Закладка выработанного пространства. Классификация способов закладки по технологическим признакам. Технологические схемы закладочных работ. Материалы для закладки

Закладка выработанного пространства - совокупность процессов, охва- тывающих приготовление, транспортирование и укладку закладочного материала в выработанном пространстве.

Основное назначение закладки - поддержание выработанного пространства, предотвращение обрушения вмещающих пород и оседания земной поверхности.

Цель и условия применения закладки приведены в таблице 8.1.

Таблица 8.1 - Цель и условия применения закладки

Цель	Условия
Повышение полноты извлечения и качества руд	Разработка месторождений ценных руд. Селективная выемка разносортных руд. Разработка сложноструктурных месторождений. Отработка охранных и барьерных целиков
Разработка месторождений в сложных горно-технических и горно-геологических условиях	Сильнообводненные месторождения. Неустойчивые руды и вмещающие породы. Разработка пожароопасных месторождений. Разработка глубоких горизонтов. Разработка удароопасных месторождений
Интенсификация разработки месторождений	Совместная разработка открытым и подземным способами. Опережающая разработка рудных тел. Восходящая разработка месторождений
Охрана окружающей среды	Охрана недр, земной поверхности, водных бассейнов и т.д. Утилизация отходов производства

Способы и виды закладк и

Все способы закладки можно разделить на две группы: первая - компоненты закладочной смеси не взаимодействуют между собой, вторая - при взаимодействии компонентов происходит изменение их физического или химического состояния.

К первой группе относят сухую и гидравлическую закладку, ко второй - твердеющую.

Сухая закладка характеризуется тем, что при заполнении выработанного пространства она представляет собой нескрепленный податливый массив. Основные недостатки искусственного массива из сухой закладки - неоднородная плотность и значительная усадка (от 1 до 5 %). Размещение закладочного материала в выработанном пространстве может осуществляться под действием собственного веса (самотечная закладка), с помощью различного рода механизмов и машин (машинная закладка) и посредством забрасывания материала струей сжатого воздуха (пневмозакладка).

Гидравлическая закладка позволяет получить более плотный массив при возможности интенсификации процесса закладки. Однако и в этом случае искусственный массив не допускает больших обнажений. При гидравлической закладке возникает проблема организации дренажа и отвода большого количества воды.

Твердеющая закладка в большинстве случаев как обязательный компонент включает вяжущий материал, который в результате гидратации с водой связывает в монолит все компоненты. Она допускает значительные обнажения искусственного массива, а также позволяет выдержать динамические нагрузки от воздействия взрывных работ.

Этот вид закладки по сравнению с другими обеспечивает существенное повышение безопасности при очистной выемке, сокращение потерь и разубоживания до минимума, отработку запасов руды в охранных целиках различного назначения, сохранение земной поверхности и надшахтных сооружений.

К недостаткам применения твердеющей закладки следует отнести значительный расход вяжущего, дополнительные капитальные затраты на строительство закладочных комплексов, более высокие трудозатраты, что в конечном итоге приводит к повышению себестоимости добычи руды.

Основные характеристики закладки: прочность, пустотность, упругие, деформацион­ные и компрессионные свойства.

С целью организации технологии закладочных работ и для оценки качества закладочного массива вводится понятие нормативной, кубиковой и фактической прочности.

Кубиковая прочность закладки - это прочность образцов-кубиков составов твердеющей закладочной смеси через определенные сроки твердения, изготовленных и испытанных в лабораторных условиях по стандартной методике.

Кубиковая прочность характеризует твердение составов закладочной смеси во времени и назначается по условию формирования в требуемые сроки закладочного массива с прочностью не ниже нормативной.

На основании кубиковой прочности выбирается состав закладочной смеси для производства закладочных работ.

Фактическая прочность закладки - это прочность закладочного массива, сформированного в производственных условиях, в определенный момент времени.

Фактическую прочность закладки определяют: прямым методом - путем испытания на сжатие образцов - кернов закладки, выбуренных из искусственного массива; и, косвенным образом - путем испытаний образцов-кубиков закладки, отобранных на поверхности в процессе приготовления закладочной смеси.

Судить о качестве искусственных массивов из твердеющей закладки без непосредственных измерений в массиве можно лишь с небольшим приближением. Причина в том, что в процессе ведения закладочных работ из-за несовершенства дозирующих устройств и других обстоятельств составы закладочных смесей отличаются от проектных. Наряду с этим разделение закладки по фракциям, ее расслоение в процессе транспортирования и укладки в выработанном пространстве, условия твердения не поддаются учету, хотя и оказывают существенное влияние.

Одним из наиболее распространенных способов контроля искусственных массивов является косвенное определение их прочности посредством отборки проб образцов и их испытании раздавливанием на прессе в определенном возрасте.

