Разработка технологии закладки горных выработок литыми твердеющими смесями на основе хвостов обогащения
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Горная промышленность. Металлургия
Издательство:
Сибирский федеральный университет
Год издания: 2020
Кол-во страниц: 176
Дополнительно
Вид издания:
Монография
Уровень образования:
ВО - Специалитет
ISBN: 978-5-7638-4336-1
Артикул: 765762.01.99
Приведены результаты исследований твердеющих закладочных смесей при различных технологиях приготовления. Описана технология закладки горных выработок литыми твердеющими смесями на основе хвостов обогащения.
Предназначена для магистрантов, аспирантов, научных сотрудников и инженерно-технических работников, специализирующихся в области горного дела.
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Приведены результаты исследований твердеющих закладочных смесей при различных технологиях приготовления. Описана технология закладки горных выработок литыми твердеющими смесями на основе хвостов обогащения. Е. П. Волков, А. Н. Анушенков РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ЗАКЛАДКИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК ЛИТЫМИ ТВЕРДЕЮЩИМИ СМЕСЯМИ НА ОСНОВЕ ХВОСТОВ ОБОГАЩЕНИЯ
Оглавление 1 Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Сибирский федеральный университет Е. П. Волков, А. Н. Анушенков РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ЗАКЛАДКИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК ЛИТЫМИ ТВЕРДЕЮЩИМИ СМЕСЯМИ НА ОСНОВЕ ХВОСТОВ ОБОГАЩЕНИЯ Монография Красноярск СФУ 2020
Оглавление
2
УДК 622.27(07)
ББК 33.3я73
В676
Р е ц е н з е н т ы:
А. Г. Михайлов, доктор технических наук, заведующий лабораторией
проблем освоения недр ИХХТ СО РАН;
А. В. Никитин, кандидат технических наук, руководитель направления «Открытые горные работы» ООО «НТЦ “ГЕОТЕХНОЛОГИЯ”»
Волков, Е. П.
В676
Разработка технологии закладки горных выработок литыми
твердеющими смесями на основе хвостов обогащения : монография /
Е. П. Волков, А. Н. Анушенков. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т,
2020. – 176 с.
ISBN 978-5-7638-4336-1
Приведены результаты исследований твердеющих закладочных смесей
при различных технологиях приготовления. Описана технология закладки горных выработок литыми твердеющими смесями на основе хвостов обогащения.
Предназначена для магистрантов, аспирантов, научных сотрудников
и инженерно-технических работников, специализирующихся в области горного
дела.
Электронный вариант издания см.:
http://catalog.sfu-kras.ru
УДК 622.27(07)
ББК 33.3я73
ISBN 978-5-7638-4336-1 © Сибирский федеральный
университет, 2020
Оглавление 3 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................................... 4 Г л а в а 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ИССЛЕДУЕМОЙ ПРОБЛЕМЫ ........... 6 1.1. Современное состояние закладочных работ .................................. 6 1.2. Существующие технологии приготовления твердеющих смесей на основе хвостов обогащения ................... 39 1.3. Способы повышения качества твердеющих смесей на основе хвостов обогащения ...................................................... 45 1.4. Обоснование рациональных способов воздействия на материалы твердеющих смесей на основе хвостов обогащения ....................................................... 65 Г л а в а 2. ПОВЫШЕНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ И РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТВЕРДЕЮЩИХ СМЕСЕЙ НА ОСНОВЕ ХВОСТОВ ОБОГАЩЕНИЯ ....................................... 68 2.1. Нормативная прочность закладочного массива ............................ 68 2.2. Подбор составов закладочных смесей ........................................... 93 2.3. Лабораторные исследования закладочных смесей ....................... 99 Г л а в а 3. ИЗУЧЕНИЕ МЕХАНИЗМА ВОЗДЕЙСТВИЯ НА КОМПОНЕНТЫ ЛИТЫХ ТВЕРДЕЮЩИХ СМЕСЕЙ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ЗАКЛАДКИ ТВЕРДЕЮЩИМИ СМЕСЯМИ НА ОСНОВЕ ХВОСТОВ ОБОГАЩЕНИЯ ............................................................... 112 3.1. Изучение механизма гомогенизирующего и активирующего воздействия на компоненты твердеющих смесей ........................................................................ 112 3.2. Разработка устройства для активации и гомогенизации компонентов смеси ........................................... 117 3.3. Технология приготовления закладочных смесей с применением гидроударно-кавитационного смесителя .......... 120 3.4. Проведение испытаний разработанной технологии закладки .. 128 Г л а в а 4. МЕТОДИКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ ТЕХНОЛОГИИ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ЗАКЛАДКИ ........................ 151 4.1. Экономическая оценка целесообразности применения закладочных смесей ...................................................................... 151 4.2. Сравнительная экономическая эффективность использования закладочных смесей ............................................ 158 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ......................................................................................................... 160 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ........................................................................................ 171
