Система разработки сплошной слоевой выемки с твердеющей закладкой

Система разработки сплошной слоевой выемки с твердеющей закладкой (или сплошная слоевая выемка с закладкой) является вариантом системы горизонтальных слоев с закладкой. Разработана учеными ИПКОН АН СССР и работниками Норильского комбината под руководством чл.-кор. АН СССР Д.М. Бронникова для горно-геологических условий Норильского ГМК.

В связи с тем, что Норильский горно-металлургический комбинат является крупнейшим горнодобывающим и перерабатывающим предприятием России, целесообразно дать о нем более подробную информацию.

Начало освоения минерально-сырьевой базы Норильского ГМК относят к 1936 г. [32]. В настоящее время комбинат производит около 85 % российского никеля и кобальта, около 70 % меди и практически 100 % металлов платиновой группы, обеспечивает четвертую часть мирового производства платиновых металлов.

Производственно-хозяйственная деятельность комбината осуществляется в экстремальных природно-климатических и географических условиях Заполярья.

Минерально-сырьевая база Норильского ГМК определяется крупными медно-никелевыми месторождениями Норильск – 1 (основная часть промышленных запасов погашена), Октябрьское и Талнахское, представленные вкрапленными богатыми сульфидными и прожилково-вкрапленными медистыми рудами. Месторождения осваивают подземными рудниками («Заполярный», «Комсомольский», «Октябрьский», «Таймырский») и открытыми горными работами (рудник «Медвежий ручей»).

Рудники «Октябрьский» и «Таймырский» осуществляют разработку одного месторождения, но на разных горизонтах; их фронты очистных работ движутся навстречу друг другу. Горные работы перемещаются на глубину свыше 1000 м.

На Талнахском месторождении (северо-восточная часть) интенсивно строится подземный рудник «Скалистый», который должен быть введен в эксплуатацию в начале ХХI в.

При разведке месторождений, строительстве рудников, начале очистной выемки было отмечено наличие высоких концентраций напряжений. Интенсивная добыча при пологопадающем залегании рудных тел привела к образованию в короткие сроки значительных пролетов подработки налегающего массива горных пород. Так, на руднике «Комсомольский» за 8 лет подработка превысила 400 м по простиранию и 1000 м по падению. На руднике «Октябрьский», где добычные работы велись интенсивнее, в 1974 г. произошло внезапное обрушение 120 м³ горной массы на площади 110 м², что ускорило поиски систем разработки, позволяющих осуществлять очистные работы на глубинах свыше 700 м в условиях повышенной удароопасности. В настоящее время на подземных рудниках комбината распространение получили сплошная слоевая выемка с закладкой, камерно-целиковая с закладкой и сплошная с камерной выемкой и закладкой.

На рис. 3.3 изображена сплошная слоевая выемка с твердеющей закладкой для глубин 900…1300 м. Сущность ее заключается в том, что рудную залежь разделяют на панели шириной 120 м и отработку панели ведут от центра к флангам. Панель делят на вертикальные ленты шириной 8 м. Каждую ленту разрабатывают слоями толщиной 3,5…4 м снизу вверх. Извлеченный слой заполняют твердеющей закладкой. Чтобы разгрузить рудный массив от опасных концентраций напряжений по верхнему контакту, в угрожаемых по горным ударам участках вначале отрабатывают заходками шириной 4 м подкровельный защитный слой толщиной 3,5 м. Его заполняют твердеющей закладкой повышенной прочности с металлической арматурой в нижней двухметровой части, а затем снизу вверх от почвы вынимают остальную часть залежи.

Подготовка панелей заключается в проходке штреков откаточного и вентиляционно-закладочного горизонтов, блоковых восстающих на их границах.

Выработки откаточного горизонта располагают в подстилающих породах вне сферы влияния очистной выемки на расстоянии 30…40 м от почвы залежи. Выработки вентиляционно-закладочного горизонта также располагают во вмещающих породах на удалении 20…30 м от кровли.

От откаточного штрека до залежи проходят полевой наклонный съезд, из которого по подошве проходят рудный штрек по всей длине залежи. Из рудного штрека на флангах панели проходят наклонные диагональные съезды. Из последних перпендикулярно к слоям осуществляют проходку заездов. В каждой второй ленте сооружают рудоспуски, которые по мере извлечения слоев выкрепляют бетонными или металлическими кольцами с внутренним размером 1,4…1,9 м. Для проветривания проходят вентиляционные сбойки, соединяющие выемочные слои с блоковыми восстающими.

На очистной выемке применяют в основном самоходную технику зарубежных фирм, которая показала высокую надежность в период эксплуатации на рудниках комбината.

Бурение шпуров и скважин на проходческих и очистных работах производят гидравлическими двухстреловыми буровыми каретками Бумер Н128, трехстреловыми Бумер Н136 и Симба Н254 шведской фирмы «Атлас Копко».

