Закладка выработанного пространства

ЗАКЛАДКА ВЫРАБОТАННОГО ПРОСТРАНСТВА (а. stowing, filling; н. Versatz, Bergversatz, Versatzung; ф. remblayage; и. relleno) — совокупность процессов по заполнению подземного выработанного пространства шахт закладочными материалами.

Закладка выработанного пространства применяется для управления горным давлением, снижения потерь полезных ископаемых в недрах, выемки законсервированных охранных целиков, предотвращения подземных пожаров и внезапных выбросов угля и газа, уменьшения деформаций поверхности земли и охраны от разрушения объектов на подрабатываемых территориях, оставления в шахте породы от проходческих работ, повышения безопасности горных работ. В зависимости от полноты заполнения выработанного пространства закладка выработанного пространства может быть полной или частичной (в виде охранных полос при поддержании выработок). По способу транспортирования закладочного материала и формирования из него массива закладка разделяется на гидравлическую, пневматическую, твердеющую, самотёчную, механическую. Гидравлическую закладку впервые начали применять в 80-е годы 19 века в США и с 1894 в Германии. Первые опыты по использованию сжатого воздуха для доставки закладочных материалов по трубопроводам проведены в 1904-05 в Германии. В промышленном масштабе пневматическая закладка впервые применена в Германии в 1924 на руднике "Дойчланд". Твердеющая закладка впервые использована в 1924 на золоторудной шахте "Бракпан" (Южная Африка).

В CCCP первые опытные работы по применению пневматической и гидравлической закладки проводились в Кузбассе с 1935. Промышленное освоение гидравлической закладки начато в 1947 на шахте "Коксовая-1". Твердеющую закладку в опытно-промышленном объёме начали осуществлять в 1937 в Кузбассе для снижения уровня потерь угля и борьбы с пожарами; промышленно она применяется с 1956 на рудных шахтах Криворожского бассейна В CCCP среди способов закладки наибольший удельный вес имеет гидравлическая — 70-80% (Кузбасс, Донбасс, Карагандинский бассейны). На пневматическую приходится 5-10% (Донбасс), твердеющую — 20-25% (горнорудная промышленность). Предусмотрено дальнейшее увеличение объёмов добычи угля с закладкой (в основном гидравлической и пневматической). Гидравлическая закладка преимущественно развитие получила в ПНР, BHP, KHP, Франции, пневматическая — в ЧССР, ФРГ, Бельгии, Великобритании, твердеющая — в ГДР, Канаде, ЮАР, Финляндии, Индии, Японии.

Гидравлическая закладка основана на использовании потока воды для транспортирования по трубопроводам закладочного материала и заполнения им выработанного пространства. В сравнении с другими способами закладки выработанного пространства она получила наибольшее распространение в угольной промышленности при любой мощности и углах падения пластов, отрабатываемых наклонными, поперечно-наклонными и горизонтальными слоями, длинными столбами по простиранию и восстанию, камерно-столбовыми и другими системами, а также в горнорудной промышленности при разработке месторождений горизонтальными слоями, камерами и др.

Гидравлическая закладка выработанного пространства включает технологические процессы подготовки выработанного пространства, аккумулирования закладочного материала, приготовления гидросмеси, гидротранспортирования закладочного материала и заполнения им выработанного пространства, управления отработанной водой (улавливание воды, дренированной из массива, отвод её по трубопроводу в водосборники, осветление в подземных условиях и откачка на поверхность для повторного использования в технологическом цикле закладки выработанного пространства; при необходимости — также предварительное обезвоживание закладочного материала перед подачей в выработанное пространство). Доставка к аккумулирующим бункерам подготовленного на дробильно-сортировочной установке закладочного материала осуществляется железнодорожным, автомобильным или конвейерным транспортом, выпуск закладочного материала из бункеров — самотёчным, механическим или гидравлическим способами.

Гидротранспорт закладочных материалов к выработанному пространству производят по системе нисходящих и горизонтальных трубопроводов за счёт напора, возникающего вследствие разности геодезических отметок начального и конечного пунктов транспортирования. Наиболее целесообразен режим работы гидрозакладочной установки с полным заполнением начального нисходящего участка трубопровода до уровня смесительного устройства. При этом исключаются подсос воздуха в систему и пульсация в ней гидросмеси, а также обеспечиваются оптимальные параметры гидротранспорта и производительность. Эффективное отношение радиуса действия установки к высоте напорного столба при использовании мелкозернистых закладочных материалов — не более 8:1-10:1, крупнокусковых — 4:1-6:1 при объёмном отношении твёрдого в плотном теле к жидкому для этих материалов соответственно 1:1-1:2 к 1:3-1:5. Перед заполнением выработанного пространства закладочным материалом производится его ограждение специальными отшивками, возведение фильтрующих перемычек и дренирующих устройств. Перемычки и отшивки сооружают из дерева, металлической сетки и фильтрующих тканей. Они могут быть постоянными или передвижными, монтируемыми на секциях механизированной крепи.

