, в литых смесях, а 'также упрощение процесса закладки выработанного пространства.

Вопросам нагнетания суспензий в пористые среды посвящены фундаментальные работы А. Е Адамовича и В. И. Аравина. Существенный вклад в развитие этой технологии внесли И. Л Вахромеев, ЕГ, Трупак, А. Ф. Вайнолин, R А. Цибульский, Е. JL Шишов и др.

Основной особенностью ингектирогания сыпучего материала в том виде, . торый использовался до настоящего времени в горном деле, является нагнетание в его пустоты Еяжущего раствора. Рзствср после твердения обеспечивает связь отдальностей, образуя сплавную среду в определенном объеме (слое/.'

Ь качестве вяжущего применяют портландцемент и его разно-

видности: с умеренной экзотермией, пластифицированный гидрофобный, сульфатостойкий, шлакопортландцемент, пуццолановый портландцемент, глиноземистый, тамлонажный, расширяющийся и ДР- •

В тамшнажные растворы могут входить различные добаЕки и наполнители, в той или иной мере влияющие на их структурно-механические свойства.

К тамлонажным растворам предъявляют технические, технологические I экономические требования, соблюдение которых во многом обусловливает эффективность использования тампонажных растворов.

Существенное значение при подборе составов растворов имеют горно-геологические и технологические условия объекта производства тампонажа, которые обычно диктуют как основные, так и второстепенные требования. Все это предопределяет существование широкого набора тампонажных растворов и появление их новых составов.

Использование в системах с обрушением руд и вмещающих пород элементов технологии с - закладкой выработанного пространства позволит при сохранении высокой производительности труда значительно снизить потери и разубоживание и тем' самым расширить область применения данной технологии, в частности, на разработку кимберлитовых месторождений Якутии.

На процесс тампонирования пород или сухой закладки влияет множество факторов, связанных как со свойствами растворов и методами их подачи в среду, так и свойствами самой тампонируемой среды.

Для того чтобы тампонаж стал возможным, требуется существование некоторого соотношения межд;. размерами частиц раствора и инъектируемой среды. Таким образом, существенное влияние на результаты тампонажа оказывает пустотность тампонируемой среды. Вмещак. э породы кимберлитовых трубок представлен;,.' в основном солями, известняками, доломитам" Для солей (Псс) пустотность изменяется в пределах 25 - 54%; для известняков и доломитов (Пои-) - 28,5 - 55,5%.

Наиболее существенное влияние на свойства сплошного массива, образованного путем инъектирования пород, оказывает состав тампонажного раствора.

Анализ лабораторных исследований иоказызает, что

имеющие относительно высокую прочность и небольшую вязкость при значительном водоцементном отношении, обладают большим водоотделением. Такие растворы могут быть испоЛьзованы для заполнения крупных пустот при больших скоростях движения.

Отметим ', что формируемый экран не должен обладать несущей способностью, т. е. воспринимать нагрузку от налегающей толщи пород. Он несет -функции разделителя пустых пород и руды, поэтому и 'сроки его существования ограничены сроками выпуска руды из блока. Таким образом, физико-механические характеристики создаваемого массива могут быть невысоки, но он должен сохранять функции экрана и после проведения БВР по. разрушению руды на его контакте.

Анализ исследований по подбору состава тампоналшой смеси показывает, что в зависимости от соотношения вяжущего и заполнителя в растворе, изменяющегося в диапазоне Ц/В = 0,25 -0,28, происходит соответствующее плавное возрастание прочности в течение 7- 28 дней. Добавка СаС1. , ускоряющая сроки схватывания дает повышение прочности на 5 - 10%.

Предпочтительнее для данных условий, на наш взгляд, растворы при соотношении Ц/3, равном 0,3 - 0,36, дающие достаточно Еысокие прочностные характеристики при относительно низком расходе вяжущего, что обеспечивает экономичность процесса тампонирования.

При гравитационном тампонаже обрушенных пород через скважины необходимо знать параметры и характеристики образуемой экранирующей поверхности.

Для этой цели по известным методикам были выполнены лабораторные и производственные эксперименты

Лабораторные исследования процесса тампонирования показали, что в каждом из выбранных сечений происходит изменение плотности раствора с течением времени и изменение прочности в зависимости от радиуса тампонирования. Замеры прочности образцов, отобранных на различном расстоянии от источника инъекции, показали, что с увеличением расстояния наблюдается уменьшение прочности.

В регулътате исследований было установлено, что изменения обусловлены особенностями фильтрации инъекционного раствора; явлениями схватывания, коагуляцией дисперсной фазы, оседаниями частиц в порах в результате отфильтровывать еоды и отрыва ра-

нее прилипших частиц от тампонируемого материала.

