Способ разработки многолетнемерзлых месторождений с закладкой выработанного пространства

 

Изобретение относится к области горного дела и может быть использовано при подземной разработке месторождений в многолетнемерзлых породах (в зоне вечной мерзлоты) системами с закладкой выработанного пространства при формировании закладочного массива (искусственного целика). Сущность изобретения: способ подземной разработки многолетнемерзлых месторождений включает образование первичных очистных выработок, подачу в выработанное пространство заполнителя, вяжущего материала и охлажденного воздуха, при этом в выработанное пространство подают хладагент с необходимой температурой, определяемой по формуле t_x = к•ν•δ/τ•α, где δ - толщина слоя замораживаемой воды искусственного массива, м; τ - время замораживания слоя воды, с; α - коэффициент конвективного теплообмена, Вт/(м²•град); ν - скрытая теплота кристаллизации воды, Дж/м³; к - коэффициент, учитывающий время охлаждения воды до 0^oС и замораживания льда до устойчивого состояния массива; t_x - температура хладагента, ^oС. При этом вначале подают хладагент, а затем рассеивают охлажденную воду в количестве, определяемом по формуле M_в=М_n•[(-t_x)-4]/4•t_в+328, где М_n - масса хладагента (дробленой породы), кг; M_в - масса воды, кг; t_в - начальная температура воды, град; t_x - начальная температура хладагента (породы), град. Изобретение обеспечивает высокую эффективность подземной разработки многолетнемерзлых месторождений за счет устойчивого закладочного массива в заданные сроки с увязкой с технологией разработки многолетнемерзлых пород, что позволяет добывать полезное ископаемое высокопроизводительными и высокомеханизированными системами с максимальными показателями извлечения из недр. 1 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области горного дела и может быть использовано при подземной разработке месторождений в многолетнемерзлых породах (в зоне вечной мерзлоты) системами с закладкой выработанного пространства при формировании закладочного массива (искусственного целика). Более 70% полезных ископаемых России находятся в условиях криолитозоны, в которой сосредоточены огромные запасы угля, железа, драгоценных и редких металлов.

Известен способ возведения искусственных целиков и закладочных массивов при разработке месторождений подземным способом с закладкой выработанного пространства (см. Технологическая инструкция по производству закладочных работ на рудниках Норильского комбината // Минцветмет СССР, ВПО Союзникель. - Норильск, 1981, 41 с.).

Недостатком способа является сложность и трудоемкость работ по возведению искусственного закладочного массива, заключающаяся в необходимости строительства металлоемких закладочных комплексов и сложности создания закладочных смесей устойчивых к отрицательным температурам.

Наиболее близким техническим решением является технология разработки месторождений с формированием намораживаемой породной закладки в выработанном пространстве (см. Красных С.Н. Опытно-промышленные испытания намораживаемой породной закладки выработанного пространства // Цветная металлургия, 1985, 7, с.13-15).

Недостатком этого технического решения является то, что при формировании закладочного массива не вскрыт механизм замораживания, который позволял бы увязать время очистных работ с периодом набора закладочным массивом необходимой прочности. Поэтому при использовании высокопроизводительной техники и большом объеме добычи руд закладочные работы отстают от очистных работ.

Цель изобретения заключается в управлении формированием закладочного массива, позволяющем обеспечить высокую адаптивность закладочных работ к эффективным технологиям подземной добычи полезных ископаемых.

При разработке месторождений системами с закладкой выработанного пространства в условиях вечной мерзлоты в качестве твердеющей закладки наиболее целесообразно применять воду или воду с твердыми отходами горного производства. В этом случае формировать закладочный массив необходимо в рациональном режиме, то есть в таком, при котором толщину закладочного массива и время, необходимое для набора требуемой прочности, увязывают с технологией очистных работ и в зависимости от теплофизических свойств воды, применяемых хладагентов (воздух, пустые породы отвалов, "хвосты" обогатительных фабрик и другое) и их первоначальных температур.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе образования искусственного закладочного массива, включающем образование первичных очистных выработок, подачу в выработанное пространство заполнителя, вяжущего материала и охлажденного воздуха, вначале определяют значение (величину) температуры хладагента для получения закладки необходимой прочности за технологически заданный период времени по формуле: t_x = к•ν•δ/τ•α (1) где δ - толщина слоя замораживаемой воды искусственного массива, м; τ - время замораживания слоя воды, с; α - коэффициент конвективного теплообмена, Вт/(м²•град); ν - скрытая теплота кристаллизации воды, Дж/м³; к - коэффициент, учитывающий время охлаждения воды до 0^oС и замораживания льда до устойчивого состояния массива; t_x - температура хладагента, ^oС.

