1. Введение
Системы разработки этажного и подэтажного обрушения с выпуском руды под обрушенными налегающими породами, характеризующиеся высокой производительностью и низкими затратами на управление горным давлением, получили широкое распространение при подземной разработке руд цветных и благородных металлов в мировой и отечественной практике [1], [2], [3]. В нашей стране данная технология считается наиболее востребованной при освоении месторождений бедных руд с большим объемом добычи [4].
Однако, в условиях Северо-Востока России, с учетом неразвитой инфраструктуры и повышенных затрат на доставку материалов и оборудования, область их эффективного применения расширяется. Несомненным преимуществом рассматриваемой технологии является возможность оперативно реагировать на изменения условий залегания рудных тел без необходимости завоза дополнительных объемов материалов и оборудования. Наиболее перспективными для применения различных вариантов указанного класса систем являются комплексные, например золото-сурьмяные, и полиметаллические рудные месторождения [5].
Одним из главных недостатков этой технологии считаются относительно высокие показатели потерь и разубоживания. Основной причиной этого, чаще всего, является выбор параметров системы разработки, режима и организации работ, не соответствующих условиям залегания рудных тел и содержанию полезного ископаемого.
Как показывает анализ научно-технической литературы, повышение эффективности применения систем с обрушением и выпуском руды достигается путем оптимизации размеров очистных выработок, параметров отбиваемых слоев, управлением грансоставом выпускаемой руды, выбором режима и производительности выпуска [6], [7], [8], [9]. Для этого необходимо проведение исследований, позволяющих понять механизм поведения рудной массы при ее выпуске.
2. Методы и принципы исследования
В отечественной практике, для расчета показателей извлечения руды и конструктивных параметров систем разработки с обрушением и выпуском руды используются методики расчета, основанные на теоретических положениях, разработанных В. В. Куликовым, Г. М. Малаховым и Н. Г. Дубыниным [10], [11], [12]. Основными элементами данных методик являются параметры эллипсоида вращения, воронки внедрения и критическая высота выпуска. Параметры фигуры выпуска определяются путем физического моделирования процесса выпуска с учетом конкретных условий подземной разработки месторождений.
Однако влияние смерзания руды при ее выпуске из очистного блока в условиях подземной разработки рудных месторождений криолитозоны на форму и размеры зоны потока изучены слабо [13], [14].
Для определения влияния изменения влажности отбитой руды при отрицательном температурном режиме очистного пространства на форму и размеры эллипсоида выпуска, воронки внедрения и критическую высоту выпуска были проведены исследования методом физического моделирования.
При проведении экспериментальных были приняты условия и масштабы подобия, порядок подготовки и проведения экспериментов, рассчитанные и использованные ранее, при физическом моделировании процесса донного выпуска руды [15][16]
Подготовка материала к эксперименту, заполнение стенда и экспериментальные выпуски руды под обрушенными породами проводились в специальной криокамере, оснащенной сплит-системой «Polaris», позволяющей воспроизвести отрицательный температурный режим рудничного воздуха и массива многолетнемерзлых горных пород при подземной разработки рудных месторождений криолитозоны.
Определение размеров эллипсоида выпуска и его критической высоты производилось с использованием специальных маркеров, размещаемых в слое выпускаемой руды. Маркеры были изготовлены из кусков материала, используемого в качестве отбитой руды (мраморной крошки) грансоставом 4 – 5 мм. Это позволило сохранить равенство углов внутреннего трения материала натуры и модели. Для облегчения их визуального обнаружения в материале модели, маркеры были окрашены краской разного цвета (синий, красный и зеленый). На каждом маркере была нанесена цифра, соответствующая его положению в горизонтальной плоскости стенда.
