3.4.2. 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.

Различают следующие способы поддержания очистного про­странства при добыче руды:

• естественное;

• обрушение налегающих пород с погашением очистного пространства;

• искусственное.

Естественное поддержание очистного пространства Осу­ществляется за счет естественной устойчивости налегающих пород, а также устойчивости оставляемых в очистном пространстве участков руды — целиков, которые обеспечивают опору подраба­тываемой толще пород. Горное давление при этом регулируется за счет выбора размеров очистного пространства, расположения, фор­мы и размеров поддерживающих целиков.

Рудные целики бывают постоянными (неизвлекаемыми) и временными (отрабатываемыми со значительным опозданием, во вторую стадию). По форме целики делятся на ленточные или па­нельные, 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.

Д иаметр опорных целиков изменяется в пределах 3—8 м, а расстояние между их осями может составлять 6—20 м. Ленточные целики при крутом падении располагают через 30—100 м, их попе­речные размеры достигают 6—30 м. Оставление целиков приводит к значительными потерями в них руды. Снизить потери можно, ос­тавляя через 100—200 м панельные (барьерные) целики увеличен­ной ширины (20 м, а иногда до 30—40 м), а между ними — не­большие изолированные опорные целики. Они воспринимают не всю массу налегающих пород (массив высотой Н), а только ее часть (массив высотой Н_и при крепких упругих рудах #i = 0,6-f0,8#, а при мягких пластичных Н\ = 0,35-н0,45 Н). Панельные (барьерные) целики воспринимают всю массу налегающих пород (рис. 5.32).

Естественное поддержание очистного пространства возможно при устойчивых рудах и вмещающих породах и глубине разработ­ки не более 1000—1500 м. Если руды малоценные, то целики не отрабатывают и потери руд достигают 40—60 %.

Обрушение налегающих пород с погашением очистного пространства. Используется, когда естественным путем поддер­живать его невозможно или нецелесообразно (из-за больших по­терь руды в целиках). Обрушение позволяет:

• снизить опорное давление в соседних очистных блоках, где ведутся очистные или подготовительно-нарезные ра­боты;

• избежать воздушных ударов, возникающих при само­произвольном обрушении в отработанное пустое про­странство больших масс налегающих пород.

Обрушение налегающих пород на отбитую руду обеспечивает:

• 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 таком управлении горным давлением отбитую руду в ос­новном выпускают под обрушенными породами. Это приводит к перемешиванию отбитой руды с пустыми породами, ее обеднению (разубоживанию). Сильно разубоженную руду извлекать невыгод­но, поэтому добыча с обрушением налегающих пород может со­провождаться также повышенными потерями. Обрушение пород применяют в том случае, когда допустимо обрушение поверхности, а 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). Искусственное поддержание очистного пространства. Это - наиболее трудоемкий и дорогостоящий технологический про­цесс поддержания. Искусственное поддержание целесообразно, ко-| да другие способы неприемлемы технически или не обеспечивают достаточно полной и чистой выемки руд.

Рис. 5.33. Способы искусственного поддержания очистного пространства:

а — закладкой; б — крепью (вариант с усиленной распорной крепью); в — крепью и закладкой (вариант со станковой крепью); г — крепью с последующим обруше­нием пород (вариант с индивидуальной стоечной крепью)

Искусственное поддержание очистного пространства при до­быче руды осуществляют с помощью закладки или крепления раз­личными конструкциями (рис. 5.33.).

Крепь применяют для поддержания 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. Чаще крепью поддерживают лишь призабойное пространст­во, а в уже выработанном пространстве крепь удаляют: деревянную подрывают накладными зарядами или выдергивают лебедками; 530 металлическую частично или полностью разбирают; механизиро­ванную передвигают, 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 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 нее способы. В качестве классификационных признаков принима­лись: наличие или отсутствие вяжущих компонентов, образование связей между материалом, составляющим закладочный массив, а также агрегатное состояние закладки в процессе ее транспортиро­вания и распределения в выработанном пространстве рудников.

