автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Разработка и внедрение технологии твердеющей закладки при освоении обширных пологопадающих месторождений высокоценных руд в условиях Крайнего Севера

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ КОМПЛЕКСНОГО ОСВОЕНИЯ НЕДР

I На правах рукописи

. <

_ КРАВЧЕНКО Владимир Трофимович

РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ТВЕРДЕЮЩЕЙ ЗАКЛАДКИ ПРИ ОСВОЕНИИ

ОБШИРНЫХ ПОЛОГОПАДАЮЩИХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ВЫСОКОЦЕННЫХ РУД В УСЛОВИЯХ КРАЙНЕГО СЕВЕРА

Специальность: 05.15Л1 - "Физические процессы горного производства" и 05Л5.02 -"Подземная разработка полезных ископаемых"

ДИССЕРТАЦИЯ в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 1998

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, Ю. В Демидов доктор технических наук, профессор, М.А.Иофис доктор технических наук, профессор, Г.ГЛомоносов

Ведущая организация - ОАО " Институт Гипроцветмет"

заседании диссертационного совета Д 003.20.01 Института проблем комплексного освоения недр РАН по адресу: 111020, Москва, Крюковский туп. 4.

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке Института проблем комплексного освоения недр

Зашита состоится

1998 г. в

часов на

РАН.

Диссертация в виде научного доклада разослана

1998 г.

Ученый секрета диссертационно канд.техн.наук

эгданов

Общая характеристика работы

В диссертации, представленной в виде научного доклада, дается краткое содержание и анализ выполненных автором в 1967-1993 г.г. опубликованных работ и изобретений по результатам научных исследований.

Актуальность проблемы: Повышение эффективности подземной добычи полезных ископаемых сводится, в первую очередь, к изысканию рациональных способов управления горным давлением, определяющим разработку новых производительных систем и механизацию технологических процессов очистной выемки. Эти обстоятельства приобретают первостепенное значение при разработке обширных пологопадающих месторождений разносортных, совместно залегающих руд и разновременности их отработки, склонности сплошных руд к слеживанию и самовозгоранию, наличии вышележащих водоносных горизонтов, газоносности, больших глубин залегания рудных залежей и большой их мощности.

Таковыми условиями характеризуются крупнейшие в мире и одни из самых богатых Талнахское и Октябрьское полиметаллические месторождения Норильского промышленного района. Рудные тела сплошного и вкрапленного сульфидного орудене-ния, каскадно погружающиеся со 150 м до 1600 м, образуют обширные пологопадающие залежи больших размеров, пространственно отстоящие друг от друга до 3,5 км, мощностью до 50 м (средняя - 20 м) -по богатым рудам, до 80-100 м - по, вышерасположенным;, вкрапленным рудам, подлежащим сохранению для последующей выемки. Форма залежей пластообраз-ная, с плавно изменяющейся мощностью. Углы падения залежей - от 0° до 20 Над значительной площадью Талнахского месторождения расположено месторождение питьевой воды в объеме около 10 млн.м3. Склонность сплошных сульфидных руд к самовозгоранию в 2 раза выше, чем известных руд Дсгтярско-го месторождения.

Совокупность сложных горно-геологических и горнотехнических условий разработки месторождений и высокая ценность руд обусловили необходимость полной закладки выработанного пространства твердеющими смесями в качестве способа управления горным давлением.

Отсутствие отечественного и мирового опыта разработки

аналогичных месторождений, особенно, в части производства огромных объемов (до 4 ылн.м3 в год) твердеющей закладки в условиях Крайнего Севера, отсутствие, железнодорожного сообщения, исключающего по экономическим соображениям завоз вяжущих (до 1,5 млн.т в год цемента) и части материалов для ее производства, а также опыта трубопроводного транспорта закладки на большие расстояния, вызвало необходимость организации и проведения широкого комплекса научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ.

Решению проблемы "Разработка и внедрение технологии твердеющей закладки при освоении обширных пологопадаю-щих месторождений высокоценных руд в условиях Крайнего Севера" посвящена совокупность выполненных работ. Исследования проводились в соответствие с Программой, утв. 31.01.1968г. Главникелькобальтом Минцветмета СССР, Решением координационного совещания по Талнахской проблеме, утв. 27.03.1969г. Минцветметом СССР, Программой научно-координационного совещания по проблеме разработки Талнах-ского и Октябрьского месторождений, утв. 10.05.1971г. Минцветметом СССР, Программой НИР и ОКР, утв. ГКНТ 26.08.80г и АН СССР 21.11.80г.

Цель работы заключается в разработке научно-обоснованного комплекса технических, технологических и организационных решений технологии твердеющей закладки, включающих создание новых вяжущих и составов, способа их приготовления и транспортирования, возведения закладочных массивов с заданными свойствами для выемки обширных пологопадающих месторождений.

Идея работы состоит в минимизации потребления производственных и сбережении природных ресурсов за счет применения твердеющей закладки из отходов производства и местных материалов на основе разработки соответствующих способов, методов и процессов ведения закладочных работ.

Методы исследований. В работе использован комплексный метод исследований, включающий научный анализ теории и практики применения твердеющей закладки, аналитические и лабораторные разработки, широкие промышленные испытания, технико-экономические анализы и расчеты.

Пштнт> тдетттт к зтт?,

1. Композитные смеси на основе природных соединений и отходов горно-металлургического производства при соблюдении заданных соотношений компонентов, технологии приготовления, использовании клинкерсодержащих катализаторов образуют вяжущие, которые в составах смесей с определенными заполнителями обеспечивают необходимые физико-механические свойства закладочного массива.

2. Методика оценки транспортабельности твердеющих смесей, позволяющая определять предельное напряжение сдвига, вязкость, коэффициенты раздвижки зерен и расслаиваемости в зависимости от применяемых составов, водовяжущего отношения, начальной температуры смеси, времени ее транспортирования и производить расчеты параметров самотечно-пневматического транспорта твердеющей закладки.

3. Прочностные и деформационные свойства закладочного массива обуславливаются составом твердеющих смесей, их реологическими характеристиками (вязкость, подвижность, рас-слаиваемость), условиями формирования и зависят от технологических параметров его возведения.

4. Физико-химические процессы, протекающие в закладочном массиве, сопровождаются экзотермическим разогревом и выделением значительного количества тепла, влияют на прочностные свойства закладки, окислительные процессы в сульфидных рудах и рудничную атмосферу и зависят от технологических факторов (типа и расхода вяжущего, состава и водовяжущего отношения, начальной температуры смеси, объемов и интенсивности закладки), учет и регулирование которыми позволяет снизить их негативные последствия.

5. Методика определения нормативной прочности твердеющей закладки, основанная на особенностях взаимодействия закладочного массива с вмещающими породами при различных технологических схемах очистной выемки.

Лоспюаерность научных положений подтверждается: сходимостью результатов теоретических исследований с результатами всесторонних опытно-промышленных испытаний и ис-

следований; апробацией и применением предложений и рекомендаций, методик расчета проектными институтами; широким промышленным применением и положительными результатами внедрения разработанных новых вяжущих и составов твердеющей закладки, методов расчета параметров трубопроводного транспорта, технологии возведения закладочных массивов, методики определения нормативной прочности закладочного массива, в целом - применяемой технологией производства твердеющей закладки на рудниках Норильского комбината.

Научное значение работы заключается:

- в установлении механизма взаимодействия природных и техногенных материалов, образующего новые экономичные вяжущие;

- в выявлении характера влияния технологических параметров на реологические свойства твердеющих смесей, обеспечивающего их транспортабельность по трубопроводам;

- в установлении закономерностей теплофизического взаимодействия закладочного массива с окружающей средой;

- в разработке методики определения нормативной прочности закладки, основанной на особенностях взаимодействия вмещающих пород и закладочного массива при различных схемах очистной выемки.

Научная новнзца

Установлены соотношения компонентов ангидрита, гран-шлака и катализатора - цемента ( клинкера ), при которых образуется гидравлическое вяжущее, твердеющее за счет кристаллизации при гидратации ангидрита, а также низксюсновнкх гидросиликатов и гидросиликоалюминатов кальция, возникающих при химическом взаимодействии компонентов шлака (Я^г, А!зОз, Ге2<Эз и др.) с минералами портландцемента (клинкера) и ангидрита.

Молотый природный ангидрит, при добавке по весу в его состав не более 10% цемента (клинкера), образует гидравлическое вяжущее, при этом цемент (клинкер) является лучшим катализатором гидратации.

Ангидрито-шлако-цементные вяжущие обеспечивают прочности твердеющей закладки до 20 МПа практически с любым заполнителем, отвечающим требованиям ГОСТ к строительным материалам, в то время как ангидритоцементное вяжущее воз-

можно применять только с дробленным ангидритом или гран-шлаком, или комбинацией последних.

При этом наибольшие прочности (до 30 МПа) твердеющей закладки достигаются при использовании в качестве заполнителя граншлака.

Разработана методика оценки транспортабельности твердеющей закладки, основанная на определении предельного напряжения сдвига, вязкости, коэффициентов раздвижки зерен и расслаиваемости с учетом начальной температуры смеси и времени ее транспортирования, позволяющая производить расчеты параметров самотечно-пневматического трубопроводного транспорта твердеющей закладки.

Установлены зависимости величины и интенсивность тепловыделения закладочных массивов от технологических факторов, их влияние на прочность закладки, окислительные процессы в сульфидных рудах и рудничную атмосферу и разработаны методы их учета и регулирования.

Установлен характер распределения напряжении в закладочном массиве, степень влияния механических характеристик закладки на напряженно-деформированное состояние закладочного массива и пород, вмещающих очистную выработку.

Разработана методика определения нормативной прочности твердеющей закладки.

Практическая ценность работы

1. Созданы новые вяжущие на основе природного ангидрита и гранулированного шлака никелевого производства с клинкер-содержащими катализаторами; применяются на всех рудниках Норильского комбината (50,51).

2. Разработана технология производства твердеющей закладки на основе мокрого помола клинкера (8,45,44).

3. Разработан способ дистанционного контроля полноты заполнения выработанного пространства (3,9).

4. Разработана технология возведения закладочного массива дифференцированной прочности (44,45,40).

5. Создан комплекс устройств и контролирующих приборов для дистанционного управления трубопроводным транспортом твердеющей закладки (18,19,40).

6. Разработаны способы изоляции выработанного пространства при его закладке твердеющими смесями (36,53,54).

7. Разработан способ образования полостей и выработок в закладочном массиве с использованием гидроопалубки из по-лиэтиленов высокой плотности (13).

8. Создан расширитель РС-315 для закладочных скважин (8,9).

9. Разработана технология приготовления твердеющей закладки (совместный мокрый помол компонентов вяжущего и доизмельчение заполнителя) в шаровых мельницах, положенное в основу реконструкции и создания закладочных комплексов на рудниках Норильского комбината, шахте "Коксовая" (г.Прокопьевск) и предусмотрена в рабочем проекте реконструкции Тырныаузского вольфрамо-молибденового комбината.

10. Разработаны: "Методические указания по определению нормативной прочности твердеющей закладки и оценке прочностных свойств искусственных массивов" (Л., 1975г.); (29) Технологические инструкции по производству закладочных работ на рудниках Норильского комбината и комбината Ачполи-металл (Л., 1975, 1981, 1985 г.г.) (30,39,43)

"Руководство по определению нормативной прочности твердеющей закладки на рудниках цветной металлургии" (СПб, 1993г.) (48)

Личный вклад автора заключается в:

- выборе задач, путей и способов их решения, формулировке и обосновании научных положений;

- разработке программ и методов исследований, выборе рациональных технических и технологических решений, определении их параметров;

- разработке и создании новых технологий (мокрый помол клинкера, разнопрочная закладка, мельничный способ ее приготовления, и др.);

- организации и проведении лабораторных исследований и промышленных испытаний и внедрении в производство новой технологии твердеющей закладки; анализе и обобщении результатов.

Реализация работы

Результаты исследований положены в основу разработки:

- Технологических регламентов на проектирование грануляционной установки, ДСФ и карьера "Скальный", рудника "Ангидрит";

- ТЭО сырьевой базы для закладочных работ Норильского ГМК;

- проектов реконструкции закладочных комплексов рудников "Маяк", "Комсомольский" и "Октябрьский";

- проектов строительства закладочных комплексов рудника "Таймырский" и "Скалистый";

- нормативно-технической документации и технологических инструкций;

- технические решения по закладочному комплексу рудника 'Таймырский" использованы при проектировании и строительстве комплекса на шахте "Коксовая" ПО "Прокопьевскуголь" и в рабочем проекте реконструкции Тырныауоского вольфрз-мо-молибденового комбината;

- внедрение на всех рудниках Норильского комбината твердеющей закладки на основе ангидрито-шлаково-цемонтного вяжущего и раэнопрочной закладки позволило получить экономию цемента в объеме более 500 тыс. т;

Реализация всего комплекса решений обеспечила экономический эффект более 30 млн.руб. (в ценах 1990 г.).

Внедрение результатов работы отмечено премией Совета Министров СССР (1991 г.), золотой и серебряной медалями ВДНХ СССР (1984 г.).

Апробация работы. Основные результаты выполненного комплекса работ докладывались и получили одобрение на Всесоюзных и отраслевых научно-технических совещаниях, конференциях и семинарах, научно-технических советах предприятий и организаций: на научно-техническом семинаре 'Технология производства закладочных работ и пути ее совершенствования на руднихах Норильского комбината (Норильск, 1977 г), на конференции "Совершенствование технологических процессов на предприятиях цветной металлургии" (Красноярск, 1974г. ), на научно-координационном совещании "Вопросы совершенствования горной технологии и механизации на глубоких горизонтах Талнахского и Октябрьского месторождений" (Ленинград, 1971 г); школе передового опыта по закладочным работам (Лениногорск, 1975г) на Всесоюзном научно-техническом совещании "Основные направления развития техники и технологии добычи руд металлов на глубоких горизонтах" ( Норильск» 1974 г); на Всесоюзном совещании

"Разработка рудных месторождений на больших глубинах" (Москва, 1986 г); в объединенном научном семинаре в ИПКОН РАН и др.

Публикации. По теме диссертации опубликовано: 61 научная работа, из них 2 монографии, 6 брошюр , 8 нормативно-методических документов и 9 авторских свидетельств на изобретения. Автор выражает глубокую благодарность Э.О.Штернбеку, В.П.Кравченко, В.Д.Палию, А.И.Мохову, САСтудзинскому и А.П.Вяткину за участке в совместных исследованиях и промышленных экспериментах, содействие и поддержку в работе.

