Самоорганизация горного массива вокруг полости

Связать^?

Самоорганизация горного массива вокруг полости — это природное явление, заключающееся в перераспределении напряжений внутри горного массива, вызванного образованием внутри него полости (неоднородности), таким образом, что формируется квазизамкнутая подсистема, которая защищает как полость, так и горный массив от дальнейшего разрушения. Основные закономерности самоорганизации горного массива коррелируют с радиусом описанной вокруг полости окружности.

Для исследования данного явления на рудниках Миргалимсай и Глубокий, город Кентау в Казахстане проводился широкомасштабный многолетний промышленный эксперимент добычи 12 миллионов тонн руды, показавший образование в горном массиве вокруг полости защитной изолированной трех-зонной подсистемы, которая защищает полость и горный массив от дальнейшего разрушения. Для объяснения явления использованы законы упругости, волновой теории, теории твердого тела, термодинамики, закон сохранения энергии (освободившуюся энергию сжатой породы при образовании полости и освободившуюся энергию сжатой породы, стремящейся восстановить свой объём вокруг полости).

На этот феномен в РФ была зарегистрирована заявка на открытие № ОТ-11787.

Учёт исследованного явления при проведении горных работ повышает эффективность, экологичность и безопасность подземной добычи руды (на 70 % снижает количество летальных и тяжёлых травм).

Известны гипотезы^{[уточнить]} перераспределения напряжений вокруг полости в горном массиве, которые в данной статье не рассматриваются.

Последовательность процесса самоорганизации

До образования полости горная порода находится в состоянии всестороннего сжатия: горное давление всесторонне сжимает горную породу в пределах её упругих деформаций. Когда образуется полость, то эта сжатая горная порода вокруг неё стремится восстановиться в объеме.

Согласно физической теории твёрдого тела^{[уточните ссылку (уже 185 дней)]}, это расширение горной породы — центростремительное и направлено к геометрическому центру окружности, описанной вокруг полости, в объёмном представлении к геометрическому центру шара, описанного вокруг полости.

Центростремительное расширение горной породы к геометрическому центру окружности, описанной вокруг полости, вызывает сжатие горной породы по концентрическим окружностям вокруг полости. Этот процесс кольцевого сжатия горной породы наглядно объясняется в виде самосжимающихся радиусных клиньев центростремительно расширяющейся горной породы.

При появлении полости начальная потенциальная энергия сжатой горной породы, примыкающей к полости, переходит в кинетическую энергию центростремительно расширяющейся этой горной породы, которая переходит в потенциальную энергию сжатия горной породы по концентрическим окружностям вокруг полости.

Увеличение напряжения сжатия горной породы в каждом последующем концентрическом кольце растёт, что увеличивает его жёсткость и несущую способность. Это кольцо достигает беспредельной^{[уточнить]} несущей способности, когда горная порода в кольце достигнет абсолютной^{[уточнить]} жесткости.

Следовательно перераспределение напряжений вокруг полости должно остановиться тогда, когда последующее, замыкающее кольцо достигнет жёсткости, при которой несущая способность этого кольца будет достаточной для изоляции внутри расположенной горной породы и полости от влияния напряженного горного массива. Таким образом процесс перераспределения энергии останавливается и образуется устойчивая трёхзонная, изолированная подсистема или капсула термо-динамического баланса.

Капсула термодинамического баланса

Капсула термодинамического баланса состоит из трёх зон.

В процессе образования полости первичное напряжение горной породы, которая была на месте полости и напряжение породы второй зоны, передаётся горной породе третьей зоны.

На расстоянии двух радиусов(до достижения длины радиуса 31,4м) от центра описывающей полость окружности самооргвнизуется третья зона - оболочка защитной подсистемы в виде шара (кольца в поперечном сечении) пород с высоким напряжением и жёсткостью и оптимальной несущей способностью. Затем третья зона приобретает беспредельную несущую способность и находится на расстоянии 31,4м от ближайшего края даже увеличиваюшейся полости. Эта оболочка изолирует трёх-зонную подсистему от воздействия напряжённого горного массива. Это зона высоких кольцевых напряжений и высокой жёсткости.

