Способ упрочнения гидрозакладочного массива

УДК 622.02:531

СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ ГИДРОЗАКЛАДОЧНОГО МАССИВА

Е.А. Ермолович, С.В. Донецкий, О.В. Ермолович

Разработан способ упрочнения гидрозакладочного массива, сформированного из сгущенных отходов обогащения железистых кварцитов. После дренажа воды, усадки и дозакладки отработанной камеры, при достижении влажности массива 3-7 % по периметру камеры со стороны отрабатываемых междукамерных целиков через веер скважин с помощью забивных инъекторов инъецируют химический раствор. Это позволяет существенно улучшить прочность массива при сжатии (до 10МПа) и даст возможность отрабатывать междукамерные целики в целях расширения сырьевой базы.

Ключевые слова: гидрозакладочный массив, инъецирование, химические растворы, сгущенные отходы обогащения, прочностные свойства, силикат натрия

Анализ мирового опыта подземной разработки месторождений показывает, что до 35 % рудников применяют системы разработки с закладкой выработанного пространства. Это связано с углублением горных работ, усложнением горно-геологических условий при подземной разработке месторождений полезных ископаемых, а также с борьбой за полноту извлечения [1].

Рядом достоинств обладает гидравлическая закладка, сущность которой заключается в переносе по трубопроводам тонкодисперсных частиц отходов обогащения водным потоком к отработанным камерам. Применение гидравлической закладки отличается высокой производительностью труда, хорошим заполнением пустот, снижением затрат в сравнении с механическим способом, а главное отличие - в решении экологических проблем за счет утилизации отходов обогащения. Однако, поскольку отходы обогащения подаются в подземные камеры без вяжущего вещества, использование гидрозакладки не позволяет отрабатывать целики, в которых остается до 60% полезного ископаемого [2]. Поэтому актуальной становится проблема упрочнения искусственных гидрозакладочных массивов.

Известные в настоящее время способы упрочнения гидрозакладочных массивов [3-5] требуют проведения работ в выработанном пространстве до его закладки и подразумевают использование металлической арматуры (обсадные трубы, анкеры, стержни, металлические тросы и прочее). Способы упрочнения гидрозакладочных массивов с использованием металлических элементов имеет ряд недостатков, к которым можно отнести коррозию металла обсадных труб, что негативно сказывается на геомеханических процессах, а также трудоемкость работ и большой расход дорогостоящей арматуры. К тому же такие методы снижают безопасность работ, требуя присутствия людей в выработанном пространстве при размещении металлических элементов.

В то же время для упрочнения и улучшения грунтов и горных пород при подземной разработке месторождений, сооружении подземных конструкций и фундаментов, дорожном строительстве широко используются твердеющие растворы [6-8].

Упрочнение твердеющими растворами грунтов и горных пород -это технология, при которой в массив вводятся материалы, чтобы изменить его физические свойства [9]. Следует подчеркнуть, что выбор материалов сильно зависит от типа грунта или породы и цели проекта [10].

Например, предполагается, что портландцемент подходит для обработки кальциевых глин с низким показателем пластичности (менее 25), тогда как натриевые бентониты и водородные глины лучше реагируют на стабилизацию известью [11].

Установленные авторами зависимости [12, 13] позволили спрогнозировать физические свойства гидрозакладочного массива и разработать эффективные способы направленного воздействия, позволяющие изменять его состояние для создания экологически рациональных технологий разработки. На основании выполненных исследований и полученных результатов проницаемости массива в качестве упрочняющего раствора был выбран раствор силиката натрия с кремнефтористоводородной кислотой в качестве отвердителя.

Способ упрочнения гидрозакладочного массива осуществляется следующим образом (рисунок).

Отработанная камера (5) заполняется гидрозакладочным мелкодисперсным материалом без вяжущего. После дренажа воды, усадки и дозак-ладки закладочного массива, при достижении влажности массива 3-7% по периметру отработанной камеры (5), в междукамерных целиках (3) по осевой линии проходятся буровые орты (1) снизу вверх примерно на расстоянии 20 м по вертикали друг под другом. В обе стороны из буровых ортов бурятся веерные скважины (2), через которые, начиная снизу по вертикали, в восходящем порядке с помощью забивных инъекторов в приконтурную часть (4) массива инъецируется химический раствор при следующем соотношении компонентов, массовых %: кремнефтористоводородная кислота И281Р6, плотностью 1,09-1,13 г/см - 20,4-20,7 %; силикат натрия Ка2БЮ3, плотностью 1,42 г/см - 79,3-79,6 %.