Анализ литературных источников позволяет представить кинетику процесса инъекции в следующем виде. При движении раствора в пористой среде в результате отфильтровывания твердого происходит изменение плотности во времени и пространстве. Степень осаждения зависит от сеойств раствора, среды, скорости движения. Чтобы определить влияние осаждения твердого из раствора на изменение давления инъекции, должны быть установлены закономерности изменения проницаемости обрушенных пород и оптимальные реологические свойства раствора.

Таким образом, снижая плотность смеси и тем самым, повыпал ее склонность к расслаиванию, мы получаем возможность регулирования радиуса инъекции при высокой подвижности и проницаемости раствора. В связи с этим рекомендуемое количественное соотношение компонентов в системе Ц,-1ЬГ:Д:В составляет (в кг) 300: 650: (100-200): 21: 900 пз 1 мЗ раствора. '

Увеличение пустотности тампонируемой среды способствует улучшению процесса тампонирования. Поэтому важно разместить крупнокусковый материал обрушенных пород на границе блоков и тем самым создать условия, которые бы обеспечивали их перемещение в указанные зоны. Создание таких условий еозможно - :ри изменении углов наклона граничных поверхностей блоков первой и второй очереди.

Исследования показывают, что в результате такого конструктивного решения в процессе ведения очистных работ происходит сегрегация обрушенных пород. Графики распределения обрушенных пород в процессе выпуска в зависимости от наклона Соковой стенки представлены на рис. 1. При наклонном контакте с зауженной горловиной поступления обрученных пород в освобождаемое от руды пространство происходит образование так* называемых "мертвых" зон. Заполнение этих зон обрушенными породили осуществляет • за счет скатывания в основном крупнокусковсго материала от центра к периферии, т. е. в данном случае к границам блока.

Таким образом, при создании определенных условий замещения рудной массы в блоке в процессе ее выпуска обрушенными породами, можно обеспечить сегрегацию этих пород, при которой крупнокусковый материал будет находиться на контакте с блоками второй очереди, создавая тем самым благоприятные условия для

0,5В,н

50 0,55, м

Рис. { Сегрегация обрушенных, пород б процессе. Выпуска 6 ¡аВисимости от угла наклона стенки Клока. Второй очереди &-с(.*вО** 3~ci*750i 4-ос* 70°-, 5-*'65°

- 9 -

формирования экранирующей поверхности.

В процессе экспериментов определяли изменение фракционного -состава по длине блока'в зависимости от угла наклона стенки блока второй очереди.

Следует отметить, что фактически на сегрегацию обрушенных пород оказывает влияние соотношение между размерами блока пс .контакту с обрушенными породами и на горизонте выпуска. Зависимость распределения фракционного состава по этому фактору представлена на рис. 1,

Анализ результатов экспериментов позволяет сделать следующие предположения н выводы: .

- при изменении утла наклона боковой поверхности блока второй очереди в процессе замещения рудной массы обрушенными породами их фракционный состав изменяется от центра к флангам-,

- при его уменьшении с 90 до 60 град, содержание крупных фракций в краевых зонах возрастает на 15-202;

- наиболее точно процесс разделения обрушенных пород при их перемещении можно описать, используя соотношение размеров верхней и нижней его границ; -

- сегрегация обрушенных пород обеспечивает возрастание среднего диаметра пор (пустот) на 7-10Х и соответствующую -го уменьшение при удалении от границ блока камеры.

Таблица 1

Изменение прочности массива в зависимости от радиуса тампонирования

г-,----1

I Состав раствора | МПа, в зависимости от радиуса там-1

Г I понирования, м * I

0,25 : 0,5 : 1,0 : 1,5 : 2,0 : 2.5 : 2,0 |

I Ц- Г: И =1:1:1 | 1,26* 1,68 1,06 0,8Ь 0,44 - - | | Ц:Г:И= 1:1:0 | 1,52 1,14 1,01 0,73 0,65 0,4 0,221 I П: Г: И « 1:0: 1 | - 1,94 1,71 - 1.44 - 1,03!

t ...__I______:-------1

* - даны средние значения по результатам 3-5 испытаний.

Рис. 2. изменение прочности экранирующей поверхности 6 зависимости от глубины распространений тампона ж но го раствора

Образование осадка и закупоривание пустот имеют значительное влияние в непосредственной близости от источника тампонирования, где имеет место наиболее полное заполнение поро-всго пространства, а значит и большая прочность (табл. 1, рис. 2).

