CC BY
40
УДК 622.272:553.632 М.В. Вотяков
ФОРМИРОВАНИЕ ВЫСОКОПРОЧНОГО ЗАКЛАДОЧНОГО МАССИВА ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ В КАЧЕСТВЕ АКТИВАТОРА ЛИГНОСУЛЬФОНАТА
Дано обоснование создания закладки на основе галитовых отходов обогащения и магнезиального вяжущего с использованием лигносульфоната в качестве добавки.
Семинар № 15
1ТЛак известно, в настоящее время
-Ж\ сложилась неблагоприятная ситуация при отработке калийных залежей: потери полезного ископаемого до 65 %, проседание земной поверхности, развитие нарушений в водозащитной толще пород, горные удары, экологический вред от хранения отходов обогащения на поверхности.
Наиболее перспективным направлением в решении этих вопросов является применение систем разработки с твердеющей закладкой на основе отходов обогащения. Ранее разработанные составы закладочных смесей Б.А. Борзаковским, П.К. Гаркушиным, В.Н. Зиминым, Ю.Г. Кравченко полностью не удовлетворяют предъявляемые к ним требования либо по прочностным характеристикам, либо по технологическим или экономическим параметрам.
Исходя этого, следует вывод о необходимости разработки составов твердеющей закладочной смеси максимально удовлетворяющих предъявляемые к ней требования на основе отходов обогащения калийных руд. Исследования, проведенные в этой области выше перечисленными авторами, показали, что наиболее подходящим вяжущим являются магнезиальные, которые являются самым дорогостоящим компонентом смеси. Их расход можно сократить использованием химических добавок, од-
новременно улучшив физикомеханические характеристики закладочной смеси.
Анализ результатов проведенных исследований показывает, что наиболее подходящей химической добавкой для галитовых отходов является лигносуль-фонат технический. При чем экспериментально установлено, что его оптимальное содержании составляет 1 % от массы галитовых отходов, при котором закладка набирает максимальную прочность.
Для изучения взаимодействия между компонентами закладочных смесей провели петрографический и рентгенофазовый анализы наиболее подходящих составов, прочностные характеристики которых приведены в табл. 1.
Петрографический анализ составов №1, №2 и №3 (табл. 1) показал что:
• состав №3 (отходы/лигносуль-фонат): при вводе лигносульфоната в галитовые отходы химического взаимодействия приводящего к образова-нию новых аморфных или кристалли-ческих структур не происходит. Лигносульфонат относительно равномерно распространяется в объеме материала, сегрегируясь на поверхности минера-лов и образуя непрерывные прослойки толщиной до 0,5 мкм;
• состав №2 (отходы/ магнезиальный цемент): магнезиальная сос-
Таблица 1
Прочность составов закладочных смесей с различным содержанием компонентов
Номер состава Содержание компонентов, масс.% В/Т Прочность образцов на одноосное сжатие, МПа
отходы магнез. лигно- Продолжительность твердения, сутки
цемент сульфонат 7 28 60 90
і 98 1 1 0,125 0,1 1,2 1,7 1,8
1а 97 2 1 0,125 0,15 1,6 2,2 2,4
2 99 1 - 0,15 0,1 0,65 1 1,25
3 99 - 1 0,13 - 0,8 0,95 1
4 100 - - 0,15 - 0,1 0,25 0,3
тавляющая в количестве 1 мас.% распространяется в объеме галитовых отходов в виде скоплений имеющих вид амебовидных образований, размер скоплений изменяется от 10 до 15 мкм, которые цементируют минеральные кристаллы отходов, образуя сетчатый каркас. В результате гидратации по зернам оксида магния образуется гид-ратная фаза брусита (М§(ОЫ)2), который имеет вид базальных пластинок и образует рыхлую структуру, содержащую значительное количество закрытой пористости. Размер образующейся фазы брусита составляет в среднем 4-5 мкм;
• состав №1 (отходы/ магнезиальный цемент/лигносульфонат): введение магнезиального цемента и лигно-сульфоната приводит к образованию плотной сетчатой структуры закладки. Наряду с основными фазами кристаллической матрицы КаС1 и амебовидных образований брусита М§(ОЫ)2, по периферии амебовидных образований обнаруживается наличие игольчатого каркаса из гидрооксихлоридов магния. Размер игольчатых кристаллов по длинной оси составляет от 1 до 2 мкм. Амебовидные образования кристаллов брусита имеют мелкокристаллическую структуру с размером зерна до 2-х мкм.