Таким образом, за счет упрочненной по периметру приконтурной зоны создаются устойчивые массивы, способные при отработке междукамерных целиков выдержать не только вертикальное давление налегающих пород, но и боковые удары взрывных волн.

Это позволит существенно улучшить прочность массива при сжатии и даст возможность отрабатывать междукамерные целики в целях расширения сырьевой базы.

Для проверки работоспособности предлагаемого способа была изготовлена модель гидрозакладочного массива с влажностью 5 % из медко-дисперсного гидрозакладочного материала на основе сгущенных отходов

обогащения железистых кварцитов, отобранных из камеры шахты им. Губкина.

Разрез А-А (вертикальный) _4

Вид С

Схема упрочнения гидрозакладочного массива: 1 - буровые орты; 2 - инъекционные скважины; 3- междукамерный целик; 4 - закрепленная часть массива; 5 - выработанное и заложенное пространство

Изготовили пять серий образцов. В первой серии (контрольной) химический раствор в массив не инъецировали.

Во второй серии в образцы гидрозакладочного массива инъецировали предварительно охлажденный до +13°С химический раствор, который готовили смешиванием силиката натрия [14] плотностью 1,42 г/см и раствора кремнефтористоводородной кислоты (ТУ 2332-021-88564561-2012) плотностью 1,13 г/см . При приготовлении раствора кислоту добавляли к силикату натрия.

В третьей серии в образцы последовательно инъецировали охлажденные до 13 °С вышеуказанные силикат натрия и раствор кремнефтори-

3 3

стоводородной кислоты плотностью 1,42 г/см и 1,13 г/см соответственно.

В четвертой и пятой сериях использовались охлажденные до +13 °С силикат натрия плотностью 1,42 г/см и раствор кремнефтористоводород-ной кислоты плотностью 1,09 г/см . При этом в четвертой серии аналогично первой серии в образцы инъецировали смешанный раствор, состоящий из обоих компонентов - отвердителя и крепителя. В пятой серии в образцы последовательно инъецировали сначала крепитель - силикат на-

трия, затем отвердитель - кремнефтористоводородную кислоту.

По истечении 30 суток образцы 70Х70Х70 мм были испытаны на прочность при сжатии на 7-тонном ручном гидравлическом прессе ПРГ-1-70. Данные испытаний приведены в таблице.

Экспериментальные данные

№ серии Количество И281Е6, % по массе / плотность, г/см3 Количество N28103, % по массе/ плотность, г/см3 Температура раствора, С Время геле-образования, мин. Предел прочности при сжатии в возрасте 30 суток, МПа

1 (контрольная) 0 0 - - 0

2 20,7/1,13 79,3/1,42 13 50 5,91

3 20,7/1,13 79,3/1,42 13 50 5,04

4 20,4/1,09 79,6/1,42 13 50 10,33

5 20,4/1,09 79,6/1,42 13 50 6,21

Известно [15], что при высоте искусственного массива более 60 м, закладка должна обладать прочностью 6-7 МПа и более. Соответственно меньшая прочность закладки позволяет вертикальную высоту обнажения менее 60 м.

Анализ полученных результатов доказывает, что разработанный способ упрочнения закладочного массива позволяет увеличить прочность при сжатии гидрозакладочного массива на основе сгущенных отходов обогащения путем инъецирования химического раствора в массив при соотношении компонентов в % по массе: кремнефтористоводородная кислота И^Б^ плотностью 1,09-1,13 г/см - 20,4-20,7 %; силикат натрия Ка2БЮ3, плотностью 1,42 г/см - 79,3-79,6 %. При этом инъецирование химического раствора из смешанных компонентов увеличивает прочность искусственного массива до 66 % по сравнению с их последовательным введением.

Список литературы

1. Хайрутдинов М.М. Пути совершенствования системы разработки с закладкой выработанного пространства // Горный журнал. 2007. № 11. С. 40-43.

2. Ресурсовоспроизводящая безотходная геотехнология комплексного освоения месторождений Курской магнитной аномалии / С. Г. Лейзерович, И. И. Помельников, В. В. Сидорчук, В. К. Томаев //под ред. Каплунова Д. Р. М.: Горная книга, 2012. 547 с.

