Порядок и варианты технологии подземной разработки руд с закладкой выработанного пространства

И.Н. Савич, доц., к.т.н., МГГУ

Разработку месторождений полезных ископаемых с закладкой выработанного пространства на разных этапах развития этой технологии осуществляли, в основном, с целью повышения извлечения полезного компонента из недр и, гораздо реже — как способ управления горным давлением.

Исторически сложилось, что разработку месторождений подземным способом вели в последовательности, предопределенной расположением рудного тела по отношению к земной поверхности. Как ранее, так и в настоящее время очистная выемка крутопадающих месторождений осуществляется в основном, сверху вниз. Исключение могли бы составить пологозалегающие месторождения, но и в этом случае в большинстве своем разработку начинали с расположенных ближе к основным вскрывающим выработкам участков. Если для систем с естественным поддержанием очистного пространства и систем с принудительным обрушением руд и вмещающих пород другой порядок практически полностью исключен, то для технологии, предусматривающей закладку выработанного пространства, возможно применение практически любого порядка разработки месторождения. Однако имевшиеся до настоящего времени тенденции отдавали предпочтение прямому порядку разработки месторождения (сверху вниз), что предопределялось имевшимся подходом к технико-экономической оценке работы горных предприятий и методам формирования закладочных массивов.

Оценка существующих факторов, влияющих на выбор вариантов добычи, показывает, что до настоящего времени к разработке месторождений системами с закладкой выработанного пространства не подходили с позиций обоснованного выбора порядка разработки и обоснования технологии очистной выемки с учетом нормативных характеристик закладки в начале и их возможного изменения в процессе эксплуатации месторождения.

Практика показывает, что при разработке крутопадающих месторождений нормативы по допустимой усадке закладочного материала с углублением горных работ могут достигать 40–60% от расчетных (рис.1), а прочность закладки в том же диапазоне глубин составляет 6–0,1 МПа (рис. 2). Несмотря на это, обеспечиваются требования по допустимым горизонтальным деформациям подрабатываемых объектов. Это позволяет считать, что при разработке крутопадающих месторождений нижние горизонты могут быть заложены сухой закладкой, а с приближением к поверхности требования к закладке возрастают, и ее свойства достигают максимальных значений на верхних горизонтах.

В связи с этим при развитии работ снизу вверх, несмотря на увеличение затрат на проведение капитальных выработок, может оказаться целесообразным вскрытие месторождения сразу на всю глубину, так как возможна компенсация за счет снижения затрат на строительство закладочных комплексов к началу эксплуатации месторождения и собственно на закладочный материал, что также существенно.

Применяемые в настоящее время методы расчетов по определению нормативных характеристик закладки однообразны и учитывают только вертикальную составляющую, причем вне зависимости от местоположения конкретного выемочного участка.

В то же время известно, что в технологиях с закладкой выработанного пространства до последнего времени не удавалось, да и не делалось попыток создания изотропных искусственных массивов, что соответствовало бы их расчетным нормативным характеристикам. Соблюдение этих требований сопряжено с необходимостью жесткого контроля за процессами транспортирования и распределения закладочных смесей в выработанном пространстве и соответствующего изменения этих технологий, а, следовательно, вызывает дополнительные затраты. Однако при этом обосновывалось и показывалось создание сплошных монолитных изотропных закладочных структур в анизотропном породно-рудном массиве.

Структура закладочного массива весьма разнообразна, что вызвано расслоением смеси как в процессе транспортирования, так и при заполнении ею камер или заходок.

Наблюдения, проведенные при исследовании вертикальных обнажений закладочного массива и испытании кернов на прочность и вещественный состав, показывают существенное различие в свойствах закладки по высоте камеры или слоя. На рис. 3 представлены графики, показывающие изменения прочностных свойств в слое закладки высотой 4 метра, создаваемом в один, два и три приема, на различных рудниках и при различных составах закладочной смеси.

Анализ результатов исследований и данных практики позволил установить, что колебания между максимальной и минимальной величинами прочности закладки в массиве достигают 25–30 %.

Существуют технологии, предусматривающие наличие разнопрочных конструкций в выработанном пространстве. К ним относятся варианты разработки со стадийной выемкой полезного ископаемого. При этом оставляются естественные целики уменьшенных размеров или высокопрочные искусственные целики, вокруг которых выработанное пространство заполняют сухой или гидравлической закладкой. В этом случае основной функцией закладки является упрочнение несущих конструкций.

Таким образом, на разных этапах развития технологии разработки месторождений подземным способом в выработанном пространстве формировались разнопрочные конструкции, сочетающие естественные или искусственные целики и несвязный материал во вторичных камерах или во внутренних частях блоков.

