Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Влияние высокоплотной закладки на геомеханические процессы и технологию разработки рудных месторождений

ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации по теме "Влияние высокоплотной закладки на геомеханические процессы и технологию разработки рудных месторождений"

к:,;-: льный экземпляр

Российская академия наук Уральское отделение Институт горного дела

На правах рукописи

УДК 622.272.5.273.26:622.327 .831.834

АГЛЮКОВ Харис Исхакович

ВЛИЯНИЕ ВЫСОКОПЛОТНОЙ ЗАКЛАДКИ НА ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ТЕХНОЛОГИЮ РАЗРАБОТКИ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Специальности: 25.00.20 - Геомеханика, разрушение горных пород,

рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика; 25.00.22 - Геотехнология (подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Екатеринбург, 2005

Работа выполнена в Магнитогорском государственном техническом университете им. Г.И. Носова

Научный консультант -доктор технических наук Сашурин Анатолий Дмитриевич

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор

Волков Юрий Владимирович доктор технических наук, профессор Квочин Валерий Александрович доктор технических наук, профессор Туринцев Юрий Иванович

Ведущая организация - Уральский государственный горный университет (г. Екатеринбург)

Защита диссертации состоится «Л » /¿Уеа»1^, 2005г в часов на заседании диссертационного совета Д.004.010 01 при Институте горного дела УрО РАН, по адресу:

620219 г. Екатеринбург, ГСП-936, ул. Мамина-Сибиряка, 58.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять в адрес совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института горного дела Уральского отделения Российской Академии наук

Автореферат разослан ««¿У» « » 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

В.М. Аленичев

4092.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Технология с твердеющей закладкой обеспечивает полноту извлечения запасов и сохранность подрабатываемых объектов, однако как инструмент управления горным давлением, особенно при отработке пологопа-дающих и наклонных рудных месторождений, остаётся в «тени». Искусственный массив находится фактически в зоне разгрузки даже при полной подработке. В силу особенностей технологии возведения монолитной закладки, податливости искусственного массива, при пологом и наклонном падении залежи, закладка не является полноценным инструментом управления горным давлением. Естественное напряжение перераспределяется и концентрируется в опорных зонах - рудных и породных разделительных целиках, концентрация напряжений в которых достигает 3 уН и более, создавая тяжелые условия поддержания подготовительных выработок. Выработки, пройденные в разделительных и околоствольных целиках или в зонах их влияния на уровне вентиляционно-закладочных и откаточных горизонтов, испытывают прогрессирующее влияние опорного давления по мере сокращения целиков. В таких условиях в зависимости от прочности и структурного строения пород и руд, слагающих целики, выработки на одних участках оказываются в условиях сильной концентрации напряжений, когда их величина приближается к мгновенной прочности руд или пород (создаётся удароопасная ситуация), на других, если массив представлен сильно нарушенными породами и рудами, разрушение выработок главным образом связано с неустойчивостью обнажений, склонностью массива к «расползанию» по тектоническим трещинам под действием опорных нагрузок. Для традиционной технологии с твердеющей закладкой характерно наличие лага - от нескольких месяцев до нескольких лет между началом погашения выработанного пространства и нагружением искусственного массива. За этот период происходит перераспределение напряжений в массиве и интенсивное накопление упругой энергии, а также первоначальное расслоение и нарушение сплошности массива.

Изменить роль искусственного массива как активного несущего элемента возможно при использовании технологии отработки со сплошной уплотнённой породно-твердеющей закладкой выработанного пространства. В основе технологии лежит слоевая система разработки со сплошной выемкой, восходящим порядком отработки запасов и породной закладкой с использованием технологии динамического механизированного уплотнения. Технология с уплотнённой, «забитой», породно-твердеющей закладкой позволяет изменить роль искусственного массива как действенного инструмента управления горным давлением. Уплотнённая закладка начинает воспринимать горное давление практически сразу и становится активным несущим элементом в силу специфики её уплотнения. Роль уплотнённого искусственного массива сводится не к пассивному «ожиданию» увеличения размеров подработки, а «упреждающему» воздействию на неблагоприятное развитие геомеханической ситуации на месторождении в процессе отработки. Увеличение размеров выработанного пространства уже не является необходимым условием работы искусственного массива как полноценной реакции отпора. Разработанный способ возведения искусственных массивов с механизированным динамическим уплотнением породной и породно-твердеющей закладкой позволяет эффективно управлять гор-

з I *0С НАЦИОНАЛЬНАЯ ) I БИБЛИОТЕКА I

ным давлением, особенно при отработке запасов мощных рудных месторождений под ответственными охраняемыми объектами и в сложных горно-геологических условиях.

Сдерживающим фактором широкого применения технологии с твердеющей закладкой является её дороговизна и высокая энергоёмкость, особенно, если возникает необходимость использовать в качестве заполнителя крупнообломочные отвальные скальные породы для приготовления пастообразных смесей. В этом случае энергоемкость процессов дробления и тонкого измельчения компонентов закладочной смеси достигает 25 - 30 кВт-ч/м3 смеси. Вместе с тем, существует реальная возможность изменения содержания процессов погашения с закладкой выработанного пространства. С одной стороны, процессы дробления и последующего измельчения компонентов обусловлены требованиями трубопроводного транспортирования смеси, с другой - дробление и измельчение заполнителя негативно влияет на прочностные характеристики искусственного массива. С развитием самоходного транспорта на подземных горных работах появляется возможность отказаться от трубопроводного, как основного вида (или хотя бы частично). Известно, что трубопроводный транспорт экономически оправдан при массовых непрерывных мате-риалопотоках, а на рудных месторождениях чаще всего потоки нерегулярны, изменяются место и время работ. Привязка к трубопроводу значительно ограничивает гибкость процесса.

С уменьшением объёмов и увеличением площадей отрабатываемых рудных тел привязка к трубопроводному транспорту ведёт к увеличению удельных затрат на закладку. Сократить удельный вес твердеющей закладки без увеличения ущерба от потерь руды возможно в случае применения новых технологий возведения высокоплотных массивов. Внедрение современных ресурсосберегающих технологий базируется на достаточно сильном операционном «рычаге», создаваемом технологическим комплексом в процессе погашения отработанного пространства с использованием принципов логистики. В традиционных технологиях существующие материалы «погоняются» под требования приготовления и транспортировки закладочной смеси, например, дробление и глубокое измельчение крупнообломочных скальных пород, разумнее «подгонять» технологию под существующие скальные материалы как основному носителю затрат. Для этого необходимо перестроить всю логистическую схему погашения выработанного пространства с монолитной закладкой, отказаться от строительства мощных капиталоёмких закладочных комплексов. С технической точки зрения процесс сводится к возведению высокоплотных искусственных массивов с незначительной долей твердеющей закладки (10 - 15% общего объема) и использованием механизированного динамического уплотнения породной отсыпки, применяемого в дорожном строительстве.

Иными словами, решаемая в настоящей диссертационной работе проблема управления геомеханическим состоянием массива при отработке рудных месторождений с возведением высокоплотных искусственных массивов методом механизированного динамического уплотнения представляется актуальной научной и практической проблемой В основе ее решения лежит научно-методическое обоснование влияния новой технологии погашения выработанного пространства с возведением

высокоплотной закладки методом механизированного динамического уплотнения на геомеханические процессы и технологию разработки мощных рудных месторождений.

Объектом исследования является способ управления геомеханическим состоянием массива при отработке рудных месторождений, предметом исследования - закономерности изменения геомеханического состояния массива при отработке рудных месторождений с применением высокоплотной закладки.

Цель работы. Исследование закономерностей изменения геомеханического состояния массива при отработке рудных месторождений с применением высокоплотной закладки для разработки методов управления состоянием массива обеспечивающих повышение эффективности и безопасности ведения горных работ.

Основная идея. Использование закономерностей проявления горного давления при погашении выработанных пространств с уплотнённой закладкой для обоснования параметров технологии отработки месторождений, обеспечивающих эффективность управления геомеханическим состоянием массива горных пород.

Задачи исследований • Исследовать деформационные свойства монолитных и высокоплотных искусственных массивов, разработать эффективные способы увеличения плотности их возведения.

■ Исследовать оптимальные параметры режимов уплотнения тяжёлых скальных насыпных массивов и способов возведения устойчивых вертикальных обнажений уплотнённых породно-твердеющих массивов.

■ Исследовать роль высокоплотных искусственных массивов в геомеханических процессах и выявить закономерности сдвижения вмещающих пород при их возведении; установить взаимосвязи параметров отрабатываемого рудного тела и сдвижения массива.

■ Исследовать логистическую модель движения материалопотоков при технологии с уплотнённой породно-твердеющей закладкой.

■ Разработать инженерные методы расчета параметров систем сплошной отработки запасов рудных месторождений с возведением высокоплотных искусственных массивов методом механизированного динамического уплотнения.

■ Оценить эффективность вовлечения в эксплуатацию запасов охранных целиков с применением технологии механизированного динамического уплотнения породно-твердеющей закладки.