В процессе экспериментов установлена прочность монолитного массива для некоторых типов растворов. Анализируя результаты лабораторных исследований прочности протампонировалного породного массива, следует отметить, что с увеличением количества глинистых компонентов равномерность заполнения порового пространства раствором улучшается. Однако в целом это приводит 1С снижению прочности закладки.

. Как видно из графиков на рис. 2, структура экранирующей поверхности достаточно резко изменяется по мере удаления от места подачи раствора. Исследования показали, что его плотность в пределах 2,5 - 3 м снижается приблизительно на 40%, а прочностные характеристики в этом же диапазоне расстояний практически до О. Таким образом, можно сказать, что за указанной зоной полностью отсутствует связь между кусками, образующими породный массив.

В процессе исследований установлено, что:

- возможность применения тампонирования при формировании экранирующей поверхности взаимосвязана с пустотностью среды, ее соотношением с размерами частиц раствора;

- при формировании разделительных экранов с целью снижения разубокивания руды при ее выпуске из вторичных блоков целесообразна сегрегация породного массива с перемещением крупнокускового мзтеризла к границам блока, что достигается изменением соотношения верхнего и нижнего его размеров;

- изменение состава раствора влияет на радиус его распространения и прочностные характеристики искусственного массива, а проникающая способность растворов зависит от их прочности, при этом, чем выше плотность, тем меньше радиус распространения.

В процессе исследований установлено, что для условий ким-берлитовых месторождений Якутии можно рекомендовать состав тампонажного раствора со следующими параметрами: плотность -1150 .- 1300 кг/мЗ, в том числе: вяжущее - 250 - 300 кг, глина

- 200 - 250 кг, песок - 600 - 700 кг, добавки - N'aCl - 14кг и CaGl - 7 кг.

При сопоставлении горно-геологических условий разработки кимберлитов в ЮАР и России с учетом недостатков и преимуществ систем разработки с обрушением руд и вмещающих пород наиболее предпочтительной признана система этажного принудительного обрушения с донным выпуском.

Следует отметить, что данная система разработки характеризуется повышенными потерям!! и разубоживанием руды. Поэтому для ее применения при разработке высокоценных руд необходимо осуществить мероприятия, позволяющие обеспечить потери на уровне 5%, т. е. на уровне показателей систем с закладкой. В

о

качестве основных технологических решений, позволяют*«'обеспечить эти показатели, можно применить:

- выпуск руды при одном верхнем горизонтальном контакте с обрушенными породами;

- двустадийную выемку полезного ископаемого блоками первой и второй очереди;

- упрочнение вмещающих пород на контакте с блоками второй очереди вяжущими растворами;

- создание породной подушки из крупнокускового материала над верхним контактом руды с обр5'шенными породами.

Ка основании проведенк'к исследований и практики подземной разработки рудных месторождений нами предложен вариант системы этажного принудительного обрушения с формированием разделительного экрана между блоками первой и второй очереди' (рис. 3).

Технология производства включает Еыпуск руды,осуществляемый параллельно-последовательно равными дозами , чтобы поверхность руды имела горизонтальный контакт на границе с вмещающими -городами по всей площади блока.-

После завершения очистной выемки блоков первой очереди из подэтажных ортов блоков второй очереди ■ через тампонажные скважины осуществляют подачу раствора-в обрушенные породы.

'Раствор начинают подавать с горизонта днища, поднимаясь по мере образования экрана вверх.

После завершения процесса тампонирования осуществляют разделку компенсационной камеры, варывание и выпуск руды из блоков второй очереди.

Рис. -3. Система блока даго обрушения с под этапной отбойкой при наклонном контакта с обрушенными породами. X Ж" блоки первой и Второй очереди» ¿-экранирующая ло&ерхнссгь; ¿-тампонажные Выработки; 3-„вмпонажные скважины,

- 14 -

Изменение объемов бдокоЕ первой к второй очереди за счет наклона бокового контакта между ними соответственно изгоняет объем компенсационного пространства.

Разбуривание массива производят таким образом, чтобы наклон боковой поверхности блоков второй очереди после массового обрушения блоков первой очереди соответствовал запроектированному.

Направление взрывания - уходящее от экранирующей поверхности.

Вопросу устойчивости искусственных целиков при отбойке и выпуске руды из камер второй очереди посвящено достаточно много исследований.

Одно направлений связано с управлением интенсивностью волн напря;шний и динамическим полем напряжений, вызванных воздействием массовых взрывов на окружающий массив или искусственную среду . С учетом этого расстояние от последнего ряда скважин до экранирующей поверхности может изменяться в диапазоне 0,55 - 0,7 м, т.е. всегда будет минимальным. Предположительно в кем .может , произойти крупноблочное разделение структуры.

