Поддержание закладкой

Для того чтобы выработанное пространство не обрушалось его заполняют закладочным материалом. Назначение закладки поддерживать выработанное пространство в процессе отработки блока, предотвращать оседание или обрушение вмещающих пород и поверхности и обеспечивать удобную и более полную отработку междукамерных целиков.

Достоинства поддержания закладкой — высокое, почти полное извлечение руды, что особенно важно при разработке месторождений денных руд, и безопасность разработки месторождений с неустойчивыми вмещающими породами по сравнению с другими способами поддержания. Применение закладки уменьшает пожароопасность работ, что имеет большое значение при разработке месторождений с рудами, склонными к самовозгоранию, и дает возможность использовать пустые породы от проходки выработок и подрывки боков при отработке тонких жил вместо выдачи их на поверхность. Недостатки этого способа — необходимость значительных расходов по добыче и транспортировке закладочного материала до места укладки, а также невозможность доставки руды силой ее собственной тяжести при выемке руды горизонтальными слоями.

Закладка выработанного пространства наиболее часто применяется при разработке месторождений ценных руд, а также при добыче руд, склонных к самовозгоранию, при необходимости сохранить поверхность или исключить обрушение и оседание вмещающих пород для последующей отработки параллельных рудных тел, а также при отработке тонких жил с раздельной подрывкой боковых пород.

Классификация способов закладки. В зависимости от времени выполнения закладочных работ различают одновременную и последующую закладку. Одновременная закладка производится в процессе очистной выемки и поэтому обычно, кроме основного своего назначения — поддержания выработанного пространства, закладочный массив служит основанием для размещения на нем забойных рабочих, а при наличии на нем настила используется для доставки отбитой руды к рудоспускам. Последующая закладка производится со значительным отставанием от очистной выемки в блоке или даже после его отработки и осуществляется для предотвращения оседания или обрушения поверхности или же для создания благоприятных условий при отработке рудных целиков вслед за отработкой камер.

В зависимости от степени заполнения закладкой выработанного пространства ее разделяют на полную и частичную.

Закладочные материалы. Материалы, используемые для закладки, должны удовлетворять следующим основным требованиям; быстро образовывать плотный массив с минимальной усадкой; быть инертными в пожарном отношении (породы, содержащие более 5—8% серы, не могут использоваться в качестве закладочного материала), а также химически инертными (не содержать цианистые соединения); при гидравлической закладке иметь необходимую скорость фильтрации и минимальную осадку в водной среде; быть дешевыми. Правильный выбор закладочного материала оказывает решающее влияние на успех закладочных работ.

Качество закладочного материала определяется коэффициентами разрыхления, пористости, усадки и фильтрации (при гидравлической закладке), а также абразивностью (при доставке его по трубам при пневматическом и гидравлическом способах). Наибольшей абразивностью отличается песок и наименьшей — глина.

Добытый закладочный материал занимает больший объем, чем он имел в массиве. Отношение объема разрыхленного закладочного материала к его первоначальному объему называется коэффициентом разрыхления (Кр). Коэффициент пористости (Kп) представляет собой отношение объемов пустот между его частицами к объему твердых частиц:

где n — объем пустот в единице закладочного материала.

Зная коэффициент пористости закладочного материала, можно определить предел, до которого может быть доведено его уплотнение. Для практических целей с достаточной степенью точности можно определять значение коэффициента пористости по формуле

Если выработанное пространство с высотой h0 полностью заполнить закладочным материалом, через некоторый промежуток времени закладочный материал уплотнится и высота его уменьшится до h1. Уплотнение закладки будет различным для разных материалов и будет характеризоваться величиной (Ky) — коэффициентом усадки:

Значения коэффициента усадки закладочных материалов в зависимости от давления р приведены на рис. 121.

Коэффициент усадки изменяется в зависимости от способа производства закладочных работ, составляя при ручной и самотечной закладке 15—25%, при пневматической — 10—12%, при гидравлической — 5—12%.

Устойчивость закладочного массива приобретает особо важное значение при выемке целиков руды на его границе.

Прочный массив создают, применяя цементирующуюся закладку. При этом заполняют выработанное пространство шихтой, состоящей из горных пород в смеси с вяжущими материалами — пирротиносодсржащими хвостами обогатительных фабрик, шлаками заводов, глиной, известью, цементом. Цементирующие свойства придаются закладке пирротином и результате его окисления.

В других случаях применяют самоцементирующиеся материалы, например гранулированный шлак медеплавильных заводов, хвосты флотационных фабрик, схватывающиеся под влиянием кислотных рудничных вод.

Образуемых при цементирующейся закладке прочный закладочный массив обеспечивает отработку целиков с небольшими потерями и разубоживанием даже с отбойкой руды в целиках комплектами глубоких скважин.