При подземной разработке месторождений, как и в строительной механике, возможно использование расчетной схемы, которая отражает наиболее важные свойства сооружений при тех или иных воздействиях. При этом допустима некоторая идеализация элементов сооружений, их физических свойств, элементов сопряжений и креплений, а также внешних воздействий, которые в совокупности составляют систему. Системы в данном случае могут быть как стержневые при определении свойств и параметров каркасных элементов в шахтном поле, так и сочетать стержни, пластины и оболочки. Но наиболее точно геомеханическую ситуацию при разработке месторождений технологиями, предусматривающими формирование разнопрочных закладочных массивов, можно оценить, построив плоско-пространственную систему, в которой совокупность стержней, лежащих в одной плоскости, воспринимает внешнюю нагрузку в перпендикулярном этой плоскости направлении. Стержни в этом случае выполняют роль каркасов. При этом свойства стержня в сечении переменны, а межкаркасные полости заполняются материалом, выполняющим функцию подпора.

Порядок разработки месторождения устанавливается после определения концепции формирования закладочного массива в данном рудном поле. В свою очередь, концепция определяется исходя из напряженного состояния рудного поля, в котором выделяются эпицентры полей напряжений. Как уже указывалось, на поля напряжений, их величину и концентрацию оказывает влияние порядок разработки месторождений. Нами установлено, что, кроме этого, изменение порядка разработки оказывает влияние и на экономические показатели рудника, особенно при применении систем с закладкой.

Существующий порядок развития горных работ на подземных рудниках предопределяет постоянное нарастание напряжений не только по фронту очистной выемки, но и в рудном поле или его ограниченном участке.

Таким образом, развитие горных работ целесообразно начинать из зон под центром тяжести налегающей толщи, ограниченной расчетными параметрами мульды сдвижения подрабатываемых горных пород.

При развитии горных работ от точки, определяемой проекцией центра тяжести налегающей толщи пород, ограниченной контуром мульды сдвижения на поверхности и параметрами шахтного поля, искусственные массивы принимают вид концентрических окружностей (многогранников), образуемых каркасами с изменяющимися параметрами и свойствами, с заполненным межкаркасным пространством несвязным или малопрочным закладочным материалом.

Как показывают расчеты, нормативные характеристики закладки в этом случае могут изменяться от центров к периферии пропорционально расстоянию удаления на 30–40%, а, следовательно, могут быть снижены расходы на процесс закладки за счет уменьшения расхода вяжущих компонентов или снижения их качественных характеристик.

В идеальном варианте формирование искусственных массивов начинают с создания ядра, местоположение которого определяется проекцией центра тяжести мульды сдвижения налегающей толщи пород на рудное тело. В этой и других зонах, определяемых как центры развития очистных работ, целесообразно применять технологии слоевой выемки и формирование сплошного закладочного массива. При этом от центра к границам зоны прочностные свойства закладки могут быть снижены до 50–80 % от максимума.

При каркасной (стержневой системе), выполняющей функции опорных конструкций структуры закладочного массива, отработка осуществляется от ядра по радиальной схеме в виде лучей по экстремальным направлениям, делящим рудное поле или его часть на секторы. Лучи соединяют между собой перемычками. Расстояние между перемычками (от ядра к периферии) постоянно возрастает и составляет 1,3–2,0 размера между предыдущими, при этом в соседних секторах оно может быть различным. В этом случае целесообразно располагать их в шахматном порядке.

В вариантах, когда на месторождении выделено два или более центров развития очистной выемки, целесообразно деление рудного поля на панели, этажи и другие выемочные единицы проводить с таким расчетом, чтобы формирование искусственных массивов вписывалось в общерудничную структуру.

Развитие горных работ в панели, этаже, а иногда и в блоке, должно начинаться от выбранного центра, а структура закладочного массива, так же как и в общем поле, переходит от изотропной к разнопрочной.

Таким образом, общая схема формирования монолитного закладочного массива представляет собой ядро, расходящееся лучами к периферии рудного поля или его участка, которые соединены между собой перемычками, расположенными в шахматном порядке.

Нормативные характеристики закладки для ядра рудного поля рассчитываются, исходя из допустимых горизонтальных деформаций для подрабатываемых объектов, попадающих в мульду сдвижения налегающей толщи пород. Для остального массива свойства закладки могут рассчитываться как для месторождения, площадь которого ограничена параметрами участка, входящего в определенный сектор разработки. В этом случае определяются свойства закладки в каркасах и необходимый их подпор, т.е. предполагаемая работа в объемном напряженном состоянии.

После разработки схемы формирования закладочного массива и определения требуемых его свойств выбирается порядок разработки месторождения, в соответствии с которым корректируются характеристики закладочного материала, состав смесей, технология транспортирования и заполнения выработанного пространства.

В соответствии с принятой методикой расчетов нормативные характеристики закладки в различных рудниках и условиях изменяются, в основном, от 5–6 МПа до 0,3–0,5 МПа. При этом для закладки используют твердеющие смеси, высокоплотные смеси на основе отходов обогащения, гидравлическую закладку, консолидированную различными методами или несвязную сухую закладку.

Основной проблемой при формировании сухих закладочных массивов с последующим их упрочнением является транспортирование и распределение породы в выработанном пространстве.