Методы исследований. При выполнении работы использован комплекс современных средств и методов исследований, включающий: системный и структурно-функциональный анализ отечественного и зарубежного опыта исследований технологических схем подземной разработки рудных месторождений системами разработки с закладкой; физическое и математическое моделирование с использованием современных программных продуктов; экономико-математическое моделирование; методы математической статистики и экспертных оценок; промышленные исследования; натурные экспериментальные наблюдения процессов сдвижения вмещающих пород и земной поверхности при повторной отработке запасов охранного целика на Миндякском руднике и промплощадке Гайского рудника. Оконча-

тельные выводы сделаны на основании технико-экономического анализа результатов исследований.

Защищаемые положения:

Технология погашения выработанного пространства с уплотнённой закладкой, создающей предварительный распор вмещающих пород, предотвращает развитие разупрочнения массива горных пород и формирование очагов деформирования, снижает концентрацию напряжений в опорной зоне с 1,7 -2 уН до 1,1 - 1,2 уН при достижении полной подработки, обеспечивая благоприятные условия управления горным давлением, предотвращает динамические формы его проявления.

■ Механизированное уплотнение насыпных искусственных массивов закладки с динамическим усилием забивки до 500 кН обеспечивает плотность их укладки 0,95 - 0,98 по Проктору без дополнительной классификации компонентов закладочной смеси, что качественно превышает по деформационным характеристикам монолитные искусственные массивы.

■ Несущая способность высокоплотных породно-твердеющих искусственных массивов, возведенных методом механизированного динамического уплотнения, превышает реакцию отпора массивов, возведённых из монолитной закладки. Высокоплотные искусственные массивы воспринимают до 70 - 80% веса налегающей толщи пород при незначительных параметрах подработки (до 70 метров) в отличие от монолитных искусственных массивов, воспринимающих не более 10% при аналогичных параметрах подработки, что позволяет вести выемку месторождений под застроенными территориями.

■ Технология возведения уплотнённых искусственных породно-твердеющих массивов позволяет переориентировать материалопотоки, изменить традиционные процессы приготовления и транспортирования закладочной смеси. Исключение процессов дробления и глубокого измельчения компонентов смеси на 80 - 85% снижает энергоёмкость процесса погашения выработанного пространства более чем на 25%.

Научную новизну работы составляют:

■ Установлена взаимосвязь между степенью уплотнения закладочного массива и развитием очагов разуплотнения и деформирования вмещающих пород, учитывающая первоначальный распор динамического уплотнения закладочного материала.

■ Выявлены закономерности формирования горного давления и снижения концентраций напряжений в опорной зоне с 1,7 -2 уН до 1,1 - 1,2 уН в зависимости от параметров уплотнения искусственного массива и степенью его уплотнения

• Обоснованы технологические параметры процесса уплотнения закладочной смеси, позволяющие при динамическом усилии до 500 кН достичь плотности укладки 0,95 - 0,98 по Проктору.

■ Выявлены закономерности влияния степени уплотнения и технологии возведения закладочного массива на лаг развития полноценной реакции отпора, достигающей 70 - 80% веса налегающей толщи пород при пролете подработки до 70 м

• Установлено влияние степени уплотнения искусственного закладочного массива на технологические параметры сплошной отработки месторождений, исключающие развитие динамических форм проявления горного давления и опасных деформаций под охраняемыми объектами на земной поверхности

Достоверность научных положений, выводов и результатов подтверждаются.

■ использованием научно обоснованной методики исследований;

■ представительным объёмом промышленных и лабораторных экспериментальных исследований с использованием математических методов обработки результатов исследований;

■ системным подходом к использованию аналитического аппарата и математических методов обработки результатов исследований;

■ сходимостью фактических сдвижений и деформаций вмещающих пород (при отработке запасов охранного целика с высокоплотной комбинированной закладкой) с экспериментальными исследованиями при отработке с уплотнённой закладкой;

положительными результатами внедрения технологии механизированного динамического уплотнения скальных пород и различных тяжёлых грунтов;

■ использованием математического и физического моделирования.

Практическая ценность работы заключается в:

научно-методическом обосновании проектирования технологии отработки запасов мощных месторождений, с использованием способа активного управления горным давлением с возведением высокоплотных искусственных массивов, исключающего зарождение очагов разуплотнения массива^

внедрении новых технологий возведения высокоплотных искусственных массивов при отработке мощных рудных месторождений со значительным сокращением монолитной закладки для достижения равнозначного эффекта по показателям качества отработки месторождений;

разработке логистической схемы возведения высокоплотных искусственных массивов, включающей транспортировку закладки на поверхности, перепуск, подземный транспорт с помощью самоходной техники и укладку с последующим механизированным динамическим уплотнением в забое, позволяющей сократить удельный вес твердеющей закладки до 15 - 20% общих объёмов возводимого искусственного массива;

• разработке методики проектирования технологических схем выемки запасов мощных рудных месторождений с возведением высокоплотных породно-твердеющих искусственных массивов методом механизированного динамического уплотнения.

Реализация: результаты работы использованы институтом Уралгипроруда (г Екатеринбург) при составлении технических проектов Саткинского подземного рудника "Магнезитовая"; отработки охранного целика под Механическим заводом на шахте «Магнетитовая» Высокогороского ГОКа; институтом Унипромедь при проектировании отработки Узельгинского месторождения, ПО Уралзолото при вы-

полнении исследований, проектировании и внедрении технологии повторной отработки запасов охранного целика шахты №6 Миндякского рудника; корпорацией «Казахмыс» при проектировании технологии отработки предохранительных целиков Жезказганского месторождения; институтом ВНИМИ при составлении ТЭО отработки Соль-Илецкого месторождения. Разработанные с участием автора технологические схемы отработки запасов охранных целиков на Высокогорском железорудном месторождении под ВМЗ и под охраняемыми объектами на Саткинском месторождении магнезита были удостоены дважды серебряной и бронзовой медалями ВДНХ СССР в 1981 г. и 1982 г.

Апробация результатов работы: на VI всесоюзной конференции по механике горных пород (г. Фрунзе, 1979 г.); всесоюзной конференции «Безотходная технология переработки исходных ископаемых» (г. Челябинск, 1985 г.); всесоюзной научно-технической конференции «Перспективы развития технологий подземной разработки месторождений» (г. Москва, 1995 г.); на VII Уральской научно-технической конференции по системам подземной разработки руд цветных металлов (г. Дегтярск, 1985 г.); IX всесоюзной научно-технической конференции по механике горных пород (г. Фрунзе, 1989г.); всесоюзной научно-технической конференции «Теория и практика проектирования, и строительства и эксплуатации высокопроизводительных рудников» (Москва, 1990 г.); международных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва, 2003, 2004, 2005гг.); ежегодных научно-технических конференциях МГТУ; технических советах Учалинского комбината; Саткинского комбината «Магнезит»; Миндякского рудника; института Уралгипроруда; на международной конференции Горно-геологического института ЗСФ АН СССР - Института горного дела Сибирского отделения РАН «Проблемы и перспективы развития горных наук», (Новосибирск, Академгородок, 2004 г.); симпозиуме «Уральская горная школа регионам», Екатеринбург, 2005г.

Публикации. По теме диссертации автором опубликованы Мр работ'., в том числе, монография, авторское свидетельство на изобретение, два учебных пособия с грифом УМО РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения; содержит 306 страниц, включая 105 рисунков, 27 таблиц и список использованных источников из 209 наименований работ отечественных и зарубежных авторов. В приложении представлены акты внедрения

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Анализ проблемы повышения эффективности управления геомеханическим состоянием массива при отработке рудных месторождений. Изучению проблемы управления геомеханическим состоянием массива при отработке рудных месторождений с закладкой посвящены труды отечественных и зарубежных специалистов. Существенный вклад в развитие технологий отработки месторождений внесли учёные А. Г. Акимов, Д. М. Бронников, Г. Кратч, В. Кортейн, Г И. Богданов, Н. П. Влох, Н. Ф. Замесов, М. Н. Цыгалов, Ю В. Волков, Е. В. Бошенятов, А. Б Макаров, В.И. Борщ-Компанеец, Ю.П Шуплецов, А.Д. Сашурин, В. Д. Палий, Е. С. Смелянский, С. Н. Зеленцов, М. А. Кузнецов, Т. Ш. Сакаева, В. Б. Дьяковский, К. Ю. Репп, А. П. Ильюшин, Д. В. Бакиновский, В. Н. Калмыков и др., а также ВНИ-МИ, ИПКОН, ИГД, Унипромедь, Уралгипроруда и др.

Наиболее радикальным методом комплексного повышения эффективности отработки являются технологии с твердеющей закладкой. Вместе с тем исследования учёных показывают, что при отработке мощных пологопадающих и наклонных месторождений технология с твердеющей закладкой не позволяет достаточно эффективно управлять геомеханическим состоянием массива. Потенциальная несущая способность искусственных массивов не используется в полной мере. Существуют определённые пробелы в технологии возведения искусственных массивов, снижающие качество управления геомеханическим состоянием массивов и, как следствие, эффективность отработки месторождений.

