GUIDE TO SELECTION OF OPTIMUM PARAMETERS FORMATION ICE-ROCK BACKFILL

Петров Д.Н.¹, Необутов Г.П.², Зубков В.П.³

¹ кандидат технических наук, научный сотрудник; ² кандидат технических наук, старший научный сотрудник, ³ старший научный сотрудник, кандидат технических наук; заместитель директора по научной работе; Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского Сибирского отделения Российской академии наук»

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫБОРУ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ФОРМИРОВАНИЯ ЛЬДОПОРОДНОЙ ЗАКЛАДКИ

Аннотация

В статье представлены рекомендации по выбору и расчету параметров камерной системы разработки с льдопородной закладкой, направленные на оптимизацию устойчивости закладочного массива, сокращения времени его возведения и смерзания. По результатам расчета для условий месторождения Бадран, установлено влияние глубины залегания, угла падения рудного тела и конструктивных параметров системы разработки на нормативную прочность льдопородных целиков. Приведены данные экспериментальных исследований, подтверждающие зависимость прочности льдопородной закладки от температуры и структурных характеристик. Предложены рекомендации по технологическим параметрам производства закладочных работ в зависимости от геомеханических условий и применяемой технологии, отличающиеся учетом ее свойств и закономерностей формирования, позволяющие повысить эффективность применения льдопородной закладки.

Ключевые слова: льдопородная закладка, нормативная прочность, система разработки, промораживание, технологическая схема, закладочные работы.

Petrov D.N.¹, Neobutov G.P.², Zubkov V.P.³

¹ PhD in Engineering, Researcher; ² PhD in Engineering, Senior Researcher; ³ Senior Researcher, PhD in Engineering, Deputy Director for Science, Institute of Mining of the North, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences

GUIDE TO SELECTION OF OPTIMUM PARAMETERS FORMATION ICE-ROCK BACKFILL

Abstract

The article presents recommendations on the selection and sizing of ice-rock backfill mining method parameters to optimize the stability of filling mass, reducing the time of its construction and freezing. Based on the calculation results to the field conditions Badran, the effect of the depth, the angle of incidence of the ore body and design parameters of the mining method for the normative strength of ice-rock pillars. The results of experimental studies confirming the relationship strength ice-rock backfill from temperature and structural characteristics. Recommendations on technological parameters of production backfilling operations depending on the geomechanical conditions and technologies used, which differ depending on its properties and regularities, which allows to increase the efficiency of use ice-rock backfill.

Keywords: ice-rock backfill, normative strength, mining method, freezing, technological scheme, filling operations.

Одним из перспективных направлений в развитии технологий, обеспечивающих рациональное освоение месторождений криолитозоны, является совершенствование систем разработки с управлением горным давлением закладкой из льдопородных смесей. Основным преимуществам технологии является высокое показатели извлечения при надежном поддержании выработанного пространства и минимальных затратах на материалы, максимальное использование имеющихся минерально-сырьевых ресурсов и природно-климатических особенностей; возможность комбинирования с вариантами других систем; снижение ущерба окружающей среде уменьшением площадей породных отвалов [1, 2, 3, 4].

Рекомендации представленные в статье, основаны на опыте применения льдопородной закладки на руднике Бадран и результатах комплекса научно-исследовательских работ, выполненных в лаборатории Проблем рационального освоения минерально-сырьевых ресурсов ИГДС СО РАН [1, 2].

Динамика нагружения искусственных целиков существенно зависит от порядка отработки залежей, а значит нормативная прочность закладки для одних и тех же условий будет неодинаковой при различном порядке отработки. [1, 5]. Требуемую прочность закладки рассчитывают по одному, а чаще нескольким факторам: устойчивости вертикального обнажения, горизонтальной подработке, допустимым деформациям закладки, возможности движения по ней оборудования. В качестве нормативной прочности принимают максимальное значение, полученное при расчетах [1]. При камерной системе разработки с льдопородной закладкой сначала отрабатывают камерные запасы под защитой рудных целиков (первая стадия), а затем извлекают целики между заложенными камерами, которая является распространенной при системах разработки с закладкой выработанного пространства.

Рисунок 1 – Нормативная прочность льдопородных целиков на стадии отработки рудных целиков при разном пролете камеры а в зависимости от ширины блока L.

С учетом результатов натурных и лабораторных исследований, а также фактических данных горного производства, был определен порядок расчета нормативной прочности льдопородных целиков, позволяющий учитывать влияние глубины разработки, угла падения рудного тела и конструктивных параметров системы разработки. Расчет нормативной прочности, проведенный для условий месторождения Бадран (рис. 1), показал, что при увеличении ширины блока нагрузка на закладку резко возрастает. Установлено, что определяющим фактором при выборе конструктивных параметров системы разработки с льдопородной закладкой является нормативная прочность закладки, рассчитанная для стадии выемки рудных целиков.

