CC BY
31
УДК 622.272
В.С. Святецкий, Е.В. Кузьмин, А.В. Калакуцкий, А.А. Морозов, В.С. Филоненко, А.С. Бодров
ПРОЧНОСТЬ ПАСТОВОЙ ЗАКЛАДКИ НА ОСНОВЕ ХВОСТОВ ПЕРЕРАБОТКИ УРАНОВЫХ РУД ПАО «ППГХО»
Установлена величина прочности пастовой закладки на основе хвостов переработки урановых рудПАО «ППГХО». Проведены испытания на прочность образцов, приготовленных из материала пасты, а также при наличии различных вяжущих добавок. Установлено, что материал пасты не имеет исходной прочности и не набирает ее во времени. При добавлении 3% цемента прочность практически не появляется, при 5% прочность достигает 0,4 МПа, и при добавлении 10% прочность возрастает до 1,6 МПа. Этого достаточно чтобы использовать пасту в качестве обратной закладки отработанных изолированных подземных камер и удаленных участков, где нет необходимости удержания вертикальных стенок из закладки и пр. Ключевые слова: пастовая закладка, твердеющий состав, испытания прочности на сжатие, цементное вяжущее, зола уноса.
Паста — плотный гелеобразный материал, образуемый из хвостов переработки руд, при высокой плотности и соотношению Т:Ж = 6:4, до 8:2, еще способный к транспортированию по трубам, что весьма важно. Паста формируется из мелких шламовых частиц, связываемых в сгустителях флокулянтами в крупные флокулы, в результате чего шламовая часть хвостов практически исчезает.
При использовании твердеющей закладки требуется знать нормативную прочность закладки на сжатие. Требования по нормативной прочности пастовой закладки различны и зависят от условий применения закладки:
• при закладке очистных камер больших размеров — требуется заполнение полного объема после отработки этажно-камерной либо подэтажно-камерной системами разработки, закладка может набирать нормативную прочность продолжительный период времени и достигать 0,8—1,0 МПа, что достаточно для поддержания бортов и кровли камеры, обеспечения
ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 6. С. 333-341. © 2017. В.С. Святецкий, Е.В. Кузьмин, А.В. Калакуцкий, А.А. Морозов, В.С. Филоненко, А.С. Бодров.
сопротивления деформациям боковых пород под действием горного давления;
• при закладке отработанных слоев при нисходящей слоевой выемке — требуется высокопрочная (до 4,0 МПа) закладка, с коротким временем набора прочности, достаточной для того, чтобы обеспечить удержание собственного веса при отработке следующего слоя за счет сцепления с шероховатой поверхностью пород по бокам слоевых выработок.
• при закладке отработанных слоев в варианте восходящей слоевой выемки — требования к закладке состоят в том, что время набора прочности и прочность закладки должны быть таковыми (до 4,0 МПа), чтобы через минимальный срок по твердой поверхности закладки могла перемещаться ПДМ с рудой, буровая машина, рабочие, для подготовки к обуриванию очередного забоя в слое.
Особенностью хвостов переработки урановых руд ПАО «ППГХО» является их дисперсность, большой процент шламовых частиц, что влечет высокую водоудерживающую способность. Как правило, дисперсные хвосты в закладочных работах не применяются, т.к. они требуют высокого расхода цемента для достижения заданной прочности.
В ЦНИЛ ПАО «ППГХО» подготовлен исходный пастовый материал, полученный сгущением хвостов ГМЗ в объеме 4 дм (4 емкости по 1 дм3, рис. 1). Материал получен сгущением твердой фракции хвостов с расходом флокулянта ПАА — 60 г/т и последующим обезвоживанием фильтрацией до прогнозируемой кондиции — 60% твердого (Ж/Т — 0,67 м/ т), представлен однородной вязкой пластичной массой.
Для определения прочностных характеристик исходный па-стовый материал укладывали в формы куба 1ФК 100 (100х100х
Рис. 1. Исходный пастовый материал 334
х100 мм, ГОСТ 22685-89) и затем уплотняли в течение 1 мин на виброплощадке до полного уплотнения и равномерного распределения объема в форме. Образцы пастового материала, предназначенные для твердения в нормальных условиях, после изготовления до их распалубки хранили в формах, покрытых влажной тканью, исключающей испарение из них влаги, в помещении с температурой воздуха (20±5)°С. После распалубки изготовленные образцы пасты предполагалось хранить в камере с нормальными условиями твердения (кубовой) при нормальных условиях твердения с температурой (20±2)°С и относительной влажностью воздуха (95±5)% (в соответствии с ГОСТ 10180-2012).