Учитывая, что условия твердения закладки в массиве в результате компрессионного сжатия существенно отличаются от твердения образцов, необходимо устанавливать переходные коэффициенты от кубиковой прочности к прочности массива. Эти коэффициенты зависят от состава смеси и условий твердения массива и находятся в пределах 1,3 - 1,5.

Сухая закладка. Возведение закладочного массива при сухой закладке возможно путем самотечного размещения, с помощью метательных машин и использования сжатого воздуха.

При самотечном размещении закладки материал поступает из скважины, выходящей в кровлю камеры или из верхнего штрека данного забоя. В выработанном пространстве закладочный материал располагается под некоторым углом к простиранию. Этот угол тем меньше, чем больше угол падения рудного тела. Если рудное тело вертикально, то при отсутствии трения о боковые породы угол образуемого откоса с линией простирания, как с горизонтальной линией, будет углом естественного откоса закладочного материала, рав­ным 38÷42⁰. Когда угол падения меньше 90⁰, закладочный массив по отношению к простиранию располагается под большим углом, и, следовательно, заполнение выработанного пространства ухудшается.

Искусственный массив, возведенный с помощью самотечной закладки, имеет обычно неоднородную плотность и может давать большую или меньшую усадку в зависимости от гранулометрического состава материала, угла падения закладываемого слоя, ширины и длины закладываемой полосы или камеры. Усадка массива, возведенного с применением самотечной закладки, имеет обычно большую величину (20÷30%), иногда достигает 50%.

Сухая закладка может подаваться в выработанное пространство с помощью сжатого воздуха. Искусственный массив при пневматической закладке имеет неоднородную плот­ность в зоне действия отражающих насадок и в зоне осыпей. Усадка массива при пневма­тической закладке наименьшая по сравнению с другими видами сухой закладки и колеблет­ся в пределах 10-20 %.

Гидравличекая закладка. При закладке камеры небольшого поперечной сечения в условиях крутого падения можно, расположив конец трубопровода у висячего бока, за одну операцию заложить всю камеру, даже с использованием кусковатых закладочных материалов. В условиях наклонного падения при использовании крупнокусковатых матери­алов крупные куски будут скапливаться вблизи выходного отверстия трубопровода, препя­тствуя растеканию пульпы.

При закладке материалами, в состав которых входит только мелкая фракция, пульпа, благодаря хорошей текучести, равномерно заполняет весь объем выработки при постоянном положении трубопровода.

Искусственный массив, возведенный гидравлическим способом, дает значительно мень­шую, чем при сухой закладке, усадку (от 5 до 15%), что является главным преимуществом гидравлической закладки.

Возведение твердеющих закладочных массивов по методу готовой смеси.

Сущность данного метода заключается в том, что твердеющая закладочная смесь поступает в выработанное пространство полностью готовой, включая в себя все необходимые компоненты.

Подача закладочной смеси при закладке камер осуществляется с вышележащего горизонта. Для этого проходят закладочные окна, восстающие, бурят вертикальные или наклонные закладочные скважины. Трубопровод или желоб заводится в камеру и закладочная смесь сбрасывается в выработанное пространство. В месте падения материалов образуется конус, высота которого может быть различной в зависимости от крупности применяемых заполнителей и жесткости закладочной смеси. Для жестких смесей высота конуса может достигать 5-8 м. Цементно-песчаный раствор растекается по всей длине камеры под небольшим углом к горизонту.

Если закладка ведется непрерывно, то процесс осаждения заполнителей будет происходить непрерывно и, следовательно, закладочный массив по вертикали также будет относительно равнопрочным. Во время прекращения подачи закладки, например, на период производства взрывных работ или при остановках закладочного комплекса, происходит схватывание закладки. При дальнейшем поступлении смеси осаждение крупной фракции происходит на слой закладки, состоящий из цементного молока или цементно-песчаного раствора. В результате искусственный массив в вертикальном сечении будет иметь слоистую структуру. Заполнение камер желательно вести непрерывно еще и потому, что во время остановок в камеру поступает дополнительное количество воды от промывки закладочного трубопровода.

Твердение закладочного массива начинается через 3÷5 суток после укладки смеси в камеру. Скорость твердения зависит от состава закладочной смеси, качества вяжущего и прежде всего водовяжущего отношения. Массив из твердеющей закладки набирает прочность довольно длительное время - до года и более. Однако наиболее интенсивный рост прочности наблюдается в первые три месяца после окончания закладки. Этот срок обычно принимается за наименьший, после которого допускается отработка соседних камер и образование обнажений в заложенном массиве.

При закладке слоев закладочная смесь подается в выработанное пространство непосредственно за перемычку. Общими требованиями, предъявляемыми к любым технологическим схемам, являются: обеспечение саморастекания смеси на всю длину слоя без существенного расслоения, расположение в выработанном пространстве с возможно меньшим углом наклона слоев.