Основное содержание работы

Вопросы повышения эффективности подземной разработки с твердеющей закладкой, выбора вяжущих и составов закладочных смесей, технологии их приготовления, транспорта и укладки в выработанное пространство, формирование закладочных массивов и оценки их физико-механических свойств освещены в работах многих отечественных ученых: М.И.Агошкова, С.А.Атманских, Д.М.Бронникова, О.А.Байконурова,

A.С.Белаша, Н.В.Брезгулевского, Л.И.Бурцева, М.И.Вескова,

B.П.Волощенко, Б.А.Вольхина, А.П.Вяткина, П.И.Городецкого, В.В.Добровольского,И.Е.Ерофеева, Н.Ф.Замесова, П.Э.Зуркова, В.Р.Именитова,Г.Н.Кузнецова, С.В.Кузнецова,В.П.Кравченко, В.В.Куликова, Л.А.Крупника, Г.С.Кириченко, Б.К.Миняева, А.И.Мохова, Л.В.Малстина, Е.Е.Мирошника, К.В.Мясникова, Ю.И. Паненкова, В.Д.Палия, К.Ю.Реппа, В.В.Руденко, К.Н.Светлакова, А.А.Смирнова, С.А.Студзинского, Е.С.Смелянского, Г.Т.Фаустова, М.Н.Цыгалова, Ю.В.Шувалова, Э.О.Штернбека и др. Трудами этих исследователей внесен значительный вклад в разработку вяжущих и составов твердеющей закладки, технологию приготовления, трубопроводного транспорта смесей и возведение закладочных массивов, создание методов определения их нормативной прочности и т.д. Однако, несмотря на значительное количество, проведенных исследований и накопленный опыт, проблема возведения закладочных массивов имеет целый ряд малоизученных и неизученных вопросов, связанных с конкретными условиями разработки обширных пологопадающих месторождений. Требуют дополнительного изучения вопросы транспорта-

1П

бельности пластичных и литых твердеющих смесей, отсутствует единая методика оценки их транспортабельности.

Недостаточно изучены вопросы технологии возведения закладочных массивов, эффективных способов контроля полнота заполнения пустот, что имеет большое значение при разработке пологопадающих месторождений. Исключительно важными являются вопрос! I разработки вяжущих, составов твердеющей закладки для конкретных условий с учетом необходимой транспортабельности, физико-механических свойств закладочных массивов и экономичности закладки. Практически не исследованы вопросы температурного режима и тепловыделения закладочных массивов, их влияние на окислительные процессы в сульфидных рудах, рудничную атмосферу и прочность твердеющей закладки.

Для решения проблемы создания технологии твердеющей закладки было необходимо установить:

- физико-химическую активность местных природных соединений и отходов производства, их взаимосвязи и с катализаторами твердения, физико-механические характеристики полученных композиций веществ с целью создания экономичных вяжущих и составов твердеющей закладки;

- зависимости реологических характеристик твердеющих смесей от технологических факторов с целью определения критериев оценки транспортабельности их по трубам, разработать методику и расчеты параметров трубопроводного транспорта закладки;

- зависимости физико-механических характеристик закладочного массива от состава твердеющих смесей, их реологических свойств, условий твердения и от технологических параметров его возведения;

- закономерности температурного режима твердения и тепловыделения закладочных массивов в зависимости от технологических факторов и их влияние на окисляемость сульфидных руд, рудничную атмосферу и прочность закладки с целью учета и разработки мер по снижению неблагоприятных последствий;

- характер взаимодействия закладочного массива с вмещающими породами, закономерности распределения горного давления между рудным и закладочным массивами и степень влияния физико-механических характеристик закладки на это

распределение с целью разработки методики определения нормативной прочности твердеющей закладки при различных технологических схемах очистной выемки;

- возможность применения шаровых мельниц в качестве универсального агрегата по приготовлению вяжущих и закладочных смесей с целью обеспечения их гомогенности и транспортабельности на большие расстояния, повышения надежности технологической схемы приготовления закладки и ее модернизации на закладочных комплексах.

Разработка новых вяжущих и составов твердеющей

закладки (20,21,22, 26, 36, 37, 39, 48, 53)

Среднестатистические затраты на материалы в общей стоимости закладочных работ составляют свыше 60%, из них около 70% приходится на вяжущее. В практике горнодобывающих предприятий основным материалом, позволяющим заменить значительную часть дорогостоящего и дефицитного цемента в закладочных смесях является доменный гранулированный шлак, который в Норильском районе отсутствует. Удаленность района от источников сырьевых ресурсов страны и огромные объемы производства закладки обусловили проведение комплексных исследований практически всех местных природных материалов и отходов производства (известняк, песчаник, хвосты ОФ, пески и ПГС, горелые и вскрышные породы, золы ТЭЦ, шлаки котельных, шлаки никелевой плавки, природный ангидрит), предусматривающих выбор катализаторов (отвгрдителей), разработку вяжущих, подбор микронаполнителей, заполнителей и составов твердеющих смесей. Программа включала изучение физико-химических и технологических свойств материалов, определение реологических и технологических факторов и их влияние на транспортабельность смесей, физико-механические и деформационные свойства твердеющей закладки. Всего было изготовлено и комплексно испытано более 150 составов закладки.

Было установлено, что по обеспеченности ресурсами, совокупности физико-химических и технологических свойств наиболее пригодными для разработки вяжущих являются природ-

ный ангидрит (СаЯО^) и гранулированный шлак никелевой плавки, ранее в составах твердеющей закладки не применявшиеся. Вяжущие на основе ангидрита с добавками, активизирующими процесс гидратации и твердения, известные в строительной практике, являются воздушными вяжущими и не пригодны для применения в шахтных условиях. Гранулированные шлаки с физико-химической точки зрения относятся к сложной многокомпонентной системе. ЯЮ2 • ТегОз -MgO - СаО А^Оу, основными компонентами которой являются оливины, железо-магнезиальное стекло, магнетит, сульфиды цветных металлов, с содержанием СаО не более 6% и обладают низкой гидравлической активностью. Для придания ангидритовому вяжущему гидравлических свойств и повышения активности граншлаков была исследована большая группа катализаторов твердения (сернокислое железо, окись кальция, золы, шлаки, сернокислый натрий, хлористый кальций, цемент и др.). Наилучшим катализатором твердения является портландцемент (клинкер). Установлено, что ангидрит приобретает свойства гидравлического вяжущего с увеличением содержания катализатора - цемента (клинкера) до 10%. Превышение содержания цемента (клинкера) более 10% по массе вяжущего приводит к снижению прочности, вплоть до разрушения образцов после 3-6 месяцев твердения вследствие кристаллизации в затвердевшей системе этрингитов ( ЗСаО - А!20 'ЗСа5С>4 - ЗШ2О) Проведенные испытания ангидритоцементного вяжущего в составах твердеющей закладки с различными заполнителями показали, что адгезионные свойства полученного вяжущего устойчиво проявляются только с ангидритовым заполнителем и граншлаком. При этом прочность твердеющей закладам достигает до 10 МПа в 28 сут. возрасте. Вяжущее низкоэкзотермично, обладает высокой размол ©способностью (129 кг/кВт.ч), образует гомогенные смеси с малым водоотделением и низкими расслаиваемостыо и предельным напряжением сдвига при трубопроводном транспорте. Однако, относительно высокая стоимость ангидрита (подземная добыча) и избирательность в требованиях к типу заполнителей ограничивают применение чисто ангидритовой закладки. Состав закладки используется как резервный.

Впервые установлено, что вяжущие свойства граншлака проявляются в условиях его сульфатно-щелочной активизации -

при гидратации совместно с ангидритом и цементом (клинкером). Комплексом проведенных исследований с применением дифференциально-термического, рештеноструктурного и минералогического анализов установлено, что при гидратации этой трехкомпонентной смеси, наряду с минералами, характерными для гидратации цемента и ангидрита (гидросиликаты и гидроалюминаты кальция, гипс и др.) образуются различные низкоосновные гидросиликаты кальция, гидрогранаты, тобер-морнты, гидросульфоалюминаты катьция и другие соединения, не характерные для твердения цемента и ангидрита и являющиеся продуктами взаимодействия последних с граншлаком и его гидратации. При этом образование этгрингитов, в отличии от анпадритоцементного вяжущего, происходит одновременно с другими новообразованиями и способствует увеличению прочности. Основные характеристики ангадрито-шлако-цементного (АШЦ) вяжущего, определенные в соответствии с ГОСТ-ЗЮ-60, приведены на рис .1.

Активность АШЦ вяжущего определяется содержанием катализатора, а при его постоянном содержании зависит от соотношения между граншлаком и ангидритом, достигая максимума в пределах 30-50 + 50-70 ( ангидрит :шлак)и обеспечивает марку вяжущего МЗОО. Вяжущее имеет поздние сроки начала схватывания - 2- часа, окончание - 4,5 часа, удельное тепловыделение в 2,5 раза ниже портландцемента, обладает высокими адгезионными свойствами с любыми минеральными заполнителями, расход катализатора не превышает 20% от объема вяжущего и обеспечивает необходимые физико-механические характеристики закладочного массива. Наличие в его составе ангидрита, обладающего высокими пластифицирующими свойствами и водо-удерживающей способностью, обеспечивает хорошую транспортабельность смесей, растекание в выработанном пространстве без сегрегации составляющих и высокую однородность закладочного массива.

Для надежного обеспечения производства компонентами материалов и их взаимозаменяемости разработаны шлако-цементные, ангидрито-шлако-цементно-известковые вяжущие, в которых расход клинкерсодержащего катализатора не превышает 25%. Созданы составы бесцементных вяжущих на основе ангидрита, граншлака и извести, при расходе извести 10% от

ПРЕДЕЛ ПРОЧНОСТИ ПРИ СЖАТИИ, МПа

25 20 15 10 5 0

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 О О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Граншлак Соотношение ангидрита и граншлака

— \

—

N \

— —- \

а) Зависимость активности АШЦ от содержания ангидрита и граншлака при содержании цемета (клинкера): 1-10%; 2-20%

ангидрит 0/ ■ ■ . ¿о

б) Зависимость активности АШЦ от содержания цемента (клинкера) при опглмалыгам соотношении : гшьлртгг граншлак - 30-50 + 50- , 0, %

0

3 10 20 35

Содержание цемента (клинкера), %

25 20 15 10

7 28

"Т7

__

г

90

в) Кинетика набора прочности АШЦ при оптимальном соотношении А:Ш при содержании цемента

(клинкера): 1-10%; 2-20%

180

Время, суг.

Рис.1. Характеристика ангидритошлакоцементного вяжущего

5

0

массы вяжущего с использованием заполнителя из дробленных пород, обеспечивающих прочность и 6-месячном возрасте 1-2,0 МГТа для закладки камер (слоев) последних (не ответственных) стадий отработки месторождения.

В настоящее время около 80% от общего объема производства твердеющей закладки производится на ангидрито-шлако-цементном вяжущем, новизна которого, а также ангидрито-шлако-цсмснтно-изиесткового подтверждена авторскими свидетельствами.

Важнейшим компонентом смесей являются заполнители, наиболее массовая составляющая твердеющей закладки, от свойств которых в значительной мере зависит транспортабельность, компрессионные, прочностные и другие свойства, а также себестоимость закладки.

Главными критериями, определяющими перспективу применения вида заполнителей, являлись: обеспеченность ресурсами, стоимость добычи и переработки, расход вяжущего и свойства твердеющей закладки.

Комплексные исследования физико-технологических свойств заполнителей выявили технико-экономическую нецелесообразность использования хвостов обогащения, представляющих тонкодисперсный материал, содержащий около 60% фракции класса - 0,074 мм, обладающий высокой водоудержи-вающей способностью и не обеспечивающий в составах закладки физико-механические характеристики, предъявляемые к закладочному массиву.

На первом этапе развития производства использовались в качестве заполнителя природные пески. Естественные пески в Норильским районе имеет весьма скудное распространение. Разведанные запасы в пойме реки Хараелах представлены мелкодисперсной фракцией, по модулю крупности не отвечающей требованиям ГОСТ. Характеризуются высокой обводненностью (до 25%) и смерзаемостью, что предопределило необходимость строительства специальных линий по их оттаиванию и частичному обезвоживанию на закладочных комплексах. В связи с плановым выбытием мощностей по добыче песка, высокой трудоемкостью его подготовки и низкой надежностью подачи его по технологическим трактам было разработано и реализовано предложение об использовании в закладочных смесях искусст-

венного песка и щебня из дробленных пород.

По результатам лабораторных исследований и промышленных испытаний твердеющих смесей на искусственном заполнителе был разработан технологический регламент на проектирование и осуществлено строительство карьера по добыче базальтовых пород и дробильно-сортировочной фабрики мощностью 3500 тыс.т в год. Высокое качество искусственного заполнителя в составах закладочных смесей позволило снизить расход цемента в составах сложных вяжущих от 10 до 50 кг/м3 в зависимости от марки закладки.

Проектные схемы закладочных комплексов предусматривали двухстадийное приготовление с раздельным получением компонентов ангидрито-шлакового вяжущего в шаровых мельницах, катализатора (цемента) в репульпаторах импеллерного типа с последующим смешиванием всех компонентов с заполнителем в двухвальных смесителях непрерывного действия. Практика показала, что использование бетоносмесителей не обеспечивает постоянства качества смеси по транспорным характеристикам. Это приводило к частым закупоркам трубопроводов, расслоению смесей и быстрому водоотделению, что делало транспорт ненадежным и,в конечном итоге, сказывалось на качественном состоянии закладочных массивов.

В результате большого количества проведенных экспериментов на закладочных комплексах был освоен и внедрен впервые в отечественной практике способ приготовления твердеющей закладки, предусматривающий совмещение в одном агрегате (шаровой мельнице) функций измельчения н перемешивания. По этой технологии все компоненты смеси, включая цемент, размалываются (домалываются) в шаровых мельницах в режиме мокрого помола в открытом цикле. Гранулометрический состав смеси на выходе из мельницы характеризуется постоянством консистенции с влажностью 24-27%, при этом содержание фракции менее 0,1 мм составляет не менее 30%. Такая консистенция смеси практически исключает закупорки трубопроводов, смеси гомогенные и устойчивые к расслоению. В процессе экспериментов было отмечено, что при совместном помоле всех компонентов вяжущего и смеси происходит механическая активация продуктов диспергации за счет раскрытия, обновления активных поверхностей зерен вяжущего и обволакивание тот

поверхности заполнителя. При этом расходы цемента при различных режимах приготовления шлако-анпидритовой закладки и способа подачи катализатора в смеситель или мельницу, в последнем случае позволили снизить его расход от 10 до 20 кг/м3 при обеспечении идентичной марки закладки.

Методика оценки транспортабельности твердеющих

смесей (1, 11, 14, 18, 19, 30, 36,46)

Существующие методы оценки транспортбельности твердеющих смесей предполагают определение одного или нескольких показателей: подвижности смеси, предельного напряжения сдвига, вязкости, показателя транспортабельности и коэффициента состояния смеси (Е.Е.Мирошник, И.И.Носкин, В.Н.Танинский, К.Ю.Репп, К.В.Мясников, В.В.Руденко, М.Н.Цыгалов). Указанные величины дают определенное представление о способности закладки транспортироваться по трубам, однако полная и универсальная методика оценки транспортабельности твердеющих смесей отсутствует.

