пособы монолитной закладки.

Способ закладки включает подготовку исходных материалов, приготовление закладочной смеси определенного состава, ее транспортирование в шахту и возведение искусственного массива. Существует несколько способов монолитной закладки, каждый из которых применяют в определенных горнотехнических условиях. На выбор способа оказывает влияние способ транспорта исходных материалов, иногда климатические и другие условия.

Твердеющая литая закладка – это наиболее распространенный вид закладки, обеспечивающий высокое качество. На поверхности приготавливают закладочную смесь, близкую по своим свойствам к литому песчаному или обычному (с крупным заполнителем) бетону. Эта смесь характеризуется повышенным расходом вяжущих веществ и воды с целью обеспечения высокой ее пластичности. Смесь по трубам самотеком или с помощью сжатого воздуха подают в выработанное пространство. Подвижность смеси должна обеспечивать ее транспортабельность и размещение в выработанном пространстве под небольшим углом (1÷5 и до 10°) с целью подачи материала под кровлю.

Состав смеси в расчете на 1 искусственного массива включает 400 кг вяжущего 0,9 заполнителя, обычно песка или хвостов обогащения, 400 л воды, что соответствует водовяжущему отношению, равному единице.

Применяют два состава смесей, различаемых по типу вяжущего: цементный и на основе молотого доменного гранулированного шлака с активизирующей добавкой. Допустимо применение и других вяжущих.

В цементных закладочных смесях вяжущее включает 150÷200 кг цемента и 200÷250% глины или другой пластифицирующей добавки, находящейся в составе заполнителя (природного песка, содержащего 15÷25% глины, или отходов обогащения, имеющих шламовые фракции). Активность цемента (вяжущего) – это прочность (в МПа) цементно-песчаных образцов в возрасте 28 сут при отношении цемент: песок=1:3 по массе и водоцементном отношении 0,5 (вода: вяжущее=0,5:1 по массе). Марка цемента – это нормативная величина гидравлической активности, установленная стандартом.

Доменный гранулированный шлак перед подачей в закладку измельчают мокрым способом в рудоразмольных шаровых мельницах до крупности частиц такой же, как у цемента (содержание тонкой фракции – минус 0,074 мм около 80-95%). К шлаку добавляют от 5 до 15% цемента (от 20 до 60 кг на 1 т шлака) или другого активизирующего вещества. Плотность в открытом цикле обеспечивает выход тонкой фракции порядка 50%, остальной шлак поступает в виде крупных зерен и не обладает вяжущей активностью.

Помол в замкнутом цикле, когда шлаковая пульпа из мельницы поступает в классифицирующие аппараты (гидроциклоны и др.) и затем крупная фракция возвращается в мельницу, позволяет повысить выход готового продукта до 90-95%. Выбор способа помола производят технико-экономическим сравнением вариантов. Обычно при высоких транспортных расходах на шлак применяют замкнутый цикл помола, обеспечивающий значительную экономии шлака.

Монолитная закладка является многокомпонентной смесью и каждый составной материал должен проходить через свой дозатор, работающий с минимальным (1÷2 %) отклонением от установленного расхода, что необходимо для хорошего качества искусственного массива. Цемент, шлак и заполнитель проходят через весы, установленные на конвейерах. Заполнитель пропускают через магнитный улавливатель металла. Приемная воронка закладочного трубопровода перекрыта предохранительной решеткой. В зимнее время применяют подогретую воду. Размольное отделение оборудуют принудительной вентиляцией, так как из мельницы выделяется много пыли вместе с паром.

Для приготовления цементной смеси исключают из технологической схемы шлаковую ветвь.

Прочность закладки зависит от качества исходных материалов, состава смеси, непрерывности подачи, времени и др. факторов. Недопустимо сбрасывать воду от промывки трубопроводов в закладываемую камеру.

