Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование рациональных параметров формирования льдопородной закладки при подземной разработке месторождений криолитозоны

ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации по теме "Обоснование рациональных параметров формирования льдопородной закладки при подземной разработке месторождений криолитозоны"

На правах рукописи

Петров Дмитрий Николаевич

ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ФОРМИРОВАНИЯ ЛЬДОПОРОДНОЙ ЗАКЛАДКИ ПРИ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ КРИОЛИТОЗОНЫ

Специальность: 25.00.22 - «Геотехнология (подземная, открытая и строительная)»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

11 МАР 2015

005560377

Якутск-2014

005560377

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте горного дела Севера им. Н.В. Черского Сибирского отделения Российской академии наук.

Научный руководитель:

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Необутов Геннадий Павлович

Официальные оппоненты:

Еременко Виталий Андреевич,

доктор технических наук,

ФГБУН Институт проблем комплексного освоения недр РАН, ведущий научный сотрудник

Савич Игорь Николаевич,

доктор технических наук, профессор, ФГАОУ ВПО «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», Московский горный институт, профессор

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение

науки Институт горного дела Дальневосточного отделения Российской академии наук

Защита диссертации состоится 9 апреля 2015 г. в 15— часов на заседании объединенного диссертационного совета ДМ 003.020.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте горного дела Севера им. Н.В. Черского Сибирского отделения Российской академии наук по адресу: 677980, г. Якутск, пр. Ленина, 43. Тел/факс: 8(4112)33 59 30. E-mail: igds@ysn.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института горного дела Севера им. Н.В. Черского Сибирского отделения Российской академии наук и на сайте http://www.igds.ysn.ru.

Автореферат разослан <.<26» февраля 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Одним из перспективных направлений совершенствования геотехнологий, обеспечивающих рациональное освоение месторождений криолито-зоны, является повышение эффективности систем разработки с управлением горным давлением закладкой из льдопородных смесей. К основным преимуществам технологии относятся: высокое извлечение минерального сырья при эффективном поддержании выработанного пространства, не требующего затрат на дорогостоящие материалы; возможность ее комбинирования с оптимальными вариантами других систем для отработки участков месторождений с относительно низким содержанием полезного ископаемого; снижение ущерба окружающей среде за счет использования пустых пород в качестве закладки, что способствует уменьшению площадей, занятых отвалами горных пород.

В Якутии технология добычи руды с заменой рудных целиков на искусственные из льдопородной закладки с использованием переносного оборудования, разработанная Институтом горного дела Севера им. Н.В. Черского СО РАН, в промышленных масштабах внедрена на золоторудном месторождении Бадран, где значительно улучшены показатели извлечения руды по сравнению с ранее применявшейся камерно-столбовой системой разработки.

Анализ результатов научно-исследовательских работ, посвященных вопросам совершенствования технологии подземной разработки месторождений криолитозо-ны с применением льдопородной закладки, свидетельствует о недостаточном уровне изученности вопросов ее формирования, зависимости прочностных характеристик льдопородных целиков от термовлажностных условий и технологии их возведения и, как следствие, необходимости создания научно обоснованных рекомендаций по повышению эффективности использования данной технологии для различных термомеханических условий ведения горных работ.

В связи с вышеизложенным, обоснование рациональных параметров формирования льдопородных целиков требуемой нормативной прочности, способствующих повышению эффективности применения технологии добычи руды с льдопородной закладкой, является актуальным.

Исследования по теме проводились в рамках этапов плановых научно-исследовательских тем ИГДС СО РАН - «Обоснование и разработка концепции и основ конструирования мобильных геотехнологий рационального освоения недр криолитозоны, адаптированных к кластерной организации рудного вещества (2004 — 2006 гг., № гос. per. 01.20.0408610)», «Разработка концепции и основ конструирования эффективных геотехнологий освоения и сохранения недр криолитозоны, в том числе адаптированных к кластерной организации рудного вещества (2007 — 2009 гг.,

№ гос. per. 01.2.00706516)», гранта РФФИ р98 Арктика №03-05-96023 «Закономерности нагружения и нелинейного деформирования искусственных целиков при подземной отработке месторождений криолитозоны Арктики», а также ряда хоздоговорных работ.

Объект исследования - подземная разработка рудных месторождений криолитозоны с льдопородной закладкой.

Основная идея работы заключается в использовании закономерностей изменения прочностных свойств льдопородного закладочного материала и особенностей его формирования при обосновании конструктивных параметров системы разработки в зависимости от различных геомеханических, геокриологических и климатических условий отработки месторождения.

Целью работы является обоснование рациональных параметров формирования льдопородных целиков требуемой нормативной прочности при подземной разработке месторождений криолитозоны, обеспечивающих повышение производительности и безопасности горных работ.