Заполнение выработанного пространства производится непосредственно из торца закладочного трубопровода либо с помощью распределительного трубопровода. Непрерывное возведение закладочного массива с помощью распределительного трубопровода осуществляется при фронтальном выпуске гидросмеси через поочерёдно открывающиеся боковые выпуски. При использовании крупнозернистых и кусковых закладочных материалов отработанная вода отводится с помощью дренажных труб и фильтруется через толщу закладочного массива. При мелкозернистых материалах на поверхности массива образуются отстойные прудки и вода удаляется через сливные устройства (колодцы, трубы, лотки, перемычки). Достоинства гидравлической закладки — высокая плотность (усадка 10-20%) и устойчивость закладочного массива, возможность подачи закладочного материала в забой с поверхности без перегрузок по трубопроводам значительной протяжённости, возможность совмещения добычных работ и закладки выработанного пространства при применении механизированных комплексов, высокая производительность работ (до 400 м³/ч, иногда выше). К основным недостаткам относятся необходимость ввода в шахту значительного количества воды, что осложняет общий режим работы шахты, вынос мелких фракций из массива на откаточные выработки, необходимость осуществления специальных мероприятий по управлению отработанной водой. Трудоёмкость работ на 1000 т добычи составляет 45-150 человеко-смен. Применение в качестве закладочных материалов песка и хвостов обогатительных фабрик снижает удельный вес расходов на их подготовку и транспортирование до 30-40%. Совершенствование технологии гидравлической закладки выработанного пространства в угольной промышленности осуществляется путём использования выемочных механизированных комплексов с закладкой (например, в CCCP — КМГЗ, КВЗ; в Польше — "Серша"; во Франции — "Симон"), позволяющих совмещать очистные и закладочные работы и обеспечивать высокие нагрузки на очистной забой (свыше 2300 т в сутки) и производительность труда рабочего (свыше 30 т в смену).

Пневматическая закладка основана на использовании энергии сжатого воздуха для перемещения по трубопроводу закладочного материала и заполнения им выработанного пространства. Область применения та же, что и у гидравлической закладки. Различают основные технологические схемы транспорта при пневматической закладке: с доставкой породы с поверхности и с полным или частичным оставлением породы в шахте.

Первая схема применяется при развитом закладочном хозяйстве с организацией добычи и подготовки закладочного материала на поверхности. Реализуется она в двух вариантах: с доставкой породы пневматическим транспортом и комбинированно. В первом варианте бесперегрузочный пневмотранспорт закладочных материалов до забоя на расстояние до 1500 м осуществляется с помощью стационарной пневмозакладочной машины камерного типа (ДЗМ-2, КЗМ-1М, "Торкрет Автомат-GA").

Во втором варианте, применяемом во Франции, ЧССР и запроектированном для шахт "Тайбинская" в Кузбассе и "Белореченская" в Донбассе, закладочный материал спускают с поверхности на закладочный горизонт по ребристому трубопроводу и далее его транспортируют в вагонетках или конвейерами до участковых закладочных установок с полустационарными пневмозакладочными машинами барабанного типа (ПЗБ-2, ZP-200, KZS-150), обслуживающих несколько забоев в пределах 500 м. Вторая технологическая схема характерна для глубоких шахт центрального района Донбасса, отрабатывающих тонкие угольные пласты, и основана на использовании подземных централизованных или участковых дробильно-сортировочных установок с применением стационарных пневмозакладочных машин камерного типа (ДЗМ-2) или полустационарных барабанного типа (ПЗБ-2).

По третьей схеме передвижная дробильно- закладочная установка типа "Титан" располагается вблизи участка производства закладочных работ (в пределах 60-80 м) и используется для возведения бутовых полос из породы, получаемой при проходке подготовительных выработок с подрывкой. Основное достоинство пневматической закладки — простота возведения массива с относительно высокой плотностью и полнотой заполнения выработанного пространства (усадка 20-30%). Недостатки — высокий расход энергии (10-15 кВт•ч на 1 м³ закладочного материала), большой износ оборудования и трубопроводов, значительное пылеобразование. Трудоёмкость работ при пневматической закладке выработанного пространства (в угольной промышленности в среднем, человеко-смены на 1000 т угля): в CCCP 110, в ФРГ 80-90, в ПНР 62. Производительность при закладке породы с крупностью до 80 мм при транспортировании по трубопроводам диаметром 150-250 мм составляет от 20 до 250 м³/ч при давлении сжатого воздуха 0,25-0,8 МПа и его удельном расходе от 50 до 140 м³ на 1 м³ породы.