При определении прочности на одноосное сжатие, распалубку образцов производят не ранее чем через 24 ч и не позднее чем через 72 ч. После распалубки изготовленных образцов пастового материала по истечении 72-х ч было установлено, что образцы пасты не затвердели и остались в исходном пластичном состоянии, при дальнейшем их хранении в камере с нормальными условиями твердения набора прочности не происходило (табл. 1). Как видно из таблицы, в условиях отсутствия высыхания, соответствующих условиям подземных камер, пастовая закладка прочности не набирает в стандартный период времени.
Технологической лабораторией ЦНИЛ были подготовлены 5 проб пастового материала на основе хвостов ГМЗ, объемом 50 дм (1 проба -10 дм). Подготовленный пастовый материал получен сгущением твердой фракции хвостов ГМЗ с расходом ПАА-60 г/т и последующим обезвоживанием фильтрацией до прогнозируемой кондиции — 60% твердого (Ж/Т — 0,67). Цель проведения исследований — определение прочности на одноосное сжатие изготовленных образцов пастового материала (в срок твердения — 7, 14, 28, 56 суток), с различными добавками:
• с цементом ПЦ 400 ДО (ГОСТ 10178-85) в соотношении 3%, 5%, 10%;
• с золой-уноса ТЭЦ (ГОСТ 25818-91) в соотношении 30%, 40%, 50%;
Таблица 1
Прочность на одноосное сжатие образцов исходного пастового материала
№ п/п Наименование материала Прочность на одноосное сжатие, МПа, в срок твердения, суток
7 суток 14 суток 28 суток 180 суток
1 Исходная паста (без цемента) 0 0 0 0
1.8 , 1.6
£ 1.« 5 1.2 г' 1 8 0,8 £ 0,6 § 0,4 с 0.2 0
7 суток Мсуто» 28 суток 56 суток 180 суток
Прочность на одноосное сжатие, МПа, в срок твердения, суток
-»-1 Состав пасты с 3% цемента 0 0 0
-#-2 Состав ласты с 5% цемента 0 0,2 0,4 0.4
-*-3 Состав пасты с 10% цемента 0.8 1.3 16
Рис. 2. Зависимость изменения прочности пастового материала во времени (с цементом ПЦ 400ДО, 3%, 5%, 10%)
• с ПАВ («МиК», «Феноксол», «ТВИН») в соотношении 3%, 5%, 10%.
Для определения прочностных характеристик пастовый материал, приготовленный с вышеуказанными добавками, укладывали в формы куба 1ФК 100 (100x100x100 мм, ГОСТ 22685-89) и затем уплотняли (в течение 20 с) на виброплощадке до равномерного распределения объема пасты в форме.
Образцы пастового материала, предназначенные для твердения в нормальных условиях, после изготовления до их распалубки хранили в формах, покрытых влажной тканью, исключающей испарение из них влаги, в помещении с температурой воздуха (20±5)°С.
После распалубки изготовленные образцы пасты хранили в камере с нормальными условиями твердения (кубовой) с темпе-
Таблица 2
Прочность на одноосное сжатие образцов пастового материала с цементом ПЦ 400ДО, 3%, 5%, 10%
№ п/п Наименование материала Прочность на одноосное сжатие, МПа, в срок твердения, суток*
7 суток 14 суток 28 суток 56 суток 180 суток
1 Пастовый материал с расходом цемента — 3% 0 0 0 0 0
2 Пастовый материал с расходом цемента — 5% 0 0,2 0,4 0,4 0,4
3 Пастовый материал с расходом цемента — 10% 0,8 1,3 1,6 1,9 3,0
* Намеченная дата испытания образцов, в соответствующий срок твердения
ратурой (20±2)°С и относительной влажностью воздуха (95±5)% (в соответствии с ГОСТ 10180-2012). После чего испытывали на прочность при одноосном сжатии.
Результаты определения прочности на одноосное сжатие изготовленных образцов пастового материала с добавками цемента приведены в табл. 2.
Зависимости набора прочности материала пасты с различной добавкой цемента, во времени, представлены на рис. 2.