Краевая горная порода, находящаеся внутри описывающей эту полость окружности, не имеет кольцевых напряжений и не может их иметь, потому что в площади её расположения нет целых колец из горной породы , так как они разрезаются контуром полости. Горная порода, расположенная внутри окружности, описывающей полость, и есть первая зона капсулы термодинамического баланса это зона отсутствия кольцевых напряжений и деформаций.

Горная порода, расположенная в кольце между первой и третьей зоной, это зона расширенной горной породы, начальное напряжение которой передаётся горной породе третьей зоны, это и есть вторая зона КТДБ, это зона низких кольцевых напряжений и упругих деформаций.^[1]

Ширина второй зоны равна радиусу описанной вокруг полости окружности до достижения его длины 31,4м. При дальнейшем увеличении этого радиуса ширина второй зоны остаётся постоянной равной 31,4м.

Таким образом процесс перераспределения напряжений вокруг полости создаёт вокруг полости капсулу термо-динамического баланса — КТДБ, то есть самоорганизующуюся изолированную защитную подсистему, для защиты горного массива и полости от дальнейшего разрушения.

Локальная, то есть дифференциально-геометрическая, теория упругости не может полностью объяснить эти явления, ибо она не учитывает глобальных процессов^{[уточнить]}, приводящих к возникновению таких замкнутых подсистем.

Формирование капсулы термодинамического баланса как волновой процесс

Когда возрастает опорное давление в горном массиве, окружающем фазовую капсулу, размеры которой меньше базовой, необходим толчок для нового перераспределения напряжений по созданию новой стабильной фазовой капсулы ТДБ во вновь создавшихся условиях. Этим толчком является частичное разрушение выработки, которое увеличивает радиус описывающей выработку окружности. Это означает что увеличивается длина полуволны перераспреления напряжений вокруг полости, что вызывает образование новой усиленной фазовой капсулы. Следует вывод, что процесс перераспределения напряжений это волновой процесс.

Фазовая капсула термо-динамического баланса формирует концентрическую систему перераспределения напряжений, при которой вокруг полости, в соответствии с её пролётом кровли, во всех фазах, вначале формируются капсула термо-динамического баланса исходной фазы, а за ней оболочка капсулы формирует многослойные концентрические защитные кольца с последовательным увеличением напряжения горной породы в них, кратному временному сопротивлению на сжатие данной горной породы.

Таким образом природное явление самоорганизации горного массива вокруг полости (неоднородности) это волновой процесс медленно затухающих автоколебаний.

Кинетическая энергия расширяющейся горной породы и есть энергия этих колебаний. Медленность затухания (большое время релаксации) обусловлено большой массой области упругих деформаций и ничтожно малой величиной самих деформаций, из-за чего потери на диссипацию (рассеивании энергии на тепло и трение) также ничтожно малы.

Согласно теории распространения упругих волн в изотропных средах, вторичные волны, которые распростаняются назад, полностью погашаются встречными волнами, то есть область внутри волнового центра свободна от волн. Однако горная порода это неоднородная среда и упругие волны в ней рассеиваются на неоднородностях и возвращаются назад. Отраженная волна, интерферируя с исходной, меняет распределение энергии, которая рассеивается этой волной. На расстоянии длины полуволны выделяется максимум энергии, потому что фазы падающей и отраженной волн совпадают. В итоге горная порода на расстоянии длины полуволны^{[уточнить]} уплотняется. А значит на ней проходящая волна отражается и поглощается сильнее, ещё больше уплотняя этот слой. Возникает процесс с положительной обратной связью — резонансное поглощение этих волн уплотняемым слоем горной породы. В пределе этого процесса возникает жесткий слой породы (кольцо) — оболочка капсулы термо-динамического баланса (равновесия), в которую замыкается капсула ТДБ.

