Оценка влияния гранулометрического состава на сжимаемость и пустотность закладочного материала

© C.B. Цирель, Ю.С. Гапонов, А.Н. Шоков, 2013

УДК 622.27.32

С.В. Цирель, Ю.С. Гапонов, А.Н. Шоков

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА НА СЖИМАЕМОСТЬ И ПУСТОТНОСТЬ ЗАКЛАДОЧНОГО МАТЕРИАЛА

Дана оценка влияния гранулометрического состава на сжимаемость и пустотность закладочного материала. Приведены результаты испытаний.

Ключевые слова: закладка выработанного пространства, бутовые полосы, гранулометрический состав, сжимаемость, закладочный массив.

В связи с необходимостью сохранения дневной поверхности, снижения потерь полезных ископаемых и предотвращения динамических явлений в настоящее время широко используются системы разработки с закладкой выработанного пространства. При разработке рудных месторождений преобладает применение твердеющей закладки, часто включающей хвосты обогащения. В угольной промышленности, например при отработке крутых и крутонаклонных угольных пластов Кузбасса, часто применяется сухая закладка рядовой породой, отбитой при проходке полевых выработок.

Одним из главных требований, предъявляемых к закладочному материалу, используемому для управления кровлей, является его жесткость. Исследования механической характеристики сухого закладочного материала [1] показали, что усадка закладочного массива существенно зависит от его гранулометрического состава. Так усадка закладочного массива из дробленой породы (средний размер 20 -30 мм) составляет порядка 30 %, а закладки из рядовой породы (средний размер 100 - 140 мм) - даже 40 - 50 %. Жесткость твердеющей закладки, существенно выше. Например, по

данным работы [2] усадка твердеющей закладки, на основе цементно-песчаной смеси, составляет всего 1015 %.

Использование пустых пород для закладки не требует создания специальных закладочных комплексов, способствует уменьшению объемов транспортирования горной массы, а также террикоников на поверхности. Но малая жесткость и высокая пус-тотность сухих закладок препятствуют их широкому применению. Основные сложности в использовании пустых пород в качестве закладочного материала связаны с трудностями их размещения в выработанном пространстве без существенного недозаклада и, главное, ее в высокой сжимаемости. Для решения этой проблемы применяются энергоемкие технологические схемы с применением метательных машин механизмов.

В первую очередь можно указать на следующие направления повышения качества закладки из разрушенных пород.

Первое и главное направление -это использование сложной композитной закладки, состоящей из разрушенных пород и жидкой твердеющей закладки (бутобетона). Основные проблемы - это усложнение техноло-

Рис. 1. Компрессионная кривая пробы №1

Рис. 2. Компрессионная кривая пробы №2

гии, а также неглубокое и нерегулярное растекание твердеющей закладки в массиве разрушенных пород.

Второе направление - это переход от бутовых полос, применяющихся главным образом для плавной посадки кровли в лавах угольных шахт [3], к сплошному закладочному массиву. Изменение геометрии закладочного массива существенно влияет на его сжимаемость. В бутовой полосе закладочный материал работает в условиях, близких к одноосному сжатию. В сплошном массиве, на расстоянии от его края (а при наличии жесткого барьера и вблизи края) - в условиях объемного нагружения (стесненной деформации). Поэтому реальная жесткость закладочного материала существенного увеличивается.

Для оптимизации процесса создания бутобетонной закладки ставится задача подбора такого гранулометрического состава разрушенной породы, чтобы он, с одной стороны, обеспечивал низкую сжимаемость, а, с дру-

гой стороны - хорошие условия растекания твердеющей закладки.

Как указывалось выше, производственные данные о применении бутовых полос указывают на существенную зависимость сжимаемости от крупности используемой разрушенной породы. В то же время из чисто геометрических соображений, очевидно, что при достаточной ширине полосы изменение крупности кусков может повлиять только на прочность и дро-бимость полосы под нагрузкой (за счет масштабного эффекта прочности), но не может столь существенно изменить сжимаемость. Некоторое сокращение сжимаемости с уменьшением крупности происходит за счет меньшего разрушения мелких фракций под нагрузкой. Поэтому основной эффект должен заключаться в управлении однородностью гранулометрического состава закладочного материала (заполнении пустот между крупными кусками более мелкими, препятствующими их разрушению или переупаковке).

