В статье описан опыт применения системы подэтажных ортов в условиях структурно-неоднородного рудовмещающего массива. Систематизированы представления о компонентах комбинированной искусственной кровли. Рассмотрены варианты создания искусственной потолочины путем заполнения заходок твердеющей смесью и методы расчета ее параметров как монолитной плиты, жестко защемленной во вмещающих породах и изгибаемой под собственным весом и внешней нагрузкой. Детализирована организация очистных работ с использованием комбинированной потолочины. Отмечена важность использования потолочин для повышения качества добываемого минерального сырья и повышения безопасности работ.

УДК 504.55.054:622(470.6)

В.И. ГОЛИК, доктор техн. наук, профессор, Геофизический институт Владикавказского научного центра РАН,
Северо-Кавказский государственный технологический университет

Ключевые слова: бетонный массив, комбинирование, твердеющая смесь, монолитная плита, безопасность работ, потолочина
Keywords: concrete array, combining, hardening mixture, monolithic slab, works safety, ceilings

На большинстве мощных месторождений, отрабатываемых подземным способом камерными системами разработки, добыча руды осуществляется с созданием искусственных бетонных массивов на месте извлеченных руд. Стоимость твердеющих смесей достигает 2/3 затрат на добычу руд, поэтому объем и качество бетонов требуют обоснования не только экономического, но и технологического.

Одно из месторождений Северного Казах­стана разрабатывали с использованием системы подэтажных ортов в пределах структурно-неоднородного и неустойчивого рудовмещающего массива с применением технологических операций на основе рационального сочетания возможностей бетонной крепи: инъецирование пород раствором цемента; строительство сплошной бетонной несущей потолочины, сооружение «облегченной» потолочины; скрепление замагазинированной руды твердеющей смесью [1].

Нагрузка налегающих пород на искусственную потолочину распределялась неравномерно и составляла на участке активного сдвижения около 80%, на участке пассивного сдвижения – 60% от массы зоны сдвижения. Максимальная высота развития зон сдвижения не превышала 30 м. Углы падения систем трещин и тектонических разрывов изменялись от 70 до 80°. Объемный вес пород составлял 2,7 т/г³ .

Причиной обрушения пород на высоту 30 м от уровня добычного горизонта стала зона наклонного разлома мощностью 4-6 м, сложенная интенсивно раз­дробленными вмещающими породами. Она прослеживалась в субмеридиональном направлении и падала на запад под углами 40-50°, пересекая камеры с запада на восток. Под влиянием этой и сопровождающих ее других зон в массиве развивалось сдвижение пород различной интенсивности (рис. 1) [2].

Комбинированная искусственная кровля на уровне очистного горизонта включала составляющие элементы: инъецированные цементным раствором породы; сплошная несущая потолочина; облегченная потолочина.

Сплошная бетонная потолочина сооружалась системой горизонтальных слоев с закладкой твердеющими смесями [3]. В качестве основного конструктивного элемента потолочины выступает твердеющая смесь, которая увеличивает устойчивость пород в зонах активного и пассивного сдвижения. Критерием эффективности потолочины является ее прочность, зависящая от прочности твердеющих смесей.

Для расчетов сплошную искусственную потолочину представляют в форме монолитной толстой плиты, жестко защемленной во вмещающих породах и изгибаемой под собственным весом и внешней нагрузкой, с достижением предельного состояния возле опор и в середине пролета.

Породно-бетонная потолочина создается посредством инъецирования пород цементным раствором по скважинам, пробуренным с расстоянием 3 м между веерами и не более 4 м между концами скважин в веере.

Высота пород, подлежащая инъекции:

,

где Н – высота камеры, м; а – полупролет камеры, м; φб, φкр – углы внутреннего трения пород в бортах и кровле камеры.

Искусственная потолочина без несущей арматуры усиливается анкерной крепью (рис. 2):

Оптимальные параметры искусственной потолочины без армирования для конкретного случая: мощность 6 м, прочность бетона 8 МПа, размеры обнажения до 12х12 м.

Монолитная железобетонная плита отличается несущей арматурой (рис. 3):

При мощности потолочины 3,5 м применяют металлические стержни 6А-11-16 и сетку-рабицу;

Расчет потолочины осуществляется по схеме:

Мвнешн. ≤ Мбет.внутр. +М1 внутр. + М11внутр.,

где – изгибающий момент от нагрузки и веса закладки; – изгибающий момент, воспринимаемый закладкой; – изгибающий момент, воспринимаемый арматурой;  – изгибающий момент, воспринимаемый сеткой;  – пластический момент сопротивления потолочины, м; – расчетные сопротивления растяжению арматуры и сетки, МПа; – площади сечения арматуры и сетки на 1 м² потолочины, м².

