Способ возведения искусственных столбообразных целиков в россыпных шахтах криолитозоны

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для крепления выработанного пространства при подземной разработке мерзлых, в том числе техногенных россыпных месторождений Севера. Техническим результатом является совершенствование конструкции и технологии возведения искусственных целиков, снижение технологических потерь добываемых песков, получение дополнительного металла. Способ включает выполнение операций по послойной укладке в зимний период промороженного песчано-галечного геоматериала, подаваемого с поверхности через специально пробуренную скважину большого диаметра в предварительно возведенную в отработанной очистной камере передвижную опалубку с проливом водой и промораживанием естественным холодом каждого слоя. В процессе возведения целика на всю его ширину по высоте горизонтально, рядами, в разбежку укладывают отработавшие технический ресурс металлические водоводные трубы диаметром 200 мм, через которые вентилятором нагнетают холодный шахтный воздух. Общее количество подаваемого воздуха (Q), необходимое для промораживания возведенного комбинированного металло-ледопородного целика, определяют по математической формуле. 1 ил.

 

Изобретение относится к горному делу, в частности к способам крепления выработанного пространства в россыпных шахтах (РШ) Севера, в том числе при повторной отработке техногенных запасов.

Известен способ возведения ледопородных целиков в РШ криолитозоны, включающий послойное намораживание подаваемого с поверхности в зимний период песчано-галечного геоматериала с проливом водой и промораживанием естественным холодом [1] (прототип).

Основными недостатками способа являются: необходимость возведения целиков больших размеров, возможность активного промораживания только поверхностных слоев и невысокая скорость промерзания возведенного целика до низких температур по всему объему и, как следствие этого, набора им требуемых компрессионных свойств, что замедляет отработку естественного целика.

Техническими задачами изобретения являются: уменьшение размеров, совершенствование конструкции и технологии возведения целиков; повышения их несущей способности и скорости промораживания; снижение потерь полезного ископаемого; получение дополнительного металла; предотвращение деформаций земной поверхности: сокращение сроков отработки РШ; повышение безопасности ведения подземных горных работ.

Предлагается новый способ возведения искусственных столбообразных целиков в РШ криолитозоны, включающий послойную укладку в зимний период промороженного песчано-галечного геоматериала, подаваемого с поверхности через специально пробуренную скважину в предварительно возведенную в отработанной очистной камере передвижную опалубку, с проливом водой и промораживанием каждого слоя холодным воздухом, нагнетаемым вентилятором, отличающийся тем, что по мере возведения целика на всю его ширину по высоте, горизонтально, рядами, в разбежку укладывают металлические водоводные трубы, отработавшие технический ресурс, при этом для интенсификации промораживания возведенного целика на расстоянии от него с наветренной стороны по ходу вентиляционной струи сооружают временный герметичный изоляционный экран, за который в заизолированное пространство вентилятором нагнетают холодный шахтный воздух, обеспечивая его принудительное движение по уложенным трубам, а количество подаваемого воздуха (Q) и укладываемых труб (n) определяют из соотношений:

,

где: n - количество металлических труб, укладываемых в возводимый целик, шт.; ν - скорость воздуха в трубе, м/с; R - радиус трубы, м; π=3,14

,

где: V₁ - объем льда, заключенного в ледогрунтовом массиве, м³; V₂ - объем горных пород, заключенных в ледогрунтовом массиве, м³; γ₁ - плотность льда, кг/м³; γ₂ - плотность скелета горных пород, кг/м³; C₁ - удельная теплоемкость льда, Дж/(кг·°С); С₂ - удельная теплоемкость горных пород, Дж/(кг·°С); t₁ - начальная температура возведенного целика, °С; t₂ - требуемая температура промораживания целика, °С; τ - время проморозки, с; L - длина трубы, м; α - коэффициент конвективного теплообмена нагнетаемого воздуха со стенкой трубы, (α=6,16+4,19 υ) Вт/(м²·К); t_CT - температура стенки трубы, °С; t_ВОЗД - температура воздуха в трубе, °С.