При гидравлической закладке большое значение имеет влагоемкость и особенно водопроницаемость закладочного материала. Влагоемкостью называют свойство закладочного материала впитывать и удерживать в себе некоторое количество транспортирующей воды после ее спуска.

Влагоемкость определяют в процентах увеличения веса закладочного материала после насыщения его водой. Способность закладки пропускать сквозь себя воду, не задерживая ее, называется водопроницаемостью. Степень водопроницаемости закладки определяется коэффициентом фильтрации (Кф), т. е. скоростью прохождения воды через закладочный материал при градиенте, равном единице.

Способностью быстро отдавать воду обладают материалы, содержащие не более 3,5% мелочи с крупностью частиц минус 20 мк. Для этой цели обесшламливают хвосты обогатительных фабрик, пески и другие материалы.

Способы добычи, транспорт и предварительная подготовка закладочного материала. Закладочный материал может быть получен непосредственно в шахте или на дневной поверхности (рис. 122). В шахте источниками получения закладки являются пустые породы от подрывки боковых пород при разработке весьма тонких рудных тел с раздельной выемкой; пустые породы, получаемые в результате сортировки руды в забое; пустые породы, получаемые от проведения подготовительных и капитальных выработок, оставление которых в шахте вместо выдачи их на поверхность часто дает значительный экономический результат. Для добычи закладочного материала применяют наклонные выработки, проводимые в устойчивых боковых породах, и специальные выработки для добычи, располагаемые вдали от очистных работ. Часто такие выработки одновременно используют для разведки боков месторождения. Недостаток этого способа — ослабление боков рудного тела.

В некоторых случаях, в особенности при разработке месторождений небольшой мощности, закладку отработанных блоков или камер в нижележащем этаже производят путем перепуска ее с верхних ранее отработанных и заложенных этажей.

Источниками получения закладочного материала на земной поверхности являются отвалы пустых пород; шлаки металлургических заводов; хвосты обогатительных фабрик; горные породы, добываемые в специальных карьерах. На многих рудниках в качестве закладочного материала при гидрозакладке применяют обесшламленные хвосты обогатительных фабрик, а также пески и гравий, способные быстро отдавать воду.

В отдельных благоприятных случаях для добычи закладки пользуются небольшими карьерами, разрабатываемыми над восстающими (см. рис. 122). При этом закладочный материал спускается по восстающему па грохот и далее самотеком — в подземные выработки, по которым транспортируется к месту закладочных работ. Этот способ используют при значительной мощности наносов для закладки верхних этажей.

Спуск закладочного материала с поверхности в шахту и доставка его к месту производства закладочных работ осуществляется различными способами: самотеком по специальным породоспускам; трубам или скважинам большого диаметра; в вагонетках через шахтные стволы, оборудованные клетьевым подъемом и специальными способами (пневматической энергией — пневмозакладка или водой — гидрозакладка).

Породоспуски для закладочного материала располагают с уклоном 50—55° и более и придают им прямоугольное или круглое сечение. При прямоугольном поперечном сечении их крепят деревом, применяя предохранительную обшивку для крепи. При большой производительности породоспусков их закрепляют бетоном и железобетоном. Породоспуски, расположенные в крепких и устойчивых породах, оставляют без крепления. Особое внимание при доставке закладочного материала по породоспускам должно уделяться предотвращению образования заторов закладки (пробок).

Крупность закладочного материала зависит от условий нормальной работы и составляет при пневматической закладке до 40—50 мм; закладке метательными машинами — до 70—80 мм, при гидравлической закладке — не более 1/3 диаметра трубопровода и при скреперной закладке — до 150 мм, Породы, предназначенные для использования в качестве закладочного материала, обычно имеют большую кусковатость и поэтому, применяя закладку метательными машинами, гидравлическую и пневматическую, их подвергают предварительному дроблению и грохочению.

Ручная закладка. Этот малопроизводительный и дорогой способ закладки применяется в настоящее время редко. Особенно низка производительность труда по закладке при послойной выемке руды, с подкидкой породы лопатами под кровлю. Более производительная ручная закладка «в насыпку», когда нижний слой закладывается с подошвы вышерасположенного слоя. Недостатком ручной закладки является также значительная ее усадка, снижающая качество закладочных работ.

Самотечная закладка. При самотечной закладке заполнение выработанного пространства закладочным материалом производится под действием силы тяжести. Применяется она в двух вариантах:

1) выработанное пространство заполняют самотечной закладкой по мере отработки блока (одновременная закладка);

2) выработанное пространство заполняют закладкой после отработки всего блока (последующая закладка).

Типичным примером первого варианта служит система разработки наклонными слоями. После отбойки и выпуска руды в наклонном слое из закладочного отделения блокового восстающего самотеком поступает закладочный материал. Между линией забоя и поверхностью закладки оставляют незаложенное пространство высотой 1,5—1,8 м. Типичным примером второго варианта служит магазинная система, когда по окончании выпуска руды из магазинов перед отработкой междумагазинных целиков их закладывают сразу на всю высоту.