3. Способ закладки отработанных камер: пат. 2367797. РФ. МПК E21F 15/00; опубл. 20.09.2009. Бюл. № 28.

4. Способ упрочнения гидрозакладочных массивов: пат. 2369691. РФ. МПК E21F 15/00; опубл. 10.10.2009. Бюл. № 28.

5. Способ упрочнения поверхностей гидрозакладочных массивов: пат. 2395797. РФ. МПК E21F 15/00; опубл. 27.07.2010. Бюл. № 21.

6. Wanghua Sui, Jinyuan Liu, Wei Hu, Jianfeng Qi, Kaiyu Zhan Experimental investigation on sealing efficiency of chemical grouting in rock fracture with flowing water // Tunnelling and Underground Space Technology. 2015. Volume 50. Р. 239-249.

7. Tiwari S. K., Kumawat N. K. Recent developments in ground improvement techniques - a review // International Journal of Recent Development in Engineering and Technology. 2014. Volume 2 (3). Р. 67-77.

8. Brajesh Mishra A study on ground improvement techniques and its applications // International Journal of Innovative Research in Science, Engineering and Technology. 2016. Volume 5 (1). Р. 72-86.

9. Reuben H. Karol Chemical Grouting and Soil Stabilization //CRC Press, 3rd edition, 2003. 536 p.

10. Wang Yixuan A study on chemical stabilization of Oil Sands Mature Fine Tailings. 2017. Electronic Thesis and Dissertation Repository. 4937.

11. Das Braja M. Fundamentals of geotechnical engineering. 4th (fourth) edition // Cengage Learning, Technology & Engineering. 2012. 656 p.

12. Ермолович Е.А., Донецкий С.В., Ермолович О.В. Направленные изменения свойств гидрозакладочного массива // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2018. № 2. С. 201-211.

13. Ермолович Е.А., Донецкий С.В., Ермолович О.В. Влияние фло-кулянтов на выбор способа закрепления гидрозакладочного массива // ГИ-АБ. 2016. № 10. С. 201-211.

14. ГОСТ 13078-81. Стекло натриевое жидкое. Технические условия. М.: ФГУП Стандартинформ, 2006. 15 с.

15. Голик В.И. Оптимизация нормативной прочности твердеющих смесей при закладке пустот // ГИАБ. 1999. №3. С. 69-70.

Ермолович Елена Ахмедовна, д-р техн. наук, проф., elena.ermolovich@mail.ru, Россия, Белгород, Белгородский государственный национальный исследовательский университет,

Донецкий Сергей Владимирович, асп., donetskiy@,bsu.edu.ru, Россия, Белгород, Белгородский государственный национальный исследовательский университет,

Ермолович Олег Вячеславович, председатель наблюдательного совета, oleg.ermolovich@mail.ru, Россия, Белгород, ООО «Торговый дом «Карина»

METHOD FOR STRENGTHENING OF HYDRAULIC STOWAGE MASSIF E.A. Ermolovich, C.V. Donetskiy, O.V. Ermolovich

A method for strengthening of hydraulic stowage massif formed from concentrated ferruginous quartzite beneficiation tailings, thickened by flocculants, f is developed. After water drainage. setting of filling mass and additional filling of developed chambers, when the moisture content of the massif reaches 3-7%, along chamber perimeter from the side of inter-chamber sight pillars fan wells are drilled. Through these wells, a chemical solution is injected with driven injector. This method makes it possible to improve the compressive strength of the massif (up to 10 MPa) and will allow the development of interchamber pillars for expanding the raw material base.

Key words: hydraulic stowage massif, injection, chemical solutions, thickened tailings, strength properties, sodium silicate.

Ermolovich Elena Akhmedovna, Doctor of Technical Science, Professor of department of applied geology and mining, elena.ermolovich@,mail.ru, Russia, Belgorod, Belgorod National Research University,

Donetskiy Sergey ladimirovich, Post-Graduate Student of the department of applied geology and mining, donetskiy@ bsu.edu.ru, Russia, Belgorod, Belgorod National Research University,

Ermolovich Oleg Vjacheslavovich, Vice Chairman of the Supervisory Board, oleg.ermolovich@mail.ru, Russia, Belgorod, LLC Trading House "Karina"

Reference

1. Khayrutdinov M.M. Ways to improve the development system with the laying of worked-out space // Mining Journal. 2007. № 11. P. 40-43.