При изучении выпуска руды под обрушенными породами и защитой боковой поверхности руды экраном учитывались методические указания, изложенные в работах В. Е. Куликова, Г. М. Малахова, Е Г. Дубинина, .В. Р. Именитова и других авторов.

Условно плошадь блока делили на внутреннюю, в которой в процессе выпуска руда имеет только верхний контакт с обрушением, и периферийную, в которой руда имеет верхний и боковой контакты с обрушением. Установлено, что практически боковые породы воздействуют только йа периферийную зону, разубоживание руды, в которой и, как следствие, потери, значительно выше, *ум во внутренней.

При проведении лабораторных исследований фиксировалось изменение показателей извлечения, вызванных боковым контактом с обрушением или экранирующей. поверхностью. Точнее фиксировалось разубоживание ., при котором потери остаются~ на уровне 4-5%. . ■ *

Результаты лабораторных исследований процесса выпуска руды на моделях представлены в табл. 2. На рис. 4. представлены графики, описывающие изменение потерь и разубоживания рудной

С

- 15 -

Я, % 10

в 8 7 6

5

3 £

°30 35 30 75 70 Ы.ергхд

Рис. 4 изменение. разуЬЪживания о зависимости от состояния и положения &охобоеа контакта с обрушенными породами.

1 ~ деь тампонирования j 2.-толщина экрана /,5~ы> 3 - тол или на экрана - 3 м.

массы при различном состоянии и положении бокового контакта с вмещающими породами, а также базовые показатели математического моделирования. Расстояние между выпускными отверстиями во всех случаях составляло 12 м.

Таблица 2

Изменение разубоживания в зависисмости от состояния и положения бокового контакта с обрушенными породами

I-1--1

Показатели разубоживания,X| Угол наклона боковой поверхности

I-;-,-1-

Без тампонирования При толщине экрана 1,5 м При толщине экрана 3,0 м

90

23.5 19,3

17.6

80

22,3 15,7 15,1

75

23,9 16,7 16,6

70

24,6 17,3 17,2

Отметим, что повышение уровня разубоживания, при наличии защитного экрана обусловлено тем, что скорость движения руды из верхних слоев, смещенных относительно выпускного отверстия более чем на 3 м, замедляется. Обрушенные породы верхнего контакта фактически отсекают эту руду, что приводит при достижении уровня потерь 4-оХ к дополнительному рааубоживанию. Однако это дополнительное разубоживание происходит не за счет проникновения боковых обрушенных пород или материала'образованного экрана, а за счет пород верхнего контакта.

Одним из путей снижения ,уровня потерь и разубоживания является увеличение высоты этажа.

Существует достаточно много методик для сравнительной оценки процессов и систем при подземной разработке месторождений полезных ископаемых.

Наиболее широко применяются методики, разработанные под руководством М. И. Агошкова и Е*Р. Именитова. Они основаны на оценке экономических последствий потерь и разубоживания, вызванных применением тех или иных вариантов систем разработки и выражаются в виде минимизации аатрат на добычу с учетом ущерба от потерь и разубоживания рудной массы.

Основная разница в затратах на добычу палугного исколае-

мого возникает в связи с применением или неприменением процесса закладки выработанного пространства.

Сравнение проводим между вариантами, предусматривающими полную закладку выработанного пространства, соадание экранирующей поверхности толщиной 3 и 1,5 м, и традиционным вариантом, заключающимся в выпуске руды при всестороннем контакте с обрушенными породами.

Содержание полезного компонента в руде составляет около одного карата алмазов в 1 мЗ кимберлитоЕой породы. Стоимость 1 карата необработанных алмазов составляет около 300 дол.

Практика разработки месторождений в подобных по слокности условиях показывает, что себестоимость закладки составляет в среднем 20 дол /мЗ. Исходя из этой суммы пересчитываем стоимость тампонирования в двух вариантах. При толщине экрана, равной Зм, стоимость его образования составит 1 дол /мЗ, а при толщине 1,5 м - 0,5 дол /мЗ.

