09.4.2. Способы поддержания очистного пространства

Поддержание очистного пространства – совокупность мероприятий по предупреждению вредных последствий проявления горного давления в очистных выработках в целях обеспечения безопасности и необходимых условий работы. Поддержание очистного пространства применительно к подземным работам называют управлением горным давлением.

Способы поддержания очистного пространства при очистной выемке разделяются на следующие три класса:
I. c естественным поддержанием очистного пространства – то есть без поддержания очистного пространства;
II. c  обрушением налегающих пород;
III. c искусственным поддержанием очистного пространства.

I. Естественное поддержание очистного пространства осуществляется за счет естественной устойчивости налегающих пород, а также устойчивости еще не выработанных участков руды — целиков, выполняющих  роль опор. Горное давление при этом регулируется за счет выбора размеров очистного пространства (ширину камер), расположения, формы и размеров поддерживающих целиков.

Рудные целики бывают постоянными (неизвлекаемыми) и временными (отрабатываемыми со значительным опозданием, во вторую стадию). По форме целики различают на ленточные или панельные и изолированные или опорные (в виде колонн). В сечении колонны бывают круглыми или квадратными, иногда прямоугольными, ромбическими или эллиптическими. Опорные целики оставляются при пологом и наклонном залегании. При крутом падении целики оставляют лентами. Размеры опорных целиков в плане могут изменяться от 3 до 8 м при расстоянии между их осями от 6 до 20 м. Ленточные целики при крутом падении располагают через 30-100 м, их поперечные размеры достигают 6 – 30 м. При большой глубине разработки (более 100 – 150 м) оставление изолированных или ленточных целиков одинаковых размеров сопровождается значительными потерями в них руды. Снизить потери можно, оставляя через 100 – 200м панельные (барьерные) целики увеличенной ширины (20, а иногда до 30 –  40 м), а между ними  –  небольшие изолированные опорные целики. Они более податливы и поэтому воспринимают не весь вес налегающих пород (массив высотой Н), а только его часть (массив высотой Н1, при крепких упругих рудах Н1 = 0,6 – 0,8Н, а при мягких пластичных Н1 = 0,35 – 0,45Н). Панельные (барьерные) целики воспринимают полный вес налегающих пород, включая и породы, расположенные над опорными целиками (рис. 9.38.).

Естественное поддержание очистного пространства возможно при устойчивых рудах и породах и глубине разработки не более 1000 – 1500 м (иначе опорное давление в целиках разрушит их) (рис. 9.39.). Если руды малоценные, целики можно оставить для сохранения поверхности (при этом их не отрабатывают и потери руд достигают 40-60 %).

II. Обрушение налегающих  пород руду используется тогда,  когда естественным путем  поддерживать   очистное   пространство   невозможно   или   нецелесообразно (из-за больших потерь руды в целиках). Оно имеет двойную цель:
• снизить опорное давление в соседних очистных блоках, где ведутся очистные или подготовительно-нарезные работы;
• вовремя избежать так называемых воздушных ударов, возникающих при неожиданном самопроизвольном обрушении в отработанное пустое пространство больших масс налегающих пород.  Удар   падающей   массы  пород   может  разрушить  днище блока,  а  воздушный  поток — нарушить  крепление выработок, вывести  из  строя  оборудование,  привести  к  несчастным  случаям.

Обрушение налегающих пород на отбитую руду обеспечивают двумя путями:
• создавая обнажения, превышающие предельно допустимые и вызывающие самообрушение пород сразу вслед за отбойкой руды;
• принудительно обрушая налегающие породы минными или скважинными зарядами ВВ по разреженной сетке.
При обрушении налегающих пород целики и крепление отсутствуют, доступ в очистное пространство невозможен, поэтому отбитую руду в основном выпускают под обрушенными породами. Это приводит к перемешиванию руды с пустыми породами, ее обеднению (разубоживанию). Сильно разубоженную руду извлекать невыгодно, поэтому добыча с обрушением налегающих пород сопровождается также повышенными потерями. Обрушение пород можно применять в том случае, когда допустимо обрушение поверхности, во вмещающих породах, находящихся в зоне обрушения, отсутствуют водоносные слои и плывуны, которые могут прорваться в подземные выработки. Недопустимо также, чтобы отбитая руда слеживалась или самопроизвольно возгоралась (руды с высоким содержанием серы).