Большинство исследователей исходит из условия, что смеси, транспортируемые по трубам в самотечном и сам отечно-пневматическом режимах, должны подчиняться общему закону Шведова-Бингама для вязко-пластичных жидкостей, т.е. являются структурными жидкостями. Закладочные смеси удовлетворяют условию вязко-пластичной жидкости только при полной разобщенности зерен вяжущего и заполнителей и заполнении межзернового пространства водой, когда отсутствует сухое трение между частицами.

Литые и пластичные смеси, применяемые для закладочных работ, имеют водоцементные отношения, значительно превышающие величины, при которых в цементно-водной суспензии может возникнуть сухое трение. Следовательно, для обеспечения соответствия смеси условию структурной жидкости необходимо обволакивание суспензией всех зерен заполнителя и заполнение ею межзернового пространства. Это означает, что коэффициент раздвижки зерен заполнителя , характеризуемый отношением объема суспензии к объему пустот в заполнителе, должен быть больше единицы.

Коэффициент раздвижки зерен мелкого заполнителя может быть определен по разработанной формуле:

Узм-Г^КВ/В) Гц+Уа)] (1)

Г»~ ГцЪ-ОзО-Ю(Гш-Ггм>

где гм - коэффициент раздвижки зерен мелкого заполнителя; Оц - расход вяжущего на 1 м3 смеси, т; уц - удельный вес вяжущего, т/м3; Узм - удельный вес мелкого заполнителя, т/м3; Узм - насыпной объемный вес мелкого заполнителя, т/м3; <7, - расход заполнителя на 1 м3 смеси, т; /„ - удельный вес воды, т/м3;

В/В - водовяжущее отношение;

К - содержание крупного заполнителя в общей массе заполнителей (в долях единицы по весу).

Лабораторные и опытно-промышленные эксперименты дают основание установить, с учетом возможных колебаний грансо-става, минимально допустимое значение коэффициента раздвижки зерен гм =1,2. Минимально необходимый расход вяжущего на 1 м3 смеси определяется из формулы (1) при гм =1,2. Входящие в формулу величины устанавливаются при подборе состава закладки и определяются в лаборатории. Коэффициент раздвижки зерен крупного заполнителя должен быть значительно больше, чем требуется для придания смеси свойств структурной жидкости. Это обусловлено необходимостью обеспечения свободного вращения зерен неправильной формы при движении и смещением зерен крупного заполнителя ближе к ядру потока.

Исследованиями Носкина И,И., Танинского В.Н., Реппа К.Ю. установлено, что количество крупного заполнителя в смесях, транспортируемых по трубам, не должно превышать 40% от общего веса заполнителей (/Г=0,4). Выполненные нами исследования показали, что при Л=0,5 резко возрастает рас-слаиваемость смеси. Последняя становится не транспортабельной при незначительных колебаниях водовяжущего отношения от нормы. Соблюдение условий гм= 1,2 и Л=0,4 не является достаточным для придания твердеющим смесям способности транспортироваться по трубам. Необходимо также обеспечение определенных значений коэффициента расслаиваемости (Кр) и

одной из взаимозависимых величин: предельного напряжения сдвига Го или вязкости смеси. Для исследований То и Кр использовался сконструированный прибор для определения усилия сдвига (отрезка трубопровода) относительно неподвижной смеси. Цилиндр заполняется исследуемой смесью, соединяется стальной лентой через шкив с мерным сосудом (вес последнего равен весу цилиндра). Из бачка в мерный сосуд подается вода до тех пор, пока вес (/, кг) ее уравновесит противодействие, создаваемое сопротивлением сдвигу. Поскольку величина трения в блоке меньше возможной ошибки эксперимента, составляющей не более 2-5%, поправка на трение в шарикоподшипнике не учитывается.

Предельное напряжение сдвига вычисляется по формуле, выведенной на основе общего закона Шведова-Бингама при условии, что скорость сдвига близка к нулю:

3 F

То= 4лсЦ , кгс/м2 (2)

где F - вес воды в сосуде в момент начала сдвига, кг;

dyi I - диаметр и длина цилиндра, м.

На рис. 2 приведены результаты определенной То для свежеприготовленных твердеющих смесей с содержанием вяжущего 300 и 400 кг/м3 при К = 0,0; 0,4; 0,5. Заполнитель - песча-но-гравийная смесь с гравием (щебнем) 5-25 мм.

Анализ кривых показывает, что величина хо определяется составом смеси и водовяжущим отношением. Уменьшение последнего ведет к увеличению предельного напряжения сдвига. При zy= 18-20 кг/м2 даже незначительное изменение В/В ведет к резкому изменению то. Указанное значение То следует считать максимально допустимым.

При увеличении расхода вяжущего для сохранения тех же значений То требуется несколько больший расход воды. При этом водовяжущее отношение снижается, пластичность смеси улучшается. Увеличение количества гравия в заполнителе, как и увеличение В/В ведет к некоторому уменьшению То. В то же время возрастает расслаиваемость смеси, создавая опасность образования "пробок" в трубопроводе.

а)

б)

а

и

8 и и 2 и

О

К

15

10

3 о

йЗ

а

и

о

а

45 £ 40

I 35

и

и 30 я

X

8 25

20 15 10

I

И

\ \

\ к \ е \ ,°4 5

\ V2 \

N

к\ V ч

1 N ¡Ч| Ъч < А

■■и -4т1

0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Водовяжущее отношение

15

10

0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 Водовяжущее отношение

Рис.2. Подвижность и предельное напряжение сдвига твердеющих смесей в зависимости от водовяжущего отношения»

а) при расходе вяжущего 300 кг/м3;

б) то же - при 400 кг/м3

1, 2, 3, 4 - предельное напряжение для. смесей с соотношением (гцебень+песок), равным соответственно: К=0,5; 0,4; 0,3; 0,0 5- подвижность песчано-цементной смеси, см

Расслаиваемость оценивали также с помощью описанного прибора. После определения То исследуемую смесь снова помещали в цилиндр, который вместе с подставкой и смесью подвергали в течение 15 с вибрации с амплитудой колебаний 0,75 мм, частотой 2800-3000 кол/мин. (Допустимая длительность вибрации до 20-25 сек. Большая длительность приводит к искажению результатов из-за возможного водоотделения). Затем снова определяли напряжение сдвига т,о • Для расслаивающихся смесей т'о £ то ■ С увеличением расслаиваемости т'о возрастает. Отношение т'о '.То названо нами коэффициентом расслаиваемое™:

Кп - (3)

КР- т0

На рис. 3 приведены значения Кр для исследованных составов. При увеличении В/В более определенного предела Кр резко возрастает. Из-за появления в отдельных случаях сухого трения между стенками цилиндра и выпадающими в осадок зернами заполнителя увеличивается разброс значений Кр, особенно для смесей с большим содержанием крупных частиц (кривая 1). Лабораторные исследования и опьгтно-промышленные эксперименты показывают, что смеси с Кр = 1,4-1,5 практически нетранспортабельны, часто закупоривают трубопровод. С учетом возможных изменений качества смеси следует принять в качестве максимально допустимого значения Кр = 1,3.

Таким образом, для обеспечения удовлетворительной транспортабельности свежеприготовленной твердеющей закладки необходимыми и достаточными критериями (условиями) являются гм ^ 1,2; К<, 0,4; ^ 18 кг/м2, ^ ¿1,3.

Все изложенное выше относится к свежеприготовленным смесям. Однако, способность твердеющей закладки транспортироваться на большие расстояния зависит также от скорости схватывания смеси, то есть, от темпа потери транспортабельности. Скорость схватывания (загустевания) смеси зависит от времени транспортирования и ее начальной температуры.

2.50

о.

« 2.25

£ 2.00 5

о

§ 1'75

Й

о 1.50

и>5

а)

у

8 £

& 0.50

0.75

»/ о ! 1 ! 1

Г ->/ л 1 ■ - ! 1

< > А 2 <*( у : I I - ;--;• 1 1 1

— / / 3 1

1 ✓ у] ■ к 4 о к ,а о

>—< —т г-* Л л

1

1.00 1.10 120 1.30 1-40 1.50 1.60 Водошжущее отношение б)

0.60

0.70 0.80 0.90 1.00 1.Ю Водовяжущее отношение

Рис. 3. Зависимость коэффициента расслаиваемости смеси от ее состава и водовяжущего отношения Обозначения те же, что на рис. 2

На рис. 4 показано изменение предельного напряжения сдвига смеси и ее подвижности в зависимости от начальной температуры и времени. Изменения То и ОК от указанных факторов носят линейный характер (при г о не > 18 кг/м2):

Ъ = т0 + (а+ЪМмц) • Т} (4)

где Т( и ОК - предельные напряжения сдвига и осадка конуса СтройЦНИИЛа через время Ти 1начхмеси\ г0 и ОКнач- начальные предельные напряжения сдвига и осадка конуса смеси;

a, а]

b, Ь] - коэффициенты для исследованных смесей,

зависящие от состава, времени, и смеси соответственно: 1/мин, кг/м2, мин/град, см/мин.град.

Рис. 4. Влияние начальной температуры смеси на предельное

напряжение сдвига и осадку конуса 1, 2, 3, 4, 5 - начальная температура смеси соответственно: 10, 15, 20,

30, 35 °С

С учетом изложенного уточнена основная формула К.В.Мясникова, В.П.Кравченко для расчетов параметров трубопроводного транспорта твердеющей закладки.

Удельное сопротивление движению смеси в трубопроводе определится из выражения:

Ар = 0,0008

г„ +

(а + Ь.1наг).Т

■+5

Лср -у

, кгс/см2-м,

(5)

где V - средняя скорость движения смеси, м/сек; й - диаметр трубопровода, м; Т - время транспортирования смеси, мин; г1 - вязкость смеси за время транспортирования, кг-сек/м2. Время транспортирования смеси в самотечном режиме определяется производительностью комплекса (£), мЗ/час), длиной (X, м) и диаметром (г/, м) трубопровода:

т ¿Ода/2/

Т = ——— , мин (6)

40

Средняя вязкость смеси определяется по формуле с учетом Т и I ыч:.

, (а + ЪЫнаг).Т~

П2,5пс1-

"Пср

<2

, КГ'ССК/м2,

(7)

Расчет параметров самотечно-пневматического транспорта

При самотечном транспортировании твердеющей закладки предельная длина участка трубопровода определяется по формуле:

7

1мак =К3.Н(1^-1)-12п1-6п2 ,м

(8)

где Н К3

П ь Я2

- высота вертикального става, м;

- коэффициент запаса высоты вертикального става, 0,7-0,8;

- объемный вес закладки, т/м3;

- число колен трубопровода с углами поворота 90 и 45°, эквивалентными по сопротивлению соответственно 12 и 6 м прямого трубопровода.

Дальность подачи твердеющей закладки самотечным способом (за счет гидростатического давления высоты столба закладки в вертикальном ставе) обусловлена реологическими свойствами смеси, диаметром трубопровода, производительностью комплекса и определяется соотношением вертикального столба смеси и горизонтальной длины самотечного участка от 1:3 до 1:5.

Для увеличения расстояния подачи твердеющей закладки применяется пнеи.лл'ранепорг смеси, для чего в конце самотечного участка устанавливают пневмоподдув (пневмоэжектор диаметром 50-75 Ма1). При этом скорость смеси возрастает за счет движения отдельными порциями, разделенными воздушными промежутками. При расчете параметров пневмотранспорта смеси учитывают не количество или величину отдельных порций, а суммарную их длину.

При максимально возможной дальности подачи закладки, когда давление в трубопроводе в районе пневмоэжектора Рэ достигает величины давления в воздушной магистрали Рсж> суммарная длина порций смеси на участке пневмотранспорта составит:

(9)

Ар

где Ар - удельное сопротивление движению смеси на участке пневмотранспорта, кг/ем2-м.

Основныг.П1 условиями обеспечения непрерывности и стабильности самотечно-пневматического транспортирования смеси являются:

- суммарное сопротивление движению порций смеси на участке пневмотранспорта не должно превышать величины, равной давлению сжатого воздуха у пневмоэжектора.

- расстояние от вертикального става до первого пневмоэжектора не должно превышать значения

'эж = ¿мае > м (Ю)

Ар

- производительность самотечного участка должна быть равна производительности участка пневмотранспорта. Это означает, что за время прохождения порциями смеси суммарной длиной 1С всего участка пневмотранспорта такое же количество смеси должно поступать на участок самотека и с него - на участок пневмотранспорта. Следовательно,

V V

г с г пн

где Ус, Упн - средние скорости движения смеси на участках самотека и пневмотранспорта, м/сек; 1пн - длина участка пневмотранспорта. М; ¡с - отрезок самотечного участка, равный суммарной

длине порций смеси на участке пневмотранспорта, м.

Учитывая условия равенства (11), используя значение /с из (9) и выражая Ус через производительность установки и диаметр трубопровода, получим формулу для расчета максимально допустимой длины участка пневмотранспорта:

%т2-Рсж-упн

1,276- Др-б-Л,

где Кз=1,3+1,'4 - коэффициент запаса давления, равный

отношению рсж к р3 (для обеспечения устойчивой работы пневмотранспорта при возможных колебаниях качества смеси и давления в магистрали сжатого воздуха рсж должно превышать р3).

Основным путем увеличения расстояния подачи твердеющей смеси пневмотранспортом при заданной производительности комплекса является увеличение диаметра трубопровода и скорости движения на участке пневмотранспорта.

Приведенная методика оценки транспортабельности твердеющих смесей и формулы для расчета параметров транспорта подтвердили возможность транспортирования смесей самотечно-пневматическим способом на расстояния до 3,5 км и доказали ее надежность.

Технология возведения закладочных массивов (2, 3, 5, 7, 8, 9, 15, 17, 27, 29, 30, 31, 34, 36, 39, 46, 53, 54)

Возведение закладочного массива в выработанном пространстве пологопадающих залежей осуществляется за счет напорно-гравитационного размещения твердеющих смесей. При этом эффективность применения твердеющей закладки в значительной мере зависит от принятой технологии заполнения камер (слоев) и условий формирования закладочного массива. Достижение заданных прочностных и деформационных свойств закладочного массива и необходимой полноты заполнения выра-

ботанного пространства обеспечивается взаимодействием трех взаимозависимых групп факторов, к которым относятся:

- физико-механические и реологические свойства закладочной смеси (состав смеси, водовяжущее отношение, подвижность, вязкость, расслаиваемость, скорость схватывания и др.);

- горно-технические условия размещения закладки (геометрические размеры выработанного пространства, углы наклона почвы и кровли, температура вмещающих руд и пород, характер проводимых БВР и др.);

- технология транспортирования смеси в выработанное пространство (способ подачи смеси, режим и интенсивность заполнения выработанного пространства, технические и технологические решения по использованию воды от промывки трубопроводов и др.).

Первая группа факторов предопределяется и задается технологией приготовления твердеющих смесей и, при условии их соблюдения, обеспечивается требованиями трубопроводного транспорта.

Вторая - геологическими условиями и горно-техническими требованиями (параметры системы разработки, схемы подготовки и нарезки рудных тел и др.) и степень воздействия на них ограничена или экономически не всегда целесообразна.

Третья - практически полностью поддается регулированию и управлению.