Введение 4 ВВЕДЕНИЕ В мировой практике добычи полезных ископаемых все более возрастает роль геотехнологий с закладкой выработанного пространства твердеющими смесями. Постоянное увеличение объемов добычи минерального сырья вызывает практическую необходимость решения проблемы размещения растущих объемов отходов горного производства. Ужесточение требований законодательства об охране окружающей среды, экономические санкции за наносимый ущерб природе, особенно в зонах успешного земледелия, могут привести в отдельных регионах к полному прекращению горных работ. Применение же систем разработки с закладкой открывает широкие возможности для утилизации в выработанном пространстве не только собственных отходов горно-обогатительного предприятия, но и отходов металлургических, энергетических и химических производств, обеспечивая при этом минимальные деформации подрабатываемого массива и сохранность земной поверхности. Кроме того, использование твердеющей закладки на подземных рудниках позволяет: успешно решать проблему управления горным давлением, снижая потенциальную опасность его проявления в статической и динамической формах; пересмотреть традиционные нормативы вскрытия и подготовки месторождений к эксплуатации, приблизив стволы к рудным залежам, минимизируя объемы породной проходки квершлагов, расстояния подземного транспорта добытой руды; освоить восходящий порядок отработки месторождений без оставления охранных и других целиков различного назначения; повысить в несколько раз полноту и качество извлечения руд из недр. Однако существуют определенные экономические ограничения широкого освоения этой прогрессивной технологии. В большинстве случаев для формирования закладочного массива используется специально добываемый заполнитель и портландцемент, имеющие высокую стоимость. В некоторых районах даже получение наполнителя может оказаться трудно разрешимой экономической проблемой. Вместе с тем многие из накопившихся отвальных продуктов могут быть эффективно использованы не только как наполнители, но и как вяжущие материалы. В последние годы выявлена возможность частичной и нередко полной замены цементов другими материалами.
Введение 5 Необходимость совершенствования существующих закладочных комплексов и технологий разработки месторождений полезных ископаемых с закладкой выработанного пространства твердеющими смесями на основе хвостов обогащения обусловили проведение исследований, результаты которых представлены в настоящей монографии.
Г л а в а 1. Теоретический обзор исследуемой проблемы 6 Г л а в а 1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ИССЛЕДУЕМОЙ ПРОБЛЕМЫ 1.1. Современное состояние закладочных работ При выемке рудных залежей на больших глубинах наибольшее распространение получили системы разработки с закладкой. Заполнение выработанного пространства закладочными смесями в сочетании с разгрузкой массива позволяет регулировать возникающие в призабойной зоне напряжения, способствует постепенному деформированию вмещающих пород без срыва крупных структурных блоков и тем самым снижению вероятности горных ударов. Исключаются пожары при добыче сульфидных руд. Из других достоинств этих геотехнологий отмечаются высокие показатели качества и полноты извлечения запасов полезного ископаемого из недр, надежное поддержание земной поверхности без заметных ее деформаций, возможность утилизировать отходы горного и обогатительного производств. Системы разработки с закладкой выработанного пространства широко используются при отработке залежей сложной формы с ценными рудами, а также при залегании рудных тел под охраняемыми природными, производственными и социальными объектами. Сравнительно высокая себестоимость добычи минерального сырья с закладкой компенсируется незначительным разубоживанием, более полным извлечением добываемого полезного ископаемого, возможностью селективной его выемки с оставлением в недрах части породных включений. Закладка выработанного пространства используется в любых сложных горнотехнических и геомеханических условиях. Ее применение обусловлено разнообразными целями (табл. 1.1). С ростом ценности извлекаемых полезных компонентов, повышением законодательных требований к охране земной поверхности, утилизации отходов промышленности от горно-металлургической до бытовой, увеличением глубины горных работ область применения технологий добычи руд с закладкой будет постоянно расширяться. Литая твердеющая смесь содержит вяжущее вещество, мелкозернистый заполнитель и воду. Для повышения скорости твердения смеси, улучшения показателя транспортабельности в ее состав вводят активизаторы и пластификаторы (табл. 1.2). Цементные вяжущие применяются на многих рудниках России и мира. Это обусловлено рядом преимуществ его использования: минимальными
