Использование твердеющей закладки в подземном руднике Тогураки (Toguraci)

Эндрю Праудман —  ведущий консультант AMC Сonsultants, Австралия

Компания PT Nusa Halmahera Minerals (PT NHM) представляет собой совместное предприятие, совладельцами которого являются компании Newcrest Mining Limited (75 %) и PT Aneka Tambang (Persero) (25 %). Компания PT NHM ведёт разработку двух подземных рудников: Кенкана (Kencana) и Тогураки (Toguraci) — на золоторудном месторождении Госовонг (Gosowong) в северной части острова Хальмахера, провинция Малуку, Индонезия.

Изначально, пересмотренный план ведения горных работ предусматривал поступательное ведение очистной выемки от текущего эксплуатационного горизонта в сторону подошвы запасов рудного тела с последующей выемкой междуэтажных целиков на стыке между двумя методами добычи на завершающей стадии отработки рудника. Было выполнено геотехническое моделирование поверхностей выработок согласно пересмотренного плана горных работ, на основании которого было рекомендовано выполнять опережающую выемку этих целиков с богатой рудой в целях снижения риска перенапряжения пород в целиках и осложнений извлекаемости руд на завершающей стадии отработки рудника. В качестве закладочного материала над междуэтажными целиками использовалась извлекаемая в ходе добычи несвязная пустая порода, т.е. несвязная закладка (НЗ).

Ввиду того, что ранее предпринятые попытки выемки целиков под НЗ на верхних участках рудника не увенчались успехом, было решено укрепить поверхность с использованием НЗ над пятью оставшимися междуэтажными целиками до начала очистной выемки. Результаты анализа эффективности затрат доказали обоснованность такого решения за счёт возможности извлечения богатой руды, оставленной в этих целиках.

Ключевым основанием проектного решения об использовании твердеющей закладки (ТЗ) явилось наличие на месте ведения работ подходящего материала достаточной крепости и в объёмах, достаточных для выдерживания напряжений и предотвращения образования провалов НЗ, приводящих к стерилизации или разубоживанию руды, а также способных вызвать неустойчивость горного массива ввиду смещения больших объёмов закладочного материала.

Методика ведения добычи

Рассмотрим следующий пример: с учётом геометрических параметров висячего бока и проектной ширины (до 15 м), формирование очистной камеры TY5025 в рудном теле Яхут (рис. 1) требовало достаточно консервативного подхода, согласно которому коэффициент запаса прочности (КЗП) горного массива был принят равным 2 и выполнена оценка последовательности выемки. Выемку целика TY5025 планировалось выполнить путём формирования двух очистных камер параллельно в висячем и лежачем боках рудного тела. При этом, первая очистная камера заполнялась пастообразной закладкой до начала выемки во второй очистной камере. С учётом предполагаемого интервала обрушения породы 7,2 м и при условии ведения очистной выемки в первую очередь в висячем боку, КЗП равный 2 достигался при высоте цементированной закладки от 4 до 5 м, в то время как для достижения КЗП равного 2 при ведении очистной выемки в лежачем боку (при тех же условиях) требуемая высота цементированной закладки составила 5 м.

Рис. 1.  Плановый поперечный разрез и геометрические параметры очистной камеры TY5025 шириной 15 м  (под слоем НЗ) в висячем боку рудного тела

Сужение рудного тела Яхут в районе очистной камеры TY5015 требовало повышения значения КЗП для слоя закладки толщиной 5 м. Высота ТЗ в 4 м оказалась приемлемой для интервалов обрушения пород в диапазоне от 6,7 до 7,4 м. Кроме того, требовалось выполнить консолидацию пятиметровых слоёв закладки над целиками рудного тела Дамар.

Изначально предусматривалось приготовление цементирующей смеси непосредственно на месте и её последующее нагнетание в одну подачу через самозабуривающиеся анкеры (СЗА), заранее устанавливаемые через каждые 2,5 м. Первые попытки реализовать это решение были неуспешными ввиду слишком малого диаметра отверстия СЗА, наличия кольцевого пространства вокруг СЗА, консистенции цементного раствора и неэффективности средств обеспечения контроля качества.