Анализ расчетов и графиков показывает, что применение предлагаемого варианта разработки месторождения предпочтительнее, если ценность полезного компонента, содержащегося в 1 тонне руды, не превышает 310 дол. При более высокой ценности руды целесообразнее применять системы, позволяющие обеспечить более высокие показатели извлечения из недр.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, являющейся научной квалификационной работой, содержится решение актуальной для разработки кимберлито-вьгх месторождений задачи - повышение эффективности системы этажного принудительного обрушения за счет создания экранирующих поверхностей на границах блоков, установление зависимостей изменения их свойств от структуры среды обрушенных пород и влияние на показатели извлечения рудной массы из недр.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем :

1. Переход от применения систем со слоевой выемкой с закладкой выработанного пространства к системам с опушением руд и вмещающих пород при разделении руд и пород по боковому контакту экранирующей поверхностью позволяет существенно расши-

рить область применения подземного способа при разработке ким-берлитовых месторождений компанией " Алмазы Россия-Соха".

2. Разработана технология формирования разделительного экрана между обрушенными породами и рудой по периферии блоков второй очереди посредством гравитационного тампонажа обрушенных пород через скважины, пробуренные из буровых ортов блоков второй очереди, что позволяет обеспечить выпуск рудной массы, только при одном верхнем контакте с обрушенными породами.

3. Установлено,что при толщине экранирующего слоя 1,5 -3,0 м обеспечивается снижение объемов преждевременного проникновения обрушенных пород в рудную массу, что снижает показатели потерь гуды с 12 - 15Х до V - 8% при разубоживании до 15%.

4. Установлены зависимости физико-механических свойств экранирующей поверхности от состава и свойств тампонажного раствора и изменения пуетотности среды, вызванной сегрегацией обрушенных пород.

5. Установлена зависимость уровня потерь и разубоживания в периферийных зонах от наклона боковой поверхности стенки блоков первой и второй очереди. С изменением угла наклона с 75 до 85 град, уровень разубоживания от боковых пород изменяется в среднем от 0 до 8 X.

6. Установлено, что при заполнении выработанного пространства первичных 6локое, с наклоном боковой стенки в сторону их оси (65-90 градусов ), в процессе выпуска руды и замещения ее вмешаюшуми породами верхнего контакта происходит их сегрегация, что позволяет увеличить пустотность пород в зоне формирования экранирующей поверхности на 10 - 20 % на контакте со вторичными блоками и обеспечить лучшие условия тампонирования при создании экранирующей поверхности.

7. Установлено, что применение технологии, предусматривающей формирование экранирующей поверхности на контакте первичных- и вторичных блоков, ' эффективно при разработке руд, ценность которых не превышает 300 - 350 дол. за тонну рудной массы. " ■

Предложенная технология рекомендуется к применению при разработке крутопадающих месторождений мощностью до 80 м.

- 19 - ,

Ос:юе!!ькз полсдашия джсертацки опубликованы в сдадугрзх работах:

1. М. Ц. Хайрутдшюз. Технолбгия упрочнения обрушенных пород на контакте с рудным массивом. 1997- Горный информационно-аналитический бюллетень. Вып. 4 .

2. В. 5. М5раг,яз, 14. Ы. ХаЯрутдюгаз. Технология разработки кимберлитов при блоковом обрушении руд и вмещающих пород. 1998- Горный информационно-аналитический бюллетень. Вып. 3.

3. и. Ц. Хайрутдгагаа. Выпуск под обрушенными породами при защите боковой поверхности рудной массы экраном. Рук депонирована, ГИАБ, 1998. - 4с.

-ч -л,

/у/ £ ? •

• чЧ- ^ /

I ' ч«/ ^ ^ / ^

/

Министерство Общего и высшего образования РФ Московский государственный горный университет

На правах рукописи

ХАЙРУТДИНОВ Марат Минизяетович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМЫ ЭТАЖНОГО ПРИНУДИТЕЛЬНОГО ОБРУШЕНИЯ ЗА СЧЕТ СОЗДАНИЯ ЭКРАНИРУЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ НА ГРАНИЦАХ

ВТОРИЧНЫХ БЛОКОВ

Специальность 05.15.02 - « Подземная разработка месторождений полезных ископаемых »

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель проф.,к.т.н. В.Ф.Абрамов

Научный консультант проф.,к.т.н. А.А.Форсюк

Москва 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.........................................................................................................4

1. Состояние вопроса, задачи и методы исследований..........................8

1.1 Обзор отечественного и зарубежного опыта тампонажа (инъекции) горных пород.......................................................................................................8

1.2 Геологическое строение и характерные особенности кимберлитовых месторождений Якутии...................................................................................34

1.3 Цели и задачи исследований..................................................................36

1.4 Методика исследований.........................................................................37

Выводы по главе.................................................................................................40

2. Исследование процесса тампонирования обрушенных кимберлитовых пород.......................................................................................42

2.1 Физическая сущность процесса цементации и технологические требования к тампонажным растворам ..........................................................42