Вокруг выработки любого сечения меньшего, чем базовый, самоорганизуется капсула ТДБ, которая по устойчивости эквивалентна напряжению нетронутого горного массива. При увеличении этого напряжения за счёт внешних факторов (например, опорного давления, при приближении к выработке очистного пространства) оболочка (третья зона) капсулы ТДБ этой выработки релаксирует, и высокое напряжение опорного давления и этой оболочки увеличивает кольцевое напряжение второй зоны. Увеличение напряжения происходит до тех пор, пока частично не разрушится часть породы второй зоны от её внутреннего контура. Это разрушение выработки увеличивает радиус окружности, которая описывает выработку, следовательно увеличивает длину полуволны перераспределения напряжений вокруг выработки. Это является толчком самоорганизации новой устойчивой защитной капсулы вокруг выработки, с большим потенциалом напряженности пород третьей зоны, а следовательно и с большей несущей способностью.

Экспериментальные исследования

Промышленный эксперимент для подтверждения модели капсулы термодинамического баланса проводился в достаточно крепких породах на рудниках Миргалимсай и Глубокий.

Первая стадия эксперимента: купол естественного равновесия

Экспериментально на Миргалимсайском руднике, где руда и порода представлены доломитами определялся размер первичного предельного пролёта для данных пород.

Эксперимент был проведен на глубине, где напряжение породы в нетронутом горном массиве было равно временному сопротивлению на растяжение этой породы.

Экспериментальная камера (полость) была расположена в руде горизонтального залегания. Камера расширялась непрерывно её длина всегда была больше её ширины. Высота камеры была равна 2 метрам, эта величина, по существу, мала относительно конечной длины и ширины камеры.

Когда пролёт кровли камеры достиг 60 м было зафиксировано обрушение кровли камеры. Таким образом, для указанных пород размер первичного предельного пролёта (базового пролёта кровли) равен приблизительно 60 м.

Горной практике известно, что над горными выработками самообразуется купол естественного равновесия. Гипотиза проф. Протодьяконова, получившая всемирное признание, теоретически и экспериментально выведена на опытах образования свода естественного равновесия в сыпучих материалах, практически не подверженных внешнему напряжению. Эти условия напряжённости совпали с условиями первой зоны капсулы ТДБ вокруг горной выработки, и образование свода по М. М. Протодьяконову над горными выработками в результате эксперимента подтвердилось.

Купол естественного равновесия над полостью может образовываться только в условиях первой зоны КТДБ, где полностью отсутствуют кольцевое напряжения и влияние напряжённого горного массива.

Вторая стадия эксперимента: высокие и низкие напряжения в породах

Промышленный эксперимент был продолжен для исследования параметров второй и третьей зон базовой капсулы термо-динамического баланса (КТДБ вокруг полости с базовым пролётом кровли).

Экспериментальные очистные камеры были расположены в горном массиве, предположительно во второй и третьей зонах КТДБ. Руда и порода в четвёртой камере (в третьей зоне общей КТДБ) разрушались динамически, издавая звук подобный выстрелу (так называемое горное стреляние). Напряжение руды и породы в камере было очень высоким, явно не соответствующим малой глубине — 100 м, где проводился промышленный эксперимент.

Другие экспериментальные камеры пересекали кольцевые напряжения второй зоны общей КТДБ таким образом, но это не приводило к образованию пород с крайне высоким напряжением. Это объясняется тем, что вокруг каждой из таких камер самоорганизовалась своя капсула ТДБ, в которую и упёрлись кольцевые напряжения второй зоны общей для всех камер КТДБ.

Третья стадия эксперимента: обоснование камерно-столбовой системы добычи с обрушением кровли

Промышленный эксперимент был продолжен для исследования параметров всех трёх зон при увеличении пролёта кровли в процессе дальнейшей добычи руды. После отработки первых трёх камер первая и вторая линии камерных целиков (от обрушения) были уменьшены до размеров 2 м по ширине и длине. Затем первую линию камерных целиков подрывали. Обрушение дошло (переместилось) до второй линии камерных целиков, увеличив пролет обнажения на 9 м. Три зоны БКТДБ также переместились в сторону нетронутого горного массива на 9 м. Таким образом шаг обрушения равен шагу перемещения капсулы БТДБ. Это было подтверждено новыми условиями в бывшей четвёртой камере, где условия высокого напряжения руды и породы сменились на условия низкого напряжения руды и породы. Четвёртая камера оказалась во второй зоне. Возобновлённые в этой камере работы по добыче руды производились в безопасных условиях. Теперь работы по добыче руды невозможно было производить в пятой камере.

