книги из ГПНТБ / Смолдырев А.Е. Технология и механизация закладочных работ

А. Е. СМОЛДЫРЕВ

ТЕХНОЛОГИЯ

И МЕХАНИЗАЦИЯ

ЗАКЛАДОЧНЫХ РАБОТ

ИЗДАТЕЛЬСТВО «Н Е Д Р А»

М о с к в а 1974

УДК 622.273.21 : 65.011.54

Смолдырев А. Е. Технология и механизация закла­ дочных работ. М., «Недра», 1974. с. 328

Вкниге изложены основные сведения по технологии

имеханизации закладочных работ при разработке угольных и рудных месторождений. Обобщен опыт веде­ ния горных работ с закладкой выработанного прост­ ранства на предприятиях угольной и горнорудной промышленности в СССР и за рубежом.

Рассмотрены различные методы закладочных ра­ бот, описано новейшее отечественное и иностранное оборудование для самотечного, пневматического, гид­ равлического и других способов ведения закладочных работ. Приведены рекомендации по техническому выполнению и механизации закладочных работ, вклю­ чая процессы приготовления, транспортирования и возведения закладочных массивов (в том числе с при­ менением бетона). Изложены основные вопросы про­ ектирования закладочных установок.

Книга предназначена для работников горнодобы­ вающей промышленности, связанных с исследованием, проектированием и выполнением закладочных работ

вугольных и рудных шахтах.

Табл16, ил. 144, список лит. — 135 назв.

ПРЕДИСЛОВИЕ

В горной промышленности Советского Союза и главным образом на рудни­ ках цветной металлургии и угольных шахтах в значительных масштабах ведется разработка пластов и залежей с управлением горным давлением посредством закладки выработанного пространства. На рудниках цветной металлургии удель­ ный вес горных работ с закладкой выработанного пространства составляет примерно 20%, а на угольных шахтах (включая частичную закладку) — около 15%. В последнее время увеличивается объем закладочных работ в Донбассе в связи с экономической эффективностью оставления породы в шахте и отработ­ кой целиков под сооружениями.

Разработка месторождений с закладкой выработанного пространства обеспе­ чивает рост добычи за счет включения в промышленные запасы залежей со слож­ ной горно-геологической характеристикой и под сооружениями, а также за счет наиболее полного извлечения особо ценных руд. В постановлении Верховного Совета СССР «О мерах по дальнейшему улучшению охраны природы и рацио­ нальному использованию природных ресурсов» сказано: «Считать одной из важ­ нейших государственных задач неустанную заботу по охране природы и лучшем использовании природных ресурсов, строгое соблюдение законодательства об охране земли и ее недр, ...»*. Учитывая важность этих мероприятий, дальней­ шее совершенствование методов ведения горных работ с закладкой представ­ ляет актуальную задачу горной промышленности. Закладка выработанного про­ странства обеспечивает в сложных горно-геологических условиях безопасность работ, большую полноту извлечения полезных ископаемых, исключает случаи самовозгорания угля и способствует, при соответствующем уровне механизации и организации работ, эффективной отработке очистных забоев.

Следует отметить, что, хотя процесс закладки выработанного пространства принято считать одним из элементов технологии очистной выемки [1 ], для эффек­ тивной разработки месторождений с закладкой даже при использовании совре­ менных высокопроизводительных средств механизации закладочных работ при­ ходится вносить существенные изменения в общую технологию ведения горных работ.

В последние годы в Советском Союзе и за рубежом (США, Австра­ лия, страны Африки, Канада и др.) наметилась тенденция к увеличению добычи руд с закладкой в связи с переходом некоторых рудников на большие глубины и освоением новых месторождений со сложными гидрогеологическими усло­ виями.

В СССР такими месторождениями являются: Миргалимсайское, Горьевское, Сихали, Тасеевское и др. На ряде рудников (Гайский, Алтын-Топканский и др.) внедряется закладка с быстросхватывающимся (бетонным) закладочным мате­ риалом. Имеется острая необходимость в увеличении объема закладочных работ в Прокопьевско-Киселевском районе Кузбасса в связи со сложными горно-геоло­ гическими условиями разработки мощных крутых угольных пластов, в централь­ ном районе Донбасса — на крутых пластах и в других угольных бассейнах. Для Советского Союза и многих стран Европы (ПНР, Франция, ФРГ и др.)