2.2 Характеристика обрушенных пород и формируемой ими среды.......46

2.3 Подбор состава для тампонирования пород.........................................54

2.4 Характер движения растворов в тампонируемых породах.................64

2.5 Геологические свойства тампонажного раствора................................67

Выводы по главе..................................................................................................71

3. Формирование породного массива и методы его тампонирования ...72 3.1 Режим и методы подачи тампонажного раствора в обрушенные породы .................................................................................................................72

3.2 Сегрегация обрушенных пород..............................................................74

3.3 Влияние состава раствора на радиус тампонирования........................79

3.4 Рекомендуемый состав и плотность тампонажного раствора.............84

3.5 Расчетные методы определения параметров экранирующей

поверхности ее свойств.......................................................................................89

Выводы по главе .................................................................................................91

4. Влияние экранирующей поверхности на показатели извлечения и обоснование её параметров................................................................................93

4.1 Рекомендуемые системы разработки...................................................94

4.1.1 Система блокового обрушения при вертикальной боковой стенке блока.....................................................................................................................94

4.1.2 Система блокового обрушения при наклонной боковой стенке

блока.....................................................................................................................96

4.2 Влияние БВР на состояние экранирующей поверхности...................96

4.3 Выпуск под обрушенными породами при защите боковой поверхности рудной массы экраном ................................................................99

4.4 Эффективность предлагаемой технологии.........................................106

Выводы по главе................................................................................................111

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................................112

ЛИТЕРАТУРА....................................................................................................114

ВВЕДЕНИЕ

Сложность экономического положения большинства горнодобывающих предприятий РФ предопределяет направление исследовательских и конструкторских работ на поиск, обоснование параметров и разработку технологий, предусматривающих снижение затрат на добычу при высоком уровне качественных показателей извлечения полезного ископаемого из недр.

Применение систем разработки с закладкой выработанного пространства литыми смесями позволяет решить задачи по обеспечению качества добываемой руды при низком уровне потерь, однако требует весьма высоких затрат как капитальных, так и текущих.

Наиболее экономичными и безопасными, позволяющими эффективно управлять горным давлением посредством обрушения налегающей толщи, являются технологии предусматривающие массовую отбойку руды и выпуск ее под обрушенными породами.

Опыт применения таких технологических решений показывает, что существенным их недостатком является высокий уровень потерь и разубоживания.

Решить проблему обеспечения высоких качественных показателей добычи при относительно низком уровне дополнительных затрат возможно путем модернизации систем с обрушением руд и вмещающих пород. Одним из перспективных направлений является упрочнение, создание крупноблочных или сплошных связных структур на контакте системы вмещающие породы - рудная масса при тампонаже вмещающих пород.

Важность указанной проблемы с экономических позиций, а также требования по обеспечению высоких качественных показателей обусловливают необходимость научно-технического обоснования технологии создания разделительного экрана между обрушенными породами и рудной массой.

В свете изложенного разработка новых методов и технологии формирования экранирующей поверхности, снижающих влияние вмещающих пород на процесс выпуска рудной массы и позволяющих значительно расширить область применения систем с принудительным обрушением руд и вмещающих пород является актуальной научной задачей.

Целью работы является установление зависимостей изменения свойств экранирующей поверхности от структуры среды обрушенных пород на контакте со вторичными блоками и состава тампонажного раствора, что позволяет создать экран, обеспечивающий снижение потерь и разубоживания при применении систем с обрушением руд и вмещающих пород.

Основная идея работы заключается в снижении уровня потерь и разубоживания в системах этажного блокового обрушения путем создания экранирующей поверхности между обрушенными породами и рудной массой на границе блоков первой и второй очереди и проведение процесса выпуска под ее защитой.

Научные положения, разработанные автором, и их новизна:

- получены зависимости физико-механических свойств экранирующей поверхности от количества вяжущего при тампонаже вмещающих пород цементными растворами;

- разработана методика определения параметров расположения инъекционных скважин в массиве вторичных блоков;

- установлена зависимость изменения размеров зоны тампонажа от пустотности тампонируемой среды;

- установлено влияние изменения положения боковой стенки первичных блоков на сегрегацию заполняющих их пород;

- определено влияние экранирующей поверхности на показатели извлечения рудной массы из вторичных блоков.