Также было установлено, что очистные работы в каждой последующей новой четвёртой камере можно было производить только после подрыва первой линии камерных целиков и полного обрушения кровли от первой линии обрушенных камерных целиков до второй линии камерных целиков на 9 м.

Параметры ширины и напряжения были абсолютно одинаковыми в каждой второй зоне, при каждом последующем перемещении обрушения кровли на 9 м вторая зона БКТДБ включает три камеры и четыре камерных целика общей шириной 31 метр.

В натуре (природе) БКТДБ является сферой с постоянной образующей равной радиусу окружности, описывающей полость с базовым пролётом кровли, который равен ширине второй зоны БКТДБ. Постоянная COHEN равна радиусу окружности, описывающей полость базовой капсулы термо-динамического баланса и также равна максимальной ширине второй зоны.

Камерно столбовой системой с обрушением кровли производят добычу руды на многих рудниках мира. Это единственная система отработки, в которой используются закономерности самоорганизации горного массива вокруг полости.

Были проанализированы^{[уточнить]} параметры камерно-столбовой системы разработки с обрушением кровли на рудниках Франции (железорудные рудники в Ельзас Лоторингии, глубина добычи 200м), Польши (меднорудный рудник в Глогово, глубина отработки 1000м), Канады (полиметаллический рудник компании Инко, глубина добычи 3000м), Казахстана (полиметаллический рудник Миргалимсай, глубина добычи 200м).

Во всех рудниках параметры ширины и напряжения породы второй зоны совпали с параметрами этой системы в проведённом промышленном эксперименте, несмотря на различные глубины производства работ и различные характеристики пород и руд по их крепости.

Следует сделать вывод, что закономерности самоорганизации горного массива вокруг полости едины для всех условий.

Третья стадия эксперимента установила:

1. Ширина второй зоны БКТДБ остаётся постоянной и не зависит от увеличения пролёта полости, практически неограниченно, больше базового.
2. Напряжение горной породы во второй зоне БКТДБ также остаётся неизменным и не зависит от, практически неограниченного, увеличения пролёта.
3. Параметры ширины и напряжения породы остаются неизменными во второй зоне КТДБ не только при увеличении пролёта обнажения больше базового, но и при увеличении, практически неограниченного, глубины отработки, а также при изменении прочностных характеристик руды и породы.
4. Величина, равная ширине второй зоны БКТДБ, является универсальной постоянной устойчивых пород и была обозначена как COHEN.
5. Абсолютная изоляция породы второй зоны от влияния напряжённого массива во всех исследуемых случаях, наступает и остаётся постоянной при ширине второй зоны равной величине СОНЕN.
6. Базовая и все капсулы термо-динамического баланса, при пролётах обнажения большего размера, абсолютно устойчивы и не изменяются от внешнего воздействия напряженного горного массива, даже если это напряжение в несколько раз выше, но мгновенно (со скоростью звука в данной породе) перестраивают все зоны термо-динамического баланса в сторону горного массива на величину разрушения породы ВТОРОЙ зоны от её внутреннего контура и это свойство сохраняется для устойчивой горной породы (руды) при, практически неограниченном, увеличении глубины отработки и различных прочностных характеристиках горной породы (руды).

Примеры проявления открытого природного явления

Явление самоорганизации горного массива объясняет многие парадоксы.