Особую актуальность приобретают исследования по повышению эффективности технологии отработки месторождений с использованием принципов логистики. Современные технологии с твердеющей закладкой традиционно ориентированы на приготовление твердеющих смесей на закладочных комплексах. При такой технологии исходные материалы «подгоняются» под требования технологии приготовления и транспортировки смеси. Так, если в качестве заполнителя предполагается использовать отвальные скальные породы, то потребуется дробление в три стадии и дальнейшее измельчение компонентов смеси из условий транспортабельности. Эти процессы достаточно энергоемки (до 25 - 30 кВт-ч/м 3 смеси) и обременительны для предприятий, а с точки зрения логики абсурдны - сначала измельчать в пыль, затем сцементировать, ухудшив при этом прочностные параметры. Однако такая технологическая цепочка воспринимается как аксиома - существует закладочный комплекс, трубопровод, отдалённое выработанное пространство. Вместе с тем часто предпринимаются небезуспешные попытки сокращения доли твердеющей закладки либо путем утилизации пород, получаемых в процессе горных работ под землей, либо использованием гидравлической закладки при отработке вторичных камер. В последние годы предприятия часто оставляют непогашенным выработанное пространство, особенно при выемке залежей ограниченных размеров. Все эти и подобные мероприятия позволяют в той или иной мере уменьшить долю дорогостоящей твердеющей закладки, но все же в своей основе технология предполагает эксплуатацию мощных закладочных комплексов со всеми присущими им издержками. Поэтому особую актуальность приобретают исследования, в результате использования кото-

рых эффективность разработки достигается за счет снижения затрат на погашение выработанного пространства с закладкой при повышении качества отработки месторождения. В разработанной технологии снижение затрат на погашение выработанного пространства (по сравнению с технологиями с монолитной закладкой) достигается за счет внедрения новой технологии возведения высокогаютных искусственных массивов с принципиальным изменением содержания процессов погашения выработанного пространства с закладкой и управления геомеханическим состоянием массива с использованием высокоплотной закладки при высоком качестве отработки запасов месторождения.

Технология погашения выработанного пространства с уплотнённой закладкой. Принципиально меняет роль и место закладочных комплексов. Технология возведения искусственного массива «привязывается» к основному носителю затрат - отвальным скальным породам. В существующих технологиях, использующих отвальные скальные породы в качестве заполнителе необходимо дробление в три стадии с последующим измельчением в мельницах (из условий транспортабельности). С целью исключения энергоемких процессов предполагается доставлять отвальную скальную породу в выработанное пространство комбинированным транспортом после крупного дробления (минус 160 мм) на поверхности. Дроблёная порода перепускается по рудоспуску на горизонт и транспортируется подземным конвейерным транспортом до пункта погрузки в 20-тонные самосвалы типа МоАЗ. Очистные ленты отрабатываются вкрест простирания залежи, затем производится закладка. Отсыпка породы в заходке производится слоями толщиной 60 - 70см, в направлении от висячего бока к лежачему, в отступающем порядке. На удалении 5 -7 м от висячего бока отсыпается первый бруствер зигзагообразной формы (3 самосвала породы) поперек ширины ленты, после чего производится первичная планировка бульдозером с созданием поперечного бруствера высотой до 1 м (с одной стороны ленты, подлежащей упрочнению). Вторая, большая, часть ленты (шириной до 6 м) планируется до проектной отметки - 0,6 м от поверхности предыдущего уплотненного слоя. После чего осуществляется доставка одного самосвала жесткой твердеющей закладки. Для проектируемой технологии жесткая твердеющая смесь перепускается на закладочный штрек гор. +350 м, далее доставляется самоходной техникой до забоя и выгружается за породный бруствер с левой стороны заходки. После этого породный навал надвигается бульдозером на твердеющую закладку и планируется до проектной отметки. Уплотнение осуществляется после укладки породной и породно-твердеющей закладки по всему слою (рис.1). Суммарное количество уплотняемых слоев соответствует толщине отбиваемого слоя. Закладка прекращается, когда высота свободного выработанного пространства достигает 3 м. Продолжительность отработки и закладки одной ленты протяжённостью 45 - 50 м около одной недели. Послойное возведение искусственного массива с постоянным уплотнением незначительных по толщине слоев позволяет высококачественно уплотнять искусственный массив. А смещение участков в вертикальной плоскости., возведенных с примешиванием твердеющей смеси, создает слоёный, многократно «перевязанный» массив, обладающий повышенной устойчивостью и несущей способностью. Применительно к Саткинскому месторождению магнезита (в начале

была запроектирована камерная система разработки со сплошной твердеющей закладкой) твердеющая смесь приготавливалась на финском поверхностном бетонном комплексе «РARTEC». Производительность комплекса по закладке достигала 100 кубометров в час Процессы доставки руды и транспортировки породной закладки протекают последовательно во времени, что упрощает управление подземными транспортными потоками - в силу относительной равномерности интенсивности потоков (рудного и встречного породного).

А-А

Гор. +260

Уплотненная породная закладка

Слоевая система разработки с уплотненной породной закладкой

Порода + твердеющая закладка

Рисунок 1- Слоевая система разработки с уплотненной породно-твердеющей

закладкой

Послойная укладка породной и породно-твердеющей закладки с динамическим вибрационным уплотнением позволяет возводить искусственный массив в напряженном состоянии, близком к уровню давления налегающего массива. Динамическое усилие, создаваемое тяжелыми дорожными катками типа Bomag BWDM - 3 (Германия), в процессе уплотнения достигает 320 и 250 кН при частоте вибрации, соответственно, 35 и 28 Гц. Масса катка 19,2 т. Катки отличаются высокой маневренностью, способны преодолевать подъем до 30, высоко производительны Часовая производительность уплотнения тяжелых скальных пород при толщине отсыпки до 0,7 м достигает 700 - 1000 м3 (степень уплотнения от 95% по Проктору). Стоимость машины 200 000 $, стоимость эксплуатации 1 машино-часа 500 рублей Тяжелые катки высоко эффективны при уплотнении скальных пород. Появление этих машин в отечественных дорожно-строительных компаниях подняло строительство

дорог на качественно иной уровень (возможность высокопроизводительного и качественного уплотнения дорожного основания до 95 - 98 % по Проктору при низких затратах), что в принципе не было возможным при прежних технологиях. Внедрение настоящей технологии в горнодобывающей отрасли позволит отказаться от непродуктивных издержек, связанных с дроблением, измельчением и приготовлением в больших объёмах твердеющих смесей.

Технология с вибрационным механизированным уплотнением предполагает сплошную отработку запасов рудных тел. Выемка ведется в восходящем порядке лентами шириной 8-10 м (рис. 1). Для повышения устойчивости подработанной рудной консоли-потолочины предполагается придание наклона забоя в пределах 1015 от вертикали (в направлении искусственного массива), что создаёт дополнительную усиленную боковую плоскость опоры рудной консоли. «Забивка» породно-твердеющей смеси расклинивает боковую плоскость рудной консоли (потолочины соседней заходки) и компенсирует растягивающие напряжения в ней Боковое давление, создаваемое уплотнённой породно-твердеющей закладкой, повышает устойчивость обнажений в заходке. А также предотвращает развитие сдвиговых процессов участков массива в местах тектонических нарушений.

Уплотнённая закладка. Эффект динамического воздействия на породную насыпку при уплотнении проявляется прежде всего за счет активного заполнения пустот более мелкими фракциями, смятия и уплотнения наиболее слабых частиц. В силу воздействия усилий не только в вертикальной, но и горизонтальной плоскости интенсивность заполнения существующих пустот заметно возрастает В последующем происходит взаимодействие более прочных частей породной насыпки, интенсивно сопровождающееся процессами среза, смятия и сжатия. Высокие динамически е нагрузки способствуют образованию достаточно высоких локальных напряжений, приводящих к разрушению с последующим уплотнением. Процесс уплотнения массива, включающего крупные фракции, можно условно разделить на три части: на первой, начальной, происходит перемещение крупных фракций под давлением и «выборка» пустот; на второй начинается взаимодействие между собой крупных фракций с процессом их разрушения, дальнейшее уплотнение и продолжение роста местных точек концентрации напряжений; на третьей происходит процесс переуплотнения с разрушением крупных фракций в условиях, близких к объемному сжатию, при наличии некоторой податливости сыпучего массива в плоскости приложения сжимающих сил (рис.2) Первая стадия уплотнения (при статическом нагружении) протекает при нагрузках, не приводящих к возникновению разрушающих напряжений; вторая - при разрушающих напряжениях и превышающих его на 15 - 50% и третья - при напряжениях превышающих предел прочности в два-три раза.

По достижении предела упругости появляется первая макроскопическая плоскость й7, ориентированная в соответствии с условием статистического отбора элементов под углом ОС — 45°. По площадке отрыва происходит отрыв, сдвиг с упрочнением идет по площадке сдвига, упрочнение приводит к вовлечению в процесс

новых плоскостей ХП. Это продолжается вплоть до предела прочности, когда число плоскостей максимально.

Участок диаграммы от предела упругости до предела прочности характеризуется однородностью деформации по всему объему образца. На пределе прочности однородность деформации прекращается. Процесс локализуется на наиболее слабых плоскостях сдвига, остальные плоскости из процесса исключаются. На оставшихся в работе плоскостях начинают уменьшаться площади сдвига. Это приводит к уменьшению сечения образца и, следовательно, к снижению общего усилия, необходимого для продолжения деформации.

