Оценка состояния подземных техногенных массивов

В.Н.Ельников, главный инженер, ОАО «Комбинат КМАруда»
С.Г.Лейзерович, зав. лабораторией технологии подземных горных работ
А.Х.Усков, ст.науч.сотр., канд.техн.наук, ОАО «НИИКМА»


Для повышения эффективности производства железорудного концентрата на комбинате «КМАруда» реализуется комплекс работ по внедрению новой технологии, предусматривающей ведение закладочных работ на основе текущих хвостов обогащения, размещаемых в подземных отработанных камерах шахты им. Губкина.

К настоящему времени завершены опытные работы по формированию искусственных массивов (120 тыс.т) и заканчивается их осушение в подземных камерах 14/9 и 14/10.

Разработка технологических решений, обеспечивающих поэтапное освоение технологии, предполагающей 100%-ное размещение в подземных камерах текущих необесшламленных хвостов обогащения, невозможна без детальной оценки состояния сформированных опытных закладочных массивов на каждом законченном цикле производственного эксперимента.

Оценка возможна на основе опробования искусственного массива и получения параметров вещества и динамики показателей во времени и пространстве. Поэтому, методы опробования включают исследования, как проводимые в период заполнения камер, так и проведенные в период осушения закладочных массивов.

Исследования, характеризующие состояние техногенных массивов в период их осушения, сводятся к следующему:

•    изучение водно-физических характеристик уложенных хвостов (влажность, пористость, влагоемкость, плотность и пр.) и их динамика во времени и пространстве;

•    исследование физико-механических характеристик (сцепление, угол внутреннего трения, просадка поверхности массивов, скорость деформации);

•    определение фильтрационных характеристик (скорость фильтрации, коэффициент фильтрации, скорость осушения массивов, качество профильтрованной воды);

•    выявление закономерностей распределения гранулометрического состава по площади и по высоте сформированных из хвостов массивов.

Определение вышеперечисленных характеристик позволит получить информацию о поведении хвостов обогащения в периоды их складирования и обезвоживания, т.к. нет аналога подобных искусственных массивов, тем более в подземных условиях. Это позволит спрогнозировать ожидаемые технические параметры массива при заполнении очередной группы подземных камер опытно-промышленного участка, а также при крупномасштабном внедрении технологии с учетом корректировки технологии заполнения.

Методы исследований состояния закладочного массива сводятся к разработке схемы и технологии опробования с учетом требований правил безопасности при подземных горных работах. Они накладывают ряд ограничений на производство работ по опробованию. Так, невозможно произвести бурение вертикальных скважин со всей поверхности хвостов на всю глубину искусственных массивов из-за того, что камера 14/9 отработана с подъемом кровли (до 15м). Невозможен также и одномоментный (в течение короткого отрезка времени) отбор проб по глубине, т.к. понижение уровня гравитационной воды и, соответственно, обезвоживание искусственных массивов осуществляется постепенно за 1–1,5 года, начиная с верхних слоев и заканчивая выработками доставки и откатки руды гор.–125м. Поэтому схема опробования разрабатывалась с учетом происходящих в массиве процессов и временных факторов и ряда ограничивающих горнотехнических требований.

Разработанная схема опробования хвостов включает следующие этапы (рис. 1, 2):

I – опробование верхней части искусственных массивов (бурение вертикальных скважин и отбор проб с поверхности сформированных массивов на глубину до 10м) – исследование верхних частей камер, прилегающих к гор.–71м;

II – опробование центральной части заложенных камер с помощью глубоких скважин (L=40–60м), пробуренных с нижнего горизонта , через междукамерные и межпанельные целики;

III – опробование сформированных закладочных массивов в выработках доставки и погрузки руды гор.–125м через специальные каналы опробования, сооруженные в водоизолирующих перемычках №1, 2, 3.

Технология опробования сводится к обустройству пунктов наблюдательной сети, отбору проб стандартными и разработанными приемами, измерению исследуемых показателей непосредственно в шахте и лаборатории института на основе общепринятых методик и действующих стандартов.

Для определения свойств хвостов в опытных камерах 14/9 и 14/10 шахты им.Губкина в период осушения и консолидации сформированных закладочных массивов были созданы следующие пункты наблюдений:

•    на верхнем горизонте в заполненных камерах на поверхности хвостов включающие:

а)    сеть скважин опробования хвостов для определения их влажности, плотности и пористости;

б)    репера для определения деформационных процессов просадки по всей поверхности искусственных массивов;

в)    замерные станции для отслеживания уровня гравитационной воды в хвостах и определения градиентов напора в различные временные отрезки процесса осушения;

•    на нижнем горизонте у водоизолирующих перемычек №1, 2, 3 и водосбросных скважин №1–4:

а) установка мерных емкостей у дренажных коллекторов для определения их производительности;

б) разработка и установка пьезометрических станций у каждой перемычки для определения истинного уровня свободной поровой воды за перемычками после снятия избыточного давления;

в) обустройство специальных каналов опробования в перемычках для отбора проб специально разработанным пробоотборником;

г) контроль за изменением гидростатического давления в опытных камерах с помощью манометров давления, установленных на водосбросных отверстиях перемычек.

Каналы опробования в водоизолирующих перемычках выполнены с учетом требований, предъявляемых к гидротехническим сооружениям. Оснащение и запорная арматура каналов опробования исполнены с учетом воздействия на них максимального давления и ремонтопригодности. Сооруженные каналы, снабженные специальными кранами, обеспечивают при их открывании свободный пропуск пробоотборника в камеру и надежную герметизацию канала в закрытом состоянии.