Для достижения поставленной цели предусматривается решение следующих основных задач:

- оценить опыт применения систем разработки с смерзающейся закладкой и установить ее преимущества и недостатки;

- выявить особенности формирования структуры льдопородной закладки и изменения ее прочностных свойств в зависимости от конструкции, крупности фракций, формы частиц твердого заполнителя, а также термовлажностных условий разработки;

- выполнить математическое моделирование тепловых процессов в закладоч ном массиве при различной степени его увлажнения, толщине слоя и температуре воздуха для горно-геологических условий разработки месторождения Бадран;

- с использованием установленных зависимостей разработать методически рекомендации по выбору рациональных параметров технологии формировани льдопородной закладки для различных геомеханических и геокриологических уело вий разработки месторождения и технологических параметров применяемой систе мы разработки;

- разработать практические рекомендации по применению технологически схем отработки рудных тел криолитозоны с льдопородной закладкой, с учетом гор но-геологических и горнотехнических условий их разработки, обеспечивающие по вышение производительности и безопасности горных работ.

Методы исследований. В работе использован комплекс методов, включаю щий анализ и обобщение результатов ранее выполненных исследований, лаборатор ные и натурные исследования процессов возведения льдопородной закладки; мате

матическое моделирование, статистическую и аналитическую обработку полученных результатов.

На защиту выносятся:

- результаты экспериментальных исследований прочностных свойств льдопо-родной закладки в зависимости от ее конструкции (количество намораживаемых слоев), технологии возведения, водопородного соотношения, гранулометрического состава и формы частиц наполнителя, температуры и естественной влажности горных пород и очистного пространства;

- методические рекомендации по обоснованию конструктивных параметров и технологии возведения льдопородной закладки при различных геомеханических и температурных условиях разработки месторождений криолитозоны, отличающиеся учетом ее свойств, закономерностей формирования и взаимодействия с массивом многолетнемерзлых пород, позволяющие обеспечить нормативную прочность закладки, сократить продолжительность закладочных работ в 1,5-2 раза, повысить производительность труда и безопасность горных работ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- экспериментально установлено, что применение конструкции льдопородной закладки, формируемой послойным намораживанием пород, позволяет повысить ее нормативную прочность в 2 - 2,5 раза;

- установлено, что увеличение содержания частиц дробленых горных пород лещадной и игловатой формы в смерзающейся закладке с 10% до 40% снижает ее прочностные характеристики в 1,5 раза;

- по результатам математического моделирования тепловых процессов при послойном намораживании закладки в наклонной подземной горной выработке с учетом ее конструктивных характеристик обоснованы рациональные режимы и параметры закладочных работ (мощность слоя 0,4 - 0,5 м, водопородное соотношение 1 :

3);

- экспериментальными исследованиями установлено, что оптимальное (равномерное) распределение льда-цемента в льдопородной закладке достигается при температуре очистного пространства блока минус 20°С;

- разработаны рекомендации по повышению эффективности применения технологии с льдопородной закладкой на основе использования новых способов выемки междукамерных рудных целиков (патент РФ на изобретение №2249112), сокращения продолжительности промораживания закладки, повышения устойчивости искусственных целиков, снижения трудо-материалоемкости крепления очистных камер.

Достоверность научных результатов, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается сходимостью результатов эксперимен-

тов и аналитических расчетов с фактическими данными производства подземных горных работ, представительным объемом исследований, выполненных в лабораторных и натурных условиях по апробированным методикам.

Личный вклад автора заключается в постановке задач, проведении натурных и лабораторных исследований закономерностей изменения структуры и прочностных характеристик льдопородного материала в зависимости от конструкции, состава и термовлажностных условий его формирования, обработке результатов экспериментов и разработке методических рекомендаций по повышению эффективности применения льдопородных целиков при разработке месторождений криолитозоны.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что разработанные рекомендации по повышению эффективности применения технологии добычи руды с закладкой из промораживаемых водопородных смесей с использованием самоходного оборудования позволят расширить область ее применения, повысить производительность труда и безопасность ведения горных работ, уменьшить потери и разубоживание при разработке месторождений полезных ископаемых криолитозоны при минимальном расходе дорогостоящих материалов и снижении ущерба окружающей среде за счет сокращения объема пустых пород, складируемых в отвалы.

Разработанные рекомендации в виде отчетов о НИР переданы для дальнейшего использования институту Якутнипроалмаз и руднику «Айхал» Айхальского ГОКа «AK AJIPOCA» для отработки слепого рудного тела месторождения трубки «Айхал»; ЗАО ГРК «Западная» для повышения эффективности отработки рудных столбов месторождения «Бадран» с использованием льдопородной закладки.