2. Resource-reproducing wasteless geotechnology for the integrated development of the Kursk magnetic anomaly deposits / SG Leizerovich, II Pomelnikov, VV Sidorchuk, VK Tomaev // ed. Kaplunova DR M: The Mountain Book, 2012. 547 p.

3. Method of laying out the used chambers: Pat. 2367797. RF. IPC E21F 15/00; publ. 20.09.2009. Bul. № 28.

4. Method of hardening of hydraulic packing arrays: Pat. 2369691. RF. IPC E21F 15/00; publ. 10.10.2009. Bul. № 28.

5. Method for hardening the surfaces of hydraulic packing arrays: Pat. 2395797. RF. IPC E21F 15/00; publ. 27.07.2010. Bul. No. 21.

6. Wanghua Sui, Jinyuan Liu, Wei Hu, Jianfeng Qi, Kaiyu Zhan Experimental investigation on the efficiency of chemical grouting in rock fracture with flowing water // Tunneling and Underground Space Technology. 2015. Volume 50. P. 239-249.

7. Tiwari S. K., Kumawat N. K. Recent developments in ground im-provement techniques - a review // International Journal of Recent Development in Engineering and Technology. 2014. Volume 2 (3). R. 67-77.

8. Brajesh Mishra A study on ground improvement techniques and its applications. International Journal of Innovative Research in Science, Engi-neering and Technology. 2016. Volume 5 (1). R. 72-86.

9. Reuben, H., Karol, Chemical Grouting and Soil Stabilization, CRC Press, 3rd edition, 2003.536 p.

10. Wang Yixuan A study on the chemical stabilization of Oil Sands Ma-ture Fine Tailings. 2017. Electronic Thesis and Thesis Repository. 4937.

11. Das Braja M. Fundamentals of geotechnical engineering. 4th (fourth) edition // Cengage Learning, Technology & Engineering. 2012. 656 p.

12. Ermolovich EA, Donetsk SV, Ermolovich OV Directional changes in the properties of the water-bearing massif // Izvestiya Tula State University. Earth sciences. 2018. № 2. P. 201-211.

13. Ermolovich EA, Donetsk SV, Ermolovich OV Influence of flocculants on the choice of the method of fixing the hydrorefilling array // GIAB. 2016. No. 10. pp. 201-211.

14. GOST 13078-81. Sodium liquid glass. Technical conditions. Moscow: FGUP Standartinform, 2006. 15 p.

15. Golik V.I. Optimization of the normative strength of hardening mixtures when laying voids // GIAB. 1999. №3. Pp. 69-70.

УДК 622.4

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОВЕТРИВАНИЯ ПАНЕЛЕЙ ГИПСОВОЙ ШАХТЫ ЭЖЕКТОРНЫМИ

УСТАНОВКАМИ

Б.П. Казаков, М.А. Семин, С.В. Мальцев

Разработана численная модель для расчета трехмерного течения воздуха в выработке с эжекторной установкой, работающей без перемычки. Проведен анализ закономерностей распределения скоростей и давления воздушного потока в окрестности работающей эжекторной установки. Модель использована для расчета напора, создаваемого эжекторной установкой в выработках широкого сечения шахты «Кнауф Гипс Новомосковск». Определены места размещения эжекторной установки и камеры смешения в сечении выработки, позволяющие добиться максимизации создаваемого ей напора. Камеру смешения следует устанавливать на расстоянии 0-1 м от выходного сечения вентилятора. Размещение эжекторной установки в центре сечения выработки является наиболее эффективным и позволяет увеличит напор на 35 %.

Ключевые слова: вентиляция шахт, гипсовая шахта, эжекторная установка, численное моделирование, ЛЫ^У^ШеМ, напорная характеристика.

Введение

Шахта ОАО «Кнауф Гипс Новомосковск» с 1949 года ведет разработку Новомосковского месторождения гипса, расположенного в 70 км юго-восточнее г. Тулы. Схема проветривания шахты - центральная. Способ проветривания - нагнетательный. Свежая струя воздуха поступает от главной вентиляторной установки, состоящей из двух вентиляторных агрегатов: первый агрегат-В0Д-30М, второй агрегат - В-УПДТ-2,4М, расположенных на клетевом стволе. Далее по выработкам околоствольного двора направляется на проветривание камер служебного назначения и очистных камер, расположенных на панелях восточного направления. Исходящая