1,2 1

0,8 О 6 0,4 0,2 0

*Тр1 Г т .< * > ' 111-1 7 ........ 1 . <

у и ф г ''¡1

у-Я,.. > ЗЙВяЙ ?'. и»

щ-тщи?» '"у*' 4 г ш

Ряд1

Ряд2

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 Отношение напряжения к пределу прочности на сжатие

Рисунок 2 - Зависимость коэффициента уплотнения шихты дробленого доломита 0 - 25 мм от соотношения ст2 / I (от 0 до 0,8 аг/ ); И (до 1,5);

/ °сж / °сж

III (более 1,5 - 2) - стадии уплотнения при статическом нагружении - ряд 1; динамическое уплотнение вибрационными катками - ряд 2

Однако по мере роста бокового давления в условиях объемного сжатия интенсивность роста деформаций резко падает (конец II стадии), начинается процесс переуплотнения материала при более высоких напряжениях. В условиях высокого бокового давления (более 10-15 МПа) сдвиговые процессы прекращаются и начинается сжатие с разрушением пород на контактах и заполнением оставшихся микропустот.

Анализируя деформации гидрозакладочного массива, твердеющей закладки, можно отметить, что связь между пустотностью и напряжением, практически прямо пропорциональна при напряжениях ниже предела прочности на одноосное сжатие. В дальнейшем эта связь носит экспоненциальный характер и интенсивность деформаций заметно падает по мере роста напряжений в такой же степени изменяется пустотностъ материала. Уплотнение менее крепких пород происходит, соответственно, при более низких напряжениях. Высокоплотные тонкозернистые шихтован-

ные материалы обладают низкой пустотностью и низкими деформациями, соизмеримыми с твердеющими смесями.

Исследования уплотнения дроблёного доломита, включающего крупные фракции, показывают, что до 80 - 85% уплотнение происходит на первой и начале второй стадии процессов уплотнения На третьей стадии остается уже не более 10% начальной пустотности Это свидетельствует о том, что 80% результата уплотнения материала достигается при напряжениях, равных пределу прочности на одноосное сжатие (рис. 2). Коэффициент уплотнения возрастает до определенного предела, после чего дальнейшее воздействие вибрации уже не приводит к росту коэффициента уплотнения, то есть необходимо определить количество проходов катка по одному следу для достижения максимального эффекта.

Динамическое механизированное уплотнение дорожными катками. Проведенные сравнительные испытания по уплотнению щебенистых грунтов гладковаль-цовым и кулачковым виброкатками (рис 3), показывают, что наибольший эффект при уплотнении скальных пород достигается при использовании виброкатков ABG-100. При уплотнении шихтованного скального материала динамическое уплотнение эффективнее статического более чем на 150 - 200% при напряжениях, достигающих 60 - 70% от предела прочности материала на одноосное сжатие. Вибрационные катки создают давление до 5 - 7 МПа, что ниже предела прочности доломита на одноосное сжатие. Но данный уровень напряжений достаточен для интенсивного разрушения по контактам крупных частиц доломита Динамическое воздействие нагрузок способствует более эффективному заполнению пустого пространства между обломочными фракциями без расходования излишней энергии на разрушение материала в процессе его уплотнения.

Исследование уплотнения крупнообломочных скальных пород было осуществлено с помощью радиоизотопного влаго-плотномера «Тгох1ег-3440». При статическом воздействии уплотняющих нагрузок для достижения равного эффекта по уплотнению скального материала необходимы напряжения превышающие предел прочности на одноосное сжатие в два - три раза. Динамическое механизированное уплотнение породной и породно-твердеющей отсыпки производится тяжелыми (20т) дорожными катками типа Bomag BWDM-3 (Германия). Сравнительные испытания по уплотнению щебенистых грунтов вибрационными катками (рис 3) показывают, что наибольший эффект при уплотнении скальных пород достигается за 4 -6 проходов катка, за 8 - 10 проходов катка плотность укладки достигает 0,97 - 0,98 по Проктору

Усилие вибрации, создаваемое катком, составляет 304,8 и 243 кН при частоте вибрации 35 и 29 Гц, соответственно. При статическом уплотнении для достижения равного эффекта по уплотнению необходимы напряжения, многократно превышающие предел прочности на сжатие (два - три раза). Анализируя динамическое вибрационное уплотнение и деформационные характеристики породной и породно-твердеющей закладки, можно отметить, что по степени уплотнения массива динамическое вибрационное уплотнение не уступает технологии с твердеющей закладкой.

Уравнение равновесия сил в системе- бандаж катка - закладка имеет вид

Fü = Fsat + Fz - ma,

- где Fq - сила реакции отпора уплотненного массива; Fsta, - статическая нагрузка; Fz~ центробежная сила; т- масса бандажа; а- ускорение. Смещение бандажа X = A-smcot, ускорение а = -А-со1- sinfuc, где: А - амплитуда; со - угловая скорость

ma = - m •A có2 sino»/, при частоте колебаний 29 и 3 5 Гц, амплитуда - 1,8/0,9 и 1,84/0,82 мм, центробежная сила 320 и 250 кН, масса катка 18016 кг (BOMAG BW217D-2).

Пустотность крупнообломочного материала зависит от степени заполнения пустот мелкой фракцией При этом пустотность однородной крупнообломочной фракции может достигать 40 - 45%. Под действием давления на первоначальном этапе начинается процесс уплотнения и перемещения более тонких фракций в свободное пространство. Дальнейшее нагружение приводит к контактному взаимодействию крупнообломочных фракций между собой. При механизированном динамическом уплотнении крупнообломочных фракций, включающих, не менее 30% мелкой фракции, степень уплотнения выше, чем у твердеющей закладки.

I 0,8

с

Н 0,6 <ц

§ 0,4 f 0,2 & 0

0 2 4 6 8 10 12

Номер прохода катка

Рисунок 3 - Изменение коэффициента уплотнения скальных грунтов в зависимости от количества проходов катка АВО-ЮО (гладковальцовый вибрационный каток): ряд 1 - грунт щебенистый, крупнообломочный с 20% мелкозема, ряды 2 и 3 - грунт щебенистый, крупнообломочный с 30% мелкозема

С целью создания монолитных искусственных массивов с устойчивостью вертикальных обнажений не менее 10 м были исследованы технологии совместной укладки породной засыпки и низкомарочного состава бетона (М-100), близкого по прочностным свойствам жесткой твердеющей закладке. Соотношение скальной породной засыпки и бетонной смеси 4: 1. Перемешивание смеси при укладке осуществлялось бульдозером. Были проведены также исследования уплотнения породных

15

массивов сцементированных глинопесчаной смесью в количестве до 30%. Степень уплотнения породно-твердеющей закладки достаточно высока и достигает 0,98 по Проктору, т.е. близка плотности естественного нетронутого массива (рис. 4) Данные массивы отличались как высокой плотностью, так и высокой прочностью массива, достигающей 7 МПа,- Результаты промышленных исследований производительности уплотнения тяжелых скальных пород при строительстве дорог, представлены в табл. 1.

Рисунок 4 - Изменение коэффициента уплотнения скальных грунтов (ряд 1) и массивов перемешанных с твердеющей смесью (ряд 2) и глинопесчаными составами (ряд 3), в зависимости от количества проходов гладковальцового катка АЕЮ- 100 Ряд 1 - дробленый доломит фракции 0 - 200 мм с включением мелкой фракции (0 -6 мм) в количестве 10%; ряд 2 - дробленый доломит фракции 0-200 мм с твердеющей смесью до 20%; ряд 3 - дробленый доломит фракции 0-200 мм с включением глино-песчаной смеси до 30 %

Следует отметить что, несмотря на примерно равную пустотность твердеющей закладки и уплотнённой (от 2 до 5 %), это качественно разная пустотность. Природа остаточной гтустотности уплотнённой закладки обусловлена процессами уплотнения и переуплотнения в результате воздействия значительных динамических нагрузок в условиях объёмного сжатия. Структура уплотнённого массива сродни предварительно напряженной сотовой конструкции. Твердеющая закладка, напротив, представляет собой разгруженную конструкцию, и деформации её при напряжениях, соизмеримых с давлением налегающей толщи пород на глубине 300 — 400 метров, составляют не менее 3%.