Общими требованиями для любых технологических схем заполнения слоев (камер) являются: обеспечение саморастекания смесей на расстояния от нескольких метров до 45-50 м без существенного расслоения, расположение в выработанном пространстве с возможно меньшими углами наклона слоев при минимальных затратах на проходку вспомогательных выработок и скважин.

В зависимости от горнотехнических условий и принятых систем разработки используют различные схемы подачи закладки в выработанное пространство.

При закладке наклонных камер, отметки кровли которых находятся ниже вентиляционного штрека, подачу закладки в выработанное пространство осуществляют фланговой подачей смеси непосредственно с панельного вентиляционного штрека.

Для закладки камер большой выемочной мощности подачу

смеси осуществляют через верхнюю горловину камеры, а при закладке камер со сложной гипсометрией кровли закладочную смесь подают в высшую точку камеры из специально пройденных вспомогательных горизонтальных выработок.

В случае подачи смеси с вентиляционно-закладочного горизонта по восстающим в выработанное пространство наблюдается сегрегация смеси из-за многократного отражения ее от стенок, при растекании в камере смесь заметно расслаивается, более крупные частицы остаются в ближней к восстающему части выработанного пространства, дальний фланг камеры заполняется смесью с повышенным содержанием илистых частиц.

При подаче смеси в высшую точку камеры по наклонному трубопроводу, прокладываемому непосредственно в выработанном пространстве, осуществляют закладку небольших куполов в камерах, заполняемых с вентиляционного штрека. Наиболее технологичным и универсальным является вариант подачи смеси в камеры с помощью закладочных скважин, обеспечивающий закладку любых камер при наличии вышележащего вентиляционно-закладочного горизонта.

При отработке рудных тел сплошной системой разработки с восходящим, нисходящим или комбинированном порядками выемки слоев, а также при закладке камер со сложной гипсометрией кровли наиболее эффективным является вариант с подачей смеси с вентиляционно-закладочного горизонта по скважинам, причем, диаметр последних (во всех случаях) должен превышать диаметр закладочного трубопровода в 1,3+1,5 раза.

При закладке камер с выдержанными углами наклона кровли, превышающими углы растекания смеси, целесообразно использовать схему флангового заполнения с подачей смеси в выработанное пространство с верхнего (подэтажного) вентиляционного панельного штрека.

Одним из важнейших условий, обеспечивающих эффективное поддержание вмещающих пород (руд) закладочными массивами, является качественный подпор кровли закладкой на всей подработанной площади. Известные способы контроля полноты закладки сводятся в основном к визуальным наблюдениям и к обнаружению предполагаемых пустот с помощью разведочных скважин и выработок. Нами разработан и внедрен способ дистанционного контроля положения закладки с помощью уровне-

меров.

Принцип действия уровнемеров основан на создании смесыо электрической цепи между токопроводящими контактами уровнемера, погруженными в твердеющую закладку, сопротивление которой на 1-2 порядка ниже, чем не замкнутыми. Количество и расположение уровнемеров в камере (слое) зависит от гипсометрии кровли и поставленных задач.

При расположении нескольких уровнемеров могут быть определены не только размеры недозаложенных пустот, но и углы растекания смеси. По результатам замеров уровня закладки (наличие воды), углов ее растекания и данным маркшейдерской съемки кровли графическим или аналитическим способом, устанавливали величину и форму недозаложенных пустот. Своевременное обнаружение пустот позволяет произвести дозаклад-ку их до начала отработки вторичных камер и смежных слоев, а знание конфигурации, объема и местоположения пустот обеспечивает правильное решение вопросов о необходимости и рациональных способах их дозакладки.

Основными факторами, определяющими качество возводимого закладочного массива, являются состав и реологические свойства смеси (подвижность, вязкость, предельное напряжение сдвига), интенстивность заполнения камеры (слоя), наличие в закладываемой камере воды или попадание ее в закладку, а также температурно-влажностные условия твердения массива. Изучение влияния этих факторов на формирование закладочного массива производилось путем инструментальных замеров и определений параметров процесса в промышленных условиях и анализа визуальных наблюдений за технологией укладки смеси и структурой массива. Изучение слоистости массива проводили по выбуренным кернам и по обнажениям закладочного массива.

С целью определения относительного сцепления порций закладки в зависимости от продолжительности перерывов и состояния поверхности были проведены испытания, предусматривающие отбор промышленной партии проб закладки с формированием образцов с различной выдержкой твердения.

Формирование образцов производилось в два приема - на половину высоты формы и после выдержки во времени через 15, 30, 60 и 180~мин. заполнялась остальная их часть.

Испытания на разрыв производились по ГОСТ 4800-59 в

возрасте 28 сут., при этом образцы устанавливались таким образом, чтобы ось проходящая по шаровым опорам, совпадала с направлением прослойки. Результаты испытаний показали, что перерывы до 15-25 мин. практически не оказывают влияния на прочность сцепления слоев закладки .Минимальные значения сцепления слоев наблюдаются при перерывах более 80-60 мин. Испытания позволяют сделать вывод о том, что достижение максимальной сплошности массива возможно обеспечить при длительности в перерывах закладки не более 50-60% от времени начала схватывания конкретной смеси.

В результате проведенных комплексных исследований было установлено, что толщина прослоек зависит от интенсивности закладки ( рис. 5). Слоистость закладочного массива обусловлена прерывистым режимом процесса закладки ( в частности, сменным режимом работы рудника) и ограничениями проектной (оптимальной) производительности закладочного комплекса и пропускной способности трубопровода, особенно, при подаче смеси на большие расстояния. Структура закладочного массива является важнейшей характеристикой, особенно, нижней пачки слоев при нисходящем порядке выемки рудных тел. Несущую способность нижней части слоев (и тем самым увеличить допустимую ширину очистной выработки без применения поддерживающей крепи) обеспечивают за счет применения вертикальной и (или) горизонтальной армировки.

Угол растекания смеси отображает ее реологические свойства и состояние (вязкость, предельное напряжение сдвига, консистенция и др.) и поэтому он принят нами в качестве параметра, предопределяющего длину ее растекания в пологопадающем выработанном пространстве, в зависимости от интенсивности закладки. В процессе шахтных наблюдений и определений было установлено, что угол растекания смеси в слое (камере) зависит от ее состава, консистенции (подвижности), сроков схватывания, интенсивности закладки, размеров выработанного пространства, количества точек закладки и др., а при постоянстве свойств смеси определяется интенсивностью процесса.

По данным натурных наблюдений за процессом формирования закладочного массива определена зависимость углов растекания смеси от интенсивности закладки.

о ¡й о

8

« а

и

а

10 25 50 100

Толщина слоя, см

Рис.5. Зависимость толщины прослоек от интенсивности

закладки

1, 2, 3 - соответственно, ширина слоя 8, 6, 4 м, длина 120 м.

В результате математической обработки экспериментальных данных разработана номограмма (рис. 6) для определения ожидаемых углов растекания смеси при различных длинах закладываемого слоя, подвижности смеси и производительности закладочного комплекса. Изменение углов растекания смеси (при установленной проектом производительности закладочного комплекса) можно регулировать другими транспортными характеристиками смеси: изменением ее консистенции и предельного напряжения сдвига, применением пластифицирующих добавок, например, хлористого натрия, сульфитно-спиртовой барды, сернокислого натрия в количестве от 1 до 3% от веса вяжущего на 1м3 смеси. Одновременно применение химических добавок в составах смесей позволило снизить расход вяжущего (в зависимости от

Длина растекания, м

Рис. 6. Номограмма для определения ожидаемых углов растекания смеси; А, Б, В, Г - подвижность смеси, соответственно, ОК - 10, 11, 12 и 14 см.

1, 2, 3 - производительность по закладке, соответственно 60, 80, 100 м3/чае

его типа и марки, типа добавки) на 10-20%, против составов не содержащих пластификаторы, обеспечивая равнозначные прочности закладки или увеличивающие ее на 15-20%.

При сплошных слоевых системах разработки закладочный массив является конструктивным элементом системы при восходящем порядке выемки, является стенкой и почвой, по которой перемещается самоходная техника; при нисходящем - стенкой и кровлей очистной выработки. Для обеспечения проектной производительности очистного забоя (слоя) и выполнения технических условий работы самоходного оборудования, прочность закладки, к моменту возобновления работы в слое, должна составлять не менее 1+1,5 МПа в .возрасте 3 сутГ Практика применения слоевых систем разработки с самоходным оборудованием показала, что отсутствует необходимость возведения равнопрочного закладочного массива по всей высоте слоя.

Целесообразно обеспечить высокую прочность верхней части слоя для нормального передвижения по закладке самоходного оборудования, прочность нижней части слоя может быть обеспечена в более поздние сроки твердения.

Для снижения себестоимости закладки и выполнения указанных выше требований нами разработана и внедрена технология возведения закладочного массива разнопрочными смесями. Сущность технологии состоит в формировании слоя двумя смесями: нижние (85% объема слоя) закладкой с расходом вяжущего на 15-20% меньше, верхние (15% объема слоя) - на 35-40% больше от ранее применяемых расходов вяжущего. При этом удельный расход вяжущего был сокращен на 10-5-15%.

Порядок возведения разнопрочиоизакладки при нисходящей выемке слоев меняется на противоположный. Применение пластификаторов твердения в технологии возведения разно-прочной закладки позволило снизить удельный расход вяжущего на 15-20%, подработку закладки и разубоживание на 25ч-30%.

Выполненный комплекс исследований показал, что при соблюдении заданных состава и реологических свойств смеси, способы подачи смеси оказывают определяющее влияние на ее расслаивасмость в выработанном пространстве. Наименьшее влияние на этот параметр оказывают способы подачи смеси через скважины и через наклонные выработки, расположенные выше кровли закладываемых камер.

Интенсивность и режим закладки, ее подвижность предопределяют углы, длины растекания смеси, слоистость массива и его физико-механические свойства.

При разработке пологопадающих рудных тел с параметрами выработанного пространства 8x120 м. (при слоевых системах разработки) и 8x50 м. (при камерно-целиковых система?;) основными мерами по обеспечению заданных параметров закладочного массива являются:

- производительность (интенсивность) закладки должна быть не менее 80-100 м3/час;

- длина растекания смеси не должна превышать 40-50 м. (при слоевых системах разработки - обеспечивается установкой поперечных слоевых перемычек и бурением не менее 2-х закладочных скважин);

- подвижность смеси - не более 12-13 см осадки конуса СтройЦНИИЛа, коэффициент расслаиваемое™ смеси - не более 1,3 ;

- исключение попадания промывочной воды трубопроводов в закладываемое пространство с помощью разработанных водо-отводящих устройств;

- применение способа дистанционного контроля полноты закладки с помощью уровнемеров;

- применение разнопрочной закладки, когда это целесообразно и возможно по горно-геологическим и горнотехническим условиям.

Разработанная номограмма определения параметров формирования закладочного массива в зависимости от углов и длины растекания смеси, ее подвижности и интенсивности закладки и их выполнение позволяют обеспечить наибольшую однородность закладочного массива и его нормативные прочностные и деформативные свойства.

Тепловые процессы в закладочном массиве (4, 6, 12, 13, 20, 25, 26, 27, 33, 35, 47, 50, 51, 56, 57)

Процессы взаимодействия компонентов вяжущего с водой в составах твердеющих смесей сопровождаются экзотермической реакцией гидратации, в результате которой образуются устойчивые соединения и выделяется значительное количество тепла.

Возводимый закладочный массив является телом с внутренним источником тепла и характеризуется нестационарной теплопроводностью, температурное поле которого изменяется во времени и пространстве. Актуальность изучения температурного режима твердения и определения величины тепловыделения закладочными массивами была обусловлена необходимостью установления степени их влияния на кинетику набора прочности, окислительные процессы в сульфидных рудах и рудничную атмосферу.

Впервые в горнорудной практике данный вопрос изучался нами в широком плане при разработке месторождений Норильского промышленного района.

Исследования выполняли в натурных условиях в камерах шириной от 4 до 12 м, высотой от 6 до 20 м и длиной до 50 м (р-к "Маяк"), а также в слоях шириной 8-9 м, длиной до 120 м (р-к "Комсомольский")- Температура закладочных смесей колебалась от fl8°C - 23 "°С зимой и от +12-15°С летом? температура рудного массива и рудничного воздуха изменялась от +12 -+18*20°С. В камерах и слоях было установлено более 200 термосопротивлений (ТСМ). Замеры производились в первые две недели ежедневно, затем до двух месяцев один раз в неделю и далее - один раз в месяц. Всего за четыре года было произведено более 850 замеров.

Установлено, что твердение закладочных массивов сопровождается их значительным разогревом, особо возрастающим с увеличением начальной температуры смеси. Температура массива нарастает в течение 5-30 сут., при чем ядро разогревается более длительное время, и здесь зафиксированы большие абсолютные значения температуры по сравнению с периферийными участками. Значения температур в ядре закладочного массива с поперечным сечением 8x8 м и более, возведенного из песчано-цементных смесей с расходом цемента М300 - 300-350 кг/м3, достигает 65°С.

Дискретное возведение закладочного массива при слоевых системах разработки, меньшая его возводимая мощность, а также интенсивный теплосъем, обусловленный особенностями технологии очистной выемки и вентиляции, определяют максимум температур экзоразогрева на 20-25°С ниже при прочих равных условиях, чем при камерно-целиковой выемке.

В процессе твердения закладки с уменьшением количества непро гидрата ровавших компонентов тепловыделение уменьшается. Одновременно с увеличением температуры массива возрастает теплопередача в окружающую среду. Максимум температуры в контрольной точке соответствует моменту равенства величин тепловыделения и теплоотдачи, после чего наступает медленное охлаждение массива. В зависимости от состава закладки и других технологических факторов максимум температуры достигается в различное время. Наибольшим экзотермическим эффектом обладают составы с портландцементным вяжущим (+65°С), наименьшим - на ангидритовом вяжущем (+36°С). Интенсивность остывания ядра массива из песчано-цементной закладки составляет 4-7°С в месяц, ангидритовой -1,5°С в месяц. Максимальный перепад температур между центром закладочного массива и его боковыми гранями достигает при закладке +25-30°С, при ангидритовой - +15-16°С.

По мере наращивания закладочного массива по высоте, максимальная температура разогрева его отмечается ближе в верхней его части, возводимой в последнюю очередь. При этом перепад температур в направлении почва-ядро-кровля несколько ниже, чем в направлении от ядра массива к периферии.

Влияние технологических факторов на температурный режим закладочных массивов устанавливалось при закладке камер различного объема однотипной смесью с неодинаковой начальной температурой при различной интенсивности заполнения. Группируя камеры по однозначным признакам, методом исключения переменных устанавливали влияние каждого из факторов на максимальный разогрев закладочного массива, принятого в качестве критерия (Гтах). Наибольшее влияние на величину Ттах при прочих равных условиях оказывает начальная температура Ьшч смеси.

Корреляционное уравнение имеет вид:

Ттах = 15,83 + 2,67 /иач (13)

при этом коэффициент корреляции г = 0,586 и надежность вычисленного показателя тесноты связи ц = 3,33.