В шахтных условиях, характерных температурой +3 °С и относительной влажностью 80—90% все процессы будут замедленными, отверждение материала будет происходить в условиях объемного (гидростатического) сжатия.
На рис. 3 представлен типичный характер образования трещин при одноосном сжатии в образцах пастового материала, приготовленных с использованием цемента ПЦ 400 ДО (10%). Трещинообразование развивается по линии главных сжимающих напряжений. Это важный вывод для получения картины возможных трещин-каналов, по которым может диффундировать радон из закладки в камере.
Для определения прочностных свойств пастовой закладки с добавлением золы-уноса приготовлены стандартные образцы, с количеством добавляемой золы 30, 40, 50%. Результаты определения прочности на одноосное сжатие образцов пастового материала с добавками золы-уноса ТЭЦ во времени приведены в табл. 3. После 14 суток выдержки образцы не показали набора прочности. Образцы пастового материала с добавлением ПАВ («МиК», «Феноксол», «ТВИН») в соотношениях 3%, 5%, 10%, после приготовления остались в исходном пластичном состоянии в течение 7,14, 28 суток. Дальнейшее испытание их на прочность не проводилось.
Рис. 3. Характер разрушения образцов пасты с добавлением цемента на гидравлическом прессе П-50
Таблица 3
Прочность на одноосное сжатие образцов пасты с золой-уноса ТЭЦ, в соотношении 30%, 40%, 50%
№ п/п Наименование материала Прочность на одноосное сжатие, МПа, в срок твердения, суток
7 суток 14 суток 28 суток 56 суток 180 суток
1 Пастовый материал с расходом золы-уноса — 30% 0 0 24.05.16* 21.06.16* 24.10.16*
2 Пастовый материал с расходом золы-уноса - 40% 0 0 03.06.16* 01.07.16* 02.11.16*
3 Пастовый материал с расходом золы-уноса — 50% 0 0 03.06.16* 01.07.16* 02.11.16*
*Намеченная дата испытания образцов, в соответствующий срок твердения
Ниже приводятся сравнительные результаты испытаний на сжатие образцов пастовой закладки на основе переработки урановых руд ЗАО ЭГМК (рис. 4). Образцы пасты ЗАО ЭГМК были сформированы двумя группами хвостов: шламовой золотой ветвью и урановой ветвью, в комбинированном составе образцов в шламы добавлялось 50% урановых песков, характерных большей крупностью зерна. Прочностные характеристики пастовой закладки на основе шламовой золотой ветви ЗАО ЭГМК, при добавлении 3,5% цемента сравнительно низкие (0,2—0,4 МПа)
Рис. 4. Изменение прочности образцов на основе хвостов переработки урановых руд ЗАО ЭГМК, во времени
и совпадают с характеристиками набора прочности образцов на основе хвостов ПАО «ППГХО».
Если имеется необходимость высокой прочности закладочного массива (отработка рудной залежи участками-камерами с последующим извлечением целиков, требование устойчивости бортов из закладки) то закладку следует готовить с высокой прочностью, т.е. с добавлением до 10% цемента.
Пластичность пастовой закладки обеспечивается наличием флокулянтов, представляющих собой заряженные мономеры — ионы, распределяющиеся по периферии при движении закладки в трубопроводе. Флокулянты размещаются между пастой и внутренней стенкой трубопровода и служат в качестве смазки. При этом по центральной части трубопровода движется масса с содержанием воды менее 20%, поэтому пастовая закладка не выделяет свободную воду. Испытания образцов пастовой закладки показали, что во времени пастовый материал вытесняет свободную воду на поверхность, тем самым приобретая высокую плотность.
Задача снижения пористости пастовой закладки ставилась для снижения радоновыделения из пасты. Результаты исследований показали, что радоновыделение происходит лишь с приповерхностного слоя пасты толщиной 45 мм. Радон, выделяемый атомами радия внутри объема пастовой закладки в камере, поглощается самим материалом пасты, при имеющихся плотности и пористости пасты. Специальные работы по снижению пористости материала пасты не являются необходимыми, т.к. при этом возрастает вязкость, снижаются реологические свойства пасты, чем усложняется перемещение материала по трубопроводам.
Выводы
1. В результате проведенных лабораторных исследований установлено, что исходный пастовый материал при отсутствии в нем вяжущего не обладает прочностью. Таким материалом можно заполнять изолированные камеры, удаленные фланги месторождений с возведением необходимых изолирующих барьеров.