Жидкие смеси должны обладать определенной подвижностью для обеспечения их самотечного транспортирования по трубам и размещения в выработанном пространстве. Подвижность смеси устанавливают по глубине погружения в нее измерительного конуса с углом при вершине 30°, высотой 15 см и массой 300 г. Оптимальный состав смеси имеет подвижность, при которой конус погружается на 10-12 см. при сокращении подвижности смесь становится излишне вязкой, а увеличение приводит к расслоению (заполнитель выпадает в осадок), в результате смесь становится нетранспортабельной.

Закладочная смесь твердеет в основном в течение первых трех-шести месяцев, но значительную прочность имеет уже в первый месяц. В дальнейшем прочность увеличивается многие годы, но очень медленно.

Существует три типа искусственных массивов: 1) искусственные целики; 2) сплошная монолитная закладка; 3) комбинированная закладка, при которой часть камер заполняют сыпучим и низкопрочным материалом.

Искусственные целики рассчитывают как колонны на сжатие под действием веса пород до поверхности. Сплошную (т.е. по всей выработанной площади) монолитную закладку подбирают по нормативному коэффициенту усадки под воздействием горного давления которой зависит от допустимых сдвижений и деформаций земной поверхности и находится в пределах 2÷5 %.

Строительными нормами установлены допустимые задачи сдвижения, наклона и радиуса кривизны подрабатываемой территории. Методы их расчета сложны, поэтому не проводятся. Для подбора состава закладки по коэффициенту ее усадки пользуются следующим расчетом.

Допустимое сдвижение кровли

=

где - допустимое сдвижение земной поверхности; - коэффициент, учитывающий степень расслоения пород при сдвижении.

Фактическая величина сдвижения кровли под воздействием массы столба пород до поверхности

= + +

где – коэффициент усадки закладочного материала под воздействием массы столба пород, %; h- высота искусственного массива, м; - сдвижение кровли от упругого прогиба, м; - высота недозаложенного пространства, м.

Очевидно, что ≤ тогда закладочный материал необходимо применять такой, чтобы его коэффициент усадки (%) под нагрузкой подрабатываемых пород

=

Прочность здесь не имеет решающего значения, так как материал находится в объемном сжатии. Важно снизить пустотность закладки за счет определенного соотношения зерен заполнителя по их крупности. Устойчивость же вертикальных и горизонтальных обнажений искусственных массивов при сплошной монолитной закладке определяют в зависимости от величины нагрузки, создаваемой горным давлением, и прочности закладки.

Величина нагрузки на граничащие с отрабатываемой камерой участки закладки определяется массой пород, заключенных в пределах контура свода естественного равновесия горного массива. Высота этого свода в среднем равна половине пролета подработки, расположенного между границами опорных массивов, т.е. . Наиболее благоприятные условия создаются при сплошной выемке междукамерных рудных целиков одной камерой в выемочном участке. В этом случае опорное давление находится над рудными целиками, подлежащими последующей отработке, и в зоне сплошной закладки. Над граничащими с очисткой камерой искусственными массивами возникает местная зона разгрузки. Поэтому такие целики рассчитывают на сравнительно небольшие нагрузки, значительно меньшие, чем вес всего столба пород до поверхности.

Фактическая прочность сплошной монолитной закладки находится в пределах 2÷4 МПа к сроку твердения 3 месяца, а коэффициент ее усадки составляет 3-4% при нагрузке 25 МПа. Необходимо учитывать динамическое воздействие взрывной отбойки руды. Общее количество взрываемого за один раз ВВ достигало 6 т, а на одно замедление – 1,2 т без нарушения закладки.

Состав закладки подбирают исходя из условия обеспечения нормативной прочности и усадки, подвижности и допустимой себестоимости.

Необходимая активность вяжущего () должна соответствовать нормативной прочности монолитной закладки ():

В зависимости от активности вяжущего прочность закладочного материала

σ=К

где K=0,4÷0,7 – коэффициент, учитывающий крупность заполнителя (для песка составляет 0,6, для шлама - 0,4); - отношение массы вяжущего В и добавки D к воде W по массе; m=0,2-0,35 – коэффициент, учитывающий качество вяжущего (при ).

Производственная мощность закладочного комплекса,

P=(1- ,

где - коэффициент усадки незатвердевшей смеси (2-3%); P – количество добываемой рудной массы, т/год; γ - плотность рудной массы, т/ (в массиве); – коэффициент выхода рудной массы.