Влияние объема камеры V на величину Ттах сказывается в меньшей степени:

Ттах = 36,085 + 0,004 к при г =0,73 и ц = 5,52 (14)

Влияние интенсивности / возведения закладочного массива

на величину Ттах незначительно.

Ткиа = 40,551+ 20,939 /, при г -0,779 и р - 6,86 (15)

Экзотермический разогрев массива сопровождается отдачей тепла в окружающую среду. Величина и интенсивность теплоотдачи зависят не только от теплопроводности среды, но и от параметров температурного режима твердения. Последний, в свою очередь, определяется количеством выделенного тепла и показателями теплоотдачи. Тепловыделение твердеющей закладки, таким образом, является сложным, непрерывно изменяющимся во времени и пространстве многофакторным процессом. Графическое изображение его в виде функции времени возможно лишь при условии, что все остальные взаимно влияющие факторы остаются неизменными. Твердение заклад-га! протекает в условиях близких к адиабатическим, сопровождается непрерывным повышением температуры массива, приводит к интенсификации процесса тепловыделения, что значительно затрудняет применение аналитических методов расчета и исследований. Поэтому при изучении количественных характеристик тепловыделения и теплопередачи закладочного массива использовался экспериментально-расчетный способ, включающий измерение теплового потока на поверхности закладочного массива методом дополнительной стенки. Для определения величины теплового потока использовался разработанный нами тепломер, в цепи которого (в пшертермопарах) под действием тепла наводится электродвижущая сила, пропорциональная разности температур на его поверхности. Удельный тепловой поток определяли по формуле:

д=Кт ■£ , ккал/м2-ч (16)

где Кт - тепловой коэффициент тепломера, ккал/м2-чмВ;

Е - ЭДС в цепи тепломера, мВ.

Предполагалось, что массив закладки при достаточно больших размерах является однородным изотропным сплошным телом, для которого коэффициенты теплопроводности и теплоемкости постоянны, а процессы тепловыделения и теплоотдачи относительно продольной оси протекают симметрично. При этом количество теплоты, выделенной в результате гидратации вяжущего, равно сумме количеств теплоты, аккумулирующейся

в закладочном массиве и выделившейся через его поверхность. В закладываемых камерах на границе раздела сред, "руда-закладка" устанавливались тепломеры и термосопротавления, позволяющие определить тепловой поток, а также коэффициенты рудного и закладочного массивов.

На рис.7 показаны графики зависимости удельного теплового потока на поверхности закладочных массивов от времени твердения смеси по данным натурных наблюдений в камерах, в которые была уложена закладка с вяжущими: ангидритовым 1, цементно-зольным 2 и портландцементным 3. Площадь, заключенная между кривой удельного тепловыделения и осью абсцисс в определенном интервале времени, пропорциональна абсолютной теплоотдаче с м2 поверхности массива за данный промежуток времени.

.60

„50

I 40

«

§ зо

о

В

20

3 0 £

ф=

80

Ю 20 30 40 50 60 70

Время твердения, сут

Рис. 7. Изменение тепловых потоков на поверхности закладочного массивов

Для расчета количества выделившейся на поверхности массива тепла (0в) определялся средневзвешенный тепловой поток

—Щ^Т)—,ккал/мЧ 07)

где - удельный тепловой поток, ккал/м2-ч;

- средний удельный поток в интервале времени

Т1+] - 7} между замерами.

Тогда & = ккал (18)

где Я - полная поверхность закладочного массива, м2; Т - время тепловыделения, час. Фактическое удельное тепловыделение закладки за время наблюдений составит:

дф =-^-,ккалМ (19)

где V- объем закладки, м3.

Поскольку параметры экзотермического процесса непрерывно изменяются во времени и пространстве, количество аккумулированной теплоты можно установить только в определенные фиксированные периоды времени. Расчет тепла 0акк в исследованных закладочных массивах выполнялся методом графического интегрирования для периода Ттах и по истечении 40 суток с момента укладки смеси:

£?шж= = с-у , ккал, (20)

где V/ - элементарный объем массива, м3;

// - средняя температура элементарного участка массива, °С; с - удельная теплоемкость, ккал/кг-град; у - объемная масса, кг/м3.

Тепловой баланс закладочного массива Од = (2в + 0акк , ккал.

Приведенная методика исследования тепловых процессов позволяет установить закономерности изменения параметров температурного режима твердения закладочных массивов в зависимости от изменения влияющих факторов.

Полученные результаты - величины максимальных температур и температурных перепадов в массиве во времени и пространстве в зависимости от состава закладки, начальной температуры смеси, объемов и интенсивности заполнения, распределение температур в различных сечениях целиков, а также характеристики удельных тепловых потоков на границе раздела сред и удельного тепловыделения массива - являются основой для определения величины влияния на окислительные процессы в сульфидных рудах, кинетику набора прочности твердеющей закладки и оценки влияния указанных параметров на состояние рудничной атмосферы в горных выработках.

Влияние тепловыделения закладочного массива на рудничную атмосферу. Формирование теплового режима горных выработок разрабатываемых горизонтов рудников происходит под влиянием источников тепла, действующих на рудничный воздух, термодинамические параметры которого при этом существенно изменяются.

Мощным источником тепла являются процессы гидратации в твердеющих смесях. Удельные тепловыделения последних достигают от 16-Ю4 ккал/м3 (портландцемент) доЗ-104 ккал/м3 (ангидрит). В общем тепловом балансе рудников тепло от твердеющей закладки составляет 20-25%.

Для качественной и количественной оценки влияния тепловыделения закладочного массива на рудничную атмосферу были проведены шахтные тепловые съемки за изменением скорости вентиляционной струи, барометрического давления, температуры и влажности воздуха. Исследования выполнялись в районе закладочных работ по панельным штрекам, а также в разрезных штреках рудных целиков, пройденных по почве, боковому контакту и по закладочным массивам. Замеры проводились через 3 суток: перед закладкой, в период закладки и после закладки камер в течение 30-60 дней. Наблюдения показали, что температура рудничной атмосферы в разрезных штреках составила +25-32°С и относительную влажность - 95-98%. Температура рудничного воздуха на исходящей струе, в районе заложенных камер повысилась на +3-9 °С.

На основании проведенных экспериментов и основных положений методики тепловых расчетов ЛГИ нами разработан приближенный метод оценки тепловыделения закладочных

массивов на температуру рудничной атмосферы. Основная расчетная формула имеет вид:

Кф-КхШ

/ = Т

»г и

-(Т -1)-е с{сР+гп^ср) 0С ■ У мо 1а) к ) ^

где t0 и - температура в начале и конце расчетного

участка, °С;

Т;М и - средневзвешенная температура окружающего выработку рудного и породного массива в начале и конце расчетного участка^ °С;

- весовой расход воздуха по выработке, кг/час;

- коэффициент нестационарного теплообмена между рудничным и окружающим породным массивом, ккал/м2-час-град;

-коэффициент увеличения теплообменной поверхности выработки в зависимости от типа крепи;

- периметр поперечного сечения выработки, м;

- длина расчетного участка, м;

- удельная теплоемкость воздуха, ккал/кг-град;

- скрытая теплота испарения, ккал/кг;

- средняя относительная влажность рудничного воздуха на расчетном участке, доли ед.;

- коэффициент из приближенной зависимости влагосодержания воздуха от его температуры при <рс р = 1 и Р =760 мм.рт.ст.

Средневзвешенная температура окружающего выработку массива определяется из выражения: Т,У3+Те-Уп

в Кг

Кф

и I

ср г

<Рср п

где

Т ~ 1 з -

Яз

Т = ■

•* МО —

•У3+2 кт

У3+Уп

°С

ь-к ■т,

гз + *наг'

•Уз-Уз

К

с3 -Уз +2кт •Ъ•

К

°С (22)

К Те

Ь

- средневзвешенная температура закладки с учетом экзотермического разогрева, °С;

- объем закладки, м3;

- естественная температура породного массива, °С;

- время закладки, час;

Уд - объем окружающих выработку пород, м3;

- начальная температура смеси, °С; дэ - удельное тепловыделение смеси, ккал/м3; с3 - удельная теплоемкость смеси, ккал/кг-град; у3 - объемный вес смеси, кг/м3; 2Ь - пролет камеры (слоя), м; I - длина камеры (слоя), м;

кт - коэффициент нестационарного теплообмена для полуограниченного пространства, ккал/м2-час-град.

Естественное температурное поле горного массива, связанное с природными геотермическими условиями, в результате технологических процессов будет существенно нарушено и за начальную температуру пород при прогнозе теплового режима забоев необходимо принимать осредненное значение температуры массива в зоне влияния выработки, т.е. в пределах 1-3 ее радиусов от контура.

Проведенное сравнение полученных данных с экспериментальными показало их удовлетворительную сходимость.

Предложенная методика позволяет определить влияние тепловыделения закладочных массивов при проведении теплотехнических расчетов рудничной атмосферы и разработать способы и средства регулирования теплового режима рудников.

Влияние температурного режима на прочностные свойства закладки. Термо-влажностный режим твердения закладочных смесей и закладочного массива оказывает существенное влияние на их технические характеристики и динамику набора прочности.

Исследования процесса твердения, его взаимосвязь с температурным режимом проводились в натурных и лабораторных условиях. Параллельно установленным термосопротивлениям выбуривали керн через 7, 14, 28 сут., 3 и б мес., производилась его оценка и определение физико-механических характеристик. Одновременно, в указанные сроки, производились замеры температуры закладочного массива.

Натурные исследования ориентировали в поперечном, продольном и вертикальном сечениях закладочного массива.

Установлена прямая взаимосвязь темпа набора прочности различных составов закладки и температуры твердения в пространстве и времени в течение 1-1,5 мес. от начала закладки. В

дальнейшем температура массива снижается, а прочность продолжает возрастать. На процесс твердения, помимо гидролизной реакции, интенсивной в начальный период, влияют факторы уплотнения гелеобразных продуктов гидратации, скорость роста кристаллов в различных направлениях, силы сцепления на контактах срастания и жесткость возникших связей.

В результате натурных исследований установлена закономерность распределения прочности по ширине, высоте и длине закладочного массива. При прочих равных условиях (колебания в составе смеси, технологии приготовления и ее укладки) прочность на сжатие и растяжение в ядре массива на 30-50% выше, чем у ее границ по истечении З-б мес. Исследования выбуренного керна через 1,5-2 года показали, что его прочность в сечении закладочного массива выравнивается и разница в центральной и краевой зонах составляет только 20-30%. Эту закономерность необходимо учитывать при разработке и ведении буро-взрывных работ при выемке междукамерных целиков, смежных слоев и оценке общей геомеханической обстановки. Изучение структуры закладочных массивов и наличия в нем трещинообразования, вызванного экзотермическим разогревом, проведенное с помощью прибора РВП-452, показало, что при соблюдении технологии закладочных работ в массиве отсутствуют температурные трещины.

Влияние экзотермических процессов на окисление сульфидных руд. При разработке сульфидных месторождений с твердеющей закладкой окислительные процессы, протекающие в сульфидных рудах, активизируются за счет повышения температуры рудных массивов и кислорода рудничной атмосферы. Особое значение проблема воздействия температурного режима твердения закладки на окисляемость руд приобретает для глубоких рудников Норильска, где температура пород от 20 до 32 °С.

Основными рудообразующими минералами руд являются халькопирит, пирротин, кубанит и пентландит.

Химическая активность основных типов руд, определенная по методике низкотемпературного окисления ИГД им.А.А.Скочинского, свидетельствует об их потенциальной пожароопасности. Наибольшей склонностью к окислению обладают пирротин-кубанитовые (# = 0,0215 мл/г-ч), наимень-

шей - пентландит халькопиритовые (Л~ 0,0061 мл/г-ч). Для сравнения можно указать, что для Деггярского месторождения,

например, составляет Й = 0,0042 мл/г-ч.

С увеличением содержания нерудных минералов более 10% показатель химической активности руд резко снижается. В то же время повышенная температура и влажность интенсифицируют окислительные процессы. Известно, что зависимость скорости реакции окисления от температуры определяют правилом Вант-Гоффа, устанавливающим увеличение скорости реакции в 2-4 раза при повышении температуры на каждые 10°С. Следует отметить, что это правило лишь приближенно позволяет оценить влияние температуры на скорость реакции. Законы физической химии определяют, что константа скорости реакции (в данном случае константа скорости сорбции кислорода), характеризующая природу реагирующих веществ, зависит от числа активных столкновений молекул в единицу времени. Для исследованных типов руд указанный показатель при повышении температуры на каждые 10°С возрастает в среднем в 1,74 и 1,64 раза в интервале температур соответственно 3-20°С и 20-50°С.

Скорость химических процессов определяется диффузией кислорода к реагирующей поверхности через образующуюся окисную пленку. Последняя способствует снижению активности руды с течением времени в процессе окисления. Закономерность изменения кинетических констант скорости сорбции кислорода в зависимости от температуры и продолжительности реакции для халькопирит-пирротинового типа руд показывает, что в первые после отбойки 24 ч химическая активность руды с повышением температуры резко возрастает по сравнению со средней за 250 ч после отбойки. Сущность явления состоит в том, что при наличии свежих неокисленных поверхностей частиц после отбойки окислительные процессы протекают весьма интенсивно, а с увеличением толщины окисной пленки, затрудняющей диффузию кислорода, заметно тормозятся. С увеличением температуры руды свыше 20°С интенсивность окислительных процессов существенно возрастает.

Максимальная химическая активность руды проявляется при нашчии на ее поверхности частиц тонкой пленки гигроскопической влага. При избыточной влажности активность руды

снижается, чти мо::<но объяснить затруднением диффузии кислорода через слой воды.

С увеличением влажности от 0 до 16% интенсивность окислительных процессов в пирротин-кубанитовых и халькопирит-кубанитовых рудах возрастает в 24 раза, тогда как в пентландит-халькопиритовых и халкопирит-пирротнновых рудах - всего лишь в 3-5 раз.

Влажность закладочного массива в трехмесячном возрасте составляет 18-20%, водоотделение в начальный период твердения является довольно интенсивным, что способствует протеканию окислительных процессов в рудах и повышению температуры разогрева твердеющего массива.

В связи с тем, что экзотермические реакции, происходящие в искусственных целиках, вызывают повышение температуры рудных, представляет интерес динамика разогрева последних. Интенсивное увеличение температуры происходит на границе между закладочными и рудными массивами в период 6-10 сут. с начала твердения закладочной смеси, затем процесс стабилизируется.

Обработка руд растворами закладочных смесей различного состава и водой показала, что химическая активность руды, обработанной растворами, содержащими цемент, почти не отличается от активности руды, обработанной водой. В руде, обработанной ангридитовой закладочной смесью, активность протекания окислительных процессов значительно снижается. Последнее обстоятельство также свидетельствует в пользу вяжущих на основе ангидрита.