Полигональная форма разрушаемой выработки

Разрушаясь, выработка приобретает полигональную форму, так как так достигается максимально возможный радиус окружности, описывающей выработку, при котором самоорганизуется устойчивая капсула ТДБ, при минимальной площади (объёме) разрушения в наиболее слабом участке горной породы во второй зоне КТДБ. При дополнительном опорном давлении только этот процесс может остановить дальнейшее разрушение выработки, даже при напряжении опорного давления в несколько раз выше временного сопротивления горной породы на сжатие.

В слабых неустойчивых породах временная устойчивость (до релаксации третьей зоны КТДБ вокруг полости) выработок объясняется возникновением эффекта квази-жесткости под воздействием напряженного горного массива.

Податливые крепления

Податливые крепления с большим количеством шагов податливости спонтанно используют закономерности этого природного явления. Каждый шаг податливости формирует последующую капсулу ТДБ с большей несущей способностью. Таким образом самое малое увеличение радиуса окружности, описывающей полость создает новую капсулу ТДБ с более мощной оболочкой и новым сроком релаксации. Очевидно между этими шагами податливости могут создаваться новые промежуточные капсулы ТДБ.

Бесполезность барьерных целиков

Неуправляемые опорные давления с очень высоким потенциалом напряжений являются главным негативным фактором всех систем разработки месторождений подземным способом.

В некоторых случаях для изоляции нижних горизонтов от влияния отработанных вышележащих горизонтов оставляются барьерные целики шириной до 30 м через 200—250 м по падению. С точки зрения установленного природного явления самоорганизации горного массива, когда обрушение подойдёт к барьерному целику, то барьерный целик окажется в зоне упругой разгрузки, а зона повышенных напряжений перешагнёт барьерный целик и под опорное давление попадут междукамерные целики нижнего горизонта. Таким образом, цепная реакция разрушения целиков неизбежна, что полностью подтвердились вышеописанным промышленным экспериментом.

Кольская сверхглубокая скважина

Рассмотрим парадокс стабильной устойчивости скважины глубиной 15000 м^[2] на Кольском полуострове в течение многих лет. Этот парадокс не объясним по существующим представлениям перераспределения напряжений вокруг полости. Согласно этим представлениям скважина должна быть раздавлена высоким напряжением, в несколько раз превышающем временное сопротивление на сжатие этой породы, но вопреки этому скважина сохраняет устойчивость.

Этот парадокс также объясняется самоорганизацией горного массива вокруг полости, потому что в этих условиях вокруг скважины создается концентрическая система фазовой капсулы ТДБ, где вокруг скважины располагается исходная (квазибазисная) фазовая капсула ТДБ с низким напряжением породы второй зоны. Следовательно сохранность этой скважины не парадокс, а закономерность.

Упорядоченность трещин

Над безциликовым очистным пространством критических размеров возникает обвал поверхности с появлением нескольких линий глубоких трещин. Эти трещины поражают своей параллельностью и гладкими вертикальными стенками. Это указывает на волновой процесс образования этих трещин. что подтверждается разрезом валунов, лежавших на линии трещин. Только концентрированный сверх мощный волновой удар мог так точно разрезать горную породу на большую глубину и эти валуны.

Как было установлено, полость очистного пространства заключается в фазовую капсулу ТДБ. Оболочка такой капсулы концентрирует колоссальную энергию. По мере увеличения очистного пространства радиус этой фазовой капсулы увеличивается и оболочка капсулы приближается к поверхности. Наступает момент когда толща горной породы до поверхности не может противостоять колоссальной энергии сконцентрированной в этой оболочке и мгновенно освобождённая энергия, в виде волновых ударов, разрезает породную толщу по нескольким параллельным линиям трещин, что подтверждает фазовую концентрическую конструкцию оболочки этой капсулы.

Были зафиксированы локальные землетрясения над очистными пространствами расположенными на большой глубине более 1000 м в Польше, Глогово медные рудники. Это произошло потому, что колоссальная энергия, не находя выход, доводит напряжение в такой оболочке до таких критических значений, при которых горная порода взрывается и эта освобождённая энергия вызывает локальные землетрясения.

Подобный взрыв горной породы является причиной нескольких зафиксированных горных ударов, которые полностью разрушали рудники.