Апробация результатов работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на IV Евразийском симпозиуме «Тепломассоперенос и термомеханика дисперсных сред» (Якутск, 2008); международных научно-практических конференциях: «Мирный 2001» (г. Мирный, 2001), «Проблемы и перспективы комплексного освоения месторождений полезных ископаемых криолитозоны» (г. Якутск, 2005), «Проблемы и перспективы развития горных наук» (г. Новосибирск, 2005); российских: «Безопасность горного производства в Республике Саха (Якутия)» (г. Якутск, 2008), «Геомеханические и геотехнологические проблемы эффективного освоения месторождений твердых полезных ископаемых северных и северо-восточных регионов России» (г. Якутск 2011); региональных: «Исследования по инженерно-физическим проблемам Севера» (г. Якутск, 2002), Конференция молодых ученых и аспирантов, посвященная 370-летию г. Якутска (г. Якутск, 2002) «Минерально-сырьевые ресурсы и освоение недр Якутии» (г. Якутск, 2007); на на учных семинарах лаборатории ПРОМСР ИГДС СО РАН и расширенных заседания Ученого совета ИГДС СО РАН (2009-2014 гг.).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 32 работах, из них 14 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получен 1 патент РФ на изобретение.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 153 страницах машинописного текста, содержит 43 рисунка, 11 таблиц, 2 приложения, список литературы из 125 наименований.

Автор выражает искреннюю признательность научному руководителю, сотрудникам Института горного дела Севера им. Н.В. Черского СО РАН, работникам ЗАО «Горно-рудная компания «Западная» и Айхальского ГОКа АК «АЛРОСА», а также всем коллегам, оказавшим консультации и помощь при выполнении работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности, цель, идею работы, задачи исследований, защищаемые положения, обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций.

В первой главе приведен аналитический обзор отечественных и зарубежных работ по современному состоянию исследований в технологии подземной добычи с использованием льдопородной закладки.

Отечественный и зарубежный опыт добычи весьма ценных руд области распространения многолетней мерзлоты со слабо развитой инфраструктурой показывает перспективность использования систем разработки с закладкой выработанного пространства промораживаемыми водопородными смесями. Исследованиями, направленными на создание технологии добычи руды с использованием льдо-льдопородной закладки занимались в разное время ряд научных организаций - ВНИИ-1, ВНИМИ, ЛГИ, МГОУ, ИГДС СО РАН, Канадский Центр по минералам и энергетическим технологиям (САЫМЕТ), Университет Св. Лаврентия (г. Садбери, Канада) и др. Детальный обзор и анализ практического применения в горной промышленности технологии с смерзающейся закладкой приведен в работах Ю.В. Михайлова, В.И. Емельянова, Г.А. Каткова, Г.П. Необутова, В.Г. Гринева и других исследователей. В зарубежной печати известны работы Дж. Найта, М. Гарриса, В. Горски, Д. Казакидиса и других.

В промышленных масштабах технология с льдопородной закладкой при использовании переносного оборудования, разработанная Институтом горного дела Севера им. Н.В. Черского СО РАН, применяется на наклоннозалегающем золоторудном месторождении Бадран, где значительно улучшены показатели извлечения руды - потери и разубоживание снижены до 0 - 3 и 17 - 21%,

соответственно, по сравнению с ранее применявшейся на руднике камерно-столбовой системой разработки, где эти показатели составляли 28 - 30 и 30 - 35%, соответственно.

Исследования свойств различных составов замораживаемых закладочных смесей, проведенные в 80-е годы отечественными исследователями Р.Н. Сальмановым, С.Н. Красных, К.С. Симоновым и другими, Дж. Найтом, М. Харрисом в 90-е годы в Канаде показали повышение их прочности при понижении температуры формирования образцов и увеличении содержания воды в составах. Аналогичные выводы были получены М.В. Каймоновым, A.C. Курилко, Ю.А. Хохоловым при исследовании зависимости прочностных характеристик смерзшихся горных пород от влажности и плотности их укладки.

Установленные зависимости характеризуют изменение прочности смерзшегося породного материала, при формировании которого производилось предварительное смешивание наполнителя и воды перед промораживанием. Тогда как, при производстве льдопородной закладки на рудниках дробленые горные породы размещаются в камере в условиях естественной влажности и отрицательной температуре, и только после этого производится смачивание водой, так как в условиях криолитозоны предварительное смачивание и перемешивание закладочного состава перед размещением в камере приводит не только к дополнительным трудовым и материальным затратам, но и значительному увеличению срока набора нормативной прочности закладки.

В целом, несмотря на положительные результаты применения систем разработки с льдопородной закладкой, она характеризуется низкой технологичностью возведения, значительными затратами времени на набор ее нормативной прочности, отсутствием научно обоснованных рекомендаций по технологии формирования льдопородных целиков, что связано с недостаточным уровнем изученности вопросов формирования льдопородного материала, зависимости его прочностных характеристик от различных воздействующих факторов.

Во второй главе приводятся результаты натурных и лабораторных исследований изменения прочностных свойств льдопородной закладки и динамики ее промерзания в зависимости от конструкции целика, технологии возведения, водопородного соотношения, крупности фракций и формы частиц твердого заполнителя, температуры и естественной влажности горных пород и очистного пространства.

В качестве базовых объектов проведения исследований по обоснованию эф фективной технологии формирования льдопородных целиков были приняты участк золоторудного месторождения Бадран, разрабатываемого ГРК «Западная», и

«слепое» рудное тело алмазоносной трубки «Айхал» АК «АЛРОСА».