С окислительными процессами сульфидных руд неизменно связано выделение сернистого газа. Исследование температур начала выделения сернистого газа показало, что этот процесс начинается уже при низких температурах, хотя температуры воспламенения руд Талнахского и Октябрьского месторождений достаточно высокие. За начало выделения принята температура навески руды, при которой замечены первые признаки его появления. Видимо О2 начинает выделяться при еще более низких температурах, но его обнаружение ограничено существующей методикой.

За температуру выделения Б02 принималась средняя температура интервала от начала опыта до конца обесцвечивания

титровального раствора. Среднее удельное выделение .УО2 рассчитывалось по формуле:

о = ; , мг/м2-мин (23)

ол • Л/ • ?\

где (1 - средний диаметр частиц в навеске, см;

у - удельный вес руды, г/см3;

Р - вес выделившегося 50^, мг;

К - коэффициент, учитывающий неправильную форму частиц (А=3);

Д/ - интервал времени, мин;

Р] - вес навески руды, г.

Результаты лабораторных исследований показали, что для самого активного типа руды, халькопирит-кубанитовой, среднее удельное выделение (при температуре обесцвечивания титровального раствора - 44,9°С и средней начальной температуре выделения 34,8°С) составляет 0,417 мг/м2-мин. Лабораторные данные о низкой температуре начала выделения ЯОг подтверждаются шахтными наблюдениями.

При добыче руды системой с подэтажной отбойкой (к 11/6 р-к "Маяк") при температуре руды 24°С на исходящей струе была обнаружена концентрация Б02 до 0,00022%. При камерно-целиковой системе с потолкоуступной отбойкой и магазиниро-ванием руды (к 20/6) концентрация Б02 в исходящей струе составила 0,00011% при температуре руды 31°С. Вследствие большого удельного веса и высокой растворимости в воде значительная часть 802 остается в отбитой руде, не попадая в рудничную атмосферу. Тем не менее, как показывает практика, его концентрация в рудничной атмосфере уже на глубинах разработки 200-300 м может достигать больших значений.

Радикальными средствами уменьшения влияния экзотермического разогрева на окислительные процессы, протекающие в рудах, являются: применение низкотермичных смесей, приготовленных на сложных вяжущих, снижение начальной температуры смеси, обеспечение инстенсивного проветривания, а также применение систем разработки, исключающих магазинирование сульфидных руд.

Взаимодействие закладочного массива с смещающими породами и определение прочности закладки (2, 10, 17, 28, 29, 30, 34, 38, 39, 41, 42, 45, 46, 48, 49, 58)

Экономическая эффективность разработки месторождения с твердеющей закладкой в значительной мере определяется стоимостью закладочных работ, которая в основном зависит от требований, предъявляемых к прочностным и деформационным характеристикам закладочного массива. При этом недопустимы как завышенные требования к прочности закладки (возрастает стоимость), так и заниженные, приводящие к неустойчивости массива в обнажениях. .

Для правильного подхода к выбору физико-механических характеристик закладочного массива необходимо знать закономерности распределения горного давления между рудным и закладочным массивами и степень влияния этих характеристик на это распределение.

Технические требования к закладочному массиву должны рассматриваться применительно к решению двух геомеханических задач:

- сохранение устойчивости обнажений и создание необходимого распора для поддержания кровли в очистных выработках при ведении горных работ;

- обеспечение максимально допустимых деформаций подрабатываемой толщи пород ( земной поверхности) при выемке запасов в пределах предохранительных целиков под охраняемыми объектами.

С позиций горной геомеханики устойчивость обнажений закладочного массива зависит от .нагрузки в зоне очистной выработки, механических свойств и структурных характеристик закладочного массива. На величину нагрузки влияют угол падения и мощность рудной залежи, механические свойства руд и вмещающих пород, размеры выработанного пространства, расстояние от обнажения до рудного массива или другой жесткой опоры, система разработки и порядок выемки руды, время стояния обнажения и др. Эта группа факторов является определяющей и воздействовать на нее можно в ограниченных пределах. Механические свойства и структура закладочного массива полностью поддаются нормированию.

К техническим требованиям, предъявляемым к закладочному массиву, относятся механические характеристики (прочностные и деформационные, в том числе компрессионные), структура массива и динамика набора прочности. В зависимости от ориентировки обнажения по отношению к действующей нагрузке элементы его могут работать на сжатие, растяжение, изгиб. Для простоты определения и удобства контроля эти показатели приводят к прочности при одноосном сжатии а" ж

Связь между прочностью при сжатии (<?" х) 11 растяжением (а"р ) выражается преобразованной нами формулой Ферэ:

аир =(0,13^2/3 (24)

Соотношение прочности при сжатии и изгибе (сг^) выражается в виде:

ж= 2,5 а"з (25)

Анализом результатов многочисленных испытаний закладки нами установлены следующие соотношения:

*"из=(2+3)аир (26), аир =0,5аисж (27)

Деформации вмещающих пород и земной поверхности определяются, при прочих равных условиях, компрессионными свойствами твердеющей закладки, которые характеризуются коэффициентом компрессии .

Между коэффициентом компрессии у , прочностью твердеющей закладки при одноосном сжатии а" ж (Мпа) и удельной осевой нагрузкой на закладочный массив д (МПа) нами установлена зависимость вида:

и=Нг~(28)

ас ж

где х ~ эмпирический коэффициент сжимается.

Эта зависимость справедлива до значений ц / а" ж < 7 для

водонасыщенной и до 12 - для воздушно-сухох! твердеющей закладки. Коэффициент сжимаемости зависит от типа и гранулометрического состава заполнителя, количества, типа вяжущего и от водовяжущего отношения, влагонасыщенности закладочного массива. Для конкретных составов его значения определяют

испытанием образцов в компрессионном режиме (нагруженис в условиях запрещенной боковой деформации). Зависимость коэффициента компрессии (и) от нагрузки и свойств твердеющей закладки (х) представлена на рис.8. Величины коэффициента сжимаемости для песчано-цементной закладки составляют -1.35, для ангидрито-шлако-цементной со щебнем - 0.25.

Распределения давления на закладочный массив и относительные прогибы (наклоны) непосредственной кровли вблизи очистного забоя существенно зависят от компрессионных свойств закладки (рис.9).

Анализ показывает, что давление на закладку с большим коэффициентом компрессии вначале растет медленно, затем при ¿1=0,211 резко нарастает и при Ь^=0,5Я достигает уН. Для жесткой закладки по мере удаления от забоя до Х/=0,4Н давление растет равномерно, затем график выполаживается и при £/=0,7Н достигает уН.

Наклоны пород непосредственной кровли в призабойной зоне существенно зависят от компрессионных свойств закладки. При изменении коэффициента компрессии от 2 до 10% наклоны увеличиваются в 1,5-2 раза.

При решении задачи о выемке полезного ископаемого в пределах предохранительного целика под охраняемым сооружением (природным объектом) задаются величиной допустимой деформации земной поверхности. Затем с использованием методов теории сдвижения горных пород определяют оседания кровли залежи, получая коэффициент компрессии. Зная свойства твердеющей закладки, по формуле (28) определяют ее необходимую прочность. При этом удельную нагрузку на закладочный массив выбирают, учитывая положение охраняемого объекта на подрабатываемой территории. Например, если объект находится в центральной части подрабатываемой площади и Ь/Н >1 (Ь -пролет подработки, м, Н - глубина разработки, м); то

ди =Ка-уН (29)

где Ка - коэффициент, учитывающий зависимость нагрузки от угла падения рудного тела (а); у - средний объемный вес налегающей толщи пород, т/м3.

о /в в О, -""о

1

•

1 2 3 4 5 <Ьак/а<

Рис. 8. Зависимость коэффициента компрессии от состава ТЗ и удельного давления на ЗМ: 1 - песчано-цементная; 2 - АШЦ -дробленые породы

Г Я

0.5

ь> г ^

г г

0.25

0.5

0.75 Ь/Н

Рис. 9. Изменение давления на ЗМ в зависимости от расстояния до забоя: 1 - ТЗ с коэффициентом компрессии у=2% при уН; 2 - то же, с

у=10%

1

В формуле (29)

Ка = cos2« + rj sin2a (30)

здесь г) — от/ав (<тг - горизошальная, св - вертикальная составляющие напряжений в нетронутом массиве, Мпа). В тектонически спокойном районе ц = /у /(1 -/и)\ ¡л - коэффициент Пуассона. В тектонически активном районе необходимо экспериментальное определение тензора напряжений.

Механические свойства твердеющей закладки, и в частности прочность, в процессе твердения существенно изменяются. Поэтому для конкретизации показателя прочности вводится понятие нормативной прочности твердеющей закладки. Нормативной прочностью закладочного массива или его части считается прочность при одноосном сжатии, при которой возможно безопасное обнажение массива горной выработкой заданных размеров. Нормативная прочность определяется величиной нагрузки и временем ее действия на закладочный массив в районе расположения горной выработки, а также геометрическими размерами и пространственным расположением обнажения.

При управлении горным давлением с помощью твердеющей закладки залежь полезного ископаемого отрабатывают, как правило, всплошную. При этом применяют камерные системы (камерно-целиковые, камерно-столбовые, этажно-камерные и т.п.) и сплошные, в том числе и слоевые. Различие схем отработки обуславливает и различие методик определения нормативной прочности твердеющей закладки.

При камерно-целиковых системах разработки залежь полезного ископаемого разделяют на выемочные блоки, этажи, панели, запасы которых извлекают одновременно или последовательного с оставлением или без оставления целиков. Блоки, этажи, панели отрабатывают выемочными единицами (камерами) в определенной последовательности в несколько очередей, оставляя между камерами рудные, искусственные или комбинированные целики. Блоковые целики отрабатывают в последнюю очередь. Если запасы в блоке (панели) извлекают под защитой блоковых (панельных) целиков, отрабатываемых в последнюю очередь, можно выделить две различные стадии на-гружения закладочного массива.

Ч

Необходимую прочность твердеющей закладки оСж1 в искусственных опорах для первой стадии работ определяют по формуле

(К„

<3сж1~

'У пр' Нп р'

в

пр

+Уи-К

где Гпр Н,

В,

пр

пр

аи

Ги

К К.,

Кф Ко

К3

*и / КфКд

- объемный вес пород пригружающей толщи, /н/м3 ;

- мощность (высота) пригружающей толщи пород, м;

- ширина полосы, пригружающей искусственную

опору (расстояние между осями целиков, извлекаемых в последнюю очеред ь), м;

- ширина искусственного целика, м;

- объемный вес закладки, т/м3;

- высота искусственного целика, м;

- коэффициент запаса прочности;

- коэффициент формы;

- коэффициент длительной прочности.

(31)

Коэффициент запаса прочности принимают не более 1.5, учитывая в основном вариации прочностных свойств закладочного массива. Коэффициент длительной прочности в зависимости от времени стояния обнажения принимают в пределах 0.40.7 (чем больше время стояния, тем меньше Кпри времени стояния до одного года К^- 1); Кф ~ О.б-ьО.4 (аи/ /ги) при 0.25 £ аи /Л„ <; 1.

Кф= /Ии при 1 < а„/Ли<;4. (32)

Во вторую стадию - выемку блоковых (панельных) целиков - необходимую прочность закладки (асж2) определяют по формуле

К а • Кн -у • Н • В ^ К3

<Усж1= | * У-+ УиК\-гг-|г- (33)

"и / Л-фЛд

где Кн - коэффициент, учитывающий, какая часть столба налегающих пород нагружает искусственный массив; В - ширина блока (панели), м; Ви - ширина искусственного массива, м.

Изучение процессов сдвижения налегающей толщи пород и нагружения искусственных массивов при выемке сплошных руд

на руднике "Маяк" (Норильский ГМК), а также компрессионных свойств закладки позволило установить, что в период отработки панельных целиков при Ь=Н и наличии на границе рудного тела мощных сбросов давление налегающей толщи пород на закладочный массив не превышало 0.5 уН, т.е. А"„=0.5. Эта цифра и была принята при корректировке нормативной прочности твердеющей закладки для рудника "Маяк". Для неисследованных условий рекомендуется Кн =0.5 ////< 1.

Если выработанное пространство после выемки блоковых (панельных) целиков не заполняется, то Ж„ = Ь/Л < 1.

Для выбора нормативной прочности из двух величин (асж/ и <зСЖ2) принимают большую.

Разработанная на основании результатов исследований методика определения нормативной прочности твердеющей закладки для условий рудника "Маяк" позволила снизить требования к ее прочностным свойствам в 3-4 раза по сравнению с проектными.

Нормативная прочность закладки для сплошных систем разработки определяется для следующих вариантов: выемка слоев снизу вверх (восходящая), выемка слоев сверху вниз (нисходящая) и комбинированная. В зависимости от порядка выемки полезного ископаемого могут обнажаться стенка искусственного массива, стенка и почва, стенка и кровля. Здесь рассматривается нормирование прочности твердеющей закладки, обнажаемой в стене и кровле выработки.

Напряжения в искусственной стенке очистной выработки определяются собственным весом искусственного массива и деформирующимися вмещающими породами. При этом при-грузка вмещающими породами пропорциональна сближению почвы и кровли при подвигании очистного забоя на шаг закладки. Выражение для определения необходимой прочности твердеющей закладки имеет вид

где АЛ - уменьшение высоты выработанного пространства у искусственной стенки очистной выработки при подвигании забоя на шаг закладки; м; Еи - модуль деформации закладки,

(34)

МПа.

На рудных месторождениях, где вмещающая толща представлена, как правило, прочными неслоистыми породами, перемещения кровли в расчете на шаг закладки малы ( не превышают 20 мм). Здесь основную роль в формировании напряжений в искусственной стенке будет играть собственный вес закладки, а нормативная прочность ее будет равна этим напряжениям, умноженным на коэффициент запаса.

Нормативная прочность твердеющей закладки в зависимости от вертикальных обнажений закладочного массива для условий рудников Норильского ГМК:

Нормативная прочность твердеющей закладки, МПа

Системы разработки камерно- сплошные целиковые

До 5..........................................1.0 1.0

5-10........................................1.5 1.0

10-15..........................................2.0 1.5

15-20........................................3.0 1.5

20 - 30 ........................................3.5 2.0

30 -40 ........................................4.5 2.5

Более 40......................................5.0 2.5

Наиболее ответственны горизонтальные обнажения закладочного массива в кровле очистных выработок, которые при слоевых системах определяют безопасность работ. В силу ряда причин в закладочном массиве образуются плоскости ослабления: вертикальные, связанные с размерами одновременно закладываемой выработки, и горизонтальные, обусловленные перерывами в подаче закладки и другими факторами.

При нисходящей выемке слоев, обнажаемый в кровле закладочный массив можно представить, как балку-полоску, опертую либо обоими концами на руду или вмещающие породы, либо одним концом на руду, а другим - на закладочный массив. Устойчивость слоистой пачки определяется несущей способностью нижнего слоя, нагруженного собственным весом и частью

веса вышележащих слоев. При этом предполагается, что нагрузка распределена равномерно.