- впервые при применении систем с обрушением руд и вмещающих пород пород в процессе выпуска их разделяют экранирующей поверхностью по боковому контакту блоков первой и второй очереди, при этом боковой стенке блоков второй очереди придают наклон в сторону блоков первой, что способствует сегрегации обрушенных пород и обеспечивает высокое качество тампонажа и позволяет улучшить количественные и качественные показатели извлечения руды

Достоверность и обоснованность научных положений , выводов и рекомендаций подтверждается большим объемом и удовлетворительной сходимостью полученных аналитических зависимостей с результатами лабораторных экспериментов при среднеквад-ратическом отклонении расчетных данных от экспериментальных, равном 0,08 - 0,12 их абсолютного значения, что обеспечивает надежность 95%.

Научное значение работы заключается в определении комплекса условий формирования экранирующей поверхности, разделяющей породную и рудную зоны в процессе выпуска рудной массы.

Практическая значение работы состоит в разработке технологии формирования разделительной экранирующей поверхности между обрушенными вмещающими породами и рудой. Определены параметры тампонируемого слоя. Установлены качественные характеристики выпуска под защитой разделительного экрана.

Реализация выводов и рекомендаций. Предложенные конструкции систем разработки, технология образования разделительного экрана и режимы выпуска рудной массы под

его защитой рекомендованы для внедрения при подземной разработке ряда кимберлито-вых трубок на предприятиях компании "Алмазы России-Саха".

Апробация работы. Основное содержание и отдельные положения диссертационной работы докладывались и были одобрены на конференции МГГУ в рамках "Неделя горняка" и техническом совете АК "Алмазы России-Саха".

Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 статьи.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1 Обзор отечественного и зарубежного опыта тампонирования (инъекции) горных пород

В различных источниках употребляется два термина, характеризующие процесс цементации пород, грунтов и другой сыпучей среды- тампонаж и инъекция, что означает заполнение трещин, пор и пустот горных пород суспензиями и смесями вяжущего вещества с целью повышения их прочности или снижения проницаемости.

Поскольку основной проблемой, которую надо решить является предотвращение проникновения обрушенных вмещающих пород на контакте с рудной массой в зону влияния выпускных выработок, нас интересует, в основном, проницаемость образуемого экрана (завесы). Из этого следует, что прочность слоя разделяющего руду и породы может быть минимальной, но гарантирующей сплошность экрана. Экран, в данном случае, - устройство защищающее, преграждающее путь чему-либо (горным породам).

Таким образом, в дальнейшем, при исследовании интересующих нас процессов и их взаимодействия, будут использоваться термины: цементация, инъекция, тампонаж, экран, экранирующая поверхность в значениях описанных выше.

Основы развития инъекционной технологии (тампонажа) при формировании закладочных массивов разработали М.Н.Цыгалов, Б.К.Миняев, В.Ф.Булатов, Е.П.Калмыков, И.Т.Айтматов, В.Г.Дружков, Г.Ф.Юркевич и другие ученые.

Работы этих авторов направлены на изыскание и обоснование технологий образования закладочных массивов с нормативными характеристиками и изыскание путей снижения

расхода вяжущих составляющих в литых смесях, а также упрощение процесса закладки выработанного пространства.

Вопросам нагнетания суспензий в пористые среды посвящены фундаментальные работы А.Н.Адамовича и В.И.Аравина. Существенный вклад в развитие этой технологии внесли И.И.Вахромеев, Н.Г.Трупак, А.Ф.Вайнолин, В.А.Цибульский, Е.Л.Шишов и др. Основной особенностью инъектирования сыпучего материала, в том виде который использовался до настоящего времени в горном деле, является нагнетание в его пустоты вяжущего раствора. Раствор после твердения обеспечивает связь отдельностей, образуя сплошную среду в определенном объеме (слое).

Различают два способа инъектирования (тампонажа) - напорный и гравитационный. При напорном способе раствор подается под давлением, обычно не более 2,5 МПа. Гравитационный способ заключается в том, что тампонируемый материал пропитывается раствором под действием силы тяжести. Гравитационный способ используют, когда прочностные характеристики создаваемого массива невысоки.

При организации тампонажа горных пород напорным методом преимущественно используется схема бокового нагнетания (рис. 1.1). Находясь под давлением нагнетаемая в скважину жидкость проникает в трещины и пустоты через всю боковую поверхность скважины. Эта схема используется в двух вариантах /1/: зажимном (безциркулярном) и циркулярном. При зажимном способе тампонажа исключается возможность обратного движения жидкости между скважиной и резервуаром из которого она подается насосом. При циркулярном - часть нагнетаемой жидкости возвращается в резервуар и повторно подается в скважину, совершая таким образом многократный оборот в процессе тампонажа.