Периодическими измерениями конвергенции в обнажениях льдопородного целика К-1160 на руднике Бадран, сформированного послойным намораживанием (гор.820 - 840 м, глубина от поверхности -150 м), установлено отсутствие относительных смещений. Расчетная нормативная прочность целика составила 3,2 МПа. Данный факт свидетельствует о наборе целиком нормативной прочности и отсутствии усадки, которое объясняется тем, что при формировании целиков незаполненное подкровельное пространство заливается водой, увеличивающейся при замерзании в объеме и создающей дополнительный подпор налегающих пород.

Анализ фактических данных производства показал, что возведение льдопородной закладки при температуре рудничного воздуха выше -10°С, горных пород -3°С неэффективно, значительно удлиняет сроки проморозки каждого слоя, в особенности последнего.

Исследование процесса формирования целиков позволили установить, что применение милонитов в качестве заполнителя позволяет формировать льдопородный целик с монолитной структурой. При применении песчаника возрастает расход воды (более 30% от объема закладываемой камеры), увеличивается продолжительность промораживания в 2 и более раза, формируется структура с неравномерным распределением льда-цемента и нечеткий контакт с рудными целиками и кровлей камеры. Изучение форм частиц дробленой породы обоих литотипов, используемых в качестве заполнителя закладки на руднике, показало, что содержание кусков пластинчатой и игловатой форм в отбитой горной массе составляет в среднем 38% у милонитов и 70% у песчаников.

Для выявления характера изменения прочностных свойств льдопородной закладки были проведены лабораторные исследования на образцах льдопородного материала. Отличительной особенностью проведенных испытаний являлся порядок формирования образцов и более широкий диапазон отрицательных температур и влажности.

Образцы формировались следующим образом. Предварительно охлажденный заполнитель (дробленые горные породы) засыпался в металлические разборные формы. Основной состав породного материала составляли фракции размером 5 — 10 мм. Затем производилось орошение водой, охлажденной до температуры +4 +5°С. После этого формы помещались в морозильную камеру с требуемой отрицательной температурой. Заполненные формы выстаивались в морозильной камере до полного промораживания.

Исследованга структуры закладочного материала в зависимости от температуры формирования позволили установить зависимость, проявляющуюся в неравномерном распределении льда-цемента в материале, как при снижении, так и при

повышении температуры. Оптимальное равномерное распределение замерзшей воды достигалось при температуре -20°С.

Характер изменения прочностных свойств устанавливался путем сравнения результатов определения пределов прочности на одноосное сжатие образцов льдо-породного материала на универсальной испытательной машине UTS-250 (Германия).

Для выбора оптимальных размеров образцов, характеризующих изменение прочностных свойств ЛПЗ, были проведены три серии испытаний на образцах кубической формы с размерами ребер 100,150 и 200 мм.

Результаты экспериментов показали, что предел прочности образцов льдопо-родного материала на одноосное сжатие при увеличении стороны их ребра с 100 до 200 мм уменьшается с 4,27 до 2,36 МПа. При этом коэффициент вариации показателей увеличивается с 13,8 до 21,6%, соответственно. С учетом минимального коэффициента вариации для дальнейших исследований были приняты образцы с длиной ребра 100 мм.

Определение пределов прочности на одноосное сжатие образцов, сформированных с различным количеством слоев, показали возрастание прочности при увеличении их количества - например, предел прочности пятислой-ной конструкции в 2,5 раза выше, чем двухслойной (рис. 1).

Установленное увеличение прочности льдопородного материала можно объяснить тем, что в многослойной конструкции лед-цемент равномерно распределен по всему объему образца, что, в свою очередь, приводит к увеличению числа смерзшихся контактов. Кроме того, послойное размещение смерзшегося материала затрудняет распространение трещин разрушения в вертикальной плоскости, хрупкое разрушение происходит только в пределах одного слоя, при этом нагрузка равномерно распределяется по всей площади образца.

Испытания на прочность образцов льдопородного материала с различным со держанием частиц пластинчатой (лещадной) и игловатой форм проведенные на об разцах, подтвердили полученные данные натурных исследований о существенно

8,0-

"Т

В ¡5 6,0 y~="3,5037Ln(NT+0,1975 Ь ^

" л - ______

-----т----¡ ^Т

3 4

Количество слоев

Рисунок 1 — Зависимость предела прочности льдопородной закладки на одноосное сжатие от количества намораживаемых слоев.

1.5

С § 9 ^

т га

а«

с ш С §

11 га

0,5

1 1 л 1 1 1 1 1 1 1

т ___1 1 1 __1_____1 . ^т—

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 .......1- 1 т 1 1 1 1 1 1 1 1 —1-1-►

10

20

30

40

Содержание частиц пластинчатой и игловатой форм, %

Рисунок 2 - Зависимость предела прочности образцов льдопородного материала на одноосное сжатие от содержания частиц пластинчатой и игловатой форм.

влиянии формы частиц заполнителя на прочность закладки. Предел прочности образцов льдопородного материала на одноосное сжатие при увеличении содержания частиц пластинчатой и игловатой форм в наполнителе с 10% до 40% снижался с 1,18 МПа до 0,76 МПа (рис.2).