Высокий уровень прочностных свойств массива и низкие деформации свидетельствуют о высоких качественных характеристиках процесса механизированного динамического уплотнения С экономической точки зрения эффективность также

бесспорна - цена эксплуатации 1 машино-часа, по данным ЗАО, «Южуралавтобан», около 500 руб; то есть менее 1руб/м3 на планировку и уплотнение. Себестоимость доставки в выработанное пространство и планировки породной закладки на шахте «Магнезитовая» около 70 руб/м3. Что же касается капиталовложений, здесь также выигрышная ситуация по сравнению с традиционной технологией с твердеющей закладкой. Стоимость катка АЕЮ- 100 в пределах 200 тысяч долларов США, закладочного комплекса производительностью до 500 тыс. м3 в год около 10 млн. долларов (данные института «Уралгипроруда»),

Таблица 1- Производительность уплотнения скальных пород, м3/ч

Количе- Ско- Толщина уплотнённого слоя , см Уплотн

ство рость, Снная

прохо- км/ч пло

дов 20 30 40 50 60 70 80 90 100 ПО 120 щадь,

м!/ч

2 1 475 727 990 1238 2455

4 430 990 1320 1650 3300

5 825 1218 1650 2063 4125

4 1 248 371 485 619 743 867 990 1114 1236

4 330 495 650 825 980 1075 1320 1485 1550

5 413 619 815 1052 1218 1394 1650 1837 2022

6 1 165 247 330 413 495 578 660 743 825 908 825

4 220 330 440 550 660 770 880 990 1100 1210 1100

5 275 412 540 688 825 963 1080 1238 1353 1513 1323

8 1 124 186 247 109 371 433 495 553 619 681 743 610

4 145 227 320 402 485 578 660 743 825 908 920 805

5 201 104 412 516 609 722 825 928 1021 1034 997 1011

Заполненные клетки соответствуют производительности при плотности 95 % по Проктору, в незаполненных «эталонная» плотность не достигается

Управление горным давлением. По данным исследований учёных ИГД УрО РАН, массив пород до начала отработки залежи является подвижным Относительную устойчивость ему придаёт плотная упаковка его элементов или блоков, разделённых тектоническими нарушениями и блоками. В процессе отработки месторождения начинается нарушение сплошности упаковки массива, приводящей к движению отдельных частей с разуплотнением. Начальное уплотнение блочной структуры массива значительно изменяется При извлечении рудного тела на большой площади локальные участки разуплотнения массива выстраиваются в зоны, вдоль которых происходит интенсивное неупругое деформирование массива

Геомеханические процессы, происходящие при отработке месторождений, по характеру, можно условно разделить на две группы с точки зрения преследуемой

недропользователями главной цели. В первом случае преследуется цель погашения выработанного пространства путём обрушения пород налегающего массива. Развитие процессов разупрочнения рассматривается как позитивный фактор. Чрезмерная устойчивость подработанного массива, как и недостаточная, создаёт дополнительные трудности - необходимость принудительного обрушения пород налегающего массива. Во втором, напротив, преследуется цель минимизации негативного воздействия горных работ на разупрочнение массива. В этом случае принятые технологии отработки должны исключать зарождение очагов разупрочнения на ранней стадии отработки месторождения, являющихся причиной накопления упругой потенциальной энергии в зонах опорного давления. Практика камерно-целиковых систем с открытым выработанным пространством показала: если первая половина задачи решается на начальном этапе отработки месторождения, то в последующем, по мере увеличения параметров подработки, эффективность процесса управления горным давлением падает ниже критической точки.

При технологии с твердеющей закладкой отработка запасов разделительных целиков, массивов на больших глубинах на мощных пологозалегающих месторождениях становится неблагоприятным фактором по мере развития фронта работ. По данным исследований ученых ВНИМИ, на рудниках Норильского ГМК решаются серьезные задачи поддержания выработок, расположенных в зонах опорного давления. На Октябрьском месторождении особенность проявления горного давления в динамичной форме заключается в том, что с глубины 700 м в нетронутом массиве вне зоны влияния очистных работ возникает шелушение, интенсивное заколообра-зование и стреляния на обнажении одиночных выработок. Глубина разрушения контура выработок достигает 15 - 20 см Толщина пластин при этом изменяется от 3 до 10 см. На глубинах 700 и более метров в зонах опорного давления, особенно в местах пересечения подготовительных выработок, происходят горные удары с разрушением приконтурного массива. Разрушение массива сопровождается образованием и ростом трещин, которые распространяются субпараллельно контуру выработок.

По мере отработки разделительных массивов широтными фронтами и увеличения площади отработанных полей за счет соединения отработанных площадей шахтных полей 1 и 2 на руднике фиксируются динамические проявления в форме толчков сравнительно небольшой энергии. Анализ сейсмической активности показал, что 60% толчков произошло в зонах сопряжения меридиональных и широтных фронтов в РМ-1, 20% - в отработанном пространстве, 20% - в нетронутом массиве Выработанное пространство заложено твердеющими смесями, поэтому смещения блоков, а соответственно и сейсмическая энергия - сравнительно небольшие относительно месторождений, где работы ведутся с открытым очистным пространством. Как правило, используются различные варианты усиленной крепи выработок. При этом зачастую фактические размеры выработок существенно увеличиваются по сравнению с проектными (до 25 - 40 %). В целом же несущая способность искусственных массивов реализуется недостаточно вследствие отсутствия надлежащего контакта с налегающим массивом по всей площади подработки. Но все же главным фактором является недостаточная несущая способность твердеющей закладки и

недозакладка выработанного пространства. Модуль упругости закладки на порядок меньше модуля рудных целиков - в таких условиях совместная их «работа» при ограниченных размерах подработки невозможна. Главным несущим элементом остаются рудные разделительные целики При технологии с твердеющей закладкой коэффициент концентрации напряжений в опорной зоне достигает трехкратного значения уН и более, а напряжения в искусственном массиве 0,3 - 0,4 уН, даже при достижении полной подработки. Искусственный массив в этой ситуации не является полноценным несущим элементом.

Технология с уплотненной закладкой изменяет характер взаимодействия на» легающего и искусственного массива (рис. 5). Одной из важных задач при отработке месторождений в условиях повышенного горного давления является необходимость воспрепятствовать сдвижению пород висячего бока с последующим чрез, мерным накоплением энергии упругого сжатия. Существующие технологии не позволяют быстро локализовать накопление потенциальной энергии в начальной стадии процесса. При технологии с твердеющей закладкой проходит достаточно длительное время (иногда десятилетия) пока искусственный массив начнёт воспринимать горное давление в силу специфики технологии закладочных работ и деформационных свойств закладки. Твердеющая закладка не создает необходимого подпора висячему боку на начальном этапе процесса разупрочнения массива при наклонном падении залежи. Технология возведения уплотнённого искусственного массива позволяет практически без промедления использовать энергию уплотнения с целью компенсации накопления упругой энергии налегающего массива. Уплотнённый искусственный массив в этом случае является активным несущим элементом и воспринимает давление пород висячего бока сразу на этапе очистной выемки.

Уравнение равновесия сил на контакте пород висячего бока и уплотненной породно-твердеющей закладки (рис. 5) имеет вид

Р Asina¡S = yHcosa, где Р - давление, создаваемое катком при уплотнении закладки, кН;

S - площадь поверхности соприкосновения бандажа катка с поверхностью закладочного массива, м . , X - коэффициент бокового распора уплотнённой закладки;

a - угол падения залежи, град.; у - объёмный вес пород налегающего массива, кН/м3; Я - глубина горных работ на месте возведения искусственного массива, м.

Создаваемая путем динамического уплотнения реакция отпора искусственного массива по величине приближается к давлению пород на глубине порядка 350 - 400 м (рис. 6). Реакция отпора уплотнённого породного массива носит активный характер, сродни гидравлической стойке, применяемой на пластовых месторождениях, что практически исключает зарождение очагов разуплотнения налегающих пород. На начальной стадии отработки месторождения создаются благоприятные условия для последующих горных работ.

Фактор влияния недсыжюЬги ка схнжмие рлясции отпора

»пргстат с умыьшениемуашггяздеая рудного тела /

Рисунок 5 - Принципиальная схема управления горным давлением при системе разработки с твердеющей закладкой и уплотнённой породно-твердеющей закладкой

Рисунок б - Схема взаимодействия сил на контакте налегающего массива и уплотнённого искусственного массива

Послойное возведение массива с уплотнением «побивает» висячий бок и практически компенсирует его вес. Разработанная технология не оказывает существенного возмущающего воздействия на естественное напряженное состояние массива. Экспериментальные исследования влияния уплотненной породно-твердеющей закладки на напряженное состояние массива проведены методом конечных элементов (МКЭ) и физического моделирования на эквивалентных материалах для условий Гологорского участка Саткинского месторождения магнезита. В настоящее время Гологорский карьер погашен и засыпан породами вскрыши, подземные работы ведутся под дном карьера с оставлением целика (рис. 7). Результаты экспериментальных исследований представлены на рис. 8.

Технология с уплотнённой породно-твердеющей закладкой изменяет характер перераспределения напряжений в массиве, присущий традиционной технологии с

твердеющей закладкой Коэффициент концентрации в опорной зоне не превышает

1.1 - 1,2 и достигает максимального значения 1,3 - 1,4 уН при отсутствии разделительного целика. Отсутствие целика под дном погашенного Гологорского карьера на границе с очистным пространством - консольный тип подработки. В случае оставления разделительного целика коэффициент концентрации не превышает 1,1 -

1.2 уН. Зона разгрузки в искусственном массиве не более 50 - 70 м, в то время как при технологии с твердеющей закладкой соизмерима с глубиной залегания, т. е. при достижении полной подработки.