Твердеющая закладка основана на использовании трубопроводного гидравлического и пневматического транспорта твердеющих закладочных смесей и заполнении ими выработанного пространства. Применяется преимущественно в горнорудной, а также в угольной промышленности для создания искусственных целиков при камерностолбовых системах и при отработке угольных пластов длинными столбами по простиранию, для создания искусственной кровли или почвы при слоевых системах, а также для возведения ограждающих и поддерживающих полос и перемычек. Литые твердеющие смеси используют при разработке пологих залежей, камерных системах и слоевой выемке с большим объёмом закладочных работ и при наличии дешёвых местных вяжущих. Приготовление литых твердеющих закладочных смесей ввиду сложности технологического процесса и большого количества применяемого оборудования производится чаще всего в стационарных условиях на поверхности. Эти смеси подают с поверхности самотёком либо насосами по главному и участковым трубопроводам с последующим пневмоподдувом для увеличения расстояния транспортирования, а при неглубоком залегании — через специальные закладочные скважины.

При небольших объёмах закладочных работ, связанных с отработкой горизонтальных или пологих месторождений средней мощности, при выемке полезных ископаемых заходками практикуют приготовление жёстких твердеющих смесей в процессе пневмотранспортирования сухого заполнителя и вяжущего смешиванием их с водой, подаваемой на конечном участке в закладочный трубопровод. Готовые жёсткие твердеющие смеси доставляют в выработанное пространство также механическим транспортом. Основные достоинства твердеющей закладки – незначительная усадка (не свыше 3-5%), обеспечивающая сохранность земной поверхности в любых горнотехнических условиях, возможность отработки законсервированных целиков, обеспечение безопасности работ и полноты извлечения полезных ископаемых. Основные недостатки — высокая стоимость и технологическая сложность приготовления многокомпонентных твердеющих смесей. Производительность труда при твердеющей закладке в среднем 30-40 м³ в человеко-смену.

Самотёчная закладка применяется при отработке крутых и наклонных пластов и залежей по простиранию наклонными слоями, сплошной и камерной системами, а также при щитовой выемке. При самотёчной закладке материал подаётся в выработанное пространство и распределяется в нём под действием гравитационных сил. Уплотнение закладочного массива вначале происходит за счёт кинетической энергии падающих кусков, а в дальнейшем — под действием веса вышележащих слоёв массива и горного давления. Подачу закладочных материалов с поверхности осуществляют в клетях или по скважинам и породоспускам; по главным выработкам транспортируют в вагонетках с применением передвижных боковых опрокидывателей для последующей разгрузки или перегрузки материала на участковые ленточные (скребковые) конвейеры. Находят применение специальные бункер-поезда с вагонетками-питателями, разгружающимися последовательно без расцепки. На зарубежных шахтах получили распространение специальные вагонетки с боковой разгрузкой. Самотёчное заполнение выработанного пространства осуществляют по желобам (решёткам) или трубам, а при необходимости подбутовки потолочин применяют метательные машины. Самотёчная закладка — наиболее дешёвый способ закладки выработанного пространства, однако вследствие своих недостатков (невысокая плотность и значительная усадка закладочного массива, достигающая 20-25% при мелкозернистых материалах и 40-50% при крупнокусковых материалах; необходимость подбучивания потолочин в закладываемых лавах и камерах механическими или пневматическими способами) широкого распространения не получила. Трудоёмкость работ не свыше 50 человеко-смен на 1000 т добычи.

При механической закладке закладочный материал подаётся в выработанное пространство или размещается в нём с помощью метательной машины (ленточно-барабанной или дисковой) или скрепера. Этот вид закладки выработанного пространства применяют при разработке угольных и рудных месторождений в основном при забутовке погашаемых горизонтальных выработок и возведении бутовых полос, а также в сочетании с самотёчной закладкой для подбутовки бортов и потолочин. Механическую закладку отличают сложность транспортирования закладочного материала в призабойном пространстве и организации ведения работ, громоздкость применяемого оборудования, небольшая дальность метания (6-10 м), сравнительно небольшая и неравномерная плотность закладочного массива (усадка колеблется от 15 до 30%), значительное пылеобразование. Несмотря на небольшую энергоёмкость (0,4-0,5 кВт•ч/м³), возможность подбучивания кровли закладываемого пространства и использования крупнокусковых материалов, механическая закладка как самостоятельный способ закладки выработанного пространства широкого применения в угольной и горнорудной отраслях промышленности не находит.