На основе этих соображений были проведены испытания проб разрушенного мрамора с различным гранулометрическим составом. Представленные на рис. 1, 2 компрессионные кривые показывают существенное различие сжимаемости проб разного гранулометрического состава.

Из полученных компрессионных кривых видно, что сжимаемость пробы №1 почти втрое меньше, что при практически одинаковых средних размерах кусков связано только с ее гранулометрическим составом. Она содержит большее количество мелких

Рис. 3. Зависимость насыпной плотности и степени уплотнения (сжимаемости) от однородности дробления

фракций, что резко уменьшает пустотность.

Для оценки однородности гранулометрического состава применялся показатель n [4]:

-V x dF m

n = J Fф2dx« к2AF +Т

Xmin

где т - количество фракций, АР - доля /-той фракции, к,- - угловой коэффициент отрезка кумулятивной кривой, построенной в двойных логарифмических координатах, для ,-той фракции.

Данный показатель хорошо подходит для описания степенного, лог-нормального, Розина-Раммлера, гамма- и других распределений, используемых для описания гранулометрического состава взорванных пород. Для степенного распределения значение п равно показателю степени и прямо пропорционально обратной величине логарифма коэффициента неоднородности [5] Си = ё60 / ёю , используемого в инженерной геологии:

п = ¡ФШК

Для других распределений они связаны не столь жестко, ибо п в отличие от Си характеризует не две точки на кумулятивной кривой, а полный гранулометрический состав.

Проведенные опыты (рис. 3) показали, что объемная плотность и сжимаемость разрушенных пород (испытания проводились в условиях отсутствия боковых деформаций) существенно зависит от величины п. Как легко видеть, наблюдается резкий скачок плотности и сжимаемости в диапазоне п = 0,8-1,2. При более однородном гранулометрическом составе уплотнение составляет 15-20 %, при менее однородном -7-10 %.

Показатель однородности дробления, как показывает анализ производственных данных [6], тесно связан со степенью дробления (ёА - среднеарифметический размер кусков во взорванной породе, - среднегеометрический размер кусков). Как из рис. 4, значение п растет с увеличением степени дробления, причем диапазон, в котором наблюдается

i=2

Рис. 4. Зависимость однородности дробления от степени дробления

скачок объемной плотности и сжимаемости, находится на самом краю наблюдаемых значений и отвечает недопустимо плохому дроблению.

Тем не менее, фактически дело обстоит несколько иначе. Чтобы твердеющая закладка могла растекаться в закладочном материале, необходимо извлечь из закладочного материала наиболее мелкую фракцию (-5 мм), приводящую к кольматации при подаче твердеющей смеси и пре-

пятствующую ее растеканию. Исключение мелких фракций существенно повышает однородность грансостава разрушенной породы и значение п. Поэтому диапазон резкого изменения сжимаемости оказывается приблизительно посередине фактических диапазонов значений ёА и п при взрывной и механической отбойке. В связи с этим, чрезвычайно важно обеспечить хорошее дробление пород, используемых для закладочных работ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Способы активного управления геомеханическим состоянием массива горных пород при подземной разработке угольных месторождений России. Санкт -Петербург, 2003. - 398 с.

2. Методические указания по управлению горным давлением при сплошных системах разработки с твердеющей закладкой на рудниках Норильского ГМК. - Л., ВНИМИ, 1987. - 126 с.

3. Нешитин Б.М., Курченко Э.П., Афанасьев Б.Б. Технология оставления породы в погашаемых выработках // Уголь, 1990, №3. С.30.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

4. Цирель С.Б. К расчету коэффициента разрыхления горной массы // Горный журнал, 1995, №2.

5. ГОСТ 8269.0-97 «Щебень и гравий из плотных горных пород и отходов промышленного производства для строительных работ. Методы физико-механических испытаний (с Изменениями №1, 2)».

6. Цирель С.Б. Методы расчета свойств разрушенной горной массы и регулирование параметров развала при ведении взрывных работ: Дис. ... д-ра тех. наук- М., 1998. Е2Э

Цирель Сергей Бадимович - доктор технических наук, старший научный сотрудник, главный научный сотрудник, tsirel58@mail.ru

Шоков Анатолий Николаевич - аспирант, инженер, ntl2000@yandex.ru Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

Гапонов Юрий Сергеевич - аспирант, инженер, Институт Гипроникель, tsirel58@mail.ru