III. Искусственное поддержание очистного пространства — наиболее трудоемкий и дорогостоящий технологический процесс поддержания.
Искусственное поддержание целесообразно тогда, когда другие способы неприемлемы технически или не обеспечивают достаточно полной и чистой выемки руд.

Искусственное поддержание очистного пространства при добыче руды  осуществляют с помощью закладки или крепления различными  конструкциями (рис. 9.40.).
Крепь применяют для сохранения очистного пространства только на время очистной выемки. Как правило, используют деревянную крепь как самую дешевую, изредка металлическую в виде стоек и рам. При добыче руды механизированными комплексами применяют передвижную механизированную металлическую крепь (рис. 9.41.). Чаще поддерживают крепью лишь рабочее пространство у забоя, тогда в отработанной части ее обрушают (деревянную),  частично или полностью извлекают (обычно металлическую), а в некоторых случаях передвигают (механизированную) чем вызывают обрушение вмещающих пород для снижения давления на оставшуюся крепь. Поддержание очистного пространства крепью и последующее обрушение пород в чистом виде применяют только в маломощных залежах, например в пологих пластах калийных и марганцевых руд. При большой и средней мощности крепь сама по себе не может выдерживать горного давления, поэтому применяется вместе с закладкой (если необходимо поддерживать выработанное пространство и после выемки руды).

Закладка – заполнение выработанного пространства различными материалами, способными воспринимать нагрузки от горного давления, для предотвращения обрушения.
Различают закладку одновременную и последующую. Одновременная закладка производится участками (слоями) по мере ведения очистных работ в блоке, а последующая  –  после отработки открытых очистных камер с целью создания благоприятных условий для предстоящей разработки междукамерных целиков.

На разных этапах развития техники и технологии закладки выработанного пространства пытались классифицировать входящие в неё способы. В основу классификации принималось наличие или отсутствие вяжущих компонентов, образование связей между материалом, составляющим закладочный массив, а также агрегатное состояние закладки в процессе её транспортирования и распределения в выработанном пространстве рудников.
И.Н.Савичем предложено классифицировать технологию закладки  по наличию или отсутствию воды и ее содержания (% )в процессе приготовления, транспортирования и укладки.
По этому признаку выделяется три класса закладки: сухая, пульповая и водная.
По нарастанию содержания воды участвующей в процессах транспортирования и формирования, определены группы закладки в указанных классах (табл. 9.4.).

Сухая закладка представлена группами: породной, бутовой имеющей воду в растворах для кладки; консолидированной, предполагающей обработку водой или химическими растворами; инъекционной – породной, обработанной инъекционными растворами.
Практически консолидированную, инъекционную и льдопородную закладку, можно определить как комбинированные технологии.
Пульповую закладку можно разделить на группы, используя различия в плотности раствора при его транспортировании. А как уточняющий признак - определить наличие вяжущего и его вид.

Водная закладка, предполагает намораживание или использование химических растворов.
По способу подачи закладочного материала в выработанное пространстве различают самотечную, механическую, пневматическую закладку.

При самотечном способе подачи закладочный материал заполняет выработанное пространство камеры под действием собственного веса сверху, как в бункер, с применением скреперов, конвейеров или другого оборудования (отсыпается послойно). При этом используются вмещающие породы, получаемые попутно при проходке полевых подготовительных и вскрывающих выработок; породы, специально для этого добываемые на поверхности и спускаемые под землю; породы, выделенные из рудной массы при подземной предконцентрации (породоотборке). Самотечная закладка является самым дешевым видом закладки, но имеет и существенный недостаток: значительную (до 20 – 35 %) усадку закладочного материала.
Механический способ подачи, как правило, применяют по мере отработки очистного блока горизонтальными или слабонаклонными слоями, начиная с нижнего. Используется тот же сухой закладочный материал из вмещающих пород, поступающий к слою самотеком по восстающим и распределяемый по выработанному пространству с помощью скреперных установок или самоходного оборудования. Коэффициент усадки механической закладки тоже сравнительно высок (до 15 – 25 %), под кровлей остается незаполненное пространство высотой не менее 0,5 – 1 м.

