Виды и назначение закладки.

В зависимости от свойств и состояния закладки можно выделить три её разновидности: сухую, гидравлическую и твердеющую. Две первые представляют собой совокупность несвязных между собой частиц.

В случае сухой закладки материал доставляется к закладываемой выработке в сухом виде и укладывается в неё простой насыпью, размещаясь только под действием гравитационных сил или с использованием механизмов.

Сухая закладка представляет собой, чаще всего, породу от горнопроходческих работ (иногда — дробленую). Она используется для заполнения подземных пустот, не имеющих непосредственного контакта с телом полезного ископаемого.

В отдельных случаях сухой породой закладывают камеры между рудными целиками, которые проектом предусмотрено оставлять в недрах в виде потерь. Иногда, теперь уже в редких случаях, сухую породу в качестве закладки используют в системах разработки горизонтальными слоями с восходящим порядком отработки слоев. При этом на каждом слое рудные стенки отделяются от массива закладки крепью или обшивкой.

Материал гидравлической закладки представляет собой смесь сыпучих частиц с водой (тонкий или молотый песок, хвосты обогащения и т.п.). Эта смесь хорошо транспортируется с водой по трубам на значительные расстояния и плотно укладывается в закладываемых камерах. При этом вода затем самотеком дренируется из уложенного закладочного массива через специальные дренажные устройства.

Чтобы уложенный массив хорошо дренировал воду, материал перед подачей в трубу очищают в гидроциклонах от пылевидных и глинистых частиц. Однако и эта мера не гарантирует образование несдренированных зон, в которых массив имеет псевдоплывунную консистенцию, опасную в определенных условиях по прорыву. Особенно высока вероятность образования таких зон при соотношении высоты камеры h к ее пролету b в пределах 0,5 < h/b <2. Это должно учитываться при укладке смеси в камеру и организации дренажа воды.

Остаточная влажность массива гидрозакладки колеблется в довольно широких пределах (от 5 до 25 %) и зависит от многих факторов, в том числе от гранулометрического состава твердой фазы и объема закладываемой выработки. Наибольшую прочность на срез имеет уложенный в массив материал с капиллярной влажностью, т.е. порядка 10— 12 %. Плотность заложенного массива зависит от его гранулометрического состава. В свою очередь, от плотности зависит его прочность. Оптимальным считается заполнитель, гранулометрический состав которого обеспечивает наименьшее расстояние между частицами [Кегель К. Механика сыпучих и твёрдых тел применительно к горным работам. // Международная конф. По горному давлению (г. Льеж). – М.: Углетехиздат, 1957.].

В любом случае необходимо стремиться к достижению наибольшей усадки закладочного массива при его сооружении, так как, во-первых, от этого зависят его плотность и прочность, а во-вторых, последующая усадка его (при выполнении им функциональной роли) может негативно отразиться на состоянии элементов системы разработки, в составе которых находится закладочный массив.

С точки зрения технологии очистных работ время усадки закладочного массива желательно свести к минимуму. С целью ускорения этого процесса иногда прибегают к специальным мерам. Среди них эффективной мерой является уплотнение массива действием взрыва.

Практика работы предприятий показывает, что отбойка руды взрывным способом непосредственно у закладочного массива вызывает его усадку на 20—25 %. В этом отношении показателен опыт применения отбойки руды в зажиме: отбитая и замагазинированная руда уплотняется взрывом скважин на 25—35 %, при этом уплотнение распространяется на 20—25 м в глубину отбитой рудной массы при сравнительно небольших взрываемых зарядах (1—1,5 т).

Сухая и гидравлическая закладки используются, главным образом, для выполнения вспомогательных или не очень ответственных функций в технологических процессах очистных работ. Это объясняется, прежде всего, тем, что обе разновидности закладки массива не могут самостоятельно выполнять роль несущей конструкции (или несущего элемента в конструкции систем разработки в целом).

Только в отдельных случаях удается создать массив гидрозакладки высокой плотности, который может воспринимать определенные нагрузки. Для оценки величины этих нагрузок предложены зависимости, в которые в качестве параметров входят плотность, влажность и начальная прочность гидрозакладки, плотностные и деформационно – прочностные характеристики массива пород, глубина отработки и параметры закладываемой камеры, технологические параметры закладки - высота закладочного слоя, величина недозакладки, коэффициент компрессии закладочного массива.

Принципиальным отличием массива твердеющей закладки от сухой и гидравлической закладки является способность её не только самостоятельно сохранять свою форму и свойства, но и нести различные нагрузки. Эти особенности твердеющей закладки оказали революционизирующее влияние на совершенствование применявшихся и создание новых способов выполнения очистных работ при добыче полезных ископаемых.