* «Правда» от 21 сентября 1972 г.

ГЛАВА I

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ И ГОРНОТЕХНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

СЗАКЛАДКОЙ

1.Общие сведения о ведении горных работ с управлением кровлей

закладкой

Закладка выработанного пространства при разработке полезных ископаемых является одним из видов управления горным давлением. К этому способу прибегают в тех случаях, когда по горно-геологи­ ческим характеристикам применение систем разработки с обруше­ нием вызывает трудности по условиям безопасности, с точки зрения экономики (например, в настоящее время в Прокопьевско-Киселев- ском районе Кузбасса в целиках законсервировано около 850 млн. т угля), или диктуется необходимостью сохранения поверхности.

На крутых пластах Донбасса закладка выработанного простран­ ства применяется исключительно для управления горным давлением, предупреждения сдвижения боковых пород. На пологих пластах практикуется частичная закладка, с помощью которой достигается плавное опускание кровли.

По условиям залегания мощных крутых пластов и применению при их разработке закладки выработанного пространства в Куз­ бассе особо выделяется шахта «Коксовая-1», опыт которой будет освещен ниже.

При управлении кровлей закладкой должно достигаться плавное опускание кровли по мере продвижения очистного забоя и снижаться горное давление на сопряжениях выработок. Поэтому стремятся поддерживать определенное расстояние закладочного массива от забоя, не допуская чрезмерного обнажения кровли. Значительное влияние на характер опускания кровли и проявления горного давле­ ния оказывает угол падения пласта и наличие оставленной в выра­ ботанном пространстве крепи. Наиболее сложные условия управле­ ния кровлей имеют место на крутых пластах.

Большая плотность закладочного массива (за счет повышения объема пространства, занятого породой) достигается при механизи­ рованных крепях. В пологих и наклонных пластах средней

5

мощности при использовании комплексов с закладкой достигаются наилучшие условия управления кровлей. Однако вопрос о приме­ нении механизированных комплексов на крутых (особенно мощных) пластах с закладкой является проблемой, в области которой ведутся опытные работы.

При широко применяемой на шахтах Кузбасса для выемки мощ­ ных крутых пластов щитовой системе разработки потери угля соста­ вляют до 30% и более, что, кроме потерь высококачественного кок­ сующегося угля, создает опасность возникновения подземных пожа­ ров, усложняет работы на нижних горизонтах и требует проведения профилактических мероприятий.

Другой угольный район страны с мощными пластами — это месторождение Ткибули, для которого вопрос о дальнейшем совер­ шенствовании закладочного хозяйства также имеет важное значение.

В последние годы задача внедрения эффективных методов ведения горных работ с закладкой стала актуальной для Донецкого и других угольных бассейнов страны. В Донбассе применяется сплошная система разработки с управлением кровлей частичной закладкой (бутовые полосы). До последнего времени очистные работы с полной закладкой велись в небольших масштабах лишь на шахтах Цен­ трального района. Однако ввод в эксплуатацию нижних горизонтов, а также необходимость во многих случаях сохранения поверхности и повышения безопасности труда вызвали необходимость в Донец­ ком и Карагандинском бассейнах ведения горных работ с полной

ичастичной закладкой.

Внастоящее время частичная и полная закладка выработанного пространства на шахтах Донбасса применяется примерно в 13—18% забоев (в основном на пологих и наклонных пластах).

Следует отметить, что помимо Кузбасса вопрос ведения горных работ с закладкой для других угольных бассейнов связан и с реше­ нием задачи оставления в шахте пород от проведения и ремонта выработок. В СССР примерно 130 млн. т породы ежегодно напра­ вляется из шахт и обогатительных фабрик в отвалы [7].

Возникает проблема организации хозяйства для размещения породы. Наиболее эффективно, конечно, создание на шахтах сба­ лансированного породного хозяйства, при котором вся или преобла­ дающая часть шахтной породы размещается в шахте, а другая ее

часть, например, вместе с другими материалами (породой старых отвалов, хвостами и др.) направляется на закладочные комплексы.

