Основы процессов производства и транспортирования закладочных смесей при подземной разработке месторождений полезных ископаемых
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Горная промышленность. Металлургия
Издательство:
Сибирский федеральный университет
Год издания: 2015
Кол-во страниц: 208
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-7638-3153-5
Артикул: 632733.01.99
Изложены основные сведения о технологии возведения искусственных
массивов в процессе извлечения полезных ископаемых подземным способом
системами с закладкой выработанного пространства. Приведены термины, опре-
деления и показатели процесса закладки горных выработок твердеющими сме-
сями. Представлены методики расчета участка подготовки твердеющих смесей
и их трубопроводного транспортирования в подземные выработки.
Предназначено для студентов, обучающихся по специальности 130400
«Горное дело».
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Оглавление 1 Министерство образования и науки Российской Федерации Сибирский федеральный университет А. Н. Анушенков, А. Ю. Стовманенко, Е. П. Волков ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ ПРОИЗВОДСТВА И ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ ЗАКЛАДОЧНЫХ СМЕСЕЙ ПРИ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ Рекомендовано Сибирским региональным учебно-методическим центром высшего профессионального образования для межвузовского использования в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по специальности 130400 «Горное дело», 09.12.2013 г. Красноярск СФУ 2015
Оглавление
2
УДК 622.272(07)
ББК 33.21я73
А735
Р е ц е н з е н т ы:
П. А. Филиппов, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник ИГД СО РАН;
Г. Г. Крушенко, доктор технических наук, главный научный сотрудник ИВМ СО РАН
Анушенков, А. Н.
А735
Основы процессов производства и транспортирования закладочных смесей при подземной разработке месторождений полезных
ископаемых : учеб. пособие / А. Н. Анушенков, А. Ю. Стовманенко,
Е. П. Волков. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2015. – 208 с.
ISBN 978-5-7638-3153-5
Изложены основные сведения о технологии возведения искусственных
массивов в процессе извлечения полезных ископаемых подземным способом
системами с закладкой выработанного пространства. Приведены термины, определения и показатели процесса закладки горных выработок твердеющими смесями. Представлены методики расчета участка подготовки твердеющих смесей
и их трубопроводного транспортирования в подземные выработки.
Предназначено для студентов, обучающихся по специальности 130400
«Горное дело».
Электронный вариант издания см.:
http://catalog.sfu-kras.ru
УДК 622.272(07)
ББК 33.21я73
ISBN 978-5-7638-3153-5 © Сибирский федеральный
университет, 2015
Оглавление
3
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ .......................................................................................................... 6
Глава 1. НАЗНАЧЕНИЕ ИСКУССТВЕННЫХ МАССИВОВ ...................... 8
1.1. Отработка охранных целиков ..................................................... 8
1.2. Сокращение уровня потерь руды ............................................... 9
1.3. Размещение в выработанном пространстве
промышленных отходов ............................................................ 10
1.4. Охрана земельных ресурсов ..................................................... 11
1.5. Добыча руд под морским дном ................................................ 12
Глава 2. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ТВЕРДЕЮЩЕЙ ЗАКЛАДКИ
И ОСНОВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ
ЗАКЛАДОЧНЫХ РАБОТ ................................................................ 14
2.1. Применение твердеющей закладки
на отечественных предприятиях .............................................. 14
2.2. Применение твердеющей закладки
на зарубежных предприятиях ................................................... 27
2.3. Основные технологические схемы
ведения закладочных работ ...................................................... 32
Глава 3. СВОЙСТВА ИСКУССТВЕННЫХ МАССИВОВ ......................... 40
3.1. Прочностные свойства .............................................................. 40
3.2. Упругие и деформационные свойства ..................................... 44
3.3. Компрессионные свойства ........................................................ 46
3.4. Интенсивность схватывания смесей ........................................ 51
3.5. Влияние закладочного материала на обогащение руды ........ 52
3.6. Материалы для приготовления