Взаимосвязь деформаций уплотнённой закладки и оседаний поверхности. Исследования взаимосвязи деформаций уплотненного массива и оседаний земной поверхности выполнены методом конечных элементов для условий Гологорского участка Саткинского месторождения магнезита в упругой постановке (место ведения горных работ на шахте «Магнезитовая» в настоящее время). Выбран наиболее

Рисунок 7 - Схема моделирования геомеханических процессов по Гологорскому участку. Геологический разрез №22

характерный геологический разрез №22 Размеры участков: 500x300м (300м - глубина) и 600x400м (рис. 7). В обоих вариантах расчета предполагалась сплошная отработка залежи с выходом в карьер без оставления целика под его дном - как наименее благоприятный с точки зрения развития процесса сдвижения. В настоящее время под дном карьера оставлен 20 - метровый рудный целик, размеры которого планируется уменьшить В соответствии со схемой моделирования Гологорский карьер отработан и засыпан отвальным доломитом.

В модели приняты четыре типа горного массива- уплотнённая породно-твердеющая закладка; доломит цельный; магнезит; засыпка карьера отвальным доломитом С целью выявления давления в опорной зоне при максимальном развитии параметров подработки во второй расчетной схеме предполагалось оставление 20 -метрового рудного целика. В расчетах модуль упругости уплотненной породной

закладки был принят равным 500 МПа - с запасом 1,5. Фактический модуль упругости уплотнённой скальной закладки в условиях объемного сжатия 700 МПа.

Ширина рудной опорной зоны (-), зоны разгрузки в искусствееном масиве, м

—Ряд1 -*-Ряд2 —д— РядЗ Ряд4

Рисунок 8 - Распределение давления на границе рудного и искусственного массивов. Ряд 1 и ряд 2 - с разделительным целиком под дном карьера; ряд 3 и ряд 4 - без разделительного целика под дном погашенного Гологорского карьера

Выбранная схема оседаний соответствует наиболее опасному варианту -сплошной отработке залежи без оставления целика под дном карьера, консольный тип подработанного массива. Расчетные относительные деформации уплотнённого породного массива менее 1%. Максимальные деформации растяжения между точками 8 и 9 не превышают 1мм/м при 1,5 - кратном запасе надежности. Уплотнённый искусственный массив, находящийся под воздействием главных напряжений в направлении близком к вектору нормали падения залежи, деформируется значительно меньше, чем искусственный массив, возведённый по традиционной технологии с литой твердеющей смесью.

Логистика процессов погашения выработанного пространства. В расчете на единицу конечной продукции Россия тратит сейчас в три раза больше энергии, чем Япония и Германия, и в два раза больше, чем США. Для существующего при-родоёмкого производства в скором времени по просту не хватит топливных ресурсов.

Очевидно, что дело не в объёмах использования природных ресурсов и производства конечной продукции, а в экономических структурах, их использующих. При сохранении сложившихся инерционных тенденций и техногенных подходов в природопользовании, техногенных подходов в экономике России никогда не хватит природных ресурсов для поддержания сложившегося типа развития даже при значительном увеличении эксплуатации природных ресурсов. Подавляющее большинство экономических проектов игнорирует эту проблему, и их реализация, кроме всего прочего, связана с увеличением экологической нагрузки на окружающую среду. Назрела объективная потребность переосмысления политики применения технологии с твердеющей закладкой с точки зрения принципов логистики, направлен-

ной на повышение качества погашения выработанного пространства, эффективности отработки запасов при сокращении совокупных затрат.

Разработанная технология существенно упрощает технологическую цепочку подготовки исходных компонентов смеси; изменяется способ транспортировки закладки в выработанное пространство и его укладки. Энергоёмкие процессы дробления, глубокого измельчения скальных пород, приготовления закладки на закладочных комплексах, трубопроводного транспорта замещаются менее энергоёмкими процессами доставки породной закладки комбинированным транспортом и динамического механизированного динамического уплотнения. Использование комплекса мощных самоходных машин на доставке компонентов породно-твердеющей закладки в выработанное пространство значительно повышает гибкость технологического процесса и эффективно решает проблему дальности трубопроводного транспорта смеси. Разработанный автором способ закладки позволяет полностью исключить процессы среднего и мелкого дробления доломита, а также последующего тонкого измельчения всех компонентов смеси. Центр тяжести по перемещению компонентов закладки переносится с трубопроводного транспорта на конвейерный и автомобильный, что позволяет свести до минимума подготовку материалопотока. Затраты на погашение выработанного пространства практически на 90 % переносится на самоходный транспорт компонентов закладки.

Логистическая цепь перемещения компонентов закладки строится по схеме: отвальный доломит доставляется БелАЗами на промплощадку закладочного комплекса, где повергается крупному дроблению в одну стадию, после чего перепускается на гор +350м по рудоспуску, далее конвейером до рудоспуска и перепуск на рабочий горизонт. Затем производится погрузка в самосвалы МоАЗ и транспортировка в отработанные заходки. Укладка, планировка и уплотнение породной и породно-твердеющей отсыпки осуществляется после полной отработки запасов ленты. Разработанная логистическая цепь погашения выработанного пространства с уплотнённой закладкой позволяет эффективно проводить ресурсо-, энергосберегающую политику.

Экономическая оценка эффективности технологии. Сравнительная оценка эффективности вариантов технологии отработки произведена по методике расчета чистого дисконтированного дохода. Расчет показателей произведен из условий отработки запасов первой очереди. Производительность шахты принимается 0,5 млн. т в первые 5 лет, 0,8, 1,0 и 1,3 млн. т в последующие годы. В 2002г. шахта «Магнезитовая» вышла на производительность 0,5 млн.т. Срок отработки запасов 28 лет. При расчете коэффициент дисконтирования принят 8%, налог на прибыль -24%, табл.2.

Для сравнения рассмотрены три варианта системы разработки: камерно-целиковая с породной закладкой выработанного пространства (существующий на руднике), подэтажно-камерная с твердеющей закладкой (Уралгипроруда) и разработанный автором вариант сплошной отработки с уплотненной породно-твердеющей закладкой. Потери по системам разработки - 30 (факт), 8 и 5%, соответственно.

Затраты на погашение выработанного пространства: твердеющей закладкой 250 руб/м3 ( 86 руб/т, при низкой фактической прочности твердеющей закладки

Таблица 2 - Показатели эффективности вариантов

Подэтажно- Камерно- Камерная с

Показатель камерная столбовая уплотнённой

(Урялгипрору- (Магнезито- закладкой

да) вая)

Потери, % 10 30 7

Засорение, % 4 4 4

Расход выработок, м3/т:

подготовительных 0,0102 0,0138 0,0102

нарезных 0,0389 0,0182 0,0389

Затраты на добычу, руб/т 419 350 369

в т.ч. закладочные работы 86,0 24,0 36,0

И. Затраты на передел магнезито-

вого сырья, руб/т 55,0 55,0 55,0

Эксплуатационные запасы пер-

вой очереди строительства шах-

ты, млн т 30,9 24,1 32,9

Срок отработки Г" очереди

строительства шахты, лет 28 22 28

Цена магнезита горно-

обогатительного, руб/т 485 485 485

Чистый дисконтированный доход

за период отработки Г" очереди

запасов, млн. руб 104,2 659,5 562,1

ЧДЦ при отсутствии потерь, млн

руб. 150,7 869,0 614,7

Суммарный ущерб от потерь,

млн руб. 53,5 209,5 46,5

Удельный ущерб от потерь, руб/т

добытой руды 1,7 8,2 1,5

III. Цена магнезита на уровне

комбината, руб/т 670 670 670

ЧДЦ за период отработки Гй оче-

реди запасов, млн. руб 1796,3 2228,1 2254,3

ЧДЦ при отсутствии потерь,

млн.руб 2023,8 2618,3 2424,2

Ущерб от потерь, млн. руб. 227,5 390,2 169,9

Удельный ущерб от потерь, руб/т

добытой руды 7,4 15,2 5,5

IV. Цена магнезита, руб/т 1000 1000 1000

Ущерб от потерь, млн. руб 409 617 205

ЧДЦ за период отработки Г" оче-

реди запасов, млн. руб 3870 3065 4972

менее 1 МПа); породной закладкой 70 руб/м3 (34 руб/т); уплотнённой закладкой 100 руб/м3 (48 руб/т).

Ущерб от потерь магнезита и эффективность технологии добычи зависят от принятой цены продукции Оценивать потери по величине ущерба возможно только для одной технологии и при одном уровне цен. Существует определенное затруднение установления цены на магнезиальное сырье: с одной стороны, сырье является продуктом передела и цена магнезита не рассчитывается, а с другой комбинат является монополистом на внутреннем рынке. Использованы два различных подхода к установлению цены на магнезиальное сырье высших сортов: затратный; исходя из ценностной значимости конечной продукции комбината. При низкой стоимости магнезиального сырья (рассчитанной затратным методом), т.е. 485руб/т, несмотря на существенно большую величину потерь, камерно-столбовая система оказывается значительно эффективнее; чистый дисконтированный доход (ЧДД) за весь срок отработки запасов составляет 660 млн. рублей, что более чем в 4 раза превышает ЧДД при подэтажно-камерной системе разработки с твердеющей закладкой (150 млн. руб). Однако уже при цене около 700 руб/т варианты камерно-столбовой системы и с уплотнённой породной закладкой практически равнозначны. А при цене на магнезиальное сырье около 1000 руб/т (исходя из ценностной значимости конечной продукции) эффективность новой технологии неоспорима: ЧДД на 70 % выше.