1.1. Современное состояние закладочных работ 7 сроками твердения относительно других вяжущих, простотой технологий приготовления ЛТС, сокращением капитальных затрат на строительство закладочного комплекса. Таблица 1.1 Цель и условия применения закладки Цель Условия Повышение полноты и качества извлечения руд Отработка охранных целиков. Селективная выемка, разработка месторождений сложной морфологии. Разработка месторождений ценных руд Разработка месторождений в сложных горнотехнических условиях Сильнообводненные месторождения. Неустойчивые руды и вмещающие породы. Разработка пожароопасных месторождений. Разработка глубоких горизонтов Интенсификация разработки месторождений Совместная разработка открытым и подземным способами. Опережающая разработка. Восходящая разработка Улучшение условий труда Разработка удароопасных месторождений Охрана окружающей среды Охрана недр, земли, лесных массивов, водных бассейнов. Утилизация отходов производства Таблица 1.2 Назначение и виды материалов для приготовления ЛТС Назначение Материалы Вяжущее Портландцемент, молотые металлургические шлаки, золы уноса, ангидрит, гипс, цеолит и др. Активизаторы Цемент, известь, гипс, шламы, ангидрит, доменные шлаки, щелочные отходы производства и др. Пластификаторы Глина, известняк, хлорное железо, хлористый кальций, сернокислый натрий, сульфидно-спиртовая барда и др. Заполнитель Хвосты обогащения, песок, дробленая порода шахтных отвалов, отвальные шлаки, гравий и др. Несущая среда и реагент процесса твердения Сбросовые воды рудника, обогатительной фабрики, техническая вода В разное время на рудниках испытывали и применяли разнообразные вяжущие материалы, способные полностью или частично заменить цемент, который достаточно дорогостоящий продукт. Наибольшее распространение получили шлаковые вяжущие. Структура литой твердеющей закладки (ЛТЗ) такова, что 85–90 % ее составляет заполнитель с водой. Качество заполнителя во многом обусловливает характеристику возводимого массива.
Г л а в а 1. Теоретический обзор исследуемой проблемы 8 Основные требования к заполнителям: предел прочности их должен быть на 10–15 % выше нормативной прочности закладки, отсутствие вредных примесей, транспортабельность и экономичность. По экологическим и экономическим факторам необходимо стремиться использовать в качестве заполнителя отходы обогатительной фабрики и рудника. Повышению прочности ЛТЗ, улучшению ее транспортабельности способствует введение в смесь пластифицирующих добавок. Их используют для ускорения твердения ЛТС, повышения текучести раствора, экономии цемента, повышения водоудерживающей способности смеси. Активизаторы повышают гидравлическую активность вяжущего. Эффективными активизирующими свойствами обладают ангидрит, известь, золы уноса, цемент и др. Наряду со свойствами компонентов ЛТЗ на ее качество большое влияние оказывает технология производства и тип применяемого оборудования. Используемые в настоящее время на горных предприятиях закладочные комплексы с цементным вяжущим однотипны и представляют собой бетоносмесительные устройства (рис. 1.1). Закладочные комплексы разнообразны, и в них объединяются средства для измельчения, приготовления и транспорта смесей, как правило, на основе комплексных вяжущих. Рис. 1.1. Технологическая схема закладочного комплекса литой смеси: 1 – склад для гранулированного доменного шлака; 2 – загрузочные бункеры; 3 – конвейер; 4 – шаровая мельница; 5 – весы; 6 – гидроциклоны; 7 – смеситель; 8 – трубопровод; 9 – насос; 10 – цементный склад; 11 – склад заполнителя; 12 – вакуум-фильтр Вода для закладки не должна содержать в большом количестве вредных кислотных примесей, агрессивных к бетону. Для приготовления ЛТС 4 3 2 1 6 6 5 9 9 8 7 12 11 10 Хвосты ОФ Вода Вода Слив Слив