Допускаемые напряжения в несущем слое, условно приведенные к сжимающим, выражаются в виде:

_ уи1г{\ + Кп)

оСж- О)-^-- , (36)

11а

где а> - коэффициент, учитывающий условия заделки балки в опорах, соотношение прочностей при изгибе и сжатии и принятый запас прочности (со - обычно 2.8); I - ширина выработки, м; Кд - коэффициент пригрузки несущего слоя вышележащими (чаще всего Кц = 1+1.5); Л# - толщина несущего слоя, м.

По различным технологическим причинам не всегда можно обеспечить необходимую толщину несущего слоя (0.5-0.8 м) при приемлемой прочности закладки в нем (не более 6-8 МПа). Повысить несущую способность нижней пачки слоев и тем самым увеличить допустимую ширину очистной выработки без применения поддерживающей крепи можно применением вертикальной или горизонтальной армировки. Вертикальная арми-ровка рассчитывается аналогично штанговой крепи, а горизонтальная - по обычным для железобетона правилам. Сейсмическое и непосредственное действие взрывов на кровлю уменьшают путем оставления на почве очистной выработки рудной мелочи толщиной 0.3-0.5 м, (изолируемой полиэтиленовой пленкой) и извлекаемой при выемке нижележащего слоя.

Во всех случаях, когда к разным частям закладочного массива предъявляются различные требования по прочности, необходимо применять (дифференцированную) разнопрочную закладку.

Усредненная прочность обнажения закладочного массива, сложенного раэнопрочной закладкой, подсчитывают по формуле:

о» = К / 2-4" (36)

где Л; - мощность слоя закладки прочностью при сжатии Осзк1> - общая мощность рассматриваемой пачки слоев закладки, причем

Ь? = к

ы

Таким образом, при разработке технических требований к закладочному массиву учитывалось, что закладочный массив у обнажений нагружается собственным весом и пригрузкой от сдвигающихся пород, которая в большинстве случаев составляет незначительную часть веса столба пород до поверхности.

Полный вес пород до поверхности лишь определяет возможную максимальную усадку закладочного массива при условии полной подработки земной поверхности и максимальные величины сдвижения вмещающих пород в земной поверхности.

Создание закладочного комплекса нового технического

уровня

(16,23, 39,44.45)

Принятая проектом технологическая схема закладочного комплекса предопределяет ряд требований к типу и технологическим свойством материалов, используемых для производства твердеющих смесей, диктует особенности строительной компоновки и очередности строительства, в значительной мере, определяет надежность трубопроводного транспорта и технико-экономические показатели технологии закладочных работ. Предусмотренные проектами и реализованные в натуре закладочные комплексы рудников "Маяк", "Комсомольский", "Октябрьский" состоят из отдельных технологических зданий (склад сырья, дробильное, сушильное и помольно-смесительные отделения), соединенных между собой конвейерными трактами в закрытых галереях. Подаваемые в склад сырья авто- и железнодорожным транспортом компоненты конвейерами поднимаются в расходные бункера отделения дробления, далее конвейерами транспортируются в бункера помольно-смесительного отделения, дозируются в шаровые мельницы -компоненты вяжущего, в смеситель - компоненты заполнителя, куда подается и мокромолотое вяжущее из мельниц насосами. Цемент (катализатор) из расходных бункеров пневмотранспортом дозируется непосредственно в смесители.

Многолетний опыт эксплуатации этих комплексов показал их низкую технологическую надежность, неудовлетворительное

качество приготовления твердеющих смесей, сопровождающееся большим количеством аварий на закладочных трубопроводах, сложностью управления технологическим процессом, высокими эксплуатационными затратами, наличием (от 50 до 180 чел.) большого количества рабочего и инженерно-технического персонала

После проведенных реконструкции всех закладочных комплексов с переходом на мельничный способ приготовления смесей были демонтированы сушильные барабаны, заменены дозаторы, укорочены тракты, что существенно повысило надежность производства.

Однако, существенным недостатком традиционной технологической схемы комплекса является невозможность его ввода очередями, в силу принятых технических решений компоновки оборудования в зависимый технологический ряд, когда комплекс может быть работоспособен только при полном его вводе в эксплуатацию. В то же время многолетний опыт строительства и ввода горных предприятий осуществляется, как правило, очередями.

Таким образом, существующие технические и технологические решения компоновки и тип оборудования технологической схемы закладочных комплексов на рудниках страны, применяющих закладку, исключают возможность поэтапного ввода мощностей по производству твердеющей закладки в соответствии с вводом мощностей (очередей) по добыче руды. Такая практика строительства комплексов на всю мощность к моменту ввода в эксплуатацию 1 очереди рудника приводит к низкому коэффициенту использования мощности и замораживанию капвложений или, что чаще и происходит, к отставанию в сроках ввода закладочных комплексов к началу производства горных работ.

В технологических решениях при проектировании и строительстве закладочных комплексов традиционно и повсеместно используется опыт строительной индустрии, когда за основополагающие принципы берутся требования к свойствам материалов, обеспечивающих весовое их дозирование для обеспечения высоких прочностей бетона и цикличную технологию их приготовления. В то же время, применительно к твердеющей закладке предъявляются требования к пластичным и литым раство- i рам, по условиям их транспортабельности по трубам, приготов-

леиие которых должно осуществляться непрерывно н равномерно, с высоким водовяжущим отношением и большой произ-водител ы гостыо.

Многочисленными экспериментами доказано, что влияние высокого В/В отношения (обусловленного условиями трубопроводного транспорта) на прочность низкомарочных бетонов (закладка до 15 МПа) на порядок выше влияния точности (весовой) дозировки компонентов смеси и находится в пределах - 8+10% и обеспечивается объемной дозировкой последних.

С использованием шаровых мельниц в технологических схемах комплексов в качестве агрегата, выполняющего функции в мокром режиме размораживателя, измельчителя и смесителя одновременно, не требуется сушка исходных компонентов и их весовое дозирование.

При этом обеспечивается высокое усреднение составляющих смеси, домол и повышение активности микронаполнителей, высокая их гомогенизация, непрерывная и равномерная подача смеси в трубопровод и хорошая ее транспортабельность в самотечном или самотечно-пневматическом режиме без расслоения на расстояние до 3,5 км. •

Опыт дорогостоящей заготовки и подготовки заполнителей в условиях Крайнего Севера и производства твердеющей закладки на рудниках "Маяк", "Комсомольский" и "Октябрьский", выполненные анализы работы комплексов по переделам, технико-экономические оценки показателей работы и качества твердеющей закладки привели к разработке и созданию принципиально новой технологической схемы закладочного комплекса, спроектированного и введенного в эксплуатацию на руднике "Таймырский".

Комплекс представляет собой заглубленное, прямоугольное, однопролетное отапливаемое здание с размерами в плане 96x24 м и глубиной 20 м. Состоит из открытого склада материалов, единого технологического здания, состоящего из трех секций, в каждой из которых установлено однотипное оборудование, расположенное по каскадной схеме, позволяющей материалам (цементной пульпе) перемещаться под действием силы тяжести без передаточных механизмов.

Каждая секция представляет собой автономную закладочную установку: с силосом для цемента, приемными бунке-

рами материалов, питателями, дробилкой (для ангидрита), шаровой мельницей, из которой твердеющая смесь самотеком поступает в закладочный трубопровод. Каждая секция может строиться и эксплуатироваться отдельно, причем наличие раздельных бункеров и мельничный способ (совместный мокрый помол компонентов смеси) приготовления позволяют варьировать как составом смеси, так и ее маркой в зависимости от поставленных задач. При работе всех трех секций, на любой из них может одновременно производиться закладочная смесь различных марок с обособленной ее подачей в выработанное пространство. Обеспечение материалами производится авто- и железнодорожным транспортом и складируется в отдельные для компонента бурты перед комплексом на бетонных открытых площадках. Загрузка компонентов в приемные холодные бункера комплекса производится через грохота погрузочно-доставочной машиной или бульдозером. Бункера предназначены для каждого из компонентов (ангидрит, граншлак, щебень), исключающие их смешивание.

Из приемного бункера ангидрит питателем типа КТ-8 дозируется и подается в дробилку СМД-86, после чего измельченный ангидрит до класса (-30+0) поступает на сборный транспорт. Граншлак и щебень, каждый из своих бункеров, электро-вибропитателями типа ПТ-06, минуя стадии дробления, дозируются на сборный конвейер и далее подается совместно с ангидритом в однокамерную шаровую мельницу МШР 4,5x5,0 (рабочий объем 68 м3, скорость вращения 16,68 об/мин, загрузка шаров 100 мм - 150 т).

Цемент из силосов через весовой дозатор СБ-71 подается в репульпатор, где производится его смешивание с водой и далее направляется в мельницу. Поступившие в мельницу компоненты подвергаются совместному мокрому помолу и смешиванию, готовая закладочная смесь поступает в вертикальный став трубопровода.

Водный баланс в шаровой мельнице и твердеющей смеси регулируется подачей воды в технологический процесс с учетом реальной (исходной) влажности (заснеженность, дождь) компонентов. Консистенция смеси определяется по осадке конуса СтройЦНИИЛа и выдерживается (обеспечивается) в интервале 11-12 см ОК. Устойчивая производительность по готовой смеси

каждой цепочки составляет 90-100 м3/час. Годовая производительность комплекса - 1,1 млн.м3. Представленная и реализованная технологическая схема комплекса, по сравнению с существующими, аналогичной мощности, позволила:

- уменьшить кубатуру зданий в 4-5 раз;

- втрое уменьшить капвложения;

- втрое уменьшить численность сменного персонала и эксплуатационные расходы;

- обеспечить согласованный и рациональный ввод мощностей по добыче руды с вводом мощностей по производству закладки;

- при аварии или ремонте технологического оборудования включать резервную секцию, в работу, в то время как проектная (традиционная) схема исключает полностью производство закладки;

- в совокупности с применением каскадной схемы и мокрого совместного помола (мельничного способа) компонентов практически исключить влияние климатических условий Крайнего Севера при подготовке и подаче материалов в технологию.

Фактическая экономия капвложений при строительстве комплекса составила около 14 млн.руб, по сравнению с ранее реализованными комплексами аналогичной мощности.

Проектные решения по комплексу рудника "Таймырский" использованы при проектировании и строительстве аналогичного комплекса на шахте "Коксовая" ПО "Прокопьевск уголь" (1983-84 гг.), предусмотрены в рабочих проектах рудника "Скалистый" и реконструкции Тырныаузского вольфрамо-молибденового комбината (1987 г.).

Заключение

В диссертации изложены научно-обоснованные технические и технологические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса, имеющие важное народно-хозяйственное значение и представляющие собой разработку новой технологии закладочных работ при выемке мощных пологопадающих месторождений, основанную на использовании природных и техногенных ресурсов для приготовления новых вяжущих и составов твердеющей за-

кладки, ее подачу на большие глубины и расстояния, обеспечивающую требуемые физико-механические свойства закладочного массива, наиболее полно отвечающую горно-техническим условиям разработки пологопадающих месторождений, климатическим и географическим условиям Крайнего Севера и значительно повышающую. технико-экономические показатели горно^го производства.

1. Установлены зависимости активности гидравлических минеральных новобразований на основе местных природных материалов и отходов горно-металлургического производства от соотношения компонентов и использования доли клинкерсо-держащих катализаторов, позволившие разработать новые экономичные низкомарочные вяжущие, обеспечивающие в составах твердеющих смесей с определенными заполнителями необходимые физико-механические свойства закладочного массива. Применение этих вяжущих в составах твердеющей закладки обеспечило многократное сокращение потребления дефицитного и дорогостоящего цемента, позволило избежать капиталоемкого строительства мощностей по его производству на месте или его завоз в объеме до 1,5 млн.т в год речным (морским) путем в навигационный период, исключить создание специальных складских помещений и дополнительные транспортные расходы.

2. Разработана методика оценки транспортабельности твердеющих смесей, позволяющая определять их реологические свойства в зависимости от применяемых составов, водовяжуще-го отношения, начальной температуры смеси и времени се транспортирования и производить расчеты параметров самотечного и самотечно-пневматического транспортирования по трубам твердеющей закладки, осуществлять ее подачу на глубину до 1,2 км с центральнорасположенного на шахтном поле закладочного комплекса на расстояния до 3,5 км, исключить, в противном случае, строительство дополнительных закладочных мощностей, бурение скважин (стволов) и создание другой промышленной инфраструктуры.

3. Установлены зависимости физико-механических и структурных свойств закладочного массива (обусловленных составом твердеющей смеси, ее реологическими свойствами и условиями твердения) от технологических параметров его возведения

(способ и режим подачи, интенсивность закладки, длина и углы растекания смеси и др.), учет и соблюдение которых обеспечивает наибольшую однородность закладки.

Разработана номограмма для определения параметров формирования закладочного массива в зависимости от углов и длины растекания смеси, ее подвижности и интенсивности производства закладки.

4. Установлены зависимости экзотермического разогрева и тепловыделения закладочных массивов от технологических и пространственно-временных факторов, влияние температурного и теплового воздействия на окислительные процессы в сульфидных рудах, прочностные свойства закладочного массива и рудничную атмосферу, позволившие производить учет и регулирование этими процессами и снизить их негативные последствия за счет: применения разработанных низкоэкзотермичных вяжущих, технологического регулирования начальной температуры смеси (не более 15°С) и применения систем разработки, исключающих магазинирование сульфидных руд в очистном пространстве.

5. Разработан способ дистанционного контроля заполнения выработанного пространства, основанный на принципе создания твердеющей смесью электрической цепи между контактами уровнемера, погруженными в смесь, сопротивление которой на 1-2 порядка ниже, чем между контактами, последней, не замкнутыми и позволяющий по углам растекания смеси между установленными уровнемерами и данными маркшейдерской съемки кровли определять расположение, форму и величину пустот и своевременно производить по скважинам их дозакладку до отработки вторичных камер (слоев).

6. Впервые в отечественной практике разработана технология мокрого помола клинкера, используемого в качестве катализатора твердения многокомпонентных вяжущих для составов твердеющих смесей, позволяющая использовать помольные мощности закладочных комплексов, исключить применение цемента, и за счет разницы в стоимости цемента и клинкера снизить себестоимость твердеющей закладки.

7. Разработана и внедрена технология возведения закладочного массива дифференцированной прочности с заданными деформационными свойствами, позволяющая снизить усредненно

по мощности возводимого массива расход вяжущего до 40 кг/м3, подработку и разубоживание закладкой руды на 25-30% (при производстве БВР и погрузочно-транспортных операций).

8. Разработан новый способ приготовления твердеющих смесей в одно- и двухкамерных шаровых мельницах в открытом цикле, основанный на совместном мокром помоле дозированных компонентов вяжущего и заполнителя и позволяющий:

- осуществлять в одном агрегате функции измельчения и перемешивания;

- изменять фракционный состав компонентов, особенно, граншлака, из мономерного грансостава в растянутый диапазон;

- обеспечивать гранулометрический состав смеси максимальной плотности по твердому с постоянной консистенцией с влажностью 24-27%;

- обеспечивать дополнительную механическую и химическую активацию продуктов диспергации, особенно, компонентов вяжущего;

- обеспечивать получение гомогенных, устойчивых к расслоению смесей, обладающих пониженным предельным напряжением сдвигу и вязкостью, практически исключающих аварийные ситуации при транспортировке смесей и обеспечивающих хорошее растекание в выработанном пространстве, однородность закладочного массива и его необходимую прочность и плотность.