Данные технико-экономических расчетов показывают, что «планка» цены сырья, при которой рентабельно закладывать выработанное пространство, существенно снижается по сравнению с технологией с твердеющей закладкой. Уже при стоимости сырья около 700 рублей за тонну становится выгоднее использовать технологию с уплотнённой породно-твердеющей закладкой. Для технологии с твердеющей закладкой ценность сырья должна быть как минимум на 20 - 30% выше. Оценка технологии с учетом ценностной значимости конечной продукции гармонично сочетается с современной концепцией бесконфликтного развития техно- и биосферы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научной квалификационной работой, в которой комплексными исследованиями взаимодействия уплотнённых искусственных массивов и налегающих пород установлены закономерности влияния высокоплотной закладки на геомеханические процессы, разработаны методы управления состоянием массива и методика расчёта параметров систем сплошной отработки рудных месторождений с возведением высокоплотных искусственных массивов методом механизированного динамического уплотнения, совокупность которых, в соответствии с п. 8 Положения ВАК о порядке присуждения учёных степеней, можно квалифицировать как решение крупной научной проблемы в области «Геомеханика» и «Геотехнология», имеющей важное хозяйственное значение, позволяющее использовать закладку выработанного пространства как эффективный инструмент для повышения безопасности ведения горных работ и полноты извлечения полезного ископаемого.

Основные научные выводы, рекомендации, разработанные в диссертации.

1 Установлены закономерности влияния активных реакций отпора высокоплотных искусственных массивов на характер развития геомеханических процессов при отработке мощных рудных залежей со сплошной закладкой выработанного пространства. В разработанном способе управления горным давлением роль уплотнённого искусственного массива сводится не к пассивному «ожиданию» увеличения размеров подработки, а «упреждающему» воздействию на неблагоприятное развитие геомеханической ситуации на месторождении в процессе отработки. Исключение лага между окончанием закладки и нагружением уплотнённого закладочного массива принципиально меняет роль искусственных массивов, как эффективного инструмента управления горным давлением.

2 Впервые разработан способ закладки, основанный на технологии механизированного динамического вибрационного уплотнения отсыпанных скальных пород, создающий активный характер восприятия давления пород висячего бока в полной мере на этапе очистной выемки.

3 Впервые разработан способ управления горным давлением с уплотненной закладкой, принципиально отличающийся от технологии монолитной закладки Возведение породной закладки с динамическим уплотнением создает предварительное напряженное состояние близкое по величине давлению налегающего массива на глубинах до 400 м и компенсирует значительную часть горного давления. Коэффициент концентрации напряжений в опорной зоне не более 1,2 уН, а ширина зоны разгрузки в уплотнённом массиве не превышает 70м.

4 Разработана многофакторная модель управления геомеханическими процессами взаимодействия массива горных пород и уплотнённого искусственного массива, позволяющая рассчитать параметры технологии разработки мощных пологопа-дающих и наклонных рудных месторождений, основные параметры управления горным давлением и погашения выработанного пространства, позволяющие локализовать накопление упругой потенциальной энергии в породах налегающего массива.

5 Предложенная технология возведения уплотнённых искусственных массивов, ликвидирует энергоёмкие и непродуктивные процессы: дробление, измельчение отвального доломита, превращение компонентов закладки в «пасту». Логистическая схема погашения выработанного пространства с возведением высокоплотных искусственных массивов, включает транспортировку закладки на поверхности, перепуск, подземный транспорт с использованием самоходной техники, укладку, планировку с последующим механизированным динамическим уплотнением в забое, принципиально изменяет структуру и содержание традиционной технологии с монолитной закладкой.

6 Вариант сплошной выемки с восходящим порядком отработки слоев, с уплотнённой породно-твердеющей закладкой позволяет селективно отрабатывать запасы месторождения Параметры сплошной слоевой системы разработки с уплотненной закладкой примерно соответствуют параметрам слоевой системы разработки с восходящим порядком отработки Устойчивость вертикальных обнажений

плотных породно-твердеющих искусственных массивов сохраняется при высоте 10 метров и более.

7 Разработанная технология не^щщдд^Мт^рдн^ений, связанных с последовательностью отработки запасов как в пределах всего месторождения, так и этажа по условию горного давления. Запасы в пределах этажа могут отрабатываться как выборочно, так и всплошную. Очередность отработки запасов месторождения может устанавливаться по критериям экономической и технологической целесообразности. Технология создаёт благоприятные условия для прогрессивного восходящего порядка отработки месторождения.

8 Технология с уплотненной породно-твердеющей закладкой позволяет осуществлять сплошную отработку запасов мощных рудных тел в охранной зоне под объектами высшей категории охраны, исключая развитие опасных деформаций. Разработанный способ управления горным давлением может расширить границы применения данной технологии как по горнотехническим, так и горногеологическим факторам. Достоинства технологии могут проявиться при отработке запасов мощных месторождений, залегающих на незначительных глубинах под застроенными территориями.

9 С экономической точки зрения технология механизированного динамического уплотнения отвальных скальных пород с возведением высокоплотных породно-твердеющих массивов позволяет осуществлять отработку с приемлемым уровнем рентабельности рядовых по ценности руд - 500 - 600 руб/т, расширяя тем самым границы ресурсосберегающих технологий.

10 Проверка основных положений, элементов разработанной технологии на Саткинском месторождении магнезита, Высокогороском железорудном месторождении, Миндякском руднике, Узельгинском руднике, горнорудной компании «Ка-захмыс» и других месторождениях подтверждает применимость технологии в качестве эффективного средства управления геомеханическим состоянием массива при отработке мощных рудных месторождений с высокоплотной закладкой. Разработанная технология качественно повышает эффективность управления горным давлением, соответствует современной концепции освоения недр, благоприятным образом сказывается на геомеханической ситуации отрабатываемого месторождения. Потенциальные возможности технологии достаточно высоки и перспективы ее применения будут раскрываться не только при отработке ценных руд, но и рядовых по ценности руд. Энерго-, ресурсосбережение, безопасность, полнота извлечения и эффективность являются фундаментом разработанного способа управления геомеханическим состоянием массива, положенного в основу новой технологии погашения выработанного пространства с уплотнённой закладкой.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Закладочные работы в шахтах: Справочник./ Под. ред. Бронникова Д.М., Цыгалова М.Н. - М.: Недра, 1989. - 400с.

2 Аглюков Х.И., Маркова З.В. Устойчивость обнажений очистных камер шахты «Магнетитовая». /Подземная разработка мощных рудных месторождений: Межвуз. сб. науч. тр. - Свердловск, 1976. Вып. 6. - С. 17-23.

3 Аглюков Х.И. Размеры и порядок отработки охранного целика промп-лощадки шахты «Магнетитовая». /Подземная разработка мощных рудных месторождений: Межвуз. сб. науч. тр. - Свердловск, 1978. Вып. 8. - С. 56-64.

4. Меркулов А.Н., Аглюков Х.И., Пыхтин Г.Ф., Тараканов A.A. Целесообразность ввода в эксплуатацию охранного целика шахты «Магнетитовая». /Горный журнал - 1978. - №10. - С. 26-28.

5. Меркулов А.Н., Аглюков Х.И. Место заложения опытного блока при отработке охранных целиков шахты «Магнезитовая». /Подземная разработка мощных рудных месторождений: Межвуз. сб. науч. тр. - Свердловск, 1978. Вып. 8. -С. 3539.

6. Аглюков Х.И., Карякин A.B. Исследование ожидаемых деформаций земной поверхности на эквивалентных материалах. /Подземная разработка мощных рудных месторождений: Межвуз. сб. науч. тр. - Свердловск, 1978. Вып. 8,- С. 68-72.

7. Цыгалов М.Н., Меркулов А.Н., Аглюков Х.И. Влияние деформационных свойств закладки на параметры сдвижения // В кн.: Горное давление, методы управления и контроля. Материалы VI Всесоюзной конференции по механике горных пород. - Фрунзе. «Илим». - 1979. -С. 124-132.

8. Аглюков Х.И. Обоснование требований к первоочередной отработке рудных тел нижнего рудоносного яруса Узельгинского месторождения. /Подземная разработка мощных рудных месторождений: Межвуз. сб. науч. тр. - Свердловск, 1979. Вып. 9.-С. 29-34.

9. Меркулов А.Н., Загоруйко Г.К., Аглюков Х.И. Обоснование технологических схем выемки магнезита в подсечных и основных слоях систем с закладкой. /Подземная разработка мощных рудных месторождений: Межвуз. сб. науч. тр. -Свердловск, 1979. Вып. 9 -С. 67-71.

10. Аглюков Х.И. Возможность применения гидравлической закладки при добыче магнезита подземным способом. /Подземная разработка мощных рудных месторождений: Межвуз. сб. науч. тр. - Свердловск, 1981. Вып. 10. -С. 55-61.

11 Меркулов А.Н., Аглюков Х.И. Деформационные свойства твердеющей закладки. /Подземная разработка мощных рудных месторождений: Межвуз. сб. науч. тр. - Свердловск, 1981. Вып. 10. -С. 89-95.

