Результат интеллектуальной деятельности: Способ упрочнения гидрозакладочного массива

Изобретение относится к горной промышленности и может использоваться при добыче минерального сырья при отработке устойчивых руд камерными системами с гидрозакладкой выработанного пространства.

Известен способ закладки отработанных камер (RU № 2367797, публ. 20.09.2009), включающий подачу смеси с различным содержанием вяжущего в отработанную камеру, в котором закладку камер смесями, содержащими вяжущие вещества, производят в нижней ее части до уровня верхней границы отработки нижележащего горизонта, далее до отметки почвы бурового горизонта закладку осуществляют смесями без вяжущих, после усадки заложенного слоя, фильтрации и испарения воды по периметру камеры в усадочную щель размещают арматурную конструкцию, в заложенном массиве вдоль стенок камеры бурят скважины до отметки, находящейся ниже верхней отметки слоя закладки в нижней части камеры, часть массива между стенками камеры и стенками скважин разрушают, в скважины вставляют арматурные стержни с превышением их над уровнем заложенного массива, затем скважины и закладочную щель заливают раствором, содержащим вяжущие, после чего верхнюю часть камеры заполняют смесью с вяжущими.

Недостатком являются большая трудоемкость работ, неопределенность в величине прочности сформированного массива, большой расход дорогостоящей арматуры.

Известен способ упрочнения закладочных массивов (RU № 2369745, публ. 10.10.2009), в котором гидрозакладку камеры мелкодисперсным материалом без вяжущих производят до отметки почвы бурового горизонта. После дренажа воды и усадки закладочного массива по периметру камеры со стороны отрабатываемых междукамерных целиков бурят в шахматном порядке: шпуры – в потолочине камеры и напротив их – скважины на всю мощность закладочного массива. Вставляют в шпуры и расклинивают анкеры, имеющие кольцо в нижней части, а в скважины опускают обсадные трубы и затем на всю глубину − арматурные стержни, концы которых подвешивают к потолочине камеры за кольца анкеров, после чего скважины и обсадные трубы заливают раствором, содержащим вяжущее. Верхнюю часть камеры до потолочины заполняют закладочным материалом без вяжущего.

Недостатком являются большая трудоемкость работ, неопределенность в величине прочности сформированного массива, большой расход дорогостоящей арматуры.

Наиболее близким является способ упрочнения поверхностей гидрозакладочных массивов (RU № 2395691, публ. 27.07.2010), включающий подачу закладочных материалов с различным содержанием вяжущих, а перед гидрозакладкой камеры до уровня вентиляционного орта мелкодисперсным материалом без вяжущих проходят на уровне бурового орта в междукамерных целиках по периметру отработанной камеры полуоткрытые выработки, в которых сооружают выступающую глухой частью в выработанное пространство деревянную крепь, и возводят в выпускных выработках дренажные перемычки, а после дренажа воды и усадки закладочного массива из сохраненной полуоткрытой выработки вдоль отрабатываемых целиков бурят ряд вертикальных и наклонных скважин на всю мощность закладочного массива, с поверхности которого в скважины опускают обсадные трубы и арматурные стержни, превышающие уровень закладочного массива, и только потом заполняют твердеющим раствором: сначала через скважины, − сохраненные полуоткрытые выработки, затем − сами скважины и в последнюю очередь − верхнюю часть камеры до ее потолочины.

Недостатком являются большая трудоемкость работ, неопределенность в величине прочности сформированного массива, большой расход дорогостоящей арматуры.

Задачей предлагаемого изобретения является расширение сырьевой базы минерального сырья вследствие увеличения прочности приконтурных участков гидрозакладочного массива, допускающей отработку междукамерных целиков.

Для решения поставленной задачи предложен способ упрочнения гидрозакладочного массива, включающий гидрозакладку камеры мелкодисперсным материалом без вяжущих, причем, после дренажа воды, усадки и дозакладки закладочного массива, при достижении влажности массива 3-7% по периметру камеры со стороны отрабатываемых междукамерных целиков через веер скважин, пробуренных в обе стороны из буровых ортов, заложенных по осевой линии целиков, начиная снизу по вертикали, в восходящем порядке инъецируют химический раствор при следующем соотношении компонентов, масс. %: кремнефтористоводородная кислота H₂SiF₆, плотностью 1,09-1,13 г/см³ – 20,4-20,7%; силикат натрия Na₂SiO₃, плотностью 1,42 г/см³ – 79,3-79,6%.