Опробование состояния искусственных массивов было начато после заполнения камер твердыми хвостами до проектных отметок и некоторой стабилизации заскладированных образований. В качестве первоочередной была исследована поверхность искусственного массива и его верхняя часть. Определение физико-механических и водно-физических свойств уложенного материала было осуществлено по пробам хвостов, отобранным с интервалом 0,5м из вертикальных скважин, пробуренных с поверхности искусственного массива. Установлено, что осушение хвостов по площади камер в начальный период проходило неравномерно. Начальная влажность хвостов на поверхности камер изменялась от 26% до 34%. В скважинах, расположенных ближе к точке излива пульпы из трубопровода влажность хвостов на глубине 8,5м не превышала 5–11%. В то время в скважинах, расположенных в точке сброса осветленной воды из камеры, она была значительно выше – 15–20%. Это объясняется различным гранулометрическим составом хвостов, осевших по пути их выпадения. Так, в первом случае количество фракции <0,05мм составляло в общей массе хвостов 8–15%, во втором случае – 80–98% (рис.3). Поскольку эта фракция является наиболее влагоудерживающей, то и в последующие периоды осушения в этой зоне следует ожидать повышенной влажности. Сопоставление данных фактических замеров уровней твердого при укладке хвостов и определения влажности в период осушения позволило составить картину слоистости уложенных хвостов в камерах по вертикали, сформированную осаждением фракций <0,05мм в периоды между пусками.

В период осушения проведены исследования по определению величины просадки поверхности твердых хвостов. Установлено, что интенсивность просадки изменялась неравномерно (во времени и по площади камер). Так в начальный период осушения скорость просадки составляла 0,22м/мес, к восьмому месяцу она снизилась до 0,1 м/мес. Стабилизация массивов в обеих камерах началась с одиннадцатого месяца осушения (рис.4). По площади камер просадка в начальный период была интенсивнее у бортов с образованием трещин уже на седьмые сутки после заливки. В центральной части просадка была ниже в начальный и значительно выше в конечный периоды осушения. Минимальные относительные деформации зафиксированы в углах камер – 0,008 из-за неровностей контура стенок камер по вертикали, максимальные – в центральной части – 0,020. Довольно обширная зона с минимальной осадкой расположена в месте излива пульпы, что характеризует уплотнение хвостов под местом слива, хотя пульпа изливалась над водной поверхностью (рис.5).

Картина раскрытия трещин по площади камер несколько иная. Максимальная ширина трещин (0,5–0,7м) при глубине до 3,5м зафиксирована у бортов и в углах камер, минимальная в центральной части (0,07–0,12м). Пробуренные с поверхности хвостов скважины опробования в период просадки массива трещинами не разрушены, хотя некоторые трещины проходили через скважины. Осыпаний стенок скважин не обнаружено. Фактическая глубина скважин сохранилась в течении всего срока осушения. Это характеризует высокую плотность укладки частиц в массиве и отсутствие сдвига по сечению камер по слоям, сложенным самыми мелкими и водонасыщенными частицами даже в период производства массовых взрывов в шахте.

Проведенный комплекс опытно-экспериментальных работ в производственных условиях показал, что принципиальные положения технологии размещения текущих хвостов обогащения в подземных отработанных камерах, а также схемы осветления и сброса воды из них реализованы полностью от начала заполнения до конечного этапа осушения. Установлено, что массив из тонкодисперсных материалов (наличие фракций <0,05мм до 80%) обладает фильтрующими свойствами (изменение коэффициента фильтрации от 0,2 до 1,0 м/сут. Разработанные методы и технология опробования искусственных массивов позволили в течение всего периода осушения надежно отслеживать изменение водно-физических и физико-механических показателей во времени. Они позволили получить следующую картину динамики процесса достижения сегодняшнего (на июнь 2002 г.) состояния искусственного массива:

•    обезвоживание сформированных массивов (снижение уровня гравитационной воды) осуществлялось со скоростью 0,15м/сут на начальном и 0,05м/сут на конечном этапах;

•    пьезоуровни свободной поровой воды в выработках доставки и откатки руды (за водоизоляционными перемычками) равны 0,3; 0.6 и 0,95м (соответственно по перемычкам №№2, 3 и 1) при начальном ~60м;

•    снижение уровней свободной поровой воды в осушаемых хвостах сопровождалось неуклонным снижением давления за перемычками с максимальных показателей (0,54; 0,38; 0,28МПа) до практически нулевых значений;

•    средний коэффициент фильтрации – 0,5–0,7м/сут;

•    максимальная просадка поверхности искусственных массивов составила в камере 14/9 – 0,90м; в камере 14/10 – 0,6м;

•    в приповерхностных слоях массивов снижение влажности от максимального насыщения (30–40%) до величины естественной влажности (10–20% и менее) осуществляется за 2–4 месяца в зависимости от дифференциации хвостов по гранулометрическому составу при их растекании по площади камер.

В целом опробование сформированных техногенных массивов показало, что к настоящему времени они в основном обезвожены. Хвосты в камерах перешли из текучего состояния в вязко-пластичное и частично в хрупко-пластичное, доказательством чего являются зафиксированные деформации массивов (трещины, просадка) как по площади, так и по высоте камер.

Кроме того, анализ показателей, получаемых с помощью системы опробования состояния закладочного массива с учетом их реологии (динамики показателей во времени), позволяют наметить пути корректировки технологии при расширении эксперимента.  

Журнал "Горная Промышленность" №4 2002