Исследование геомеханических процессов при подземном складировании хвостов обогащения

© А.В. Зинченко, С.Н. Серышев, 2003

YAK 539.3:53.087:622.34

А.В. Зинченко, С.Н. Серышев

ИССЛЕАОВАНИЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ПОАЗЕМНОМ СКЛААИРОВАНИИ ХВОСТОВ ОБОГАЩЕНИЯ

Современные тенденции

развития горного производства направлены главным образом на применение систем разработки с твердеющей закладкой или закладкой повышенной плотности (пастообразная закладка). Однако экономические соображения в отдельных случаях приводят к возникновению нестандартных технологических решений, которые отклоняются от общего вектора развития горной технологии. Примером таких решений является утилизация отходов горного производства и других отраслей промышленности путем складирования в отработанные горные выработки.

В большинстве случаев закладка выработанного пространства не только снижает затраты на поддержание выработанного пространства и управление горным давлением, но и обеспечивает существенный экономический выигрыш за счет утилизации разнообразных отходов. Последнее утверждение в наибольшей степени справедливо для гидравлической закладки.

Основной проблемой технологии складирования хвостов в выработанном пространстве и главным недостатком технологии является опасность прорыва закладки в горные выработки. При высоком содержании воды в закладываемом материале наиболее перспективным направлением решения этой проблемы является управление внешними нагрузками и несущей способностью элементов системы разработки и ограждающих сооружений. Учитывая вышеизложенное, на первый план выходит вопрос безопасности ведения горных работ.

В 1997-2002 гг. ОАО «Комбинат КМАруда» провел опытноэкспериментальные работы по

заполнению текущими хвостами обогащения двух из более чем 400 отработанных камер. Всего в обе камеры было подано 375 тыс. м3 пульпы и уложено 75,5 тыс. м3 (117 тыс. т) твердых хвостов. Для изоляции горных работ от закладываемого материала сооружены три изолирующих перемычки, которые представляют собой комплект изогнутых стальных двутавровых балок, расположенных в бетонном теле. Перемычки опираются на породу в пределах верхнего и нижнего врубов, боковые врубы отсутствуют.

Для получения фактических данных о характере напряженно-деформированного состояния породного массива и изолирующих перемычек на опытном участке разработана система геоме-ханического контроля, включающая комплекс методов и средств наблюдения. Система позволяет эффективно осуществлять периодический контроль порового давления в закладочном массиве и контроль деформирования бетона тела перемычек, а также получить данные о формировании давления в массиве хвостов.

Основными целями натурных наблюдений и исследований является обеспечение безопасности ведения горных работ, а также обеспечение надежной и долговременной работы перемычек.

Задачи натурных наблюдений:

а) контроль за состоянием и работой перемычек в период строительства и опытного заполнения камер хвостами обогащения;

б) контроль за состоянием и работой перемычек во время постоянной эксплуатации;

в) исследования для получения натурных данных по конкретным вопросам проектирования и строительства (длительно-

сти действия и характер формирования нагрузок на перемычку при дренаже воды из камер, установление фактического деформированного состояния).

Состав системы наблюдений выбран исходя из решения задач наблюдений и предусматривает наличие подсистем, предназначенных для:

1) контроля порового давления воды в камере и выработках горизонта-125 м;

2) контроля деформированного состояния перемычек;

3) контроля степени консолидации закладочного массива.

Подсистема контроля порового давления воды в камере и выработках горизонта -125 м предусматривает размещение 3 датчиков порового давления в каждой камере на глубине 20, 30 и 40 м (рисунок) от проектного уровня закладки в камере. В заполняемых выработках горизонта -125 м предусмотрены датчики порового давления непосредственно за каждой перемычкой и в орту скрепирования между камерами. Применены измерительные струнные преобразователи давления ПДС-30, вторичный измерительный прибор - периодомер цифровой портативный ПЦП-1. Система измерений дублируется манометрами с диапазоном измерения до 3 МПа. Подсистема контроля позволяет надежно определить величину остаточных напоров в закладочном массиве, распределение давления воды в теле закладочного массива, величину гидростатического давления на перемычки и междука-мерные целики.

Для контроля деформаций бетона в тело каждой перемычки закладываются преобразователи линейных деформаций струнные типа ПЛДС-4ОО с пределами измерения от 2х10-3 при сжатии до 5х10-4 при растяжении. В каждой перемычке устанавливается комплект из 3 рабочих датчиков.

Для контроля деформаций бетона на свободной поверхности каждой перемычки и для контроля деформаций поверхности массива у перемычек П1 и П3 установлены преобразователи линейных деформаций струнные типа ПЛДС-400. Всего установ-

120,0 116, 239, 309, 323)

2

2

1

лено 4 дополнительных датчика на перемычке 3, 4 дополнительных датчика на перемычке 2 и 2 дополнительных датчика на перемычке 1.

Для контроля общего давления хвостов применены измерительные струнные преобразователи напряжений грунта ПНГС-10 (диапазон измерений до 1,0 МПа). Датчики ПдС-10 и ПНГС-10 устанавливались попарно комплектами в каждой камере на отметках -67,5м (рис. 1). Датчики и соединительные кабели закреплены на стальных тросах и опущены в камеры из выработок горизонта -71 м.

Периодические наблюдения на оборудованных станциях и их анализ осуществлял ФГУП ВИОГЕМ.

Всего проведено 70 полных рабочих циклов контроля. Промежутки между циклами наблюдений составляют от 1 суток до 1 месяца.

По результатам наблюдений выполнено исследование геоме-ханических процессов при подземном складировании хвостов обогащения на основе теоретических, лабораторных и промышленных экспериментов.

Основные результаты и практические выводы заключаются в следующем.