12. Цыгалов М.Н., Меркулов А.Н., Аглюков Х.И. Проектная прочность искусственных массивов под охраняемыми объектами. //Известия вузов. Горный журнал.-1981,- № 12.-С. 45-51.

13. Меркулов А.Н., Аглюков Х.И., Калмыков В.Н., Васильев В.М. Обоснование возможности восходящего порядка отработки месторождения. //Известия вузов. Горный журнал. - 1982. - №7. -С. 18-22.

14. Аглюков X И Влияние гранулометрического состава заполнителя на деформации закладки. /Подземная разработка мощных рудных месторождений: Меж-вуз. сб. науч. трудов. - Свердловск,, 1982. Вып. 11. С. 52- 58.

15. Аглюков Х.И., Меркулов АН Эффективность возведения искусственных массивов с различными деформационными свойствами. /Подземная разработка мощных рудных месторождений: Межвуз сб науч. трудов. - Свердловск, 1982 . Вып. 11.-С. 23-30.

16 Меркулов МН., Аглюков Х.И., Лесников В.В., Шкуропатов В.Н. Условия эффективности добычи магнезита подземным способом /Огнеупоры - 1983. -№4. - С. 26-28.

17. Аглюков Х.И., Меркулов А.Н. Методика обоснования состава искусственных массивов, возводимых в охранных целиках /Подземная разработка мощных рудных месторождений: Межвуз. сб науч тр. - Свердловск, 1984. Вып 12.-С 5359.

18. Аглюков Х.И., Меркулов А Н. Технология подземной разработки запасов магнезита Саткинского месторождения в период пуска рудника. /Подземная разработка мощных рудных месторождений' Межвуз. сб. науч. тр. - Свердловск, 1985. Вып. 13. -С. 65- 72.

19 Цыгалов М.Н., Аглюков Х.И , Сулейманов М.Г., Купфер Г.В Обоснование эффективной технологии отработки охранного целика ствола шахты Миндяк-ского рудника. /Подземная разработка мощных рудных месторождений: Межвуз. сб. науч. тр. - Свердловск, 1985. Вып 13.-С. 32-39.

20 Цыгалов М.Н., Аглюков X И., Сулейманов М.Г., Скурихин О.П. Проектная прочность закладки при отработке охранного целика шахты №6 Миндякского рудника. //Известия вузов. Горный журнал. - 1985. - №8. - С. 18 -23.

21. Меркулов А.Н., Аглюков Х.И., Пехов И.М., Выломов В.П. Место заложения опытного блока при подземном способе разработки Саткинского месторождения магнезита. /Огнеупоры. - 1985. - №11. - С. 33 -36.

22. Цыгалов М.Н, Аглюков Х.И., Иванцов Л.М. Особенности деформирования комбинированных искусственных массивов. //Физико-технические проблемы разработки месторождений полезных ископаемых. Новосибирск. - 1985 - №6 - С. 46- 52.

23. Цыгалов М.Н , Аглюков X И., Слащилин И Т., Меркулов А.Н. Технология отработки железных руд Гороблагодатского месторождения. /Безопасность труда в промышленности. - 1987 - №3. - С. 40 - 42.

24. Цыгалов М.Н , Аглюков Х.И., Сулейманов М.Г., Шерман А И. Технология отработки охранного целика ствола шахты рудника Миндякский. /Цветная металлургия. - 1987. - №9. - С. 6 -10.

25. Аглюков Х.И., Иванцов Л.М. Особенности выемки законтурных запасов карьеров. /Подземная разработка мощных рудных месторождений: Межвуз сб. науч. тр. - Свердловск, 1987. -С. 43- 49,

26 Пермяков Г.А., Озеров Ю П , Аглюков Х.И., Романько А Д. Подземная отработка запасов сидеритов Бакальского рудоуправления /Горный журнал. - 1987. -№3,-С. 22-24.

27. Аглюков Х.И. Прочность искусственных массивов по условию сохранности объектов, расположенных на подработанных территориях, подземным способом. /Подземная разработка мощных рудных месторождений: Межвуз. сб. науч. тр - Свердловск, 1988. -С. 47-53.

28. Аглюков Х.И, Сулейманов М.Г. Очередность доработки запасов в зоне охранного целика. /Безопасность труда в промышленности. - 1988. - №6 - С. 52-54

29. Аглюков Х.И. Расчет деформаций прибортового массива при подземной подработке системами с твердеющей закладкой. //В кн.: Напряжённое состояние пород и управление горным давлением. Материалы IX Всесоюзной конференции по механике горных пород. - Фрунзе. - 1989,- С 398 - 406.

30. Аглюков Х.И. Развитие сдвижений при разработке с закладкой /Подземная разработка мощных рудных месторождений: Межвуз. сб. науч. тр. -Свердловск. - 1991. -С. 58-65.

31. Аглюков Х.И., Иванцов Л.М., Байков В.Д. Влияние подземных горных работ системами с твердеющей закладкой на деформации прибортовой территории /Горный журнал. - 1990. - №7. - С. 21-23.

32 Аглюков Х.И., Иванцов Л.М. Напряженно-деформированное состояние искусственного массива в прибортовой зоне карьера. Физико-технические проблемы разработки месторождений. - Новосибирск. - 1990. - №4. - С. 53-58.

33. Аглюков Х.И. Повышение эффективности охраны подрабатываемых объектов. Подземная разработка мощных рудных месторождений: Межвуз. сб. науч. тр. //МГМИ, Магнитогорск, 1990. - С. 27- 32.

34. Опыт повторной отработки охранного целика ствола шахты на Миндяк-ском руднике. /Горный журнал. - 1994. - №11. - С. 35-37.

35. Аглюков X. И., Чистяков Ю. Н. Логистика энергосберегающих технологий при погашении выработанного пространства. //Экономика, управление, качество: Межвуз. сб науч. тр. - Магнитогорск: МГТУ. - 2003. - С. 176 - 180.

36. Аглюков Х.И. Повторная отработка охранного целика шахтного ствола. Горный журнал. - 1999. - №5. - С. 28-29.

37. Аглюков Х.И. Совершенствование технологии закладочных работ. /Горный журнал. -2003. -№1. - С. 35-39.

Аглюков Х.И., Зеленцов С.Н., Удалов А.Е. Отработка мощных залежей в границах предохранительных целиков с уплотнённой закладкой. /Записки Санкт-Петербургского государственного горного университета. С.П.-б. - 2004. -С.57 - 64

ßQ. Аглюков Х.И. Уплотнённая закладка при отработке охранных целиков. /Физико-технические проблемы разработки месторождений. Новосибирск - 2004, -3.-С.81-87.

40. Аглюков Х.И. Повышение эффективности технологии отработки запасов охранных целиков. /Горный информационно-аналитический бюллетень. Московский государственный горный университет. -2003.-№3. - С. 169-174.

41 Аглюков Х.И., Смирнов A.A. Оценка величины потерь магнезиальногс сырья при подземной добыче на Саткинском месторождении. //Вопросы формиро

вания и эффективного функционирования рыночной системы- Межвуз. сб. науч тр.- Магнитогорск: МГТУ,- 2004. Вып. 6. -С. 45- 52.

4& Аглюков Х.И., Смирнов A.A. Оценка снижения ущерба от потерь магнезиального сырья. //Вопросы формирования и эффективного функционирования рыночной системы: Межвуз. сб науч. тр.- Магнитогорск: МГТУ.- 2004. Вып. 7. -С. 72-80.

43. Аглюков X. И. Управление горным давлением с возведением высокоплотных искусственных массивов. //Известия вузов. Горный журнал, Екатеринбург. -2004. - №5.-С. 9-15.

44 Аглюков X И. Применение технологии возведения уплотненного искусственного массива для управления горным давлением. //Проблемы и перспективы развития горных наук Международная конференция Горно-геологического института ЗСФ АН СССР- Института горного дела СО РАН - Академгородок.- 2004.

45Т Аглюков Х.И. Способ управления горным давлением. /Горный информационно-аналитический бюллетень. Московский государственный горный университет. -2004.-№ 11. - С. 182-186.

46. Аглюков Х.И., Гобов Н.В., Смирнов A.A. К вопросу об ущербе от потерь минерального сырья. //Известия вузов. Горный журнал. - 2005. - №1. - С. 42 -45.

4Т-. Цыгалов М.Н., Меркулов А.Н., Аглюков Х.И., Якобсон З.В. Сырьевая смесь для закладки выработанного пространства. A.C. №823333 СССР. - Опубл. в Б.И. - 1981. №15.

4$. Немцев В.Н., Кобельков Г.В., Аглюков Х.И. Финансовая оценка инвестиционных проектов. - Магнитогорск: МГТУ, 2000. - 81с.

Немцев В.Н., Морозов А А., Пронин В.Н., Аглюков Х.И. и др. Методы экономического анализа коммерческой деятельности - Магнитогорск' МГТУ, 2004 - 300 с.

»1139 2

РНБ Русский фонд

2006-4 7052

(

Подписано в печать 11.05.2005. Формат 60x84 1/16. Бумага тип.№ 1. Плоская печать. Уел печ.л. 2,00. Тираж 100 экз Заказ 379

455000, Магнитогорск, пр.Ленина, 38 Полиграфический участок МГТУ