Практика ведения закладочных работ показывает, что при оптимальных по условиям транспортабельности водовяжущих отношениях смесь с крупным заполнителем растекается без расслоения на длину до 45÷50 м.

Увеличение содержания вяжущего при сохранении оптимальной консистенции смеси способствует улучшению пластичности, снижению расслаиваемости и уменьшению углов растекания смеси. Угол растекания смесей без крупного заполнителя составляет 6-8⁰, а с иным – 8-10⁰. При перерывах в ведении закладочных работ свежеприготовленная смесь, укладываемая на затвердевший массив, растекается хуже, при этом углы растекания увеличиваются на 15-20%. Длительные перерывы при закладке приводят к образованию слоистой структуры и существенному ослаблению массива.

Раздельные методы возведения искусственных массивов.

Сущность этих методов заключается в раздельной подаче вяжущего раствора и заполни­теля и смешивания их в процессе укладки непосредственно в выработанном пространстве, либо перед сбросом в выработанное пространство.

Метод залива. В выработанном пространстве укладывается слой сухой закладки. Гранулометрический состав не должен включать мелких (менее 5-10 мм) фракций. Укладка материалов может осуществляться под действием собственного веса или скреперованием. Применение метательных машин или пневмозакладки не рационально, так как при этом значительно ограничивается максимальная крупность фракций. Цементно-песчаный раствор, которым заливается крупный заполнитель, должен обладать хорошей подвижностью, поэто­му его готовят на мелкозернистом песке. Для лучшей подвижности раствора используют добавку 0,02% хлористого кальция. Заполнение пустот между инертным материалом улуч­шается, если использовать вибрирование закладки.

Применение метода ограничивается сложностью размещения крупного заполнителя по площади выработанного пространства и необходимостью равномерного полива раство­ром всей площади закладываемого пространства.

Инъекционный способ возведения закладочных массивов. Сущность этого метода состоит в нагнетании в пустоты сыпучего материала (щебня, гравия, породы и др.) вяжущего раствора. Раствор после твердения обеспечивает цементацию сыпучей среды в монолит. Наиболее распространен способ напорной инъекционной технологии, при котором вяжущий раствор подается под давлением 0,2-0,5 МПа, обычно методом восхо­дящего потока.

Проникновение цементных, песчаных и других частиц в пустоты сыпучей среды зави­сит от размеров пустот, конфигурации и размеров частиц, состава и консистенции нагнета­емого раствора, давления и режима нагнетания. Допустимый диаметр пустот , через кото­рый возможно перемещение частиц раствора, устанавливается из соотношения

= (6÷7) ,

где - максимальный диаметр частиц в растворе.

На процесс инъекционирования основное влияние оказывают ряд геометрических элементов фильтрации пористой среды.

Для нагнетания упрочняющих растворов используют специальные устройства - инъекторы. Наибольшее распространение получили инъекторы с перфорированным звеном. Они изготавливаются из цельнотянутых толстостенных труб диаметром 32÷50 мм. Длина глухо­го звена инъектора 1-1,5 м, перфорированного 0,5-1 м.

Диаметр отверстий перфорированного звена 2-5 мм.

Для подачи раствора к инъектору применяют резиновые или прорезиненные армиро­ванные металлом рукава диаметром 25÷50 мм, рассчитанные на давление до 3-4 МПа.

Упрочнение сухой закладки в камере путем инъекции вяжущего материала следует осуществлять в направлении снизу вверх путем подачи вяжущего материала за перемычки или в специ­ально пробуренные для этой цели скважины. Инъецируемый массив не должен содержать более 15% частиц крупностью менее 0,1 мм. Плотность инъецируемого раствора принимать в пределах 1,05-1,8 г/см³. Подачу вяжущего материала в камеру следует осуществ­лять до выхода раствора в контрольную выработку (скважину). Шаг инъекции по высоте не должен превышать 25 м. Прочность изолиру­ющих перемычек, трубопроводов и запорных устройств нагнетатель­ных скважин следует определять проектом в каждом конкретном случае.

Метод погружения крупного заполнителя в раствор имеет некоторые преимущества. Применение этого метода не требует отсева мелких фракций в крупном заполнителе, гранулометрический состав заполнителя ограничен по максимальной крупности лишь средствами доставки. Для приготовления цементно-песчаного раствора с успехом могут применяться литые, транспортируемые по трубам, смеси диаметром фрак­ций до 2 мм. Такие смеси самостоятельно растекаются по выработанному пространству и поэтому отпадает необходимость в доставке раствора по всей площади закладываемого пространства.

Метод погружения можно считать перспективным при закладке камер крутого паде­ния. Недостаток его в необходимости устройства перемычек, способных выдержать значительное давление раствора, а также в возможности заливания смежных выработок.