твердеющих закладочных смесей ............................................ 54
Глава 4. НОРМАТИВНАЯ ПРОЧНОСТЬ
ЗАКЛАДОЧНОГО МАССИВА ........................................................ 67
4.1. Напряженно-деформированное состояние массива
вокруг камер первой очереди ................................................... 67
4.2. Взаимодействие рудных и искусственных целиков ............... 74
4.3. Напряженно-деформированное состояние массивов
вокруг камер второй и последующих очередей ..................... 78
Оглавление
4
4.4. Нормативная прочность закладочного материала
для пологих месторождений ..................................................... 83
4.5. Нормативная прочность закладочного материала
для месторождений крутого залегания .................................... 88
4.6. Допускаемое взрывное нагружение ......................................... 93
Глава 5. ОСОБЕННОСТИ ПРИГОТОВЛЕНИЯ
ТВЕРДЕЮЩИХ ЗАКЛАДОЧНЫХ СМЕСЕЙ
В ШАРОВЫХ МЕЛЬНИЦАХ ......................................................... 99
5.1. Рациональная схема мельничного приготовления
литых твердеющих смесей ........................................................ 99
5.2. Приготовление литых твердеющих смесей
из промышленных отходов на рудниках
ОАО «ГМК "Норильский никель"» ....................................... 104
5.3. Автоматизация приготовления литых
твердеющих смесей в шаровой мельнице ............................. 109
5.4 Системы и литые твердеющие смеси
из отходов производства, используемые
при разработке угольных пластов
АО шахты «Коксовая» .............................................................. 117
5.5. Расчетные схемы и нормативная прочность
закладочного массива .............................................................. 119
5.6.Твердеющие смеси с добавкой клинкера .............................. 124
5.7 Стабилизация качества приготовляемых
активированных закладочных смесей
в шаровых мельницах ............................................................... 126
Глава 6. РЕОЛОГИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ
И ОСНОВЫ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ
ТВЕРДЕЮЩЕЙ ЗАКЛАДОЧНОЙ СМЕСИ .............................. 135
6.1. Характеристика потока ............................................................ 135
6.2. Особенности нисходящих и восходящих потоков ............... 135
6.3. Приближенный способ решения задач
установившегося движения твердеющих смесей
как вязкопластичной жидкости .............................................. 136
6.4. Условия транспортабельности литых
твердеющих смесей и критическая скорость
транспортирования ................................................................. 143
6.5. Самотечно-подпорное транспортирование ........................... 147
Оглавление
5
Глава 7. ОСНОВЫ РАСЧЕТА
ТРУБОПРОВОДНОГО ТРАНСПОРТА
ТВЕРДЕЮЩЕЙ ЗАКЛАДОЧНОЙ СМЕСИ ................................ 150
7.1. Движение напорных потоков
вязкопластичных жидкостей в турбулентном режиме ........ 150
7.2. Расчет потерь напора ............................................................... 151
7.3. Расчет простого трубопровода ............................................... 154
7.4. Последовательное соединение
простых трубопроводов .......................................................... 156
7.5. Распределительные сети .......................................................... 156
Глава 8. СРЕДСТВА МЕХАНИЗАЦИИ
ТРУБОПРОВОДНОГО ТРАНСПОРТА
ЗАКЛАДОЧНЫХ СМЕСЕЙ ........................................................... 158
8.1. Шламовые насосы .................................................................... 158
8.2. Песковые насосы ...................................................................... 160
8.3. Поршневые насосы .................................................................. 161
8.4. Средства для управления реологическими свойствами
закладочных смесей ................................................................ 167
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК .......................................................... 185
Приложение А. Пример расчета нормативной прочности
и состава твердеющей смеси .............................................. 196
Приложение Б. Пример расчета (Расчет проведен по скважине № 51
закладочного комплекса рудника «Октябрьский»
ЗФ ОАО «ГМК "Норильский никель"») ............................ 202