Устойчивость пещер

Известен парадоксальный феномен сохранения устойчивости пещер в течение миллионов лет. Горная порода вокруг пещеры должна была релаксировать, согласно теории твёрдого тела, по фактору времени. Сохранность таких пещер подтверждает существования природного явления самоорганизации горной породы вокруг полости. Процессу релаксации (потере потенциальной энергии до нуля) препятствует кольцевое напряжение во второй и третьей зонах капсулы ТДБ и постоянное наведение этим напряжением слабых тангенсиальных напряжений в приконтурной породе. Эти постоянно действующие напряжения препятствуют процессу релаксации. Таким образом, сохранность таких пещер это закономерность а не парадокс.

Сохранность рельефа земли

Сохранность рельефа земли в течение миллионов лет также является парадоксом согласно теории твёрдого тела.

В статье В. С. Понамарёва «Парадокс релаксаций напряжений в горных породах». (журнал Природа № 5 1985 г.) рассматривается этот парадокс и делается попытка обосновать явление сохранности рельефа, в течение времени большего теоретического времени релаксации горной породы, образованием «локальных подсистем». Выдвигается гипотеза, что общее время релаксации горных пород рельефа увеличивается во столько раз, во сколько раз размер локальной подсистемы меньше общей системы. Это очередная гипотеза увеличивает время релаксации пород в неограниченное число раз и не указывает причинность образования подсистем и их размеров.

Сохранность рельефа (земной коры) достигается самоорганизацией горной породы вокруг неоднородности.

Образование кольцевых напряжений в породе подсистемы вокруг неоднородности создаёт пульсирующий процесс частичной релаксации напряжений подсистемы и восстановление этих кольцевых напряжений породы вокруг неоднородности силами гравитации. При этом отсчёт времени релаксации после каждой фазы пульсации начинается с нуля. Этот процесс препятствует влиянию релаксации на породу земной коры, которая состоит из неоднородностей, а следовательно препятствует изменению рельефа.

Изменение рельефа происходит (одна из причин) в результате катаклизмов, вызванных взрывным разрушением оболочек капсул термо-динамического равновесия с выделением колоссальной энергии, сконцентрированной в них глобальными процессами самоорганизации горной породы земной коры.

Заложение пустот

На основании проведённых исследований следует, что теоретически существует процесс, обратный процессу самоорганизации породы вокруг полости, то есть процесс восстановления начального состояния горного массива.

Для этого необходимо заполнение отработанных пространств закладкой, которая твердея могла бы распирающе воздействовать изнутри на краевую горную породу первой и второй зон капсулы ТДБ и воспринимать горное давление практически не сжимаясь. Этот закладочный массив давит на краевую горную породу первой и второй зоны, возмущающе воздействуя на оболочку капсулы. Так как нарушается баланс (равновесие) КТДБ, часть из всей энергии, сконцентрированной в оболочке капсулы, стремиться сжать (восстановить) горную породу второй зоны кольцевым напряжением, затем также сжать и закладку, так как теперь это единый массив. Однако плотность породы отличается от плотности, закладка это неоднородность в горном массиве и вокруг неё самоорганизуется новая капсула ТДБ.

При плотности породы 3кг/см плотность закладки может быть 2 кг/см, такая низкая нормативная прочность закладочного массива предполагает малый расход цемента и, следовательно, снижение стоимости закладочного массива. Закладочный массив работает в условиях всестороннего сжатия, поэтому прочность закладочного массива это не главное свойство закладочного массива. В этих условиях главное свойство закладочного массива это высокая компрессионная способность, то есть он должен быть практически несжимаемым под высокой нагрузкой и быть достаточно вязким, чтобы обеспечить устойчивость стены закладочного массива при малой его прочности, во время отработки руды в примыкающей к нему камере.

Все цементные закладочные массивы уменьшаются в объёме в течение твердения, таким образом, они активно не взаимодействует с горным массивом. Закладочный массив должен увеличиваться в объёме, распирая породу вокруг себя, во время твердения и минимально деформироваться под воздействием напряжённого горного массива, это обеспечит активное взаимодействие закладочного массива с горным массивом.