Определение изменения предела прочности образцов льдопороды в зависимости от гранулометрического состава твердого заполнителя показало,

что предел прочности образцов на сжатие увеличивается при уменьшении размера фракций. При этом характер изменений совпадает с данными, полученными ранее проведенными экспериментами и результатами других исследователей.

Было выявлено изменение предела прочности испытуемого материала на одноосное сжатие от количества во-

га с:

Б 1 §8 С Ф

§§

—I I

-1

3,0 2,0

8,07,0 6,0 5,0-1—I

4,0 - —[ I

"Т

I

.Л

1,0—}

1

1 1

1 ■у Т " Г " г

_ ± - _ . 1 1

/ \

н-1_

15 20

25

30

35

Содержание воды, %

Рисунок 3 - Изменение средних значений предела прочности на одноосное сжатие в зависимости от влагонасыщения при формировании образца.

ды, используемой при его формировании (рис. 3). Предел прочности на одноосное сжатие льдопородного материала при изменении содержания воды от 15 до 30% возрастает, так как увеличивается количество смерзшихся контактов, а при дальнейшем увеличении содержания воды происходит снижение прочностных свойств, что связано с возникновением ледяных прослоев, обладающих меньшей прочностью, чем льдо-породный материал.

Испытаниями на одноосное

сжатие образцов льдопородного материала установлена зависимость его прочности от температуры промораживания, которая также не носит линейный характер. Предел прочности возрастает при изменении температуры промораживания от -5 °С до -20 °С, при дальнейшем понижении температуры происходит снижение

прочностных свойств (рис. 4). Причинами установленного характера изменений прочности является то, что при температуре пород до —15°С основная часть воды локализуется и замерзает в нижней части слоев, а при формировании образцов при температуре ниже -20°С вода замерзает на поверхности слоев, не успевая смочить весь прослой, вследствие чего образуются участки с слабыми структурными связями. При температуре -20°С достигается равномерное распределение замерзшей воды, и формируется льдопородный материал максимальной прочности.

Таким образом, в результате исследований определены закономерности изменения прочностных свойств льдопородной закладки: при увеличении количества слоев прочность возрастает (предел прочности пятислойной конструкции в 2,5 раза выше, чем двухслойной), максимальные значения прочности достигаются при водопородном соотношении 1 : 3 и температуре формирования -20°С, увеличение содержания частиц лещадной и игловатой формы в наполнителе с 10% до 40% снижает ее прочностные характеристики в 1,5 раза.

В третьей главе приведены методические рекомендации по выбору оптимальных параметров технологии формирования льдопородной закладки в зависимости от геомеханических условий и применяемой технологии, учитывающие результаты натурных наблюдений, лабораторных экспериментов и математического моделирования.

В частности, определен возможный порядок отработки месторождения системой разработки с льдопородной закладкой и эмпирические зависимости для расчетов пролета обрушения кровли и безопасного пролета камер, учитывающие угол падения рудного тела и параметры физико-механических свойств горных пород.

Установлен порядок расчета нормативной прочности льдопородных целиков, позволяющий учитывать влияние глубины разработки, угла падения рудного тела и конструктивных параметров системы разработки. Расчет нормативной прочности для условий месторождения Бадран (рис. 5), показал, что при увеличении ширины блока нагрузка на закладку резко возрастает. Установлено, что определяющим фактором при выборе конструктивных параметров системы разработки с льдопо-

-30 -25 -20 -15 -10 -5 Температура, град. Цельсия

Рисунок 4 - Изменение средних значений предела прочности на одноосное сжатие в зависимости от температуры формирования.

л 20 5 18 р в 16 оП и с

о; см" л

X Ь

I-

о. о X

/

/

/

/

/

/

/ ,

/ /

-а = 2м -а = 3 м - а = 4 м — а = 5 м

20 40 60 80 Ширина блока 1-, м

Рисунок 5 - Нормативная прочность льдопородных целиков на стадии отработки рудных целиков при разном пролете камеры а в зависимости от ширины блока Ь.

родной закладкой является нормативная прочность закладки, рассчитанная для стадии выемки рудных целиков.

Количество слоев в льдо-породном целике зависит от параметров закладываемой выработки и мощности слоев. На основе двумерной математической модели теплообмена рудничного воздуха с возводимой льдопо-родной закладкой и окружающим массивом горных пород были проведены численные эксперименты по расчету послойного намораживания закладки для условий месторождения Бадран, (рис. 6) показавшие, что минимальное суммарное время формирования закладочного массива достигается при мощности слоя 0,4-0,5 м. При этом, общее время размещения дробленых пород, подачи воды и промораживания слоя, с учетом подготовительно-заключительных операций составит 6 часов, в сутки возможно возведение 4 слоев. Тогда, при температуре рудничного воздуха минус 10 °С общие затраты времени на закладку одной камеры составит 16-18 суток, а при минус 20 °С- 13 - 15 суток. С учетом результатов проведенных исследований были разработаны рекомендации по технологическим параметрам производства закладочных работ и способам их осуществления, приведенные в таблице 1.