1.1. Современное состояние закладочных работ 9 применяют воду с показателем кислотности больше 4, содержание сульфатов менее 2,7 г/л и других солей не более 5 г/л. Слегка щелочные воды ускоряют процесс схватывания. Применяемые в приготовлении ЛТС материалы подвергаются предварительной переработке и требуют: цемент, золы ТЭЦ – доизмельчения для повышения активности; шлаки – мокрого измельчения; заполнители (скальные породы) – дробления, измельчения; хвосты обогащения – обезвоживания и дешламации. Приготовление ЛТС предусматривает процесс подготовки шихты, включающий подачу компонентов смеси в закладочный комплекс (ЗК), дозирование их, измельчение и перемешивание в смесительных устройствах. Готовые твердеющие смеси подаются в выработанное пространство трубопроводным транспортом. Большое значение в получении качественного твердеющего раствора отводится вяжущему. Формирование сложного вяжущего из различных компонентов осуществляется в процессе измельчения материалов. Эти процессы оказывают решающее влияние на гомогенность и подвижность смеси, характер протекающих в ней физико-химических процессов (на скорость гидратации вяжущего, кинетику твердения и т. д.). Приобретенные в процессе приготовления ЛТС свойства должны сохраняться в течение всего времени ее транспортирования и укладки в выработанном пространстве. Выполненные научно-исследовательские работы [1–24], применение новых решений в промышленности показали, что наилучшие результаты в производстве ЛТС достигаются при мокром способе ее приготовления в шаровой мельнице, когда процессы измельчения и перемещения компонентов закладки в растворе вяжущих совмещены [16–44]. Этот способ позволяет получить высокую степень активности тонкоизмельченного вяжущего (до 55 % частиц крупностью не выше 70 мкм) с образованием центров повышенной активности. Литая твердеющая закладка благодаря своим достоинствам получила наиболее широкое распространение на подземных рудниках в сложных горнотехнических условиях на больших глубинах. Основными преимуществами этого способа являются: ● возможность создать искусственный массив требуемой прочности и обеспечить надежное поддержание подрабатываемого горного массива и земной поверхности; ● возможность полной автоматизации приготовления и трубопроводного транспорта ЛТС; ● использование в качестве вяжущего и заполнителя отходов металлургического и горно-обогатительного производства.
Г л а в а 1. Теоретический обзор исследуемой проблемы 10 В числе недостатков отмечаются: ● большие капитальные затраты на оборудование и строительство закладочного комплекса; ● сравнительно высокие издержки производства, достигающие 20–30 % в себестоимости добычи полезного ископаемого. Твердеющая закладка была применена впервые в Кузбассе. Систему разработки, предложенную И. Н. Казниным в 1937 г., испытывали на крутом пласте шахты «Центральная». Угольные целики заменили бетонными столбами со сводчатой бетонной потолочиной в камере. В качестве вяжущего вещества использовали цемент марки 250–300 в количестве 250–280 кг/м3, заполнителем служили песок и горелые породы отвалов. Приготавливаемый на поверхности бетон спускали в шахту на глубину 50 м по трубам, затем транспортировали к месту укладки конвейером РТ-60 или самотеком по металлическим рештакам. Были отработаны три опытные камеры, в двух из которых возвели бетонный свод. Бетонные столбы, свод и ребра свода оказались достаточно прочными, разрушений в течение года не было. Потери угля и его зольность при данной системе разработки в сравнении с обычной камерной системой значительно снизились, возросла производительность труда забойщиков. В последующие годы твердеющая закладка нашла широкое применение на рудниках цветной металлургии. На руднике «Текели» разработка верхних горизонтов крутой залежи системами с обрушением вызвала пожар по всему шестому горизонту. В 1960 г. на руднике внедрили камерные системы разработки с твердеющей и гидравлической закладкой выработанного пространства, исключающие опасность самовозгорания руд. Блок длиной 50–60 м и шириной, равной мощности рудного тела (до 45–60 м), делят на 8 камер, отрабатываемых в две-три очереди с последующей закладкой бетоном. Камеры последней очереди заполняют гидрозакладкой. Бетонную смесь готовят на поверхности, транспортируют по трубам самотечным и самотечно-пневматическим способами. Закладку подают в камеры со стороны лежачего бока. Качество закладки определяют с помощью проб, из которых изготовляют контрольные кубики. Кроме того, через 6–9 месяцев после окончания закладочных работ бурят контрольные скважины с отбором бетонного керна и испытывают его на прочность при сжатии. Прочность закладочного массива из-за расслоения и неточности дозировки материалов колеблется от 15 до 275 кг·с/см2, составляя в среднем 50–60 кг·с/см2 (для бетона с расходом цемента марки 250 в количестве 300 кг/м3, песчано-гравийной смеси 1 м3/м3 при водоцементном отношении, равном 1). Допустимая площадь обнажения составляет 1200–1300 м2.