1. В условиях опытного участка гидрозакладки шахты им. Губкина выполнена наблюдательная станция, позволяющая контролировать деформации бетонного тела перемычек, поровое и общее давление закладываемых хвостов. Наблюдательная станция показала работоспособность в течение 5 лет.

2. Существует слабая (коэффициенты корреляции до 0.8) обратно пропорциональная зависимость между коэффициентом фильтрации хвостов и приложенным давлением.

3. Наилучшей оценкой

Схема расположения датчиков порового давления и преобразователей напряжений грунта (* и ♦ - места установки датчиков с указанием горизонта установки, в скобках приведены номера датчиков, П1, П2, П3 -номера перемычек) а - разрез по оси камер, б - план горизонта -125

фильтрационных параметров хвостов являются коэффициент

водоотдачи 0.1 и коэффициент

фильтрации 5*10-5 м/с.

4. Хвосты могут рассматриваться как линейно-деформируе-мая среда при возрастании нагрузки и отсутствии знакопеременного нагружения скелета. Модуль деформации может рассматриваться постоянным при возрастании нагрузки в пределах цикла, и увеличивается при циклических нагрузках в пределах каждого последующего цикла. Величина модуля деформации по данным лабораторных испытаний составляет 15-30 МПа.

5. По данным лабораторных исследований коэффициент бокового отпора при возрастании нагрузки высушенных и повторно увлажненных хвостов стремится к 0.2, достигая стабильного значения при нагрузках на скелет 0.10-0.15 МПа, независимо от степени увлажнения.

6. По данным натурных наблюдений максимальное значение коэффициента бокового отпора равно единице и возникает на контакте поверхности хвостов и воды. При полном водонасыще-нии коэффициент бокового отпора составляет 0.4-0.6 и соответствует коэффициенту поперечных деформаций 0.3.

7. Осушение хвостов приводит к снижению коэффициента бокового отпора в соответствии с известными закономерностями механики ненасыщенных грунтов. Нулевое значение коэффициента бокового отпора и возникновение трещин в массиве хвостов достигается на глубинах 15-28 м от верхней поверхности хвостов при условии полного осушения камер.

8. Установлены существенные различия в деформировании перемычек как между собой в целом, так и в деталях по отдельным компонентам деформаций. Результаты наблюдений за фак-

тическим состоянием перемычки демонстрируют достаточно сильное расхождение с результатами расчета в соответствии с проектной концепцией.

9. Перемычки 1 и 3 имеют сходный характер деформирования: при возрастании нагрузки возникают сжимающие деформации в горизонтальном направлении, которые восстанавливаются при снижении нагрузки. Деформации имеют одинаковый знак, как в теле перемычки, так и на поверхности. В теле перемычек 1 и 3 вертикальные деформации - сжимающие при возрастании нагрузки, а на поверхности - растягивающие. При снижении нагрузки деформирование поверхностных датчиков прекращается, датчики в теле перемычки незначительно восстанавливают свои деформации, растягиваясь. Для перемычки 2 характер деформирования в поперечном направлении прямо противоположный: как внутренние, так и внешние поперечные датчики растягиваются при возрастании нагрузки и сжимаются при ее снижении. Реакция вертикальных

датчиков практически отсутствует, несмотря на незначительную тенденцию к растяжению по мере сброса нагрузки.

10. При принятой технологии складирования хвостов формирование нагрузок на перемычку происходит практически только от давления воды. Это совпадает с результатами проведенного численного моделирования.

11. Результаты регрессионного анализа свидетельствует о сильном влиянии на деформирование перемычек их конструктивных особенностей помимо давления воды и хвостов.

12. Модуль деформации бетона, его пластическое деформирование, обусловленное внешней нагрузкой, а также конструктивные особенности армирующих элементов оказывают значительно меньшее влияние на характер распределения деформаций в перемычках по сравнению с условиями опирания конструкции на массив. Наличие бетонной подушки под опорами армирующих элементов определяет перемещения конструкции в целом преимущественно в соот-

ветствии с жесткостью бетона, а не армирующих элементов.

13. Чрезвычайно сильное влияние граничных условий на характер работы конструкции приводит к требованию обеспечения адекватных и однозначных условий защемления на основных опорных поверхностях, без чего невозможно обеспечение прогнозируемого безопасного поведения конструкции.

Таким образом, на участке проведения опытно-экспериментальных работ выполнена система периодического геомеханиче-ского контроля, опробованы методики проведения шахтных наблюдений.

Установлены деформационные и фильтрационные параметры уложенных хвостов. Установлены значения и закономерности изменения бокового отпора хвостов при их укладке и осушении. Установлены закономерности деформирования бетона водоупорных перемычек, выявлена определяющая роль контактных условий на распределение деформаций в теле перемычек.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Зинченко Алексей Владимирович -научный сотрудник, ФГУП ВИОГЕМ. Серышев Сергей Николаевич -инженер, ФГУП ВИОГЕМ.

Файл: ЗИНЧЕНКО

Каталог: G:\№ работе в универе\2003г\Папки 2003\GIAB10~03

Шаблон:

C:\Users\Таня\AppData\Roaming\Microsoft\Шаблоны\Normal.do

tm

Заголовок: Современные тенденции развития горного производства на-

правлены главным образом на применение систем разработки с твердеющей за Содержание:

Автор: Zinchenko

Ключевые слова:

Заметки:

Дата создания: 14.08.2003 11:20:00

Число сохранений: 2

Дата сохранения: 14.08.2003 11:20:00

Сохранил: Гитис Л.Х.

Полное время правки: 2 мин.

Дата печати: 09.11.2008 17:22:00

При последней печати страниц: 3

слов: 1 612

знаков: 9 195