Нормативная прочность бетона (табл. 1):

.

Таблица 1. Параметры искусственной потолочины с несущей арматурой

Параметры	Варианты
АхВ, м	15х6	15х9	15х12	18х15
Lэкв, м	5,6	7,8	9,4	11,6
при q1=0,34 MН/м2	4,3	11,6	18,6	30,9

Несущая способность искусственной потолочины зависит от несущей способности железобетонных анкеров и прочности пород, входящих в ее конструкцию: ,

где – изгибающий момент от нагрузки в середине пролета; – изгибающий момент, воспринимаемый сечением потолочины; – изгибающий момент, воспринимаемый железобетонными анкерами; q – внешняя нагрузка на участке 2 потолочины, 0,25 МН/м2; Ko – коэффициент ослабления естественного массива, 0,02; Rρ – сопротивление растяжению пород потолочины, 7 МПа; h – мощность потолочины, 3 м; а – шаг установки железобетонных анкеров (табл. 2), м; Ra сопротивление растяжению арматуры класса А11, 270 МПа; Fa – площадь сечения анкеров, м²; ξh – высота армированной потолочины, 2 м.

Таблица 2. Параметры анкерной крепи

Параметры	Варианты
АхВ, м	12х6	12х9	12х12
Lэкв, м	5,4	7,2	8,5
Fa/a, м	0,00073	0,00161	0,00240

Прочность бетона в заходках (табл. 3):

,

где – изгибающий момент на опорах потолочины; λ – коэффициент ослабления искусственного массива, 0,3; – момент сопротивления сечения опор.

Таблица 3. Прочность бетона в заходках

Параметры	Единицы	Вариант 1	Вариант 2	Вариант 3
АхВ, м	м	15х6	15х9	15х12
Lэкв, м	м	5,6	7,8	9,4
	МПа	1,5	2,8	4,1

Расчеты параметров прочности искусственной потолочины позволяют дифференцировать ее конструкцию в зависимости от горно-геологической ситуации и размеров очистных выработок.

При строительстве сплошной потолочины выемка руды осуществляется наклонными секциями длиной не более 20 м. В боках выработок и искусственной кровле устанавливают железобетонные штанги диаметром 16 мм и длиной 1,5 м на глубину 0,75 м с шагом 1 м [4].

При создании облегченной искусственной потолочины в бортах заходок с шагом 1 м устанавливаются железобетонные штанги диметром 30 мм и длиной 2 м, а на почве заходок укладывается арматура. Суммарное количество отмучиваемых тонкодисперсных частиц цемента, золы, шлака и глины должно быть 400 кг/м³. Нормативная прочность закладочной смеси – 6-7 МПа.

Вариант строительства потолочины путем подачи твердеющих смесей на отбитую руду применяют при недостаточно устойчивой кровле [5]. Искусственная потолочина создается секциями длиной от 3-4 м до 12 м и более. ­Отбойка руды производится взрыванием «в зажиме».

В первую очередь на замагазинированную руду подается порция закладки с повышенным содержанием цемента (до 300 кг/км3) и минимальным количеством воды для образования на ее поверхности цементной корки, препятствующей проникновению цементного раствора в руду. Во вторую очередь укладывается основной объем твердеющей смеси.

Нормативная прочность закладки, укладываемой на замагазинированную руду, зависит от параметров погашаемого пространства:

— при (изгиб плиты):

— при (B/h)≥3 (срез плиты), где h – мощность слоя закладки, м; ρ – угол внутреннего трения закладки, 30-35°.

Прочность закладки зависит от параметров камеры (табл. 4)

Таблица 4. Прочность твердеющей смеси при h>2 м

Параметры	Варианты
АхВ, м	15х6	15х9	15х12	15х15
Lэкв, м	5,6	7,8	9,4	10,6
	3,0	4,2	5,1	5,7

Выработанное пространство камеры на подэтажах изолируется. В нижней части камеры укладывается слой закладки, нормативную прочность которой рассчитывают аналогично расчету монолитной бетонной плиты без несущей арматуры. При мощности несущего слоя 6 м нормативная прочность смесей равна 7 МПа.

Основной объем камеры заполняется твердеющей смесью с пониженным расходом вяжущего из условия устойчивого вертикального обнажения искусственного массива при обнажении (табл. 5).