Эти основные свойства нового закладочного (искусственного) массива делают его частью горного массива и определяют процесс его восстановления.

Расширяющаяся закладка давит на приконтурную породу камеры, что нарушает термо-динамический баланс ее капсулы ТДБ, вызывая в ней перераспределение напряжений и часть сконцентрированной в оболочке энергии увеличивает кольцевое напряжение во второй зоне, сжимая породу в этой зоне, уменьшая этим ее ширину на частичную величину упругого деформирования.

Далее расширяющаяся закладка должна компенсировать эту величину, продолжая давить на приконтурные породы. Это естественный процесс взаимодействия горного и закладочного массивов, который частично восстанавливает начальное состояние горного массива и самоорганизует новую защитную капсулу ТДБ вокруг закладочного массива (неоднородности).

В этом естественном процессе участвует также и энергия расширяющегося закладочного массива, как инициирующий фактор. Это участие определяется коэффициентом, который меньше единицы и описывает ту часть величины деформирования (сжатия. расширения), которая образуется за счёт энергии расширяющегося закладочного массива. Коэффициент зависит от плотности породы, закладки, или другой неоднородности и от скорости звука в них и, вернее пропорционален этим величинам:

Таким образом, закладочный массив с такими свойствами отвечает требованиям активного искусственного массива, который инициирует естественный восстановительный процесс горного массива к первоначальному состоянию, снижая опорное давление и создание новой защитной капсулы вокруг закладочного массива.

Эта технология закладки пустот и добычи руды защищена 15 изобретениями и патентом^{[уточнить]}.

Состав закладочной смеси

Для достижения высоких компрессионных свойств закладочного массива инертный материал содержит до 100 % шламов (твердых частиц размером 50 микрон и меньше). Следовательно, шламы не должны удаляться из хвостов, которые являются основным дешёвым инертным материалом закладки. Это резко снижает затраты на получение инертного материала и содержание хвостохранилищ.

При традиционной технологии закладки повышение содержания шламов в инертном материале требует большего увеличения расхода цемента, для получения закладки нормативной прочности, и резко увеличивает время дренажа излишней воды после закладки камеры, поэтому шламы удаляются из инертного материала. В крайних случаях допускается не более 30 % содержания шламовых частиц в инертном материале, так как дальнейшее повышение шламового содержания вообще исключает возможность получения закладки нормативной прочности и дренажа излишней воды. Новая технология закладки наоборот создана только на основе свойств шламовых тиксотропных смесей.

Для расширения закладочного массива без ухудшения его компрессионных свойств компоненты закладки (инертный материал, вяжущее, добавки) подбираются и работают так, чтобы во время твердения закладочный массив увеличивался в объёме путём создания новых минералов с большей шириной кристаллической решётки.

Для достижения высокого качества этого искусственного массива закладочная смесь содержит 80 — 85 % твердого (инертного материала, цемента) и 20 — 15 % воды по весу, которая, практически, полностью связана диэлектрическими поляризованными полями и почти полностью расходуется на процесс гидротации цемента Это позволило ликвидировать дренаж излишней воды из камер.

Практика закладки пустот

Миргалимсайское месторождение представлено пятью геологическими блоками с простиранием от 1,2 км до 3,5 км, мощность рудных пластов от 2 м до 12 м, с падением рудных пластов от 3 до 90 и глубиной залегания до 1200 м. Добыча руды велась системами с открытым очистным пространством. Ширина камер, панелей, размеры целиков, специальные барьерные целики шириной 30 м через 200—250 метров по падению, на случай если все междукамерные и межпанельные целики на горизонтах будут разрушены были рассчитаны на вес налегающей толщи пород до поверхности с коэффициентом запаса прочности 3. Расчёт производился по существующим в настоящее время представлениям перераспределения напряжений на целики, поэтому целики динамически разрушались, создавая аварийные ситуации.