На отдельных рудниках при механическом способе  применяют конвейеры и метательные машины. Однако из-за очень жестких требований к крупности и абразивности закладочного материала, необходимости частых перестановок конвейера или его секций и небольшой дальности метания закладочных машин эти виды механической закладки широкого распространения не получили.
При пневматическом способе подачи для перемещения закладочного материала по трубам и забрасывания его в выработанное пространство используется энергия сжатого воздуха. Закладочным материалом служат дробленые неабразивные породы крупностью от 5 – 8 до 60 – 80 мм с примесью

10 – 15 % глины. На рудниках обычно применяют переносные пневмозакладочные машины, которые перемещают закладочный материал по трубопроводу на сравнительно небольшое расстояние (до 50 – 70 м), а иногда только забрасывают его в выработанное пространство на 10 – 15 м (чуть дальше метательных машин). Достоинством пневмозакладки является небольшая усадка (до 10 – 15 %). К ее недостаткам можно отнести: весьма значительный износ трубопровода и деталей закладочных машин; сильное пылеобразование; требования к качеству закладочного материала и высокий расход сжатого воздуха (около 150 м3 на 1 м3 закладочного материала).

При породной закладке сухой закладочный материал размещают в выработке под действием собственного веса либо при помощи машин механического действия. Для заполнения пространства, как правило, используют пустую породу от проходки выработок. Породную закладку применяют в небольшом объеме при разработке рудных месторождений. В перспективе эта технология будет применяться как составная часть при бутовой закладке и при возведении искусственных массивов инъекционным способом, а также при формировании  монолитного массива под действием нагрузок или других физических процессов при консолидированной закладке.

При бутовой закладке используют каменные блоки различного размера и скрепляют их вяжущим раствором (аналогично с кирпичной кладкой).  Бутовая закладка применяется на глубоких и сверхглубоких рудниках. Заполняют не все выработанное пространство, а лишь участки, граничащие со смежными блоками, а в оставшуюся часть блока подают породную закладку. Достоинством бутовой закладки является сокращенный до минимума расход воды, что имеет большое значение для снижения относительной влажности рудничной атмосферы. Недостаток – сложность механизации работ.

При консолидированной закладке – происходит формирование монолита под воздействием пара на уже размещенную в очистном пространстве сухую закладку.

При инъекционной закладке происходит предварительное заполнение выработанного пространства сухой закладкой в результате проводимых закладочных работ или дробленой породой от самообрушения очистной камеры, и затем производится подача по трубам с поверхности вяжущего раствора. Раствор проникает в пустоты дробленой породы и превращает ее в монолит. Как правило монолит, образованный таким способом, имеет незначительную прочность.

Раствор обычно подают под давлением 1 – 1,5 МПа снизу вверх, т. е. методом восходящего потока. Радиус распространения инъекционного раствора в сыпучей закладке достигает 10 м, а иногда и более. Делаются попытки подавать раствор самотеком (сверху вниз) при крупнокусковой самотечной неуплотнившейся закладке.

Достоинства инъекционного способа закладки:
• благоприятные условия трубопроводного транспортирования пульпы;
• возможность прекратить процесс дальнейшего обрушения пород;
• использование для закладки шахтной породы без выдачи ее на поверхность и дополнительного дробления.
    Недостатки инъекционного способа закладки:
• сложность управления распространением раствора в сыпучей среде;
• неравномерная прочность участков закладочного массива.
Инъекционный способ имеет перспективы  для применения в различных условиях:
• отвальную породу, объем извлечения которой на многих рудниках достигает 20% (от объёма добытой руды), целесообразно размещать в выработанном пространстве, не выдавая ее на поверхность;
• восстановление устойчивости самообрушившихся пород, что имеет значение при выемке руды под охраняемой территорией. Это единственный надежный способ ликвидаций последствий самообрушений;
• использование при зонном омоноличивании массива для выемки междукамерных целиков.

Применение пастовой закладки началось в середине 80-х годов прошлого столетия. Для обеспечения хорошей транспортабельности данного вида закладки используют фракции минеральных отходов с хорошими коллоидными свойствами, удерживающие воду в количестве, достаточном для цементации закладки. В составе пасты желательно наличие не менее 15% фракций, не превышающих 20 микрон.