Технический результат заключается в увеличении прочности при сжатии приконтурного участка гидрозакладочного массива, допускающей отработку междукамерных целиков в целях расширения сырьевой базы и увеличения срока службы шахты.

Суть изобретения поясняется чертежами.

Фиг.1 - вертикальный (А-А) и горизонтальный в плане (В-В) разрезы камер и междукамерный целик, а также вид приконтурного участка камеры после инъецирования в гидрозакладочный массив химического раствора.

Фиг. 2 - график зависимости коэффициента фильтрации от начальной влажности гидрозакладочного массива (достоверность аппроксимации 0,96).

Способ упрочнения гидрозакладочного массива осуществляется следующим образом.

Отработанная камера 5 заполняется гидрозакладочным мелкодисперсным материалом без вяжущего. После дренажа воды, усадки и дозакладки закладочного массива по периметру отработанной камеры 5, массива 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 в приконтурную часть 4 массива инъецируется химический раствор.

Таким образом, за счет упрочненной по периметру приконтурной зоны 4 создаются устойчивые массивы, способные при отработке междукамерных целиков 3 выдержать не только вертикальное давление налегающих пород, но и боковые удары взрывных волн.

Это позволяет 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 медкодисперсного гидрозакладочного материала на основе сгущенных отходов обогащения железистых кварцитов, отобранных из камеры шахты им. Губкина.

Для обоснования оптимальной для инъецирования химического раствора влажности гидрозакладочного массива предварительно определили коэффициент фильтрации гидрозакладочного материала при разной начальной их влажности на приборе СОЮЗДОРНИИ ПКФ-СД.

График зависимости коэффициента фильтрации от начальной влажности гидрозакладочного массива (достоверность аппроксимации 0,96) приведен на фиг. 2.

Из рисунка видно, что максимальный коэффициент фильтрации, соответствующий максимальной проницаемости массива для раствора, наблюдается при начальной влажности массива 3-7%.

Изготовили пять серий образцов: В первой серии (контрольной) химический раствор в массив не инъецировали. Во второй и четвертой сериях в образцы инъецировали предварительно охлажденный до 13 0С химический раствор, который готовили смешиванием силиката натрия (ГОСТ 13078-81) плотностью 1,42 г/см3 и кремнефтористоводородной кислоты (ТУ 2332-021-88564561-2012) плотностью 1,13 г/см3 (вторая и третья серии) и 1,09 г/см3 (четвертая и пятая серии). При приготовлении раствора кислоту добавляли к силикату натрия. В третьей и пятой сериях в образцы последовательно инъецировали охлажденные до 13 0С вышеуказанные силикат натрия и раствор кремнефтористоводородной кислоты плотностью 1,13 г/см3 1,09 г/см3 соответственно. По истечении 30 суток образцы 70X70X70 мм были испытаны на прочность при сжатии на 7-тонном ручном гидравлическом прессе ПРГ-1-70.

Данные испытаний приведены в таблице 1.

Известно, 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 (Голик В.И. Оптимизация нормативной прочности твердеющих смесей при закладке пустот / ГИАБ, 1999, №3, с. 69-70.

Таким образом, из таблицы следует, что поставленная задача увеличения прочности при сжатии гидрозакладочного массива, допускающей отработку междукамерных целиков с различной высотой вертикального обнажения, достигается при инъецировании химического раствора при соотношении компонентов, масс. %:

кремнефтористоводородная кислота H₂SiF₆, плотностью 1,09-1,13 г/см³ – 20,4-20,7%; силикат натрия Na₂SiO₃, плотностью 1,42 г/см³ – 79,3-79,6%. При этом инъецирование химического раствора из смешанных компонентов увеличивает прочность искусственного массива на 62-66% по сравнению с их последовательным введением.