Годовая потребность составных компонентов закладочной смеси

Q=

где I – удельный расход компонента смеси, т/ ; w - влажность материала, %.

При гидравлическом способе к песку или отходам обогащения перед подачей их в трубопровод примешивают вяжущее вещество. Расход воды достигает 550÷650 л на 1 смеси. Смесь весьма склонна к расслоению вследствие большого содержания воды, особенно при остановках в подаче пульпы, что приводит к возникновению прослоев цементного камня и песка в закладочном массиве.

Пункты подачи смеси располагаются так, чтобы расстояние подачи не превышало 20 м во избежание слишком неравномерного распределения вяжущего в песке.

Закладка плотными тонкодисперсными смесями. Новая технология отличается тем что для получения эффекта тиксотропии подвергают смесь интенсивному механическому воздействию с помощью, например, взихривателя, обеспечивающего отличное перемешивание.

Преимущества: в качестве заполнителя используются тонкодисперсные материалы с любым содержанием шламов и, следовательно, полностью используются хвосты обогащения; содержание воды в смеси может быть снижено до 18÷20% по массе даже при самотечном гидравлическом транспорте (т.е. без пневмоврезок) на значительные расстояния, например, на 2 км по горизонтали при высоте става 300м на Ачисайском комбинате; вся имеющаяся в смеси вода расходуется на гидратацию и закладка быстрее набирает прочность, в итоге устраняются обводнение и загрязнение выработок и намного упрощаются перемычки; закладочный массив получается с равномерными по объему свойствами и плотно подбучивает кровлю камер; расход вяжущего снижается в 1,5÷2 раза. Дополнительные же расходы на взвихривание и вибрацию незначительны.

При использовании сухих хвостов обогащения и других тонкоизмельченных заполнителей этот вид закладки целесообразен безусловно. Что же касается особенно желательного использования хвостов текущей переработки, то это будет зависеть от решения необходимого их сгущения при умеренных затратах.

При твердеющей закладке на всех закладочных работах занято 7÷10% рабочих рудника.

Инъекционная технология. Вяжущим раствором пропитывают раздробленную породу, заполняющую выработанное пространство в результате самообрушения или закладки.

На Дегтярском руднике раствор включал цемент, котельный шлак, воду в соотношении 1:1,5:1,3 и иногда глину, на Урупском руднике – цемент, известняк, глину и воду, причем расход глины изменяли от 0,25 до 1,0 по массе к цементу, а воды от 1,0 до 1,6. Средний расход цемента в расчете на 1 заполняемых пустот в породной закладке составлял 150÷200 кг, прочность искусственного массива в возрасте три месяца изменялась от 2 до 4 МПа. Плотность раствора 1,35-1,58 т/ . Допустимо использовать в качестве инъекционного раствора смесь цемента с хвостами обогащения в соотношении 1:15, что сокращает стоимость работ. Раствор обычно подают под давлением 1÷1,5 МПа снизу вверх, т.е. инъекцию ведут методом восходящего потока.

Радиус распространения раствора в сыпучей закладке составляет от 10 до 40 м, в зависимости от плотности раствора, крупности пород(песка), напора.

Необходимое давление раствора, МПа,

H=

Где h- высота подъема раствора выработанном пространстве, м; ΔР =0,01-0,06 (обычно 0,03÷0,05) – удельное сопротивление движению раствора, МПа (меньшие значения для раздробленной породы, большие – для песка); γ – плотность раствора, кг/ .

Расход раствора на цементацию,

Где - удельный объем пустот сыпучей закладки, доли ед.; - объем подлежащий цементации сыпучей закладки, ; λ – коэффициент заполнения пустот.

Расход твердых материалов

Где - удельный расход материала на приготовление 1 раствора, кг/

Расход воды на 1 смеси

,

Где - удельный расход цемента, кг/ ; - водоцементное отношение по массе.

Плотность инъекционного раствора, т/ ,

Где В и Ц – удельный расход воды и цемента по массе, доли ед.; =3,15 – плотность цемента, т/ .