Рисунок 6 — Продолжительность формирования закладочного массива в зависимости от времени замораживания 1 слоя при различных толщинах и температуре воздуха -20°С.

Таблица 1 - Рекомендации по технологическим параметрам производства закладочных работ.

Рекомендации Способ осуществления

Температура атмосферного воздуха и твердого заполнителя для формирования льдопо-родной закладки должна быть ниже -15°С. Температура массива горных пород ниже -3°С. Перед началом работ необходимо аккумулирование холодного воздуха в горных выработках в холодные периоды года и использование различных способов теплоизоляции в теплые. Закладочные работы необходимо начинать при достижении устойчивой отрицательной температуры воздуха на поверхности ниже -15°С. Для эффективного формирования льдопородной закладки оптимальным является период с начала ноября месяца по конец марта. Дробленые горные породы предварительно охлаждаются путем размещения на поверхности или на свежей струе воздуха с отрицательной температурой.

Увеличение количества мелких фракций 50 — 100 мм в объеме дробленых горных пород до 80%. Снижение количества частиц дробленой породы лещадной и игольчатой форм менее 40%. Использование в качестве твердого заполнителя льдопородной закладки менее прочных горных пород (ми-лониты, мергели и т.д.). Применение оптимальных параметров БВР при отбойке или дробилок в технологической цепочке закладочного комплекса, обеспечивающих рекомендуемый грансостав и соотношение частиц в заполнителе.

Формирование закладки в выработанном пространстве проводить слоями мощностью 0,4 - 0,5 м. Размещение дробленых горных пород проводить рабочим органом машин и механизмов (ковш ПДМ, скрепера, бульдозера). После размещения в выработке дробленых пород производить их планировку и уплотнение. Укладку следующего слоя начинать после полного промерзания предыдущего.

Использование воды в количестве 20-30% от объема закладываемых пород, температурой не выше 5 С и содержанием солей не более 500 мг/л. Применение при распределении воды форсунок, дождевальных установок, регулирование температуры в емкостях перед подачей, контроль химического состава воды.

Температура рудничного воздуха в камере при промораживании должна быть в пределах от -15°С до - 20°С. Оптимизация схемы проветривания. Принудительное проветривание вентилятором местного проветривания, укладка труб в закладку, проведение окон-сбоек в рудных целиках

Основное требование — полнота заполнения выработанного объема камеры и прочность заложенного массива. Междукамерные целики отрабатываются после набора искусственными целиками требуемой нормативной прочности При проведении закладочных работ особое внимание следует уделить участкам целика на контактах с кровлей и боками выработки. При необходимости после смерзания слоя применять дозаливку водой пустого пространства в указанных частях целика. При обнажении льдопородной закладки проводить визуальные обследования состояния выработанного пространства, периодическое снятие показаний прироста напряжений и смещения кровли при ведении горных работ и замеры температуры горных пород и воздуха в сети горных выработок.

Обоснована возможность использования при возведении льдопородной закладки самоходного оборудования, позволяющего значительно повысить качество распределения укладываемого материала и производительность труда за счет его мощности, мобильности и универсальности. Установлено, что необходимым требованием применения самоходного оборудования является наклонное расположение камер (10 - 12 ° к горизонтали), позволяющее формировать плотный контакт льдопородной закладки с кровлей, мощность слоя 0,5 м и прочность на сжатие верхнего слоя не менее 0,98 МПа.

Создана принципиальная схема технологии ведения подземных горных работ с использованием льдопородных целиков и самоходного оборудования (рис. 7).

Рисунок 7 - Принципиальная схема ведения подземных горных работ с использованием льдопородной закладки и самоходного оборудования: а - отбойка руды; б - закладочные работы; 1 - вентиляционный штрек; 2 - камера; 3 -самоходная бурильная установка; 4 - по груз очно-доставочная машина; 5 - откаточный штрек; 6 - вентиляционный рукав; 7 - льдопородная закладка; 8 - перемычка; 9 - форсунка.

Разработанные методические рекомендации по выбору оптимальных параметров технологии формирования льдопородной закладки в зависимости от геомеханических условий и применяемой технологии, отличающиеся учетом ее свойств и закономерностей формирования, позволят существенно (в 1,5-2 раза) сократить продолжительность закладочных работ, повысить производительность труда и безопасность горных работ.

В четвертой главе представлены практические рекомендации по повышению эффективности использования льдопородной закладки и технологические схемы отработки рудных тел, разработанные при участии автора на основе результатов научно-исследовательских работ, проведенных сотрудниками Института горного дела Севера им. Н.В.Черского СО РАН на действующих рудниках «Айхал» и «Бадран».

Разработаны способы, позволяющие интенсифицировать промораживание льдопородных целиков, повысить устойчивость их обнажений, снизить разубожива-

4

а)

6)

ние от прихвата льдопороды и принципиальные схемы крепления вторичных камер с использованием льдопородной закладки смежных камер, обеспечивающие безопасность ведения работ в первичных камерах.