После этого, было решено отказаться от использования СЗА и вместо этого был разработан альтернативный метод подачи цементирующей смеси через необсаженные (открытые) скважины. Для этого метода использовалась та же самая цементная смесь и те же цементационные насосы, однако был изменён способ доставки цементирующей смеси в НЗ. Основной целью альтернативного метода было решение нескольких задач, выявленных в ходе предыдущих работ: 

• бурение скважин большего диаметра создавало большую площадь поверхности внутри скважины, вскрывая больше пустот для поглощения смеси. Использование извлекаемого бурового инструмента диаметром 89 мм обеспечило диаметр скважины, подходящий для успешной цементации, и возможность бурения скважин в НЗ без заклинивания бурового инструмента. Также использовались скважины диаметром 76 мм (максимальный диаметр на станке Cablebolter), однако с ними возникали проблемы, вызванные тем, что муфта, расположенная за буровым долотом, вызывала заклинивание буровых штанг; 
  
• 40-мм труба PN16 от насоса вставлялась непосредственно в скважины, что обеспечивало равномерное и более широкое отверстие для доставки цементирующей смеси; 
  
• скважины под нагнетание смеси бурились в несколько отстоящих друг от друга на расстоянии колец, чтобы уменьшить утечку смеси или засыпку скважин; 
  
• были внедрены процессы контроля качества, включая пробное бурение и инспекцию скважин с помощью видеокамеры.

Всё это в совокупности обеспечило успех проектного решения.

Цементная смесь
Проектом предусматривалось создание водно-цементной смеси в соотношении 2:1. Для проверки качества смеси в ходе нагнетания насосом пробы отбирались в 1-литровые полистироловые формы ёмкостью 1 м³ (однокубовые пробы) и взвешивались в мокром виде. Согласно техническим спецификациям, требуемый вес каждой однокубовой пробы должен был составлять 1250 г для водно-цементной смеси 2:1. Для обеспечения подходящей прочности, проектный вес пробы составлял 1260 г.

Если в ходе подачи раствора вес однокубовой пробы отличался от 1260 г, в целях компенсации расхождения выполнялась корректировка подачи воды в насос (в сторону увеличения или уменьшения), после чего отбиралась новая проба.

Проверка прочности
Однокубовые пробы выдерживались в течение трех, семи или 14 дней, а затем проводились испытания прочности на одноосное сжатие. Результаты испытаний показали, что прочность на одноосное сжатие для водно-цементной смеси в соотношении 2:1 составляла 8 Мпа и варьировалась в диапазоне от 4 до 16 МПа.

Инспекция с помощью видеокамеры
Для инспекции скважин использовалась камера (сначала часто, а потом периодически). Специально разработанная камера для инспекции скважин была снабжена жестким кабелем, катушкой и защищенным объективом. Камера вводилась в скважину посредством встроенного доставочного устройства. Снимки с камеры подтверждали состояние НЗ и смеси, а также наличие ранее заложенной пастообразной смеси в некоторых случаях. На рисунке 2 (с. 111) приведён пример снимка нагнетённой цементирующей смеси, а на рисунке 3 (с. 111) приведён пример наличия пустот.

Рис. 2.  Снимок твердеющей закладки: породный материал показан черным цветом, а цементная смесь показана серым цветом

Рис. 3.  Снимок пустот в НЗ.

Пробное бурение
В каждой скважине было проведено измерение глубины проникновения смеси из ТЗ в НЗ в месте их стыка. На основе полученных данных была рассчитана вертикальная мощность сцементированного слоя и результаты нанесены на схемы каждого штрека. Для определения потребности в дальнейшем цементировании были выбраны буровые площадки для проверки свежего слоя закладки, в который смесь нагнеталась по веерной схеме (через 2,5 м друг от друга). Выяснилось, что смесь протекала вдоль НЗ и скапливалась в месте нагнетания. Бурение было отложено на 24 часа после подачи, чтобы позволить смеси затвердеть. После затвердевания цементирующей смеси, её уровни в скважинах подтверждались пробным бурением.

Факты из практики

Скорость подачи
Скорость подачи на каждом горизонте была изначально низкой, что было вызвано утечками, заполнением трещин и щелей, а также бурением скважин на расстоянии всего 2 м от места стыка НЗ и ТЗ, что ограничивало объёмы пустот для заполнения. Подача смеси первого прохода закупоривали подошву слоя НЗ и направление потока становилось более предсказуемым. Скважины второго прохода пробуривались до верхней части намеченной зоны, что обеспечивало большие объёмы цементирования при сокращении необходимости перемены скважин, но увеличении тоннажа за рабочую смену.

По мере завершения закладки на участке, точки подачи становились более выборочными, объёмы смеси сокращались перед спрессовкой скважин и потребность в перемене скважин стала возникать чаще.

Разубоживание в ходе добычи
Методика выемки целиков, расположенных под слоем консолидированной закладки, требовала бурения скважин снизу вверх. Длина очистных камер, как правило, составляла 15 м и высота целиков, предназначенных для выемки составляла от 5 до 10 м. В зависимости от геотехнических условий, допускалось одновременное взрывание максимум 2–3 вееров.

Выяснилось, что консолидированная НЗ, находящаяся в открывшейся кровле очистных камер TY5025, TD4998 и TY5015, держится достаточно крепко. Кровля очистных камер выглядит схоже несмотря на то, что в ходе подачи встречалась НЗ различного состава. Соответствующие наблюдаемые условия показаны на рисунках 4, где заметна схожесть характера материала после цементирования.