Твердеющая закладка стала применяться в горнодобывающем производстве сравнительно недавно (последние 50—60 лет) — это, по существу, разновидности «тощих» бетонов, опыт получения и изучения которых насчитывает сотни лет. В связи с высокой стоимостью твердеющих материалов данный вид закладки используется после технико-экономического анализа целесообразности этого варианта.

Твердеющая закладка применяется для создания монолитных искусственных целиков (столбов), ограждающих подпорных стенок, перемычек, искусственных массивов.

Твердеющие закладочные смеси включают вяжущие материалы, инертные заполнители, воду и пластификаторы. В качестве вяжущего наиболее часто применяются различные цементы (шлаковые, пуццолановые и портландцемент) вчистом виде или как активизирующие добавки к другим более слабым вяжущим материалам. Портландцемент и шлакопортландцемент в своем составе имеют СаО, SiO₃, Аl₂O₃, Fе₂О₅, МgO, SO₃, (в различных сочетаниях), схватываются в течение 6—12 ч. и через 28 сут. набирают прочность па сжатие от 3 до 4 МПа.

Из-за дефицитности и высокой стоимости цемента в горнорудной практике стремятся его заменять более дешевыми местными вяжущими материалами, приготовленными на базе шлаков металлургических заводов и золы тепловых электростанций, к которым цемент может добавляться в небольших количествах как активатор. Кроме этого, используются также небольшие добавки глины, известь, отходы обогащения, гипс и другие материалы. Для выбора состава вяжущих компонентов в закладочных смесях необходимы специальные исследования на базе конкретных местных материалов с технико-экономическим обоснованием рекомендуемых рецептов, так как стоимость вяжущих составляет 60-80% от общей стоимости закладочного материала. Основу твердеющих закладочных смесей составляют инертные заполнители, которые должны иметь предел прочности не менее 10-15% от нормативнойпрочности искусственного массива и включать не более 1-3% вредных примесей. Крупность отдельных кусков и гранулометрический состав выбираются из условий технологии закладочных работ и требований прочностиматериала послезатвердения. В случае совместной подачи закладочных смесей по трубам крупность кусков обычно принимается не более 40 мм (10%), а при раздельном способе закладки—до 100-150 мм.

На прочность искусственного массива большое влияние оказываетплотностьукладки, т.е. заполнение промежутков между крупными кусками мелкозернистым инертным материалом и вяжущим.

Наиболее часто в качестве заполнителей, кроме дробленыхгорных пород, применяются пески с примесью глины в объеме-5-10%, которая выполняет роль пластификатора. Считается, что наиболее строгим требованиям отвечает крупный песок, в котором не менее 20-35% зерен имеют размер 0.30-0.15 мм, что обеспечивает наиболее полное заполнение пустот между крупными фракциями и, следовательно, сокращает расход вяжущего [Цыгалов М.Н. Подземная разработка с высокой полнотой извлечения руд. М., Недра,1985]

В качестве дроблёных горных пород наиболее широко используются породы отвалов. Прочность этих пород обычно выше нормативной прочности искусственных закладочных массивов, а гранулометрический состав включает большой объём (40-60%) фракций крупностью менее 40 мм, которые могут быть сразу использованы для приготовления закладочных материалов без дополнительного дробления. Очень важно, чтобы они не были склонны к самовозгоранию и не содержали большого количества глины (не более 20%).

Хвосты обогатительных фабрик содержат различные минералы (кварц, полевой шпат и др.) и состоят из частиц размером от 0,1 до 2,0 мм. Перед смешиванием с другими компонентами их обезвоживают и отделяют от флотореагентов. Шлаки металлургических заводов могут примениться в смеси с песком и дроблеными породами.

Для закладочных материалов прочностью от 1,0 до 5,0 МПа соотношение между цементом и инертным заполнителем, соответственно изменяетсяот 1:30 до 1:5.

Накалийных предприятиях в качестве схватывающейся закладки могут широко использоватьсягалитовые отходы. Они содержат NaCl (95-96%), КCl (2,0-2,7%), нерастворимый остаток (1-2%) и некоторые другие примеси(в долях процента). Крупность входящих в закладочный материал компонентов составляет 0,075-1,0 мм, плотностьотходов – 2.5 т/м³, прочность на сжатие - 2-5 МПа. Искусственныймассив из галитовых отходов при надёжном подбучивании кровли камер может служить надежным средством поддержания вышележащих пород.