На рисунке 8 приведен один из способов подготовки междукамерных целиков к выемке при разработке месторождений полезных ископаемых с льдопородной закладкой (патент на изобретение №2249112), при которой обеспечивается податливость целиков на стадии отработки первичных камер, позволяющая снизить нагрузки на них от веса толщи вышележащих пород.

Предложены практические рекомендации по технологическим схемам отработки «слепого» рудного тела месторождения кимберлитовой трубки «Айхал» (рис. 9) и наклонных рудных тел месторождения «Бадран», учитывающие конкретные горно-геологические и горнотехнические условия и предполагающие применение мобильного самоходного оборудования, при котором значительно повысится производительность труда и комфортность его условий.

Рисунок 8 — Способ подготовки междукамерных целиков к выемке: 1 — камеры I очереди; 2 — междукамерные целики; 3 — клиновидные щели для создания податливости.

Рисунок 9 - Схема отработки «слепого» рудного тела месторождения кимберлитовой трубки «Айхал» с льдопородной закладкой с центральным разрезным штреком:

1 - петлевой съезд; 2 - разрезной слоевой штрек; 3 - наклонные очистные заходки.

Основными преимуществами предлагаемых технических решений является использование специфических особенностей условий разработки, свойств льдопородной закладки и отсутствие необходимости приобретения дополнительного оборудования или материалов.

Разработанные рекомендации позволят расширить область применения технологии добычи руды с льдопородной закладкой, повысить производительность и безопасность ведения горных работ при разработке месторождений полезных ископаемых криолитозоны.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, являющейся законченной квалификационной работой, дано решение актуальной научно-технической задачи обоснования рациональных параметров формирования льдопородной закладки с учетом установленных зависимостей изменения ее свойств, что позволит обеспечить требуемую нормативную прочность закладки, повысить эффективность и безопасность применения технологии добычи руды с льдопородной закладкой при подземной разработке месторождений полезных ископаемых криолитозоны.

Основные результаты проведенных исследований заключаются в следующем:

1. Натурными исследованиями на руднике Бадран установлено практически полное отсутствие усадки льдопородной закладки в процессе ведения горных работ и существенное влияние температуры рудничного воздуха на продолжительность набора целиками нормативной прочности.

2. Изучение влияния форм частиц дробленой породы, используемой в качестве заполнителя закладки показало, что увеличение содержания частиц игловатой и пластинчатой формы с 10% до 40% приводит к снижению прочностных характеристик льдопородных целиков в 1,5 раза.

3. Установлены закономерности распределения льда-цемента в льдопородной закладке в зависимости от температуры ее формирования, при этом оптимальное (равномерное) распределение замерзшей воды было достигнуто при температуре очистного пространства блока -20°С.

4. Установлено, что прочность многослойной конструкции льдопородной закладки существенно выше (в 2 - 2,5 раза) чем однослойной, что позволило обосновать технологию ее возведения послойным намораживанием.

5. Экспериментальными исследованиями влияния соотношения «вода -порода» и температуры промораживания на прочность льдопородного материала установлено, что максимальная прочность льдопородной закладки (до 6,9 МПа) достигается при водопородном соотношении 1 : 3 и температуре очистного пространства камеры -20 °С.

6. Расчетами, проведенными на основе двухмерной математической модели теплообмена рудничного воздуха с возводимой льдопородной закладкой и окружающим массивом горных пород, установлено, что по фактору времени промора-

живания оптимальная толщина слоя, при которой суммарное время формирования закладочного массива минимально, для условий месторождения Бадран составит 0,4-0,5 м.

7. Разработаны методические рекомендации по обоснованию конструктивных параметров и технологии возведения льдопородной закладки при различных геомеханических и температурных условиях разработки месторождений криолитозоны, учитывающие ее свойства, закономерности формирования и взаимодействия с массивом многолетнемерзлых пород, и позволяющие обеспечить нормативную прочность закладки, сократить продолжительность закладочных работ в 1,5-2 раза, повысить производительность труда и безопасность горных работ.

8. Разработаны и переданы к внедрению практические рекомендации по технологии возведения льдопородной закладки для условий рудников «Бадран» ГРК «Западная» и «Айхал» АК «АЛРОСА».

Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:

В научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных научных результатов диссертаций:

1. Необутов, Г. П. Методические аспекты рационального освоения месторождений криолитозоны с использованием льдопородной закладки / Г. П. Необутов, Д. Н. Петров // Наука и образование. — 2002. - № 4. - С. 5 - 7.

2. Необутов, Г. П. Исследование деформируемости льдопородной закладки / Г. П. Необутов, Д. Н. Петров II Наука и образование. - 2008. - № 1. — С.11 - 13.

3. Петров, Д. Н. Технические решения по отработке обособленного рудного тела в борту карьера трубки «Айхал» / Д. Н. Петров, Г. П. Необутов, А. Ф. Мамонов // Горн, ин-форм. - аналит. бюл. - 2008 - Отд. вып. Якутия-1. — С. 281 - 286.