Материал руды и породы, стенд и используемые для формирования инструменты выдерживались в криокамере до набора устойчивой температуры -5 ˚С. Температура мраморной крошки и дробленого железистого кварцита, используемых в качестве отбитой руды и обрушенной породы при формировании стенда, измерялась с помощью тепловизора FLIR SС660 и мультитермометра «Digital». После проведения контрольных замеров приступали к заполнению стенда. Порядок размещения материала в стенде был
аналогичен предыдущему этапу исследований.
При загрузке стенда первая группа маркеров красного цвета размещались в отбитой руде на высоте 10 см от днища стенда одним слоем. Схема расположения маркеров в горизонтальной плоскости приведена на рисунке 1.
Схема расположения маркеров в слое
Фото размещения маркеров в слое
После размещения слоя руды с маркерами высотой, в стенд загружался дробленый железистый кварцит до полного его заполнения. Затем стенд выдерживался в неподвижном состоянии в течение 9 минут, что в масштабе времени соответствует стандартному времени проветривания после массового взрыва на производстве (межсменный перерыв 1 час).
Выпуск материала из стенда начинали после контрольного замера температуры воздуха в криокамере и стенках стенда. Выпуск руды осуществлялся в равномерно-последовательном режиме, дозами величиной 100 гр.
Выпущенная руда взвешивалась, затем, способом магнитной сепарации производилось отделение из рудного материала пустой породы (железистый кварцит), и ее взвешивание. Из оставшейся руды извлекались маркеры. Все результаты фиксировались в журнале испытаний.
Выпуск руды из блока производился до достижения разубоживания в дозе выпуска 80%, затем производилась обработка результатов.
По полученным данным, для каждого эксперимента, графоаналитическим методом выполнялось построение эллипсоида выпуска, определялись его основные размеры и критическая высота выпуска.
Определение параметров воронки внедрения проводилось в результате отдельных экспериментов. Материалы и оборудование, условия подготовки и проведения эксперимента были аналогичны вышеприведенным.
Подготовленный к выпуску стенд также выдерживался в криокамере требуемое количество времени. Затем выполнялся выпуск руды до появления разубоживания в дозе выпуска. После этого выпуск останавливался, и производилось извлечение материала, имитирующего породу, через верхнюю, открытую поверхность стенда.
Выемка породы выполнялась слоями 10 см до достижения границы руда-порода, после этого выполнялся замеры высоты и размеров верхней границы воронки внедрения. Далее производилась выемка руды и породы из стенда слоями 5 см, и определялись размеры поперечного сечения воронки внедрения. Полученные данные фиксировались в журнале проведения эксперимента.
По данным каждого эксперимента выполнялось графическое построение воронки внедрения, определялись ее основные размеры и положение в пространстве стенда.
3. Основные результаты
Результаты определения параметров фигуры выпуска отбитой руды из блока на физической модели при температуре -5˚С
Обработка результатов экспериментов позволила определить основные размеры и пропорции эллипсоида выпуска, воронки внедрения и определить критическую высоту выпуска отбитой руды, склонной к смерзанию, при площадном выпуске в зависимости от ее влажности, в условиях отрицательного температурного режима очистного пространства (рисунок 3).
4. Обсуждение
Несомненно, установленные данные справедливы только для условий конкретного эксперимента и не могут быть напрямую использованы при проектировании параметров технологии на конкретных месторождениях. Однако проведенные исследования объясняют причину снижения показателей извлечения руды, склонной к смерзанию, при ее выпуске из блока и увеличении влажности рудной массы на 1% – это образование на периферии потока выпускаемой руды смерзшихся участков, которое приводит к существенному уменьшению ширины зоны потока выпускаемой руды (горизонтального диаметра эллипсоида), и соответственно, к росту ее потерь при выпуске.
5. Заключение
Установленные закономерности изменения параметров фигуры выпуска руды в условиях отрицательных температур очистного пространства в зависимости от увеличения влажности позволяют объяснить механизм возрастания потерь от ее смерзания Установленные зависимости получены впервые, и будут учтены при разработке рекомендаций по обеспечению безопасного и эффективного выпуска руды при подземной разработке рудных месторождений криолитозоны.