Необходимое водоцементное отношение

Где - марка цемента и нормативная прочность закладки, МПа.

При инъекционной технологии вместо вяжущего раствора допустимо использовать шламовые растворы, обеспечивающие тампонирование пустот сыпучей закладки и, тем самым, снижающие коэффициент ее усадки под воздействием горного давления. При мелком заполнителе снижается равномерность цементации, а крупный заполнитель, если его подают в камеру водой по трубам, усиливает износ труб. Инъекционная закладка может быть рекомендована главным образом в тех случаях, когда необходимо возвести монолитную закладку в уже отработанных камерах, заполненных сыпучим материалом.

Раздельный способ. Вяжущий раствор и заполнитель (дробленую породу) подают к месту закладочных работ раздельно и смешивают их в процессе подачи в выработанное пространство. Раствор транспортируют самотеком, заполнитель – сжатым воздухом, конвейером или другими способами. Для смешивания материалов соединяют между собой трубопроводы с вяжущим раствором и заполнителем за 150÷200 м от выработанного пространства. Закладочная смесь отличается небольшим содержанием воды - 200÷250 л на 1 закладки, что обеспечивает высокую прочность.

Удельный расход цемента изменяется от 50÷60 до 150÷200 кг/ в зависимости от его активности и величины нормативной прочности искусственного массива. Водоцементное отношение в среднем составляет 1:1 по массе, цемент смешивают с водой в наклонном желобе. По существу, закладочная смесь является тощим бетоном.

Смесь оказывается низко пластичной и склонной к интенсивному расслоению, однако применение пневмотранспорта позволяет заполнять выработанное пространство под кровлю, что часто имеет важное значение, особенно при разработке пологих месторождений. Крупность заполнителя достигает 70÷80 мм. Угол растекания закладочного материала составляет 35 .

Для подачи заполнителя применяют пневмозакладочные машины. Раствор готовят на поверхности или в шахте, вблизи закладочных работ, куда его подают сжатым воздухом по трубам.

При конвейерном или машинном транспорте заполнитель выгружают в выработанное пространство большой высоты (40÷50 м), одновременно поливая его вяжущим раствором. Крупность материала достигает 65 мм. Увеличение крупности кусков породы приводит в повышенному расслоению смеси, что снижает ее прочность и вызывает перерасход вяжущего.

Использование ПДМ на доставке заполнителя повышает коэффициент их занятости.

Производительность труда рабочего на закладочных работах 50÷70 , прочность смеси невысокая: от 0,5-1,0 до 2,0-2,5 МПа. Этот способ рекомендуется главным образом при небольших и рассредоточенных объемах работ, при которых велики удельные затраты на сооружение централизованной установки.

Ледяная закладка. Этот вид закладки применяли при разработке отдельных месторождений, залегающих в зонах многолетней мерзлоты на Севере и Северо – Востоке страны. Глубина распространения мерзлоты достигает 300 м, температура – до минус 10 °С. Охлаждающая способность горного массива небольшая, поэтому используют холодный зимний воздух, подаваемый вентилятором. Намораживание ведут слоями толщиной от 5 до 20 см. Интенсивность намораживания 10÷20 см/сут при температуре воздушного потока минус 20÷50 °С и скорости его движения 1 – 1,5 м/с. Прочность льда при температуре от минус 4 до минус 9 °С находится в пределах 2,5÷5,0 МПа.

Прочностные свойства льда улучшаются с применением заполнителя – дробленой породы или песка (хвостов обогащения).

Ледяная закладка не получила распространения из-за длительности намораживания.

Блочная закладка. Ее применяют на сверхглубоких шахтах, разрабатывающих весьма ценные месторождения (рудник «Чемпион Риф» в Индии и др.). Закладочный массив возводится из каменных блоков, скрепляемых между собой цементно-песчаным раствором. Этот способ позволяет сократить расход воды до минимума с целью снижения влажности рудничного воздуха в условиях высокой температуры горного массива на большой глубине. Характеризуется большой трудоемкостью и низкой производительностью.