Представленная классификация закладки основана на различи­ях, связанных с количеством воды (%), используемым в процессе приготовления, транспортирования и укладки закладочной смеси. По этому признаку выделяются три класса закладки: сухая, пульповая и водная.

По нарастанию содержания воды, участвующей в процессах транспортирования и формирования, определены группы закладки в указанных классах (табл. 5.3).

Сухая закладка представлена следующими 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 закладки 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 закладочно­го массива . 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 соб­ственной массы сверху, как в бункер. При этом используются: вме­щающие породы, получаемые попутно при проведении полевых подготовительных и вскрывающих выработок; породы, специально для этого добываемые на поверхности и спускаемые под землю; по­роды, выделенные из рудной массы при подземной предконцентра-ции (породоотборке). Иногда закладочный материал получают из камер, создаваемых в контактирующих с рудным телом вме­щающих породах. Самотечная закладка — самый дешевый вид закладки, но она имеет и существенный недостаток: значительную (до 20—35 %) усадку закладочного материала.

При сухой закладке закладочный материал размещают в выра­ботке под действием собственной массы либо при помощи машин механического действия. Для заполнения пространства, как правило, используют пустую породу от проведения выработок. 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.

Сухую закладку могут распределять в выработанном про­странстве механическим способом. Как правило, эту технологию применяют при отработке очистного блока горизонтальными или слабонаклонными слоями, начиная с нижнего. В выработанное пространство закладочный материал поступает самотеком по вос­стающим. Для распределения по выработанному пространству ис­пользуют скреперные установки или самоходное оборудование. 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 м"7м³ закладочного материала).

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. Достоинство бутовой за­кладки — сокращенный до минимума расход воды, что имеет боль­шое значение для снижения относительной влажности рудничной атмосферы. Недостаток — сложность механизации работ.

При консолидированной закладке формируется монолит под воздействием пара или других реагентов 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, а 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. 534

Раствор обычно подают иод 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 прекращения процесса 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:

• восстановление устойчивости пород, что имеет значение при выемке руды под охраняемой территорией. Это — единственный надежный способ ликвидации последствий самообрушений;

• использование при зонном омоноличивании массива для выемки междукамерных целиков.

Применение постовой закладки началось в середине 80-х гг. XX в. 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, размер которых не превышает 20 мкм.

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 компонентов. В их отсутствии она подвержена разжижению и может оставаться в таком состоянии продолжительное время.

Твердеющая закладка — смесь с водой различных вяжущих материалов и заполнителя, 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 вяжущие вещества (например, специально обработанные шлаки). Свежеприготовленная смесь имеет жидкую консистенцию и может подаваться в выработанное пространство по трубам как гидравлическая закладка.

Расход вяжущего составляет 100—400 кг/м³. Себестоимость твердеющей закладки с использованием цементного вяжущего высо­ка. Поэтому ее снижают, используя более дешевые вяжущие из местных материалов, добавляя к ним цемент для повышения гидравлической активности. 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 нормативной (необходимой в данных гор­но-технических условиях) прочности в период от нескольких дней до нескольких недель. Нормативная прочность затвердевшего за­кладочного массива относительно небольшая (2,5—7 МПа), но устойчивость его весьма высока. Горизонтальный пролет обнаже­ния закладочного массива без крепления составляет 3—8 м, что позволяет вести очистную выемку слоями сверху вниз под прикры­тием искусственной кровли из затвердевшей закладки. Верти­кальные устойчивые обнажения закладки достигают площади 50x50 м² и более.

Существуют различные схемы приготовления и транспортиро­вания твердеющих закладочных смесей, одна из них представлена на рис. 5.34.