После 35 лет эксплуатации месторождения было накоплено более чем 50 миллионов кубометров пустот.

В нескольких местах началось сдвижение горного массива с выходом обрушения на поверхность из-за массового разрушения проектных целиков. В эти зоны сдвижения попадали основные стволы шахт Миргалимсайского рудника и санкульсайский квершлаг 9 горизонта по которому было проложено 20 высоковольтных кабелей, питающих основную насосную 9 горизонта с 20 насосами по 1200м /час и электромоторами по 1200квт.

Эта катастрофическая ситуация угрожала вывести рудники из строя. Многолетние исследования, которые проводились до, во время и после ликвидации этой аварийной ситуации показали, что существующие представления о перераспределении напряжений вокруг полости неверны.

После заполнения расширяющейся закладкой 250 000 м пустот было остановлено аварийное сдвижение горного массива и прекратилось разрушение целиков на площади около 70 000м . Напряжение породы снизилось до 1,0 — 2,5Мпа. Этот процесс восстановления горного массива был настолько сильным, что в местах, бывших в аварийной ситуации, была организована вторичная отработка оставшихся в закладке междукамерных целиков. Часть этих работ проводилась в горизонтальных камерах, шириной от 5 м до 10 м, высотой также от 5 м до 10 м и длиной до 40 м, с применением дизельного самоходного оборудования.

Несмотря на то что стенки камер были закладочным массивом высотой до 10 м и пролёт закладочного массива достигал 100 м с обеих сторон, камеры, порода, кровля камеры с пролётом 10 м и искусственный массив вокруг неё были разгружены, напряжение пород не превышало 30 кг/cм, что обеспечивало полную безопасность работ в камере. Такая ситуация повторялась семь раз в различных местах с глубиной разработок от 200 до 600 метров. В таких условиях было добыто более 100 000 т руды в первой стадии промышленного эксперимента. Это было наилучшим подтверждением открытых закономерностей природного явления самоорганизации горного массива вокруг полости и закономерностей восстановительного процесса. Всего вторичной отработкой было добыто 533 500 тонн руды из оставленных целиков.

За десять лет по этой технологии на рудниках Миргалимсай и Глубокий было добыто 12 миллионов тонн руды, заложено 5 миллионов кубометров пустот, за это время не было ни единого случая травматизма от неуправляемых(непредсказуемых) обрушений.

Примечания

1. ↑ Кластерно-иерархические структуры в массиве горных пород как одна из форм самоорганизации породного массива УДК 620.831:550.3
   по мере удаления от контура выработки первоначально наблюдается снижение, а затем возрастание скоростей акустических волн, … Это говорит о том, что вблизи контура подготовительной выработки образуется волнообразная зона опорного давления, то есть происходит перераспределение напряжений, вызванное процессами самоорганизации
2. ↑ hibiny.ru 07.06.2010, Мурманская область — Уникальную Кольскую сверхглубокую скважину разбирают на металлолом

Литература

1. Горное дело, энциклопедический справочник, Углетехиздат, 1958г, с. 88-91
2. В. Р. Именитов, «Процессы подземных горных работ при разработке рудных месторождений.», изд. «Недра», 1984г, с. 172—178
3. В. С. Пономарев, статья «Парадокс релаксаций напряжений в горных породах», журнал «Природа», № 5, 1985г
4. И. Ш. Коган «Самоорганизация горной породы вокруг неоднородностей», издательство ЮжКазЦНТИ, 1985 г.
5. E. Hoek & E. T. Brown «Underground Excavations in Rock», 1980, The Institution of Mining and Metallurgy, London, sh. 183—243
6. УДК 622.273.218. И. Ш. Коган «Разработка и внедрение технологии закладочных работ на основе тиксотропных смесей», ЦНИИЦВЕТМЕТ, Москва 1982
7. I. Kogan, Y. Kogan, an annotation of an article <Self-organizing of a rock massif around a cavity>, Canadian Mining Journal, sh. 7, May 2007

См. также

• Зональная дезинтеграция горных пород вокруг подземных выработок