Предлагается решать эту проблему за счет перераспределения объемов создаваемых пустот с переходом от больших площадей обнажения к устойчивым пролетам, восполняющим требуемое количество породы за счет протяженности и числа создаваемых выработок.

На первых этапах применения сухой породной закладки при разработке крутопадающих месторождений применялась технология, предусматривающая добычу закладочного материала в так называемых горных мельницах, расположенных во вмещающих породах лежачего бока, и доставкой его в выработанное пространство скреперованием. Этот метод не получил широкого распространения, хотя затраты на добычу и доставку закладочного материала были сопоставимы с затратами на добычу, приготовление и транспортировку материалов с поверхности.

Следует отметить, что при изменении порядка разработки крутопадающих месторождений упрощается и технология заполнения выработанного пространства породами от проходки.

Нами предложена и разработана технология закладки выработанного пространства вмещающими породами лежачего и висячего бока, доставляемыми силой взрыва (для крутопадающих месторождений) или самотеком (для пологих и наклонных залежей).

На рис. 4 представлен один из возможных вариантов формирования закладочных массивов в выработанном пространстве рудников для крутопадающих месторождений.

При пологом или наклонном залегании рудных тел закладочные камеры располагаются в породах кровли по соответствующей сетке и с параметрами, обеспечивающими их долговременную устойчивость. Распределение закладочного материала в выработанном пространстве производится через рукава восстающих, соединяющих его с закладочными камерами. Закладочные камеры в этом случае могут формироваться как в варианте с взрыводоставкой закладочного материала к перепускному восстающему, так и в варианте с пучковым расположением отбойных скважин с приданием почве камеры желобообразной формы.

Кроме того, при разработке пологих месторождений возможен подрыв пород в непосредственной кровле очистных камер, с последующей подачей литых смесей и формированием закладочных массивов со сложной структурой, предусматривающей придание твердеющей закладке определенной конфигурации внутренней ее поверхности, повторяющей форму навала сухой породной закладки.

Такая технология, предполагающая формирование сплошного закладочного массива, позволяет создавать разнопрочную его структуру и, не снижая в общем требований к закладке, существенно сократить затраты на этот процесс. Это относится как к системам со слоевой, так и к вариантам камерных систем с двух и более стадийной выемкой полезного ископаемого. Основным их отличием является структура формируемого массива. В вертикальном разрезе она мелко или крупноблочная с размерами 4?х?8 или 15–25?х?50–75 соответственно.

Следует отметить, что при многостадийной выемке полезного ископаемого и применении двух видов закладки, хотя и соблюдается определенное чередование монолитных целиков и сухой или гидравлической закладки, однако в целом по месторождению (шахтному полю) не формируют общую взаимодействующую опорную структуру. Это приводит к удорожанию процесса закладки выработанного пространства, вызывая необходимость увеличения прочности монолитной части закладки.

В то же время исследованиями, проведенными в ИПКОН РАН, показано, что взаимодействие между налегающей толщей пород и закладочным массивом не наступает вслед за завершением работ в определенном блоке, а взаимосвязано с площадью подсечки и структуры налегающей толщи пород. При этом во вмещающих породах висячего бока происходит перераспределение напряжений в связи с воздействием на среду горных работ.

Анализируя вышеизложенное, можно сделать вывод, что технология формирования монолитных (твердеющих) закладочных массивов как в блоке, так и по месторождению в целом, имеет ряд существенных недостатков. Устранение некоторых из них возможно при образовании разнопрочных закладочных структур путем возведения каркаса или оболочки вокруг несвязного заполнителя, представленного вмещающими породами или отходами обогатительного производства (рис. 5, 6).

Такая технология предусматривает формирование твердеющей закладки вокруг вмещающих пород, которые подаются в закладываемую камеру параллельно или последовательно по отношению к литым смесям. В конечном итоге монолитная часть закладки, обволакивая вмещающие породы, принимает форму арки, купола, пологой оболочки двоякой кривизны и т.п.

Во всех вариантах подготовительно-нарезные и очистные работы ведутся в соответствии с принятой технологией. На стадии закладки выработанного пространства в камерных системах в первую очередь подаются литые смеси с заполнением на высоту днища блока. После этого из вмещающих пород посредством взрыводоставки, из горных мельниц или перепуском пород от проходки и т.п. в камеру подается сухая составляющая. В зависимости от создаваемой формы определяется объем и график подачи пород и литых смесей в выработанное пространство.

По нашему мнению, к настоящему времени уже назрела необходимость пересмотра общепринятых подходов к порядку разработки месторождений с закладкой выработанного пространства, т.е. переход к разработке крутопадающих месторождений снизу вверх, а пологих — от зон с наибольшим напряжением к флангам.

При использовании разработанных технологий рост эффективности производства обусловлен возможностью снижения затрат на закладочные работы за счет формирования разнопрочных массивов на основе сочетания литых смесей различного состава с породной закладкой, а также консолидации пород при соответствующей их обработке.

Журнал "Горная Промышленность" №2 1999