Гидравлические машины показали скорость бурения в 1,5…2 раза выше по сравнению с пневматическими. Каретка Симба Н254 выполняет бурение круговых вееров скважин диаметром 41…57 мм и глубиной до 25 м.

Шпуры бурят вертикальные или наклонные (под 70⁰ в сторону отбойки) диаметром 42…56 мм, глубиной 3,5 м. Кондиционный кусок на руднике «Комсомольский» принят 300 мм, на руднике «Октябрьский» - 500 .

Доставку руды до рудоспусков производят подземными фронтальными погрузочными (погрузочно-доставочными машинами) фирмы «Вагнер»: ST­8BR грузоподъемностью 12т, ST­5R грузоподъемностью 7т и ST­2DR грузоподъемностью 4 т. Кроме них, используются ПТМ фирмы «Кавасаки» (Япония): КSS­M12 и КSS­M7 грузоподъемностью соответственно 12 и 7 т.

Для вспомогательных работ используется оборудование фирмы «Нормет» с максимальной унификацией машины: кровлеоборочные каретки UTILIFT 607 и UTILIFT 807, машины для доставки взрывчатых материалов UTITRACK 800Е, доставки людей UTITRACK 818, доставки грузов UTITRACK 800CR, доставки и заправки горюче-смазочных материалов UTILUВЕ 842.

Для механизации работ по оборке заколов и контролю состояния кровли эксплуатируются машины ДГ-420, которые оснащены двумя складывающимися стрелами: одна оборудована гидроударником, а вторая – корзиной, из которой ведется управление гидроударником.

Закладочные работы включают инженерно-геологическое изыскание источников сырья, механизированное приготовление и подачу закладки с интенсивностью 400…500 м³/ч по одному руднику. Закладочная смесь включает ангидрит, гранулированный шлак , щебень и в качестве активизатора твердения – цемент. Закладочный комплекс состоит из склада материалов, дробильного и помольно-смесительного отделений.

Приготовленная закладочная смесь через узел бетоноводов по скважинам, пробуренным с поверхности, подается на вентиляционно-закладочные горизонты рудника. Максимальная глубина спуска закладки по скважинам достигает 1200 м, длина доставки по горизонтам 3,5…4 км. С вентиляционно-закладочного горизонта в выработанное пространство бурятся скважины (рис. 3.4) диаметром 100…150 мм.

Одной из особенностей сплошной слоевой системы с твердеющей закладкой является то, что выработанное пространство имеет непосредственный контакт по одной или нескольким плоскостям с закладочным массивом.

В зависимости от вида и геометрических размеров обнажений закладки установлены нормативные требования к прочности твердеющей закладки. Так, нормативная прочность закладки (Р) , обнажаемой в стенках очистных выработок, в зависимости от высоты обнажения (Н) составляет:

Н, м…………до 10 до 20 до 30 до 40 до 50

Р, МПа…….. 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

На комбинате установлены допустимые пролеты обнажений закладки в зависимости от прочности и толщины монолитного несущего слоя (табл. 3.11).

Закладочный массив формируется разнопрочной закладкой. При восходящей выемке нижняя часть закладочных слоев (85%) формируется смесями закладки, набирающими прочность не менее одного МПа через 1…3 мес., верхняя – смесями, обеспечивающими такую же прочность в возрасте 3 сут. – по условиям нормальной работы самоходного оборудования на массиве закладки.

Таблица 3.11

Допустимый пролет обнажения закладки в кровле нарезных и очистных выработок, м

С 1990 г. на рудниках комбината ведутся работы по опытно-промышленной проверке способа изоляции контакта руда-бетон в отрабатываемых лентах быстродействующей полимерной пеной (БДП), которая способствует сокращению подбоя бетона закладочного массива. Суть способа заключается в нанесении на рудный борт отработанного слоя с помощью пеногенерирующей установки (ПГУ) полимерной пены низкой плотности. После этого в слой подается закладка. При отбойке руды в смежной ленте слой пены выполняет роль демпферной прослойки, в которой сейсмическое действие взрыва гасится за счет низкой плотности пены (50 кг/м³). При требуемой толщине слоя 10…20 см и производительности ПГУ 40…60 м³/ч покрытие всего слоя осуществляется за несколько часов.

В качестве полимерной композиции используется карбамидо-формальдегидная смола, которая имеет сравнительно невысокую стоимость и приемлема по санитарно-гигиеническим нормам для горного производства. Наблюдения показывают, что этот способ позволяет резко сократить заколообразование от действия взрыва.

Проветривание очистных забоев осуществляется сквозной вентиляционной струей за счет общешахтной депрессии.

Потери ценной руды при рассмотренной системе незначительны и составляют 2…4%.