Реализация способа будет способствовать решению ряда технических и экологических задач:

- обеспечит возможность возведения высокопрочных искусственных целиков в отработанных очистных камерах РШ, гораздо меньших по размеру, чем естественные, сокращая при этом время возведения и расход геоматериалов, сроки отработки шахтного поля, при высокой безопасности ведения подземных горных работ;

- обеспечит возможность скорейшей отработки ранее оставленных целиков (под защитой возведенных искусственных), обеспечивая тем самым снижение технологических потерь и получение дополнительного металла;

- обеспечит рециклинг (размещение в отработанном пространстве РШ) твердых геоматериалов, находящихся в отвалах, оставшихся после ведения вскрышных работ, а также в процессе промывки добытых песков на промывочных приборах, с освобождением земной поверхности и восстановлением естественного рельефа.

Кроме этого предотвращаются деформации (проседание) земной поверхности над отработанным шахтным полем; производится утилизация и повторное использование отслуживших технический ресурс водоводных металлических труб в качестве армирующих элементов возводимых целиков.

Введенный в формулу изобретения такой существенный признак, как укладка металлических водоводных труб в возводимый целик, позволяет:

- возводить армированные металлом искусственные целики с высокими прочностными характеристиками, гораздо меньших размеров, чем естественные, не уступающие в несущей способности:

- обеспечить активную циркуляцию холодного воздуха с высокой интенсивностью кондуктивного теплообмена по всему объему целика и, как следствие этого, в полной мере использовать естественный природный ресурс криолитозоны - холод, обеспечивая тем самым компенсацию негативных теплопритоков от замерзающей воды и высокую скорость промораживания, что в конечном итоге позволяет в короткий срок приступить к безопасной отработке ранее оставленного естественного целика в РШ.

Требуемый технический результат при реализации изобретения предполагается к тому же получить при использовании климатических и геокриологических ресурсов криолитозоны, а также горнотехнических особенностей месторождения и РШ:

- длительный зимний период с экстремально низкими температурами;

- наличие естественного холода как высокопотенциального атмосферного, так и низкопотенциального, аккумулированного горным массивом;

- круглогодичный отрицательный температурный режим в очистных камерах РШ;

- наличие легкодоступных геоматериалов из отвалов промывки песков и вскрышных пород вблизи границ шахтного поля.

Заявляемый способ поясняется чертежом (Фиг. 1), где показан участок отрабатываемого подземным способом россыпного месторождения с расстановкой всего оборудования для возведения искусственных целиков в РШ.

Условные обозначения, принятые на чертеже:

1 - земная поверхность; 2 - отработанная очистная камера РШ; 3 - сквозная вертикальная скважина; 4 - передвижная опалубка; 5 - складированный песчано-галечный геоматериал; 6 - поверхностная вентиляторная нагнетательная установка с гибким трубопроводом; 7 - теплоизолированная емкость для технической воды; 8 - водоподающая установка с насосом, трубопроводом и разбрызгивающим устройством; 9 - горизонтально уложенные металлические трубы; 10 - возведенный металло-ледопородный целик; 11 - герметичный изоляционный экран; 12 - шахтная (подземная) нагнетательная установка с вентилятором и гибким воздуховодом.

Реализацию заявляемого способа на практике осуществляют следующим образом. В период ведения добычных работ в РШ камерно-лавной системой, в зимний период с земной поверхности 1 в пределах отработанной, закрепленной временной крепью очистной камеры 2 пробуривают сквозную вертикальную скважину большого диаметра (500-600 мм) 3, под которой под землей устанавливают передвижную опалубку 4. На поверхности вблизи скважины складируют геоматериал 5 вскрышных пород или гале-эфельных отвалов, размещают нагнетательную вентиляционную установку 6 с гибким трубопроводом, теплоизолированную емкость 7 для технической воды, водоподающую установку 8 с насосом, трубопроводом и разбрызгивающим устройством.

Песчано-галечный геоматериал 5 через скважину 3 механизированным способом засыпают внутрь опалубки 4 послойно с проливом водой, подаваемой и разбрызгиваемой установкой 8, и последующим промораживанием каждого слоя атмосферным воздухом, нагнетаемым вентиляционной установкой 6. По мере возведения целика, по высоте, в разбежку на всю его ширину укладывают металлические водоводные трубы 9 диаметром не менее 200 мм, отработавшие технический ресурс. После завершения возведения металло-ледопородного целика 10 на расстоянии от него с наветренной стороны по ходу вентиляционной струи устанавливают временный герметичный изоляционный экран 11 и в заэкранированное пространство вентилятором 12 по гибкому трубопроводу нагнетают холодный шахтный воздух, обеспечивая кондуктивный теплообмен по всему объему целика между металлическими трубами и ледопородным материалом, обеспечивая тем самым ускоренное замораживание и, как следствие этого, упрочнение возведенного целика.