Бетонные настилы. При отбойке руды на сыпучую закладку бетонный настил полностью исключает просыпание руды в закладку и засорение ее закладочным материалом.

Толщина настила около 10 см. Его возводят разбрызгиванием или разливом смеси, состоящей из цемента и песка в соотношении 1:3, водоцементное отношение 0,5. Спустя две смены после возведения настил приобретает прочность 1,5 – 2 МПа, позволяющую вести взрывную отбойку руды на него. Производительность труда рабочего 30 – 35 м²/смену.

Бетонный настил улучшает также условия работы самоходных горных машин. Для этой цели его возводят и на поверхности монолитной закладки при невысокой ее прочности.

 

Расчет закладочного трубопровода при литом способе закладки.

 

Закладочные смеси подают по трубам (скважинам) гравитационным, пневматическим и комбинированным способами в направлении сверху вниз, по горизонтали и снизу вверх. В остальных случаях используют вибротранспорт, требующий специальных методов расчета труб.

Критерием транспортабельности смесей являются ее подвижность или временное сопротивление сдвигу τ₀, которое находится в пределах 1 – 2 МПа/м² для применяемых на рудниках смесей.

Удельное сопротивление трубопровода (ΔР, МПа/м) несколько превышает τ₀.

Статическое давление внизу вертикальной части трубопровода, необходимое для перемещении смеси на заданное расстояние, МПа

Р = = ΔР (Н sin α - ),

где γ – плотность закладочной смеси, т/м³; Н – глубина горных работ, м; - приведенная длина проложенного по горизонтальным выработкам участка труб с учетом колен, задвижек, подъема или уклона выработки, м; α – величина отклонения оси трубопровода от горизонтали, градус. Обычно α=10° при уклоне 3 %. Отсюда

= Н ( - sin α),

где = 0,8÷0,9 – коэффициент заполнения смесью вертикальной части трубопровода при подаче смеси в самые дальние забои.

Условная длина колена с поворотом в 90° составляет 12 м, при 45° - 6 м. Среднее значение ΔР находится в пределах 0,01÷0,02 МПа/м.

Соотношение приведенной длины горизонтального трубопровода к высоте вертикального става закладочного трубопровода

К =

является показателем удельного расстояния перемещения смеси по горизонтальному трубопроводу за счет гравитационного напора.

В практике рудников соотношение L_пр: Н изменяется от 4 до 10, т.е. за счет напора под действием столба смеси высотой 1м, смесь может транспортироваться самотеком на 4÷10 м, в зависимости от ее качества, диаметра труб и др.

Соответственно Н: L составляет от 1:4 до 1:10, последнее – при мелком материале смеси и большом диаметре труб.

Необходимая пропускная способность трубопровода, м³/ч,

Q = ,

где Р – производственная мощность рудника, т/год; γ – плотность руды в массиве, т/м³; n – число дней работы закладочного комплекса в году; t – продолжительность работы комплекса в сутки, ч.

Необходимый диаметр трубопровода, мм,

d = 18,6 ,

где V – скорость движения смеси, м/с.

При гравитационном перемещении смеси скорость ее должна быть не менее 0,5 – 0,7 м/с во избежание расслоения смеси.

Для перемещения смеси на значительное расстояние по горизонтали применяют сжатый воздух, который подают через форсунки диаметром 20 мм, установленные в верхней части труб через каждые 50 – 100 м. Смесь перемещается порциями, промежутки между ними заполнены сжатым воздухом. Если смесь перемещается во взвешенном состоянии, то это свидетельствует о перерасходе сжатого воздуха. Удельный расход сжатого воздуха (на 1 м³ смеси) составляет от 35 до 70 м³; в зависимости от расстояния.

Диаметр закладочных трубопроводов принимают в пределах 150÷240 мм. Для увеличения срока службы обычно трубы поворачивают на 120° по оси после пропуска по ним 150 – 200 тыс. м³ смеси.

Желательна максимальная высота столба пульпы (при подаче пульпы в отдельные участки), что достигается уменьшением диаметра труб или увеличением производительности установки.