При значительных объемах закладочных работ строится цен­тральный закладочный комплекс на поверхности с трубопро­водным транспортом литой гидросмеси до мест укладки в очистные блоки. 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 1рубопровод 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 менее 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 использование ее позволяет вести сплошную выемку руды с минимальными поте­рями. Поэтому ее применяют при разработке ценных руд, при не­обходимости сохранения целостности налегающей толщи пород или в условиях повышенного горного давления.

Рис. 5.34. Технологическая схема закладочного комплекса для приготовления твердеющей смеси:

/ траншейный склад для гранулированного доменного шлака; 2 — загрузочные

бункера; 3 — конвейер: 4 — шаровая мельница; 5 — насосы; 6 — гидроциклоны; 7 — вакуум-фильтр; 8 — склад цемента; 9 — смеситель; 10 — закладочный тру­бопровод; // — весы; 12 — склад заполнителя

Твердеющая закладка широко распространена на подземных рудниках. Применение ее позволяет:

• разрабатывать месторождения комбинированным спо­собом;

• отрабатывать руды, склонные к самовозгоранию;

• сохранить поверхность от деформаций под водоемами и городами;

• отрабатывать ранее оставленные целики ценных руд, в том числе даже запасы руды в охранных целиках стволов шахт;

• 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.

При гидравлической закладке смесь раздробленного материа­ла с водой (пульпа) перемещается к выработанному пространству по трубам и растекается по нему (рис. 5.35.). 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 используют хвосты обогатительных фабрик, обезвоженные и обесшламленные.

Трубопроводы при гидрозакладке собирают из толстостенных (с толщиной стенки 8—10 мм) стальных труб, имеющих быстроразъ-емные соединения. Закругления футеруют вкладышами из хромни-келевой или марганцевистой стали, а иногда из литого базальта, плотной резины и других износоустойчивых материалов.

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 устанавливают перемычки (фильтрующие или глу­хие). Для улучшения дренажа в закладываемом пространстве не-

Рис. 5.35. Схема гидрозакладочного комплекса:

/ гидромонитор; 2 — бункер; 3 — смесительный лоток; 4 — закладочный тру­бопровод; 5 — выработанное пространство; 6 — фильтрующие перемычки; 7 — выработки с водосточными канавками; 8 — водосборник; 9 — насосы; 10 — во­допровод; 11 — водоотстойник; 12 — трубопровод для подачи осветленной воды

редко устанавливают также дренажные фильтры — обтянутые мешковиной перфорированные трубы (деревянные или металличе­ские). Гидравлическая закладка отличается высокой производи­тельностью, хорошим заполнением всех пустот и сравнительно небольшой усадкой закладочного массива (8—12 %). К н е д о с-таткам этого вида закладки можно отнести загрязнение и обводне­ние горных выработок, а также высокие капитальные затраты на комплекс по приготовлению пульпы, трубопровода и водоотлива.

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 (льдо-породная закладка) ускоряет процесс намораживания и повышает прочность закладочного массива.

Льдопородная и льдозакладка возводятся методом слоевого намораживания льда с заполнителем или одного льда путем подачи закладочного материала и холодного атмосферного воздуха, нагне­таемого в закладочное пространство вентиляторами. Использова ние таких способов закладки возможно только в условиях 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, 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.

4. Системы разработки рудных месторождений

4.1. Классификация систем разработки

Системой разработки называется определенный порядок проведения и расположения подготовительно-нарезных и очистных выработок в пределах очистного блока, увязанный во времени и пространстве с технологией, механизацией и организацией произ­водственных процессов очистной выемки.

В связи с большим разнообразием горно-технических усло­вий на подземных рудниках применяют различные системы раз­работки и их варианты, основные из которых, имеющие наи­большее распространение при подземной разработке руд, приве­дены в табл. 5.4. В качестве основного признака деления систем на классы принят способ поддержания очистного пространства при очистной выемке руды. По этому признаку системы разработки разделяют на три класса:

• I класс — системы с естественным поддержанием очист­ного пространства;

• II класс — системы с обрушением руды и вмещающих по­род;

• III класс — системы с искусственным поддержанием очи­стного пространства.