После набора возведенным металло-ледопородным целиком требуемых прочностных характеристик, временную крепь и экран убирают и приступают к отработке естественного целика по традиционной технологии. По мере продвижения очистных работ в РШ, по вышеописанной технологии с выполнением всех операций в требуемой последовательности возводят очередной искусственный целик.

Незакрепленное очистное пространство отработанной РШ затем может быть полностью заполнено имеющимся на поверхности геоматериалом, выполняющим роль «сухой» закладки.

Основные преимущества предлагаемого способа:

- высокая безопасность ведения подземных работ, в том числе при повторной отработке ранее оставленных естественных целиков (техногенных песков) в РШ;

- ускоренное промораживание возведенного целика по всему объему, за счет увеличения интенсивности кондуктивного теплообмена между льдопородным массивом и шахтным воздухом, нагнетаемым по металлическим трубам;

- повышенные компрессионные свойства возведенного целика, за счет наличия арматуры из металлических труб;

- дешевизна возведения, за счет использования доступных местных закладочных и связующих материалов и отработавших технический ресурс водоводных труб;

- низкие затраты на проморозку единичных слоев ледопородного материала и возведенных искусственных целиков, за счет использования естественного холода;

- несложность возведения, небольшое количество применяемого оборудования и технических операций;

- обеспечение рециклинга геоматериалов, слагающих россыпь, за счет использования вскрышных пород и хвостов промывки песков;

- отсутствие деформаций земной поверхности над отработанным шахтным полем;

- возможность поэтапной отработки ранее оставленных естественных целиков (при повторной отработке РШ), добиваясь значительного снижения технологических потерь и получения дополнительного металлла;

- восстановление естественного ландшафта, за счет размещения существующих отвалов геоматериалов переработки песков в подземном пространстве РШ;

- освобождение земной поверхности от металлолома (в виде отработавших технический ресурс водоводных труб), путем использования его в качестве армирующих элементов возводимых целиков.

Способ возведения искусственных столбообразных целиков в россыпных шахтах криолитозоны, включающий послойную укладку в зимний период промороженного песчано-галечного геоматериала, подаваемого с поверхности через специально пробуренную скважину в предварительно возведенную в отработанной очистной камере передвижную опалубку, с проливом водой и промораживанием каждого слоя холодным воздухом, нагнетаемым вентилятором, отличающийся тем, что в процессе возведения целика на всю его ширину по высоте, горизонтально, рядами, в разбежку укладывают металлические водоводные трубы, отработавшие технический ресурс, при этом для интенсификации объемного промораживания возведенного целика на расстоянии от него с наветренной стороны по ходу вентиляционной струи сооружают временный герметичный изоляционный экран, за который в изолированное пространство вентилятором нагнетают холодный шахтный воздух, обеспечивая его принудительное движение по металлическим трубам, а количество подаваемого воздуха (Q) и укладываемых труб (n) определяют из соотношений:
Q=nvπR², м³/с,
где: n - количество металлических труб, укладываемых в возводимый целик, шт.; v - скорость воздуха в трубе, м/с; R - радиус трубы, м; π=3,14

где: V₁ - объем льда, заключенного в ледогрунтовом массиве, м³; V₂ - объем горных пород, заключенных в ледогрунтовом массиве, м³; γ₁ - плотность льда, кг/м³; γ₂ - плотность скелета горных пород, кг/м³; С₁ - удельная теплоемкость льда, Дж/(кг·°С); С₂ - удельная теплоемкость горных пород, Дж/(кг·°С); t₁ - начальная температура возведенного целика, °С; t₂ - требуемая температура промораживания целика, °С; τ - время проморозки, с; L - длина трубы, м; α - коэффициент конвективного теплообмена нагнетаемого воздуха со стенкой трубы, (α=6,16+4,19υ) Вт/(м²·К); t_CT - температура стенки трубы, °С; t_ВОЗД - температура воздуха в трубе, °С.