Основной недостаток самотечной закладки — значительная усадка. Достоинства самотечной закладки — простота организации работ, отсутствие необходимости в оборудовании, меньшая стоимость.

Механическая закладка. В зависимости от применяющихся средств, механическая закладка может быть скреперная и с использованием закладочных машин.

Скреперная закладка. Применяется главным образом при системе разработки горизонтальными слоями с закладкой. Закладочный материал при этом может быть разнообразным, однако при размерах кусков более 150 мм возникают затруднения при работе скрепера. Оборудование, применяющееся при скреперной закладке, то же, что и при доставке руды. При большом объеме закладочных работ используют трехбарабанные скреперные лебедки, производительность труда значительно повышается при дистанционном управлении последними.

Достоинства скреперной закладки: простота оборудования; возможность использования одного и того же оборудования как для распределения закладочного материала, так и для доставки руды; допустимость использования довольно крупного закладочного материала неоднородного гранулометрического состава; простота организации работ; относительно невысокая стоимость закладочных работ, составляющая в среднем 60—70% от стоимости ручной закладки. Недостатки: относительно невысокая производительность закладочных работ, невысокая плотность заложенного массива и невозможность закладки до кровли рудного массива.

Закладка с помощью закладочных машин. Метательные машины забрасывают закладочный материал в выработанное пространство с некоторого расстояния, сообщая ему кинетическую энергию, необходимую для свободного полета на определенное расстояние.

Закладочные машины в отличие от скреперов обеспечивают полную механизацию всего объема работы по закладке.

Достоинства закладочных машин: простота конструкции и небольшая первоначальная стоимость; хорошее уплотнение закладки на всей высоте закладываемого пространства, в том числе и в верхнем слое и возможность использования закладочного материала с различным гранулометрическим составом. К недостаткам относится быстрый износ ленты машины.

Пневматическая закладка. При пневматической закладке размещение закладочного материала P выработанном пространстве и транспортирование его к пневматическим закладочным установкам осуществляется сжатым воздухом. Закладочные материалы те же, что при прочих видах закладки, однако крупность кусков не более 40—50 мм. Машины, применяемые при пневматической закладке, разделяются на транспортирующие закладочный материал сжатым воздухом в трубах по выработкам и забрасывающие его в выработанное пространство; транспортирующие закладочный материал только по очистному пространству и забрасывающие его в выработанное пространством и только забрасывающие закладочный материал в выработанное пространство.

К достоинствам пневматической закладки относятся большая степень механизации закладочных работ, включая работу как по транспортированию, так и по распределению закладочного материала в выработанном пространстве; большая плотность заложенного массива; возможность совмещения операций по добыче руды с закладочными работами; высокая производительность, достигающая в зависимости от типа машин, гранулометрического состава материала и диаметра трубопровода 30—60 м3/час и более.

К недостаткам относятся высокий расход дорогой энергии сжатого воздуха (60—80 M3 на 1 м3 закладки при диаметре трубопровода 125—150 мм и крупности кусков закладочного материала 15— 20 мм); быстрый износ трубопроводов; высокая чувствительность к наличию в закладочном материале влаги и глины, часто вызывающих остановки в работе; значительное пылеобразование при сухом закладочном материале; необходимость в ряде случаев в предварительном дроблении и грохочении материала.

В сравнении с другими механизированными способами пневматическая закладка является наиболее дорогой, однако стоимость ее на 20—25% ниже, чем при ручной закладке.

Гидравлическая закладка. При гидравлической закладке закладочный материал, смешанный в определенной пропорции с водой (пульпа), подается в выработанное пространство по трубам. Пульпа заполняет выработанное пространство, при этом твердая составная часть выпадает, а вода стекает на нижний горизонт в водосборники и откачивается из них на поверхность. Применение гидравлической закладки значительно расширилось в связи с усовершенствованием шламовых насосов и использованием гидроциклонов для обесшламливания хвостов обогатительных фабрик, являющихся дешевым закладочным материалом.

Общая схема гидравлической закладочной установки на шахте определяется расположением оборудования. Основным оборудованием являются смесительное устройство, бункера для закладочного материала и закладочный трубопровод. Смесительные устройства бывают двух типов: поверхностные и подземные. Поверхностные требуют сооружения бункеров большой емкости для закладочного материала. Эксплуатация их в зимних условиях часто бывает затруднена из-за смерзания материал. Подземные устройства обычно располагают в нижней части породоспуска, предназначенного для подачи закладки в подземные выработки. Стоимость сооружения их бывает меньшей, чем при сооружении на поверхности, а эксплуатация надежнее, так как устранена возможность смерзания закладочного материала. Недостатком подземного смесительного устройства в сравнении с поверхностным является некоторая стесненность его обслуживания в условиях подземных выработок.