Введение 6 ВВЕДЕНИЕ В учебном пособии освещен широкий круг вопросов назначения литой твердеющей закладки и целесообразности ее применения в различных горнотехнических условиях при подземной разработке месторождений на современных горнодобывающих предприятиях и в шахтах. Изложены сведения по подготовке материалов к закладке, составу закладочных смесей и их активации, способам и режимам формирования закладочных массивов. Подробно раскрыт опыт практического применения твердеющей закладки на отечественных и зарубежных горных предприятиях. Дана подробная информация о системе разработки на конкретных рудниках, способах изготовления, доставки и закладки отработанных выработок. Проанализированы результаты и проблемы применения закладки, с учетом особенностей условий отработки месторождений. Рассмотрены свойства закладочных материалов и предъявляемые к ним требования. Приведены подробные сведения об особенностях оценки напряженнодеформированного состояния закладочного массива, дающие основное понимание механики взаимодействия закладочного массива и окружающих горных пород. Приведен метод расчета прочности и устойчивости закладочного массива. Рассмотрены теоретические основы движения вязкопластичных жидкостей, к которым относятся литые закладочные смеси. Приведены основные зависимости, характеризующие движение таких смесей по трубопроводам, указаны справочные данные, позволяющие выбирать ориентировочные параметры движения смесей при расчете. Даны понятия критической скорости и предельных режимов транспортирования трубопроводным транспортом, приведены основные формулы расчета трубопроводной закладочной системы при наличии участков самотечного и подпорного транспортирования. Для возможности проектирования и детального расчета транспортной закладочной системы рудника в учебном пособии приведены данные о современных типах и характеристиках транспортирующего оборудования литых закладочных смесей – центробежных и поршневых насосах различных типов. В учебном пособии изложен материал о специальных активирующих устройствах, позволяющих управлять реологическими свойствами литых закладочных смесей при их движении по трубопроводу, что позволяет расширить возможности подпорно-самотечного трубопроводно
Введение 7 го транспорта закладочного комплекса в условиях подземных рудников. Приведены основные конструктивные схемы активирующих устройств, возможные области и перспективы их применения в практике закладочных работ, методика исследований их рабочих характеристик.
Глава 1. Назначение искусственных массивов 8 Г л а в а 1 НАЗНАЧЕНИЕ ИСКУССТВЕННЫХ МАССИВОВ 1.1. Отработка охранных целиков Искусственные массивы на рудниках возводят путем заполнения выработанного пространства закладочными смесями, способными превращаться в монолит определенной, заранее установленной прочности в срок от 0,5 до 6 мес. и более. Существует несколько способов возведения искусственного массива, которые представлены различными технологиями твердеющей закладки. Термин «закладка» включает закладочные смеси бетонные, цементированные, твердеющие, а также закладочные материалы из воды, смеси воды с отходами обогащения или грунтом, содержащие синтетические вяжущие вещества, которые под воздействием гидратации и гидролиза вяжущего, кристаллизации, холода, химических реакций превращаются в монолит. К твердеющей закладке относится также закладочный массив, возводимый из каменных блоков, скрепляемых цементом. Этим термином объективно характеризуются различные стороны искусственного материала или массива. С точки зрения назначения и использования искусственных массивов термин в большей степени определяет создание искусственного монолитного массива в выработанном пространстве. Запасы руды на действующих рудниках, временно оставляемые в целиках, под различного вида охраняемыми объектами, постоянно увеличиваются. Это объясняется вводом в эксплуатацию месторождений руд с пониженным содержанием полезного ископаемого, приростом запасов в результате доразведки месторождений в процессе их разработки, пересечением стволов шахт с рудными телами при углубке и другими причинами. Охранные целики приходится оставлять под водоемами, жилыми зданиями, заводами, железными дорогами и другими инженерными сооружениями. Очевидно, что по мере расширения застроенности территорий, а также вследствие дальнейшего ввода в эксплуатацию месторождений руд с пониженным содержанием полезного ископаемого в охранных целиках окажутся новые, более значительные запасы. Единственным эффективным способом отработки охранных целиков является способ, основанный на применении систем разработки с закладкой, обладающей прочностными свойствами, которые в конкретных горнотехнических условиях должны соответствовать требованиям строительных норм охраняемых объектов. Многолетний опыт работы ряда рудников