Полученная зависимость выполнена применительно к следующим условиям применения: конечная температура закладочного массива (целика) - не более минус 4^oС; коэффициент, учитывающий время охлаждения воды до 0^oС и замораживания льда до устойчивого состояния массива к=1,2; коэффициент конвективного теплообмена α= 6-12 Вт/(м² •град); скрытая теплота кристаллизации воды ν= 0,33•10⁹ Дж/м³; коэффициент температуропроводности воды λ=0,13 м²/с, толщина единичного слоя воды δ_o - не более 0,2 м.

Кроме того, поставленная цель достигается тем, что для принятых ограничений, исходя из закона сохранения энергии, определяют предельное соотношение между массой воды и массой хладагента по формуле: где М_n - масса хладагента (дробленой породы), кг;
M_в - масса воды, кг;
t_в - начальная температура воды, град;
t_x - начальная температура хладагента (породы), град.

Способ осуществляется следующим образом.

Рассмотрим вариант разработки месторождения камерной системой, включающей образование первичных очистных выработок (камер, слоевых штреков), заполнение первичных выработок закладкой, отработку междукамерных целиков после набора закладочным массивом необходимой прочности. В случае формирования ледяного массива целик создают слоями определенной единичной мощности, последовательно слой за слоем. Следует отметить особенность замораживания ледяного (льдопородного) массива, которая заключается в том, что время замораживания не зависит от мощности рудного тела, так как слой воды замерзает за один и тот же период времени при различной площади камеры. Другими словами, время замораживания зависит от толщины единичного слоя (при прочих равных условиях температур хладагентов, воды, горного массива и пр.), но не от его площади.

Например, отработка горизонтального слоя выполняется очистными штреками высотой 2,2 м. Для обеспечения замораживания за технологически необходимый период времени, например, за 50 дней, температура хладагента (в соответствии с принятыми условиями и формулой 1) должна быть не более минус 20^oС. Если по технологическим причинам необходимо сократить срок замораживания, например до 40 дней. Согласно принятым условиям и изложенным выше расчетам в этом случае необходимо использовать хладагент с температурой минус 25^oС. Таким образом, меняя параметры единичного слоя замораживаемой воды, температуры хладагента или время замораживания, можно управлять процессом формирования закладочного массива в соответствии с конкретными технологическими требованиями.

В случае применения льдопородной закладки в качестве материала для создания искусственного массива технологические операций практически остаются теми же, что и в рассмотренном выше случае. Особенностью в данном случае является следующая последовательность формирования искусственного массива: вначале отсыпают дробленый материал из пустых пород с отрицательной температурой в соответствии с формулой 1, затем на него рассеивают охлажденную воду в количестве, определяемом по формуле 2, превышение которого для данных условий приводит к созданию массива с неравномерной прочностью. Следовательно, использование полученных зависимостей обеспечивает создание устойчивого закладочного массива в заданные сроки с увязкой с технологией разработки многолетнемерзлых пород. Это, в конечном счете, позволяет добывать полезное ископаемое высокопроизводительными и высокомеханизированными системами с максимальными показателями извлечения из недр. Безусловным условием выполнения вышеизложенных требований относится к добыче руд ценных и благородных металлов.

Формула изобретения

1. Способ подземной разработки многолетнемерзлых месторождений, включающий образование первичных очистных выработок, подачу в выработанное пространство заполнителя, вяжущего материала и охлажденного воздуха, отличающийся тем, что в выработанное пространство подают хладагент с необходимой температурой, определяемой по формуле
t_x = к•ν•δ/τ•α,
где δ - толщина слоя замораживаемой воды искусственного массива, м;
τ - время замораживания слоя воды, с;
α - коэффициент конвективного теплообмена, Вт/м²•град.;
ν - скрытая теплота кристаллизации воды, Дж/м³;
к - коэффициент, учитывающий время охлаждения воды до 0^oС и замораживания льда до устойчивого состояния массива;
t_x - температура хладагента, ^oС.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что вначале подают хладагент, а затем рассеивают охлажденную воду в количестве, определяемом по формуле

где М_n - масса хладагента (дробленой породы), кг;
M_в - масса воды, кг;
t_в - начальная температура воды, град.;
t_x - начальная температура хладагента (породы), град.