В Донбассе в среднем на 1000 т добытого угля выдается на по­ верхность не менее 300 т породы. Основные источники получения породы в шахте: проведение выработок (по породе и с подрывкой) — до 47%, поддержание и ремонт — 50%, прочие источники — 3%. Выход породы составляет 340 т на 1000 т добычи на пологом и на­ клонном залегании, 407 т — на крутом и 210 т — на антрацитовых шахтах. В настоящее время только в Донбассе имеется около 1100 породных отвалов (из них действующих 710). Горящих отвалов около 650.

6

Трудоемкость работ по транспортированию породы от забоя до отвала на 1000 т суточной добычи составляет 28—30 чел-смен при автотранспорте, 41 чел-смен при ж.-д. транспорте и 12—15 чел-смен при канатных подвесных дорогах.

В Донбассе 80% породы выдается из шахт на поверхность и лишь около 20% оставляется в шахте. Радикальным способом сокращения объема выдаваемой из шахты породы является использование ее

вкачестве закладочного материала.

Вближайшее время можно ожидать широкого распространения метода ведения горных работ с закладкой выработанного простран­ ства при разработке руд черных металлов в связи с освоением новых месторождений, в том числе месторождений, залегающих па боль­ шой глубине (до 500—700 м) и перекрытых в значительной степени обводненными, сильнотрещиноватыми и закарстованными горными породами (некоторые месторождения Курской магнитной анома­ лии), переходом существующих рудников на большие глубины раз­ работки, а также в связи с предстоящим погашением охранных и дру­ гих целиков.

Удельный вес систем разработки с закладкой, включая системы, при которых закладка применяется для безопасного извлечения целиков или предохранения поверхности от обрушения, в общей добыче руд цветных металлов и золота подземным способом в по­ следние годы увеличивается.

В настоящее время значительно усовершенствована технология разработки рудных месторождений с применением высокопроизво­ дительных систем, в том числе с оставлением поддерживающих целиков. Однако камерно-столбовые системы разработки имеют су­ щественные недостатки — значительные потери (20—30% и более) полезного ископаемого и опасность разрушения целиков и обрушения кровли. Эти недостатки в отдельных случаях, особенно при отра­ ботке залежей ценных руд, приводят к потере значительных участков рудных полей и сокращению разведанных запасов ценнейшего мине­ рального сырья. Поэтому для избежания этого естественные целики заменяют искусственными (из различных закладочных материалов, включая бетон).

Отработка запасов руд в камерах является менее трудоемкой, чем выемка целиков. Поэтому при отработке целиков технико­ экономические показатели значительно ниже. Повышение эффектив­ ности выемки целиков при двухстадийной разработке месторожде­ ния — одна из важных проблем горнодобывающей промышленности (обычно не менее 50% запасов руды сосредоточено в целиках, выемка которых ведется во вторую стадию). Использование закладочных массивов в виде прочных целиков, создаваемых в камерах, позво­ ляет применять высокопроизводительные системы с отбойкой руды глубокими скважинами на второй стадии работ (выемке целиков). Поэтому для многих рудных месторождений, отрабатываемых ка­ мерно-столбовыми системами (Джезказганское, Миргалимсайское, Гайское и др.), освоение высокопроизводительных и дешевых

7

способов возведения искусственных целиков или заполнения пустот представляет важнейшую горнотехническую задачу.

Опыт показывает, что полная закладка выработанного простран­ ства на рудниках при выемке камер позволяет уменьшить размеры рудных целиков на 25—35% и снизить потери руды. Для снижения потерь возводят бутобетонные панельные и ыежэтажные искус­ ственные целики, а также применяют торкретирование и шприцбетон.

Для некоторых стран существенное значение приобретает вопрос безопасного ведения работ и снижения потерь угля в недрах. Так, в предохранительных целиках на шахтах ПНР (под промышлен­ ными объектами, городами и стволами шахт) законсервировано около 3,2 млрд, т угля высокого качества [8]. Здесь широко распро­ странен гидравлический метод закладки. На угольных шахтах рабо­ тает 80 закладочных установок и в шахты перемещается около 30 млн. м3 закладочного материала в год. Этому в значительной сте­ пени способствовало наличие вблизи шахт песка высокого качества, являющегося наилучшим закладочным материалом при гидравли­ ческом способе, причем песок залегает на поверхности пластом мощ­ ностью свыше 10 м и добыча его обходится дешево. Кроме того, за­ кладочный материал не требует значительной переработки перед подачей его в выработанное пространство, так как применяются пески, содержащие зерна +0,075 мм до 70%.