Рис. 4.  Консолидированная закладка в кровле камер

Практические рекомендации

Планирование
Убедитесь в том, что предлагаемое проектное решение соответствует геотехническим условиям участка и требуемым результатам. При надлежащем планировании пробное применение предлагаемого процесса поможет разработать соответствующие инструкции. Будьте готовы к необходимости изменения общей стратегии и ежедневных планов горных работ. Проведите пробное размещение закладки перед окончательным внедрением данного проектного решения.

Бурение
Убедитесь в том, что диаметр скважины соответствует используемому насосу и обеспечивает свободный ток смеси. Расстояние между веерами должно быть сравнимым с характером потока цементирующей смеси. В описываемом случае, приемлемым было расстояние в 2,5 м. Соблюдение расстояния (2 метра) между скважинами первого прохода помогло создать закупоривающий слой и консолидировать стенки целиков из НЗ. Пробное бурение вблизи от мест свежего цементирования лучше всего проходило спустя 24 часа после подачи цементирующей смеси.

Приготовление смеси
Оборудование должно иметь достаточную апертуру, а смесь должна быть без комков. Консистенция цементирующей смеси поддерживалась на уровне водно-цементного соотношения 2:1. Более жидкая смесь имела бы пониженные прочностные свойства. Смесь была сгущена после того, как было установлено чрезмерное количество утечек при попытке их устранения. Для закупорки устьев скважин и масштабных утечек (например, из фрикционных анкеров) использовались тканевые прокладки. В случае, если применение прокладок или сгущение смеси не помогали устранить утечки, скважина консервировалась, и работа с ней откладывалась на более поздний срок.

Утечки
Предварительное бурение множества скважин на участках, предназначенных для цементирования, создавало благоприятные условия для утечки цементирующей смеси и от него отказались.

Утечки через трещины в породе были устранены путём обработки кровли очистных камер слоем торкретбетона.

Наклонный очистной забой с НЗ был оставлен открытым на добычном горизонте в основании закладки. Во избежание утечек, потребовалось укрепление стенок с помощью торкретбетона до начала цементирования. Также потребовались дополнительные проверки на предмет целостности торкретбетона. Время от времени наблюдались протечки цементирующей смеси или дренажной воды.

На стадии планирования работ необходимо абсолютно точно определить наличие недоступных выработок в НЗ, например первоначальных врубов или небольших камер, изолированных НЗ, но не заполненных закладкой, которые представляют собой пустоты, примыкающие к участкам, предназначенным для цементирования.

Вспомогательное оборудование и персонал
Для насосов требуются большие объёмы воды и воздуха, а также давление, достаточное для проталкивания раствора на расстояние до 300 м без необходимости установки насоса внутри трубопровода. Очень полезным оказалась организация 2-сменной работы вспомогательного персонала, знакомого с участком, для содействия персоналу, занятому в процессе цементации. Их роль заключалась в устранении неполадок и обеспечении эффективных действий в условиях изменяющейся обстановки, в процессе горнодобычной деятельности, либо аварий вспомогательного оборудования или сбоев в работе вспомогательных служб.

Требовалась постоянная поддержка со стороны IT-служб.

Решающее значение имела постоянная доступность буровой установки, особенно при организации работы в 2 смены. При работе в одну смену, бурение выполнялось в ночную смену.

Выемка целиков
Очистные камеры не взрывались на всю длину за один взрыв. Одновременное взрывание только нескольких вееров позволило обеспечить мониторинг процесса консолидации с возможностью закладки незавершённой очистной камеры перед продолжением процесса. Для взрыва целиков на контакте с ненарушенной породой использовалась вертикальная врубовая щель. Для взрыва целиков на контакте с закладкой использовалась радиальная щель. После завершения выемки в очистной камере, под следующим целиком создавался барьер для поддержания закладки, и очистная камера заполнялась пастообразной закладкой прочностью 1–2 МПа.

Мы хотели бы выразить благодарность руководству компаний PT. Nusa Halmahera Minerals и Newcrest Mining Limited за разрешение написать и опубликовать этот документ. Огромное спасибо отдельным сотрудникам, штатным и внештатным, которые поделились своими знаниями и приложили значительные усилия для налаживания процесса цементирования, обеспечения работы в постоянно изменяющихся условиях и успеха этого проекта.

В основе данной статьи лежит работа «Консолидация закладки для выемки целиков в очистных камерах на золоторудном руднике Торугаки» (Rockfill consolidation for the extraction of sill pillar stopes at Toguraci gold mine; A Proudman, J Isles, R Lawolo and G Forster), представленная на 13-й конференции AusIMM для операторов подземных рудников.

Опубликовано в журнале “Золото и технологии”, № 3 (45)/сентябрь 2019 г.