Схема бокового нагнетания применяется, в основном, при предварительной цементации горных пород. Тампонаж можно осуществлять и после проведения выработок. В этом варианте тампонажный раствор подают в закрепное пространство без устройства скважин для нагнетания. Такая схема производства работ называется схемой донного нагнетания (рис. 1.2).

Донное нагнетание используют при устройстве водонепроницаемых завес, фронтальных и площадных, при силикатизации грунтов и т.п.

В современной практике известно несколько способов раздельного бетонирования, т.е. тампонирование несвязанных пород посредством подачи в них литых смесей различного состава.

При применении метода восходящего раствора по предварительно уложенным в крупный заполнитель трубам подается песчано-цементный раствор, который под действием напора поднимается по пустотам между зернами заполнителя и связывает их в монолит.

Данный метод применяется и при проведении бетонных работ под водой путем выжимания воды из пустот и заполнения их вяжущим раствором.

При организации работ по методу погружения крупного заполнителя в раствор, сущность технологии заключается в том, что в предварительно уложенный цементно-песчанный раствор подается при помощи вибратора крупный заполнитель 121. Приготовление и укладка бетонной смеси сводится к последовательно повторяющимся операциям порциальной подачи в блок, сначала раствора, а затем крупного заполнителя.

Метод виброцементации основан на принципе придания раствору свойств тяжелой жидкости путем вибрирования и поддержания его в таком состоянии во время заполнения пустот.

Рис. ¡)4 Схема бокового нагнетания:

/ — растворомешалка: 2 — насос: 3 — гибким шланг: 4 - сальник: 5 — кран: 6 — обратный тр\"бопровод; 7 — инъектор: 8 — направляющая трубка; 9— скважина: 10 — зона тампонирования

Рис.{ыс! Схема донного нагнетания: 1 — тр\'ба для цементного раствора: 2 — гибкий ■ шланг: .5 —краны; 4 — фильтр; 5 — зона тампонирования

При бетонировании в крупный заполнитель устанавливаются вибраторы, трубы от которых выводятся на поверхность. Затем вибраторы включаются и подается раствор. Колебания вибратора поддерживают раствор в состоянии тяжелой жидкости. Раствор достаточно хорошо проникает в промежутки между кусками заполнителя и в результате получается плотный бетон /3/.

Сущность метода залива сводится к следующему: крупный заполнитель заливается сверху цементным молоком или раствором без применения труб /4/. Опытное бетонирование монолитных конструкций этим способом производилось на строительстве Куйбышевской ГЭС.

По методу Закавказметаллургстроя в опалубку блока или сооружения устанавливаются одновременно на определенном расстоянии металлические трубы диаметром 50-60 мм с одетыми на них спиралями из провода диаметром 4-5 мм с шагом спирали 10-15мм. Затем производится заполнение опалубки крупным заполнителем. После укладки и вибрирования заполнителя трубы извлекаются и производится заполнение пустот раствором через шланги, помещаемые в пространство ограниченное проволочной спиралью /5/.

При применении инъекционного метода раствор нагнетается в крупный заполнитель по трубам (инъекторам) под давлением. При этом расположение инъекторов может быть вертикальным или горизонтальным.

Установка инъекторов в блоке производится одновременно с засыпкой крупного заполнителя либо путем забивки в уже заполненный объем. В зависимости от этого для каждого случая предусматривается своя конструкция инъектора.

Рассмотрим опыт тампонажа на горнодобывающих предприятиях. Результаты применения технологии образования завес и экранов, упрочнения грунтов и закладочных

массивов посредством цементации сыпучих сред в большой мере зависит от правильности выбора состава тампонажного раствора /1,6,7,8/.

Тампонажные растворы классифицируют по отдельным признакам. Как системы их подразделяют на однофазные (истинные растворы) и многофазные (дисперсные системы). Основой тампонажных растворов служат минеральные вяжущие, минеральные коагулирующие материалы и их комбинации. Отдельно стоят битумные растворы и битумы /8,9/.

В качестве вяжущего применяют портландцемент и его разновидности: с умеренной эк-зотермией, пластифицированный гидрофобный, сульфатостойкий, шлакопортландцемент, пуццолановый портландцемент, глиноземистый, тампонажный, расширяющийся и др. /10/.

К минеральным коогулирующим веществам относят различные глины. Глинистые растворы, используемые при тампонировании, и составы на их основе, отличающиеся повышенным содержанием твердой фазы, при определенной консистенции называются пастами.

По жидкости затворения растворы разделяют на три группы: водные, неводные и комбинированные.

Большинство тампонажных растворов являются дисперсными системами . Размеры частиц их твердой фазы во многом определяют характер и скорость протекания физико-хим