Из других природных материалов в чистом виде для закладки применяются: в ПНР, Франции и Канаде — гравий, в ВНР — лёсс, в ЧССР, СССР, Австрии и частично в ПНР — породы, получаемые при ведении горных работ. В отдельных случаях для гидрозакладки используются различные шлаки и летучая зола. В Японии считают, что максимальная крупность шлаков не должна превышать 50 мм, при этом усадка при давлении 150 кгс/см2 достигает 15%.

Следует отметить, что эксплуатационные потери угля в недрах (без учета охранных целиков) в каменноугольной промышленности европейских стран колеблятся от 10 до 35%. Характерен для этих стран также значительный выход пустых пород попутно с добычей угля в основном из тонких пластов. Так, в последние годы в ФРГ [9} общий объем такой породы составил примерно 60 млн. м3: из подго­ товительных выработок 14,5% , из очистных 80,7% , от ремонта выра­ боток 4,8%. Представляет интерес баланс использования породы на поверхности. Основной объем 55 млн. м3 распределяется так: отходы обогащения 82,8%, порода от различных работ 14,2%, котельный шлак и отходы стройматериалов 3%. Около 60% породы из шахт используется для закладки.

Метод ведения горных работ с закладкой выработанного про­ странства широко распространен также в горнорудной промышлен­ ности США, ГДР, ФРГ, Австралии, Индии, Финляндии и других стран.

В США, например, на рудных месторождениях удельный вес систем разработки с закладкой составляет около 10%, а систем

8

разработки с открытым выработанным пространством и полным со­ хранением поверхности — около 50%, из которых существенная часть приходится на работы с последующей закладкой.

ВФРГ вследствие того, что большинство рудных месторождений залегает в сравнительно неустойчивых породах, в которых активно проявляется горное давление, слоевыми системами разработки с за­ кладкой выработанного пространства (на две трети объема ведется механизированным способом) и камерно-столбовыми системами с по­ следующей закладкой добывается 25—30% руды.

Вряде стран (США, Канада, Финляндия и др.) увеличивается

добыча руд с закладкой в связи с переходом рудников на большие глубины разработки и освоением способов создания прочных искус­ ственных целиков.

В зависимости от степени заполнения закладочным материалом выработанного пространства закладка может быть полной и частич­ ной, а в зависимости от способов транспортирования закладочных материалов в пределах шахтного или выемочного поля к месту укладки и возведения закладочного массива различают самотечный, механический (с применением скреперов или метательных закладоч­ ных машин), гидравлический, пневматический и комбинированные (гидро-пневматические) методы закладки.

Широкое применение горных работ с закладкой при резком повы­ шении эффективности систем разработки в последние 15—20 лет стало возможно благодаря совершенствованию способов закладоч­ ных работ, основанных на методах гидравлической и пневматиче­ ской закладки.

На шахтах Кузбасса, где в основном применяют полную закладку, 90% объема работ выполняется с гидравлической закладкой.

По данным литературных источников, удельный вес угля, добываемого с гидравлической закладкой, составляет примерно: в ПНР — 45%, во Франции—20%, в ВНР—12%, в Японии — 5%. В КНР с полной, преимущественно гидравлической закладкой добывается около 17% угля. Пневматический способ закладки нахо­ дит широкое применение во Франции, Чехословакии и ФРГ. Осо­ бенно широко он применяется в ФРГ, где добыча угля этим мето­ дом закладки составляет около 20%. Во Франции и Бельгии с пневмозакладкой добывается 10—20% угля. На долю самотечной закладки (без использования пневмотранспортных устройств) прихо­ дится примерно 20%.

В горнорудной промышленности Советского Союза и других стран примерно до 60—80% от общих объемов закладочных работ прихо­ дится на гидравлический и комбинированный (в том числе бетонный) методы закладки.

О масштабах применения гидравлического метода в горно­ рудной промышленности отдельных стран можно судить по сле­ дующим данным: в Австралии добывается более 30% руды в зо­ лотых рудниках, в Канаде 70% руды — в свинцово-цинковой промышленности.

9