9. На основе дифференциации механизма взаимодействия закладочного массива с вмещающими породами разработана методика определения .нормативной прочности твердеющей закладки для камерно-цсликовых и сплошных слоевых систем разработки, применение которой позволило снизить требования к нормативной прочности в 3-4 раза по сравнению с проектными.

10. На основе результатов исследований и разработки нового способа совместного приготовления вяжущих и твердеющих смесей в шаровых мельницах создан закладочный комплекс нового технического уровня, позволяющий втрое уменьшить капвложения, снизить численность персонала и эксплуатационные расходы, по сравнению с традиционными технологическими схемами аналогичной мощности, резко повысить надежность

технологи» приготовления и трубопроводного транспорта смесей, в целом, технологии закладочных работ.

11. На основании разработок, изложенных в диссертации, на рудниках Норильского горно-металлургического комбината осуществлена реконструкция закладочных комплексов и построен комплекс нового типа, в основу которых положен новый способ совместного приготовления вяжущих и твердеющих смесей (на основе местных материалов и отходов производства) в шаровых мельницах в мокром режиме. Годовой объем производства более 3 млн.м3 в год, обеспечивается подача закладки на глубину до 1,2 км и на расстояния до 3,5 км.

Сокращены финансовые, материальные и эксплуатационные затраты на производство закладочных работ: экономия цемента составила более 500 тыс.т, а фактический экономический эффект от внедрения результатов исследований составил более 30 млн.руб (цены 1990г).

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Самотечно-пневматическая закладка рудника "Маяк" //Цветная металлургия. - № 16, 1967, с.4-6 (соавторы Кравченко В.П., Королев В.Ф.).

2. Повышение прочности бетонной закладки на руднике "Маяк" //Цветная металлургия. - № 22, 1967, с.6-9 (соавторы Кравченко В.П., Всликосельский O.JL, Колегов A.A.).

3. Контроль полноты заполнения камер твердеющей закладкой //Горный журнал. - № 4, 1966, с.41-42

4. Контроль температурного режима твердения бетонных целиков на руднике "Маяк" //Цветная металлургия. - № 15, 1968, с.14-15

5. Закладка камер песчано-цементным раствором на руднике "Маяк" //Горный журнал. - № 7, 1968, с.30-31 (соавтор Кравченко В.П.)

6. Температурный режим твердения искусственных целиков //Горный журнал. - № 11. 1968, с.38-39

7. Буровзрывные работы при выемке камер между бетонными целиками //Цветная металлургия. - № 6. 1969. с.8-9 (соавторы Смирнов A.A., Дудкин Н.К., Кравченко В.П.).

8. Закладка выработанного пространства через скважины большого диаметра //Горный журнал. - № 6, 1969, с.30-32 ( соавторы Хасдан М.Б., Пилюгин Ю.С., Кравченко В.П.).

9. Освоение технологии закладки выработанного пространства на руднике "Маяк" //Цветная металлургия. - № 5, 1970, с.8-12 (соавторы Кравченко В.П., Иванов В.К. и др.).

Ю.Нормативная прочность бетона для закладки и оценка прочностных свойств искусственных целиков //Горный журнал. - № 6, 1970, с. 30-34 (соавторы Палий В.Д., Колегов A.A., Кравченко В.П.).

11. Методика оценки транспортабельности твердеющих закладочных смесей //Горный журнал, Изв. ВУЗов. - № 9, 1970, с.37-41 (соавторы Кравченко В.П., Штернбек Э.О.).

12. Влияние температурного режима твердения закладочных массивов на окислительные процессы сульфидных руд //Сб. "Исследование технологии и определение параметров разработки рудных месторождений". - М.: ИФЗ АН СССР, 1971, с.77-83 (соавторы Бронников Д.М., Кириченко Г.С.).

13. Перспективы применения гидроопалубки на рудниках Талнахского месторождения //Сб. научных трудов, № 8, Норильск, 1970, с. 198-203 (соавторы Скуба В.Н., Иванов О.Н., Смирнов A.A.).

14. Транспортирование твердеющей закладки на большие расстояния //Горный журнал. - № 10, 1971. с.31-33 (соавторы Кравченко В.П., Вяткин А.П.).

15. Разработка технологии закладки выработанного пространства //Сб. "Вопросы совершенствования горной технологии и механизации на глубоких горизонтах Талнахского и Октябрьского месторождений". - JL: Гипроникель, 1971, с.63-69 (соавторы Рубцов В.А., Студзинский С.А., Вяткин A.J1. и др.).

16. Рациональная организация закладочного хозяйства на рудниках Норильского комбината //Сб. "Вопросы совершенствования горной технологии и механизации на глубоких горизонтах Талнахского и Октябрьского месторождений". - Л.: Гипроникель, 1971, с.151-157 (соавторы Штернбек Э.О., Малетин Л.В.).

17. Исследование формирования и несущей способности искусственных опор при разработке пологопадающих залежей системами с закладкой //Брошюра. М., ИФЗ АН СССР, 1972,

44 с. (соавторы Бронников Д.М., Кириченко Г.С., Колегов

A.A.).

18. Исследование основных вопросов самсггечно-пневматического транспорта и эффективности твердеющей закладки //Сб. "Вопросы повышения эффективности разработки месторождений полезных ископаемых". - Т.266, Новочеркасск,

1972, с.23-38 (соавторы Кравченко В.П., Вяткин А.П., Студзин-ский С.А. и др.).

19. Эксплуатация закладочных трубопроводов на рудниках Талнахского месторождения //Цветная металлургия. - № 19,

1973, с.12-16 (соавторы Кравченко В.П., Малетин JI.B., Штерн-бек Э.О).

20. Исследование экзотермических процессов в твердеющих закладочных массивах //Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, № 1, 1974, с.28-32 (соавторы Кравченко В.П., Штернбек Э.О.).

21. Применение закладочных смесей на основе природного ангидрита на руднике "Маяк" //Цветная металлургия. - № 21,

1974, с.20-22. (соавторы Кравченко В.П., Штернбек Э.О.).

22. Применение никелевых шлаков для приготовления закладочных смесей //Горный журнал. - № 2, 1974, с.38-39 (соавторы Чалый JI.B., Штернбек Э.О.).

23. Состояние и перспективы совершенствования технологии закладки выработанного пространства твердеющими смесями на рудниках Норильского комбината //Сб. "Совершенствование технологических процессов на предприятиях цветной металлургии Красноярского края". Материалы конференции. - Красноярск, 1974, с.1-2 (соавторы Малетин JI.B., Григорьянц Э.А., Горбачев В.Г. и др.).

24. Технологическая инструкция по применению камерно-целиковой системы разработки на рудниках Талнахского месторождения //Норильск. НГМК, 1974, 34 с. (соавторы Кириченко Г.С., Палий В.Д. и др.).

25. Экзотермия твердеющих закладочных смесей //Кн. "Применение твердеющей закладки при разработке рудных месторождений". -М.: Недра, 1974, с.92-97 (соавторы Кравченко

B.П., Куликов В.В.). i

26. Тепловые процессы при формировании искусственных целиков//Кн. "Применение твердеющей закладки при разработ-

ке рудных месторождений". - М.: Недра, 1974, с.132-142 (соавторы Кравченко В.П., Куликов В.В.).

27. Выбор эффективных составов закладочных смесей для условий разработки Толнахского месторождения //Кн. "Применение твердеющей закладки при разработке рудных месторождений".- М.: Недра, 1974, с.78-92 (соавторы Кравченко В.П., Куликов В.В.).

28. Основные направления совершенствования закладочных работ на рудниках Норильского ГМК //Горный журнал, N2 8, 1975, с.8-9 (соавторы Григорьянц ЭЛ., Мохов А.И. и др.).

29. Методические указания по определению нормативной прочности твердеющей закладки и оценке прочностных свойств искусственных массивов. - Ленинград: ВНИМИ, 1975, 39 с. (соавторы Палий В.Д., Смелянский Б.С., Малетин Л.В.).

30. Технологическая инструкция по производству закладочных работ на рудниках Норильского комбината. - Норильск: НГМК, 1975, 32 с. (соавторы Штернбек Э.О., Малетин Л.В., Палий В.Д.).

31. Технологическая инструкция по применению сплошной системы разработки слоями снизу вверх с твердеющей закладкой и использованием самоходного оборудования на руднике "Комсомольский". - Норильск: НГМК, 1976, 54с. (соавторы Палий В.Д., Мезенцев К.Т., Малетин Л.В. и др.).

32. Приборы и методика определения параметров транспорта монолитной закладки по трубопроводам //Сб. "Подземная разработка мощных рудных месторождений". • Свердловск: УПИ, вып.б, 1976, с.132-138 (соавторы Вяткин А.П., Иванцов Л.М.).

33. Тепловыделение твердеющей закладки при разработке сульфидных руд //Сб. "Разработка месторождений полезных ископаемых и рациональное использование природных ресурсов".« Новочеркасск: НПИ, 1977. с.99-103

34. Армировка искусственной кровли при нисходящей и комбинированной слосвой выемке //Сб. "Добыча и переработка руд цветных металлов". - Норильск: НВИ, 1978. с.28-31 (соавторы Малетин Д.В., Журавель М.О., Старухин В.И.).

35. Устройства для изучения тепловых процессов в твердеющей закладке //Сб. "Добыча руд и охрана природы".- Новочеркасск: НПИ. 1978. с.104-110 (соавторы Штернбек Э.О., Кравченко В.П.).

36. Промышленные испытания способов изоляции выработок от закладки //Сб. "Добыча и переработка руд цветных металлов". -Норильск: НВИ, 1979, с.46-49 (соавторы Малетан Л.В., Карпов А.Т.. Журавель М.О.).

37. Технологическая инструкция по применению сплошной системы разработки с нисходящим и комбинированным порядками выемки слоев с твердеющей закладкой на рудниках Норильского ГМК. - Норильск: НГМК, 1980. 57 с. (соавторы Палий В.Д., Рева В.Н. и др.).

38. Методические указания по управлению горным давлением при сплошных слоевых и камерных системах разработки с твердеющей закладкой на рудниках Норильского ГМК. - Ленинград: ВНИМИ, 1981, 96 с. (соавторы Палий В.Д., Рева В.Н. и др.).

39. Технологическая инструкция по производству закладочных работ на рудниках Норильского комбината. - Норильск: НГМК, 1981, 41 с. (соавторы Малетин Л.В., Палий В.Д. и др.).

40. Безопасный способ ликвидаций аварий на закладочных трубопроводах //Бюл. "Безопасность труда в промышленности. - № 10, 1982, с.12-15 (соавторы Байконуров O.A., Мельников В.А., Малетин Л.В.).

41. Определение нормативной прочности твердеющей закладки. - Горный журнал, № 3, 1983, с.25-28 (соавторы Палий В.Д., Смелянский Е.С.)

42. Влияние горно-геомеханических факторов на выбор вариантов систем разработки и параметров на рудниках Талнаха //Сб. "Гсомеханичсское обоснование технологических решений при разработке руд подземным способом. - Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1984, с.41-46 (соавторы Палий В.Д., Смелянский Е.С. и др.).

43. Технологическая инструкция по производству закладочных работ на комбинате "Ачполиметалл". - Ленинград: ВНИМИ, 1986, 32 с. (соавторы Орлов Ю.Д., Гердт В.К., Севастьянов Б.Н.)

44. Состояние и развитие технологии закладочных работ на рудниках Норильского комбината //Цветная металлургия. - № 6, 1986, с.7-12. (соавторы Малетин Л.В., Мохов А.И., Горбачев В.Г.).

45. Перспективы развития технологии подземной добычи с закладкой //Сб. "Изыскание эффективной и безопасной технологии добычи руд на больших глубинах. - М.: ИПКОН АН СССР, 1987, с.118-123

46. Устойчивость закладочного массива в конструктивных элементах систем разработки //Сб. "Научные проблемы разработки твердых полезных ископаемых". - М.: ИПКОН РАН, 1993, с.99-111 (соавторы Малетин Л.В., Семенов А.В.).

47. Тепловой режим глубоких рудников. - М.: Недра, 1993, 159 с. (соавтор Шувалов Ю.В.).

48. Руководство по определению нормативной прочности твердеющей закладки на рудниках цветной металлургии. - СПБ: ВНИМИ, 1993, 40 с. (соавторы Смелянский Е.С., Палий В.Д., Трофимов И.М.).

49. Выемка целиков на отработанных рудных месторождениях. - М.: Недра, 1993, 240 с. (соавторы Битимбаев М.Ж., Бекба-ев С.М., Гердт В.К. и др.).

50. А/с № 316856 "Вяжущее для закладочного материала" //соавторы: Гертман Л.К., Миняев Б.К., Рублев В.А. и др., 1971.

51. А/с № 454185 "Вяжущее" (соавторы Штернбек Э.О., Чалый Л.В., Елясов В.И.), 1974.

52. А/с № 605001 "Способ выемки полезного ископаемого с закладкой выработанного пространства (соавторы Смирнов А.А., Иванов В.К., Федоров В.Л. и др.), 1978.

53. А/с № 863886 "Способ возведения перемычки" (соавторы Байконуров О.А., Мельников В.А., Малетин Л.В. и др.), 1981.

54. А/с № 883522 "Способ возведения шахтных перемычек" (соавторы Рева В.Н., Афанасьев Ю.С., Палий В.Д. и др.), 1981.

55. А/с № 909180 "Способ охраны выработок" (соавторы Афанасьев Ю.С., Великосельский О.Л., Палий В.Д. и др.), 1981.

56. А/с № 956793 "Способ разработки мощных рудных зале-жей"(соавторы Антонов А.А., Афанасьев Ю.С., Пащенко А.В. и др.), 1982.

57. А/с № 928011 "Способ разработки мощных пологопа-дакяцих залежей" (соавторы Афанасьев Ю.С., Палий В.Д., Смелянский Е.С. и др.), 1982.

58. А/с № 1051275 "Способ определения максимального главного нормального напряжения в закладочном массиве"

(соавторы Смелянский Е.С., Палий В.Д., Афанасьев Ю.С.) 1983.

59. Опыт регулирования теплового режима рудников Севера. - Бр. М.: ЦНИИцветмет, 1987, вып.2, 44 с. (соавторы Шувалов Ю.В., Смирнов Ю.С., Бобровников В.Н.).

60. Контроль за температурным режимом твердення закладочных смесей //Кн. "Применение твердеющей закладки при разработке рудных месторождений. - М.: Недра. 1974, с. 132-134 (соавторы Кравченко В.П., Куликов В.В.).

61. Влияние экзотермических процессов на окисление сульфидных руд //Кн. "Применение твердеющей закладки при разработке рудных месторождений. - М.: Недра, 1974, с. 138-142 (соавторы Кравченко В.П., Куликов В.В.).