Системы I класса характеризуются тем, что поддержание очи­стного пространства не требует особых материальных и трудовых затрат, а основано на использовании естественной устойчивости руды и вмещающих пород. Системы этого класса позволяют дос­тичь высокой производительности при низкой трудоемкости и се­бестоимости добычи, однако отличаются значительными потерями руды (30—70 %) в неизвлекаемых целиках

Системы II класса отличаются тем, что в процессе развития подземных горных работ осуществляют принудительное обруше­ние или при определенной площади подсечки происходит самооб­рушение налегающей толщи пород, что позволяет существенно снизить горное давление в зоне ведения очистной выемки. Систе­мы этого класса отличаются низкой себестоимостью привысокой производительности, но имеют относительно высокие потери (7—20 %) и разубоживание (10—20 %) в связи с тем, что процесс выпуска руды происходит при непосредственном контакте руды с налегающими обрушенными породами. В результате просачивания пустых пород в отбитую руду, на определенном этапе в зоне по­грузки рудной массы в ковш ПДМ их количество превышает объем чистой руды и выпуск прекращают.

Системы III класса характеризуются низким уровнем потерь (1—5 %) при разубоживании 5—10 %, однако отличаются высокой себестоимостью добычи, что связано с существенными затратами средств на искусственное поддержание очистного пространства закладкой или крепью. Вмещающие породы при этом могут как поддерживаться, если в очистном пространстве ведут горные рабо­ты, так и обрушаться за счет удаления или разрушения крепи после выемки руды. 4.2. Камерно-столбовая система разработки

Данную систему применяют при разработке горизонтальных, пологих и наклонных залежей. Месторождение делят на панели с размерами в плане 150—300 х 150—300 м. Панель рядами целиков разделяют на камеры, расположенные по простиранию или паде­нию залежи. Выемку запасов руды при камерно-столбовой системе разработки осуществляют отдельными забоями в камерах или сплошным фронтом с оставлением опорных целиков. 542

Условия применения этой системы: устойчивые руды и поро­ды; мощность рудного тела — от 2—3 до 15—20 м; угол падения — до 30—35° . При нахождении людей в очистном пространстве при разработке рудных тел мощностью более 8 м проводят специ­альные мероприятия по обеспечению безопасности, которые согла­совывают с органами Ростехнадзора.

Вариант системы с доставкой самоходным оборудованием достаточно широко распространен. Подготовка к очистной выемке заключается в проведении панельных и откаточного штрека. На­резные работы включают в себя проведение горизонтальной раз­резной выработки, восстающего и вентиляционного штрека (рис. 5.36). Очистные работы в панели ведут снизу вверх по падению.

В се машины очистного комплекса работают в панели одно­временно, но в разных камерах. При бурении шпуров используют самоходные бурильные установки, которыми также бурят шпуры в кровле для установки анкерной крепи. Заряжание шпуров осущест­вляется переносными пневмозарядчиками. Рудную массу достав­ляют скреперными лебедками с перепуском в откаточные сосуды или погрузо- доставочными с перегрузкой в автосамосвалы или ру­доспуски. Опорные целики не отрабатывают.

Технико-экономические показатели сплошной системы разра­ботки относятся к одним из самых лучших на подземных рудниках. При использовании самоходного оборудования производитель­ность труда забойного рабочего достигает до 150 т/чел .-смену. Производительность панели — до 30—50 тыс. т/мес. При перенос­ном буровом оборудовании и скреперной доставке эти показатели естественно ухудшаются и составляют соответственно 25—50 т/чел.-смену и 3—10 тыс. т/мес. Расход подготовительно-нарезных выработок при этой системе небольшой — 1—2 м на 1000 т запаса руды. Однако потери руды при этой системе разработки значи­тельны и нередко превышают 30—35 %.