Результаты петрографического анализа соответствуют данным рентгенофа-
зового анализа составов №1 и №2 (рис. 1).
Сравнение рентгенограмм показывает, что в закладочной смеси содержащей 1% магнезиального цемента из новообразований (рис. 1, а) уверенно идентифицируется брусит и присутствуют отражения соответствующие гидроокси-хлоридам магния. При добавлении 1 % лигносульфоната (рис. 1, б) возрастают количество и интенсивность отражений новообразований соответствующих гид-рооксихлоридам магния при практически полном отсутствии отражений соответствующих бруситу, что соответствует данным петрографического анализа.
Следовательно, введение лигносульфоната влияет на формирование кристаллической структуры закладочного массива в целом. Отмеченные новообразования гидрооксихлориды магния являются более устойчивыми структурами, обеспечивающими составу набор более высокой прочности.
Дополнительно, при введении лигносульфоната на поверхности зерен №С1 образуется криптокристаллическая
структура, представляющая собой вторичные кристаллы КаС1 (рис. 2, а), что показывает петрографический анализ. Образованная структура способствует взаимному проникновению и сцеплению заполнителя №С1 с продуктами гидратации М§О.
ф КаСІ; + КС1; Жбрусит; ■ гидрооксихлориды магния.
а
ф КаС1; ^ брусит; Щ гидрооксихлориды магния.
А
н
о
о
н
са
и
с
н
<ц
т
н
б Угол, градус
Рис. 1. Рентгенограммы образцов закладки: а) галитовые отходы/ магнезиальный цемент=99/1; б) галитовые отходы/ магнезиальный цемент/ лигносульфонат =98/1/1
Таким образом, при твердении состава содержащего магнезиальный цемент и лигносульфонат возникает более плотная структура кристаллической
матрицы, которая дает более высокую прочность закладки (рис. 3).
Физико-механические испытания образцов составов №№1 ,2, 3, представленные в табл. 2.
Таблица 2
Физико-механические характеристики закладки
Номер состава Компоненты Соотношение компонентов н е в =5 Е § - О "8 Т- и е в =5 Е * е £ Пористость общая, % с а Г к ан ва ы н а в X о о Г я В с а г к ан ва 6 а а X с Я о ен о И Подвижность смеси, см Водотвердое отношение Усадка, % Прочность на одноосное сжатие, МПа
Сутки
30 60
і Отходы/магн. цемент/ лигно-сульфонат 98/1/1 1,44 2,37 35,5 5,5 23 10 0,125 0,3 1,2 1,7
2 Отходы/магн. цемент 99/1 1,38 2,29 39,6 6 23 10 0,15 1 1 1,25
3 Отходы/ лигно-сульфонат 99/1 1,35 2,23 38,1 7,5 32 10 0,13 0,5 0,95 1
Из таблицы видно, что добавление лигносульфоната в количестве 1 масс % уменьшило водотвердое отношение с 0,15 до 0,125 при сохранении необходимой для трубопроводного транспорта подвижности смеси, соответственно, количество насыщенного раствора необходимого для затворения сокра-
тилось на 17 %. Сократилась пористость закладки и вырос ее объемный и удельный вес. А это еще раз подтверждает, что рекомендуемый состав №1 отходы/ магнезиальный це-
мент/лигносульфо-нат = 98/1/1 обладает более плотной структурой, а то есть более высокой прочностью.
Таким образом, проведенные эксперименты доказывают возможность создания закладки на основе галитовых отходов обогащения и магнезиального вяжущего с использованием лигносульфо-ната в качестве добавки. Данный состав обладает следующими преимуществами: формированием в процессе твердения более плотной и прочной кристалличе-
ской структуры закладки, обеспечивающей набор необходимой прочности; пониженным водотвердым отношением, при сохранении подвижности смеси для трубопроводного транспорта; включает в себя минимальное количество вяжущего и добавки, что является экономически выгодным. ВДВ
а б
Рис. 3. Микроструктура образцов закладки: при введении лигносульфоната формируется более плотная структура - (а), чем в составе содержащем только магнезиальный цемент - (б)
— Коротко об авторе ----------------------------------------------------------------
Вотяков М. В. - аспирант, Московский государственный горный университет.
Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 15 симпозиума «Неделя горняка-2008». Рецензент д-р техн. наук, проф. Е.В. Кузьмин.