Паста – материал, который содержит воду в поровом пространстве в количестве достаточном для обеспечения его текучести. При транспортировке пасты по трубопроводу поток разделяется на две фазы: твердую и жидкую, причем жидкая фаза располагается по его периферии. Отметим, что коллоидные свойства пасты могут регулироваться и при помощи химических добавок.
Пастовая закладка применяется с добавлением вяжущих; без них она подвержена разжижению и может оставаться в таком состоянии продолжительное время. При использовании вяжущих увеличивается скорость гидратации, что уменьшает сроки затвердевания (схватывания) закладки.

Твердеющая закладка –  смесь с водой различных вяжущих материалов, способных твердеть, как бетон; предел прочности твердеющей закладки обычно невысокий и равен 1,5 – 10 МПа. В состав ее входят песок (песковидные хвосты обогащения), щебень, цемент или другие подобные ему вяжущие вещества (например, специально обработанные шлаки). Вода, как и в бетоне, необходима для реакций твердения смеси. Свежеприготовленная смесь имеет жидкую консистенцию и может подаваться в выработанное пространство по трубам, как гидравлическая закладка.

Твердеющая закладка представляет собой смесь вяжущих веществ, инертных наполнителей и воды. Эта смесь, затвердевая, образует монолитный массив. Инертными наполнителями являются песок, гравий, щебень, обесшламленные хвосты обогатительных фабрик, гранулированные шлаки.

В качестве вяжущих используют цемент, молотые доменные шлаки, золу и шлаки котельных и тепловых электростанций, а иногда ангидрид, гипс и пирротин. Расход вяжущего составляет 250 – 400 кг/м3. Цемент, обладая лучшими вяжущими свойствами, дорог. Себестоимость твердеющей закладки с использованием цементного вяжущего высокая, поэтому необходимо использовать более дешевые вяжущие из местных материалов, добавляя к ним цемент лишь в качестве активатора твердения. Так, на Гайском руднике для твердеющей закладки используют смесь из молотого доменного шлака (360 кг/м3), цемента (40 кг/м3) и песка с примесью 30 % глины (1200 кг/м3),  что существенно снижает себестоимость закладочной смеси. Глина в закладочную смесь добавляется в качестве пластификатора, который улучшает реологические свойства смеси и улучшает транспортабельность.
Закладка достигает определенной прочности в период от нескольких дней до нескольких недель. Окончательную прочность закладка набирает через 3 – 6 месяцев.

Нормативная прочность затвердевшего закладочного массива относительно небольшая (2,5 – 7 МПа), но устойчивость его весьма высока. Горизонтальный пролет обнажения закладочного массива без крепления обычно составляет 3 – 6 м, а при использовании крепи можно вести очистную выемку слоями сверху вниз под прикрытием искусственной кровли из затвердевшей закладки. Вертикальные устойчивые обнажения закладки достигают площади до 5000 м2 и более.

Существует несколько различных схем приготовления и транспортирования закладочных смесей (рис. 9.42.).
При значительных объемах закладочных работ строится центральный закладочный комплекс на поверхности с трубопроводным транспортом литой гидросмеси до мест укладки в очистные блоки. Смеси при этом готовятся достаточно пластичными, с водоцементным отношением, близким к единице. Самотеком гидросмесь может перемещаться на расстояние по горизонтали, в 3 – 4 раза превышающее вертикальный столб смеси в трубопроводе. При больших расстояниях транспортирования через 50 – 60 м по длине в трубопровод врезаются форсунки сжатого воздуха, обеспечивающие пульсирующий пневмотранспорт гидросмеси. Диаметр труб 150 – 200 мм, толщина стенок 8 – 12 мм. Время пребывания смеси в трубопроводе не должно превышать 1 ч. Если объемы закладочных работ на руднике меньше 30 – 50 тыс. м3/год, то применяют и подземные закладочные комплексы, обычно участковые.

Используется  и  раздельный  способ подачи твердеющей  закладки, когда вяжущий раствор и заполнитель (дробленую породу) подают к месту закладочных работ раздельно и смешивают их в процессе подачи в выработанное пространство.
Твердеющая закладка – наиболее дорогостоящий способ, однако он не дает усадки. Использование твердеющей закладки позволяет вести сплошную выемку руды с минимальными потерями. Поэтому ее применяют при разработке ценных руд, при необходимости обеспечить сохранение целостности налегающей толщи пород, если работы ведут под какими-либо важными объектами или в условиях повышенного горного давления.
Твердеющая закладка широко распространена на подземных рудниках.