1.2. Сокращение уровня потерь руды 9 свидетельствует о том, что такой закладочный материал вполне обеспечивает полную безопасность производства горных работ в карьерах и шахтах при высокой их рентабельности. Дополнительные затраты, связанные с возведением искусственных массивов сравнительно небольшой прочности, окупаются за счет существенного сокращения сроков ввода месторождения в эксплуатацию, снижения потерь руды и разубоживания, более интенсивного наращивания производственной мощности рудника, обеспечивающего ускоренные поставки ценного минерального сырья, что нередко позволяет сократить транспортные расходы за счет уменьшения объема поставок привозного сырья. В мировой практике неоднократно предпринимались попытки извлечения запасов охранных целиков обычным способом – системами с песчаной или породной закладкой и креплением. Однако при этом всегда отмечались крупные деформации и сдвижения земной поверхности, что ставило под угрозу сохранность объектов или создавало возможность прорыва воды в подземные выработки. Отработка целиков сопровождалась большими безвозвратными потерями руды в недрах, составлявшими порядка 50 %. Тяжелые условия труда при значительном уровне затрат на поддержание выработанного пространства и капитальные ремонты охраняемых объектов, а также большой ущерб от потерь руды и разубоживания обусловливали высокую себестоимость добычи 1 т руды. Поэтому обычные способы непригодны для отработки целиков. Запасы охранных целиков иногда отрабатывают лишь после ликвидации охраняемого объекта, что почти всегда связано с большими экономическими затратами. В настоящее время разработана научно обоснованная технология выемки охранных целиков под различными объектами, включая городские массивы многоэтажной застройки, обеспечивающая их полную сохранность при сравнительно невысокой прочности и себестоимости твердеющей закладки. 1.2. Сокращение уровня потерь руды Характерная особенность горнодобывающей промышленности на современном этапе – возрастающие масштабы и интенсивность производства горных работ на основе широкого использования мощного самоходного оборудования с отбойкой руды глубокими скважинами. Однако крупным недостатком систем с массовой отбойкой является высокий уровень потерь руды в недрах. Основные причины потерь – оставление руды в обрушенном пространстве и различного рода опорных целиках (междукамерных, междублоковых, внутриблоковых, потолочинах). Запасы
Глава 1. Назначение искусственных массивов
10
руды из таких целиков при обычной технологии или не извлекаются вообще, или извлекаются в небольшом количестве (порядка 50 %).
Высокая интенсивность разработки месторождений обусловливает
значительную величину годового понижения горных работ, достигающую
20–25 м и более. Переход на глубокие горизонты обязывает увеличить
размеры опорных целиков. Поэтому уровень потерь руды за последние годы постоянно возрастает.
Многолетние исследования и опыт работы рудников показали,
что эффективным средством, обеспечивающим сокращение потерь руды
в 3–4 раза, является применение технологии разработки с твердеющей закладкой выработанного пространства, приготовленной преимущественно
из дешевых местных материалов, прежде всего из отходов производства
(отвальные породы, хвосты обогащения, металлургические и котельные
шлаки, золы уноса и др.).
1.3. Размещение в выработанном пространстве
промышленных отходов
Интенсивное увеличение объемов производства горнодобывающей и металлургической отрасли промышленности, а также производства электроэнергии (90 % поступает с ТЭЦ), освоение месторождений
бедных руд, расширение потребления высокозольных углей (Экибастузское месторождение и др.) сопровождаются ростом объемов промышленных отходов, большая часть которых пока не находит применения в народном хозяйстве и поступает в отвалы, занимая все новые площади земельных угодий. Выход отвальной породы на рудниках цветных металлов
находится в пределах 18–20 % от объема добываемой руды, причем почти
вся порода поступает в отвал. Проблема складирования промышленных
отходов приобретает все большую остроту. На рудниках цветных металлов
большая часть добываемой горной массы после переработки на обогатительной фабрике сбрасывается в отвал в виде хвостов.
В настоящее время запасы металлургических шлаков (мартеновских,
никелевых, медеплавильных) в отвалах превышают 1,0 млрд т и ежегодно
пополняются новыми поступлениями в количестве 32–35 млн т. Запасы
котельного шлака и золы составляют около 0,8 млрд т и увеличиваются на
50–60 млн т ежегодно. Промышленные отходы ухудшают биосферу, наносят серьезный урон природным ресурсам, отвлекают из севооборота большие земельные площади.