Одним из основных условий нормальной эксплуатации гидроустановки является предотвращение закупоривания закладочного трубопровода па отдельных его участках (образование пробок). Пробки образуются при уменьшении напора в трубопроводе и уменьшении скорости движения пульпы по трубам; при изменении соотношения твердой и жидкой фракций в пульпе (Т:Ж) при попадании в трубопровод кусков материала размерами, большими допускаемых, и при неправильной установке трубопровода или неверно подобранном его сечении. Обычно соотношение T:Ж изменяется для песка от 1:0,75 до 1:1, для более крупных материалов — от 1:1,5 до 1:2,5 и при большом удельном весе закладочного материала и крайних пределах крупности — до 1:3 и даже до 1:4. Как правило, во избежание излишнего обводнения выработок соотношение T:Ж следует принимать наименьшим, допустимым для данного закладочного материала.

Организация работ при гидравлической закладке требует прежде всего подготовки выработанного пространства. Подготовка заключается в ограждении его перемычками, отшивке рудных целиков, наращивании рудоспусков и лестничных ходков с их изоляцией, создании оснований для укладки закладочного материала. Основанием служит плотный настил из досок, водонепроницаемого полотна, и слой гидросмеси толщиной 10—13 см (твердого до 70 %), состоящий из хвостов обогащения и цемента в соотношении 4:1.

В современной практике гидравлическая закладка на ряде рудников почти полностью автоматизирована (работа нагнетающих насосов, промывка и очистка пульпопровода, заполнение резервуара закладочного материала, намыв гидросмеси). Все работы по гидрозакладке обслуживает на руднике один оператор при помощи небольшого пульта, установленного в закладываемой выработке.

Гидравлическая закладка применяется на угольных и некоторых рудных шахтах России и на многих зарубежных рудниках США, Канады и др. Широко используют гидрозакладку в угольной промышленности Польши.

Метод расчета гидрозакладочной установки дается в курсе «Рудничный транспорт».

Основными достоинствами гидравлической закладки являются:

1) полная механизация, а также высокая производительность закладочных работ, сокращающая в несколько раз (по сравнению с другими способами) срок закладки выработок;

2) большая плотность и высокая степень заполнения выработанного пространства, что в особенности важно при работах в условиях повышенного горного давления и горных ударов на больших глубинах разработки месторождений;

3) профилактическая противопожарная изоляция, так как плотно уложенный закладочный массив предотвращает возможность утечек вентиляционной струи и развития окислительных процессов;

4) лучшие условия проветривания рудника из-за уменьшения утечек воздуха через старые работы;

5) надежно поддерживает кровлю и предотвращает оседание поверхности;

6) наиболее низкая стоимость закладочных работ в сравнении

с другими способами;

7) высокая степень извлечения целиков руды.

К основным недостаткам гидравлической закладки относятся обводнение и загрязнение подземных выработок; усложнение водоотливного хозяйства, так как, кроме необходимости откачки дополнительного количества воды, необходимо осветление ее в отстойниках; необходимость подготовки выработанного пространства к закладке; повышение влажности рудничного воздуха. Гидрозакладка противопоказана в условиях, когда вода отрицательно действует на прочность и устойчивость вмещающих пород и при затруднительности дренажа закладочного массива.

Сравнительная оценка различных способов закладки. Наилучшие показатели по плотности и усадке закладочного массива достигаются при гидравлической закладке и при закладке метательными машинами. Наименьшая плотность — при ручной, самотечной и скреперной закладке.

Наименьшими требованиями к гранулометрическому составу закладочного материала отличаются самотечный и скреперный способы закладки. Повышенные требования предъявляются при закладке метательными машинами, гидравлической и пневматической закладке, когда необходимы предварительное грохочение и дробление закладочного материала.

По капитальным затратам наиболее дорога из числа механизированных способов пневматическая закладка; меньших затрат требует гидравлическая закладка и наименьших — закладка метательными машинами и скреперная. Совмещение работ во времени по добыче руды и закладке слоев возможно только при ручном способе, применении метательных машин, скреперной и пневматической закладке.

Подземный транспорт закладочного материала наиболее прост при гидравлической и при пневматической закладке и наиболее сложен и дорог при закладке метательными машинами. Достоинства гидро- и пневмотранспорта закладочного материала заключаются в том, что закладочный трубопровод, располагаемый в выработках, не стесняет их сечения.

По часовой производительности первое место занимает гидравлическая закладка (в среднем 150—200 и до 500 м3/час), затем пневматическая закладка (30—60 м3/час), закладка машинами (25—35 м3/час) и скреперная (12—15 м3/час). Ручная закладка отличается весьма низкой производительностью.