Применение ее позволяет:
• вести разработку месторождения комбинированным способом (рудники Гайского и Учалинского горно-обогатительного и участок Зыряновского свинцового комбинатов);
• отрабатывать руды, склонные к самовозгоранию (полиметаллический рудник Текели);
• сохранить поверхность от деформаций под водоемами и городами (Тасеевский рудник);
• отрабатывать ранее оставленные целики ценных руд, в том числе даже запасы руды в охранных целиках стволов шахт (Згидский полиметаллический рудник и ряд глубоких рудников, разрабатывающих жильные месторождения);
• осуществлять опережающую выемку очень ценных руд практически без всякого нарушения окружающих более бедных руд, что позволит в будущем достаточно эффективно отработать и эти бедные руды (рудники Норильского горно-металлургического комбината).

При гидравлической закладке смесь раздробленного материала с водой (пульпа) перемещается к выработанному пространству по трубам и растекается по нему (рис. 9.43.).  Вода через фильтрующие перемычки дренирует из закладочного массива и откачивается на поверхность. Максимальный размер кусков закладочной смеси составляет 50 – 70 мм. Объем мельчайших (глинистых) частиц крупностью менее 0,05 мм не должен превышать 10 – 15 %, так как иначе закладочный массив будет очень плохо отдавать воду. При приготовлении пульпы для гидрозакладки ранее применяли естественные пески с небольшой примесью глины, гранулированные доменные шлаки или, реже, дробленые скальные породы. В последнее время чаще всего используют хвосты обогатительных фабрик, обезвоженные и обесшламленные.

Трубопроводы при гидрозакладке собирают из толстостенных (с толщиной стенки 8 – 10 мм) стальных труб, имеющих быстроразъемные соединения. Закругления футеруют вкладышами из хромоникелевой или марганцевистой стали, а иногда из литого базальта, плотной резины и других износоустойчивых материалов. Диаметр трубопроводов равен 100 – 150 мм.
Закладочный массив намывают по площади слоя с помощью резинового шланга, соединенного с трубопроводом. Пульпа растекается  в выработанном  пространстве под углом  от 5 до 15° к горизонту. В примыкающих к выработанному пространству    горных выработках устанавливаются перемычки (фильтрующие или глухие). Для улучшения дренажа в закладываемом пространстве нередко устанавливают также дренажные фильтры – обтянутые мешковиной перфорированные трубы (деревянные или металлические). Гидравлическая закладка отличается высокой производительностью труда, хорошим заполнением всех пустот и сравнительно небольшой усадкой закладочного массива  (8 – 12%). К недостаткам этого вида закладки можно отнести загрязнение и обводнение горных выработок и высокие капитальные затраты на комплекс по приготовлению пульпы, трубопровод и водоотлив.

Льдозакладка (или ледяная) имеет основное достоинство – невысокую себестоимость, но в то же время есть существенный недостаток – снижение несущей способности при длительном нагружении. Армирование льда дробленой породой (льдопородная закладка) ускоряет процесс намораживания и повышает прочность закладочного массива. 

Льдопородная и льдозакладка возводится методом слоевого намораживания льда с заполнителем или одного льда путем подачи закладочного материала и холодного атмосферного воздуха, нагнетаемого в закладочное пространство вентиляторами. Использование таких способов закладки возможно только в условиях вечной (многолетней) мерзлоты.
При использовании химических растворов в процессе закладки выработанного пространства первоначально производится укладка химически активной породы, которая может вступить в реакцию с ними. Затем подают химические растворы реагентов, которые вступают в реакцию с минералами, содержащимися в породе, при которой происходит их растворение. Через определенное время происходит повторная кристаллизация, что позволяет консолидировать породу в выработанном пространстве. Такая закладка обладает достаточно высокими прочностными характеристиками, которые сохраняются при длительном нагружении.

© Кузьмин Е.В., Хайрутдинов М.М., Зенько Д.К.
"Основы горного дела"

 

 

Запрещается любое копирование и распространение информации без письменного согласия авторов учебника "Основы горного дела" 

ЭКСКЛЮЗИВНЫМ ПРАВО НА ПУБЛИКАЦИЮ ОБЛАДАЕТ "ГОРНОПРОМЫШЛЕННЫЙ ПОРТАЛ РОССИИ"