Однако в целом отходы производства используются лишь в небольшом объеме. Так, для строительной индустрии расходуется ежегодно около
1.4. Охрана земельных ресурсов 11 3 % вскрышных пород, общий объем которых превысил 200 млн т в год. Причем стоимость производства 1 м3 щебня на горнорудных предприятиях ниже на 0,9–4,1 руб., чем на специализированных предприятиях, а песка – на 1,2 руб. В целом же наблюдается ситуация, когда одни рудники выбрасывают в отвал строительные материалы, а другие – ведут их добычу из горного массива. 1.4. Охрана земельных ресурсов Россия располагает большим земельным фондом сельскохозяйственных угодий, однако по почвенным и климатическим условиям он находится в менее благоприятном положении, чем во многих других странах. Свыше 8 % территории расположено в холодных районах, около 5 % – в пустыне. Районы с плодородными почвами и относительно благоприятным для земледелия климатом занимают около 26 % территории. В целом из каждых 10 га общей площади пашня составляет лишь 1 га. Развитие производительных сил страны требует дальнейшего отчуждения площадей сельскохозяйственных угодий под промышленное и гражданское строительство, в том числе под горнодобывающие предприятия. Значительная часть земель будет занята зонами обрушений, шахтными отвалами, шламохранилищами. Горные работы нередко ведутся в районах с высокой плотностью населения, развитым сельским хозяйством и приводят к тяжелым нарушениям природных ландшафтов, резко снижают биологическую продуктивность земель. Глубокие изменения претерпевают водные и почвенные ресурсы, микроклимат. Площадь горного отвода для подземного рудника составляет от 3,5 до 10 тыс га в зависимости от производственной мощности предприятия и горнотехнических условий. К ним относятся участки затопленных и заболоченных земель, что вызвано особенностями технологии добычи и переработки минерального сырья. В решении этой проблемы большое значение имеют очистка шахтных вод и освоение промышленными предприятиями оборотного водоснабжения. Наши земельные богатства велики, но не беспредельны, поэтому требуют восполнения. Решению этой сложной проблемы будет способствовать переход горнодобывающих предприятий и металлургических заводов на безотходную технологию, широкое освоение систем разработки с закладкой выработанного пространства. Исследованиями установлено, что многие породы отвалов и отходы обогащения, а также металлургические шлаки могут служить исходным материалом для приготовления монолитных закладочных смесей.
Глава 1. Назначение искусственных массивов 12 1.5. Добыча руд под морским дном В нашей стране глубина некоторых подземных рудников превысила 1 км. С увеличением глубины ухудшаются горнотехнические условия разработки месторождений, возрастает горное давление, температура горного массива. В целом с глубиной увеличиваются размер капиталовложений на строительство рудников и эксплуатационные расходы. По данным М. С. Гайсинского, с понижением горных работ на каждые 100 м себестоимость добычи 1 т руды возрастает на 5–7 %. Поэтому в последние годы возрос интерес к освоению запасов, залегающих под морским дном. Вскрытие месторождений, расположенных на расстоянии до нескольких километров от прибрежной линии, осуществляется наклонными стволами с суши, проводимыми под морским дном на глубине не менее 40–50 м в зависимости от особенностей геологического строения покрывающих пород, или с искусственных островов. Разработка месторождений может осуществляться системами, исключающими опасность проникновения морской воды в горные выработки. Еще в XII в. в Шотландии под морским дном добывали каменный уголь, применяя камерно-столбовую систему. В настоящее время известно более 60 шахт (табл. 1.1), применяющих в основном системы с закладкой. Таблица 1.1 Разработка месторождений под морским дном (зарубежный опыт) Полезное ископаемое Число предприятий Годовая производственная мощность, млн т Железная руда 3 1,7 Уголь 57 33,5 Сера 1 0,6 Основная проблема разработки таких месторождений состоит в том, чтобы не допустить крупных проседаний морского дна и деформаций покрывающих пород, которые могут вызвать прорыв морской воды в выработки. За последние годы было отмечено 78 прорывов воды. В 12 случаях шахты были полностью затоплены. При этом только в одном случае вода прорвалась в лаве, в остальных случаях – в подготовительных выработках. Величина безопасной глубины работ под морским дном зависит от фактических деформаций пород на подрабатываемых участках, которые имеют наименьшее значение при системах с монолитной закладкой. При разработке железорудного месторождения «Вабана» (Канада), имеющего площадь 22 км2, запасы 2 млрд т руды с содержанием железа 52 %,