При применении льдопородной закладки решающее влияние на устойчивость оказывает также температура массива и рудничного воздуха [1, 2].

Рисунок 2 – Изменение средних значений предела прочности на одноосное сжатие в зависимости от температуры формирования.

Испытаниями на одноосное сжатие образцов льдопородного материала установлена зависимость его прочности от температуры промораживания. Предел прочности возрастает при изменении температуры промораживания от –5 °С до –20 °С, при дальнейшем понижении температуры происходит снижение прочностных свойств (рис. 2). 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.

Кроме вышеперечисленных факторов, устойчивость закладочного массива зависит от его технологических свойств. Например, изменяя структурные характеристики закладочного массива можно также влиять на устойчивость искусственных целиков. Определение пределов прочности на одноосное сжатие образцов, сформированных с различным количеством слоев, показали возрастание прочности при увеличении их количества – например, предел прочности пятислойной конструкции в 2,5 раза выше, чем двухслойной (рис. 3).

Рисунок 3 – Зависимость предела прочности льдопородной закладки на одноосное сжатие от количества намораживаемых слоев.

 

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 и соответственно, повышению прочности.

Количество слоев в льдопородном целике зависит от параметров закладываемой выработки и мощности слоев. На основе двумерной математической модели теплообмена рудничного воздуха с возводимой льдопородной закладкой и окружающим массивом горных пород были проведены численные эксперименты по расчету послойного намораживания закладки для условий месторождения Бадран, показавшие, что минимальное суммарное время формирования закладочного массива достигается при мощности слоя 0,4–0,5 м [1]. При этом, общие затраты времени на закладку одной камеры объемом 300 м³, при температуре рудничного воздуха минус 10 °С 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 [1].

Таблица 1 − Рекомендации по технологическим параметрам производства закладочных работ.

Рекомендации	Способ осуществления
Температура атмосферного воздуха и твердого заполнителя для формирования льдопородной закладки должна быть ниже -15°С. Температура массива горных пород ниже -30С.	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 (милониты, 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.

Разработанные 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.

Список литературы / References:

1. Петров, Д. Н. Обоснование рациональных параметров формирования льдопородной закладки при подземной разработке месторождений криолитозоны: дисс. канд. техн. наук: 25.00.22 / Петров Дмитрий Николаевич. – Якутск, 2015. – 153 с.
2. Необутов, Г.П. Повышение эффективности добычи руды с использованием льдопородной закладки/ Г. П. Необутов, Д. Н. Петров// Известия Самарского науч. центра. – 2011. – Т. 13(39), № 1(5). – С. 1274–1276.
3. Cluff, D. Evaluation of frozen backfill for open stope mining in permafrost conditions [Электронный ресурс] / D. L. Cluff, J. Gallagher, A. Jalbout, V. Kazakidis, G. Swan // CIM 2008. – Режим доступа: www.infomine.com/publications/docs/Cluff2008.ppt
4. Frozen backfill research for Canadian mines / G. Kight, M. Harris, B. Gorski, and J.E. Udd // Canada Centre for Mineral and Energy Technology (CANMET). – 1994. – 21 р.
5. Закладочные работы в шахтах: справочник; под ред. Д. М. Бронникова, М. Н. Цыгалова. – М.: Недра, 1989. – 272 с.

Список литературы латинскими символами / References in Roman script:

1. Petrov, D.N. Obosnovanie racional'nyh parametrov formirovaniya l'doporodnoj zakladki pri podzemnoj razrabotke mestorozhdenij kriolitozony [Justification of rational parameters of formation of ice-rock backfill when underground mining of fields of permafrost]: Thesis of PhD in Engineering: 25.00.22 / Petrov Dmitrij Nikolaevich. – Yakutsk, 2015. – 153 p. [In Russian]
2. Neobutov, G.P. Povyshenie jeffektivnosti dobychi rudy s ispol'zovaniem l'doporodnoj zakladki [Increase in efficiency of ore production with use of ice-rock backfill] / Neobutov G.P., Petrov D. N. Izvestiya Samarskogo nauch. centra. 2011, V. 13(39), No. 1(5). – P. 1274–1276. [In Russian]
3. Cluff, D. Evaluation of frozen backfill for open stope mining in permafrost conditions [Electronic resource] / D. L. Cluff, J. Gallagher, A. Jalbout, V. Kazakidis, G. Swan // CIM 2008. – Accessed: www.infomine.com/publications/docs/Cluff2008.ppt
4. Frozen backfill research for Canadian mines / G. Kight, M. Harris, B. Gorski, and J.E. Udd // Canada Centre for Mineral and Energy Technology (CANMET). – 1994. – 21 р.
5. Zakladochnye raboty v shahtah: spravochnik [Stowing operations in mines: book of reference]. – Moskow: Nedra, 1989. – 272 p. [In Russian]