4. Петров, Д. Н. Экспериментальные исследования закономерностей формирования льдопородной закладки/ Д. Н. Петров, Г. П. Необутов, В. И. Слепцов // Горн, информ. -аналит. бюл. - 2009,- № 4. - С. 9-13.

5. Необутов, Г. П. Оценка изменения тенденций развития технологии разработки жильных месторождений криолитозоны / Г. П. Необутов, Д. Н. Петров, Е. В. Никулин // Горн, информ. - аналит. бюл. - 2009. - Отд. вып. Дальний Восток-1: - С. 14-22.

6. Необутов, Г. П. Сопротивляемость льдопородных материалов сжимающим нагрузкам / Г. П. Необутов, Д. Н. Петров // Горн, информ. - аналит. бюл. - 2009. - № 8. - С. 327-329.

7. Петров, Д. Н. Выемка междукамерных целиков при системах разработки с использованием льдопородной закладки / Д. Н. Петров, Г. П. Необутов // Горн, информ. -аналит. бюл. - 2010. - № 3. - С. 95-98.

8. Петров, Д. Н. Закономерности формирования льдопородной закладки / Д. Н. Петров, Г. П. Необугов, В. И. Слепцов // Горн, информ. - аналит. бюл. - 2010. - № 3. - С. 99103.

9. Необутов, Г. П. Повышение эффективности добычи руды с использованием льдо-породной закладки/ Г. П. Необутов, Д. Н. Петров// Известия Самарского науч. центра. -2011. - Т. 13(39), № 1(5). - С. 1274-1276.

10. Петров, Д. Н. Экспериментальные исследования свойств закладочных материалов из промораживаемых водопородных смесей / Д. Н. Петров, Г. П. Необутов // Известия Самарского науч. центра. - 2011. - Т. 13(39), № 1(5). - С. 1280-1282.

11. Петров, Д. Н. Экспериментальные исследования деформируемости и работоспособности льдопородной закладки / Д. Н. Петров, Г. П. Необутов // Горн, информ. - аналит. бюл. - 2013. -№ 5. - С. 184- 187.

12. Петров, Д. Н. Результаты исследования влияния формы частиц заполнителя на прочность льдопородной закладки / Д. Н. Петров, А. Н. Петров // Горн, информ. - аналит. бюл.-2013.- №8.-С. 379-383.

13. Петров, Д. Н. Прогноз продолжительности формирования льдопородного целика в зависимости от горно-геологических условий, температуры промораживания и конструктивных параметров / Д. Н. Петров, Ю. А. Хохолов // Горн, информ.-аналит. бюл. - 2013. -№ 10.-С. 24-29.

14. Необутов, Г. П. Оценка устойчивости обнажений массива горных пород в условиях подземной разработки месторождений криолитозоны / Г. П. Необутов, В. П. Зубков, Д. Н. Петров // Научное обозрение. - 2014. -№ 8. - С. 941 - 945.

В прочих изданиях:

15. Пат. 2249112 Российская Федерация, С2 Е 21 Б 15/00. Способ подготовки междукамерных целиков к выемке / Г. П. Необутов, П. Н. Васильев, Д. Н. Петров, А. Ю. Черепанов; Ин-т горн, дела Севера СО РАН. -№2002133806/03; заявл. 15.12.2002; опубл. 27.03.2005, Бюл. № 9.

16. Петров, Д. Н. Анализ и обобщение опыта применения смерзающихся закладочных опор при разработке месторождений криолитозоны / Д. Н. Петров // Исследования по инженерно-физическим проблемам Севера: сб. науч. тр. - Якутск: ЯФ «Изд - ва СО РАН», 2002.-С. 90-95.

17. Необутов, Г. П. Результаты исследований в области создания технологии добычи руды с использованием смерзающейся закладки / Г. П. Необутов, В. П. Зубков, Д. Н. Петров // «Проблемы и перспективы развития горных наук»: Труды Междунар. конф., Новосибирск, 1-5 нояб. 2005 г. - Новосибирск: Ин-т горного дела СО РАН, 2005. - Т. 2. - С. 356-363.

18. Петров, Д. Н. Влияние формы частиц закладочных материалов на прочность промораживаемых водопородных смесей / Д. Н. Петров, Г. П. Необутов // «Геомеханические и геотехнологические проблемы эффективного освоения месторождений твердых полезных ископаемых северных и северо-восточных регионов России»: Труды Всеросс. науч. -практич. конф., посвящ. памяти чл.-корр. РАН Новопашина М. Д., г. Якутск, 13-15 сент. 2011 г. — Якутск: Изд-во Института мерзлотоведения им. П.И.Мельникова СО РАН, 2011. -С. 278-280.

Подписано в печать 20.02.2015. Формат 60x84/16. Гарнитура «Тайме». Печать офсетная. Печ. л. 1,25. Уч.-изд. л. 1,56. Тираж 100 экз. Заказ № 49 Издательский дом Северо-Восточного федерального университета, 677891, г. Якутск, ул. Петровского, 5.

Отпечатано в типографии ИД СВФУ