Таблица 5. Нормативная прочность смеси для закладки основного объема камеры

Участок потолочины	1	2
h=40 м	3,4	3,0
h=60 м	3,9	3,5
h=80 м	4,4	4,0

Обрушенная горная масса инъецируется цементным раствором на высоту камеры. Одновременно с инъецированием устанавливаются железобетонные штанги и закладываются орты и рассечки между ними. Затем проходят заходки для создания сплошной несущей потолочины. Выпуск горной массы из секции производится в два этапа: I – с последующей подачей твердеющей смеси повышенной прочности на замагазинированную руду; II – до горизонта с полной закладкой выработанного пространства нормальной твердеющей смесью.

Очистные работы под искусственной потолочиной начинают после инъецирования горной массы выше горизонта, выпуска руды и заполнения секции твердеющей смесью. Отбойка секций начинается после набора прочности бетона не менее 6 МПа.

Экономическое сравнение вариантов монолитного и железобетонного перекрытия показывает преимущество 2-го варианта: по стоимости – на 40%, по трудоемкости – на 16% [6].

Бетонные искусственные потолочины повышают безопасность подземных горных работ и способствуют увеличению качества добываемого минерального сырья за счет разделения выпускаемых руд и налегающих пород, что особенно актуально в условиях формирующегося рынка [7].

Расширение области использования твердеющих смесей открывает перспективы вовлечения в производство хвостов переработки руд в качестве вяжущих и инертных компонентов твердеющей смеси [8] после извлечения из них металлов до безопасного для окружающей среды уровня, например, выщелачиванием в дезинтеграторе [9].

Возможности решения одновременно двух соседствующих задач: уменьшение объемов выдачи разубоживающих пород и утилизация ранее накопленных агрессивных отходов отвечает гуманизации горного производства и в определенных условиях создает солидный экономический и экологический эффект [10].

Выводы:

Повышение устойчивости рудовмещающих массивов и качества добываемой руды обеспечивается применением в технологии бетонов используемых в качестве структурных элементов при строительстве искусственных потолочин. Задействование инновационных технологий управления массивов путем рационального использования бетонов является пока малоиспользуемым резервом оздоровления экономики горного производства.

Библиографический список

1. Бубнов В.К., Голик В.И., Капканщиков А.М. и др. Актуальные вопросы добычи цветных, редких и благородных металлов. – Акмола, 1995, – 505 с.

2. Ляшенко В.И., Голик В.И., Штеле В.И. Создание и внедрение малозатратных ресурсосберегающих методов, средств и технологий на горных предприятиях. – М.: ЦНИИ экономики и информации, 1995. Обзорная информация, – 95 с.

3. Голик В.И. Технологии освоения месторождений урановых руд / В книге: В.И. Голик, О.С. Брюховецкий, О.З. Габараев. РГГУ. – ­Москва, 2007.

4. Масленников С.А., Шинкарь Д.И., Прокопенко К.Д. Экономический эффект от применения крепи с управляемым режимом работы. Перспективы развития горного дела и подземного строительства. Сб. научн. трудов. Вып. 4. – Киев: Підприємство УВОІ «Допомога» УСІ», 2013, с. 12-17.

5. Голик В.И. Новые технологии добычи металлов / В.И. Голик, Г.Т. Гуриев, О.З. Габараев. – Владикавказ: Терек, 1999, – 143 с.

6. Golik V., Komashchenko V., Morkun V., Zaalishvili V. Enhancement of lost ore production efficiency by usage of canopies // Metallurgical and Mining Industry, № 4, 2015, рр. 325-329.

7. Голик В.И., Ермоленко А.А., Лазовский В.Ф. Организационно-экономические проблемы использования природных ресурсов Южного федерального округа. Учебное пособие. – Краснодар, ЮИМ, 2008.

8. Голик В.И. Извлечение металлов из хвостов обогащения комбинированными методами активации // Обогащение руд, № 5, 2010, с. 38-40.

9. Golik V.I., Komashchenko V.I., Drebenshtedt K.K. Mechanochemical activation of the ore and coal tailings in the desintegrators / В сборнике: Mine Planning and Equipment Selection Proceedings of the 22nd MPES Conference. – Dresden, Germany. Материалы Международного симпозиума по выбору планирования разработки месторождения и оборудования. Editors: Carsten Drebenstedt, Raj Singhal, 2013, с. 1047-1056.

10. Гуриев Г.Т., Воробьев А.Е., Голик В.И. Человек и биосфера: устойчивое развитие (издание 2-е, дополненное и переработанное). – Владикавказ, 2001.