2. Наиболее эффективной добавкой для повышения прочностных характеристик пастовой закладки является цемент (ПЦ 400 ДО). При добавлении цемента ПЦ 400 ДО - 3% через 28 суток прочность закладки была равна 0, что указывает на недостаточность цемента. При добавлении 5% прочность равна 0,4 МПа, что позволяет ее рекомендовать при закладке больших
объемов, рудных тел, отрабатываемых одной камерой, не требующих высокой устойчивости закладочного материала.
3. При добавлении 10% цемента закладка после 28 суток выдержки имеет прочность 1,6 МПа, что позволяет ее рекомендовать как закладку первичных камер при необходимости последующей отработки междукамерных целиков.
4. Ранее проведенные опыты с добавлением крупнозернистых породных фракций в состав пастовой закладки показали увеличение прочности закладки, поэтому необходимо предусмотреть также работы по определению прочностных свойств пастовой закладки с добавлением в качестве инертного наполнителя крупнозернистого измельченного породного материала.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Обоснование и проведение полупромышленных испытаний по использованию пастового сгущения хвостов для обратного заполнения ими отработанных горных выработок. Итоговый отчет по выполнению научно-исследовательской работы. — Электросталь: ЗАО «Тране Текник», 2011.
2. Исследования параметров твердеющей и пастовой закладки на основе хвостов переработки урановых руд, разработка мер по снижению радоновыделения. Заключительный отчет, АО «ВНИПИпромтехноло-гии», ПАО «ППГХО», 2016.
3. Святецкий В. С. Исследования возможности пастовой закладки камер на основе хвостов переработки урановых руд ПАО «ППГХО» // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2015. — № 10. — C. 37-40.
4. Святецкий В. С. Установление напряжения сдвига и прочности пастовой закладки на основе хвостов переработки урановых руд // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2015. — № 9 — C. 10—13. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Святецкий Виктор Станиславович — первый заместитель генерального директора —исполнительный директор, АО «Атомредметзолото» ГК «Росатом», e-mail: [email protected], Кузьмин Евгений Викторович1 — доктор технических наук, профессор, начальник лаборатории, e-mail: [email protected], Калакуцкий Алексей Васильевич1 — зам. директора по науке и инновациям, Морозов Александр Анатольевич2 — кандидат технических наук, начальник ЦНИЛ, e-mail: [email protected], Филоненко Виктор Степанович2 — зам. начальника технологической лаборатории ЦНИЛ,
Бодров А.С.2 — руководитель Самостоятельного бюро инженерно-геологических изысканий, закладочных работ и строительных материалов,
1 АО «ВНИПИпромтехнологии»,
2 ПАО «Приаргунское производственное горно-химическое объединение» (ПАО «ППГХО»).
UDC 622.272
Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017. No. 6, pp. 333-341.
V.S. Svyatetskiy, E.V. Kuz'min, A.V. Kalakutskiy, A.A. Morozov, V.S. Filonenko, A.S. Bodrov
STRENGTH OF PASTE BACKFILL MADE OF URANIUM MILL TAILINGS AT PRIARGUNSKY MINING AND CHEMICAL WORKS
The value of strength of paste backfill made of uranium mill tailings at Priargunsky Mining and Chemical Works is determined. The strength tests involved samples of the paste backfill with different binders. It is found that the paste material has no initial strength and does not develop it with time. The strength is not developed after addition of 3% of cement, reaches 0.4 MP after addition of 5% of cement and grows to 1.6 MPa after addition of 10% of cement. The latter value of strength is sufficient for the paste to be used to backfill the isolated underground chambers and remote areas where there is no need to retain vertical walls made of the paste backfill.
Key words: paste backfill, solidifying compositions, compression tests, cement binder, fly ash.
AUTHORS
Svyatetskiy V.S., First Deputy General Director — Executive Director, ARMZ Uranium Holding Co. (JSC «Atomredmetzoloto»), 109004, Moscow, Russia, e-mail: [email protected],
Kuz'min E.V.1, Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Laboratory, e-mail: [email protected],
Kalakutskiy A.V.1, Deputy Director of Science and Innovation, Morozov A.A.2, Candidate of Technical Sciences, Head of Central Research Laboratory, e-mail: [email protected], Filonenko KS.2, Deputy Head of Technological Laboratory, Central Research Laboratory,
Bodrov A.S.2, Head of Independent Bureau for Geological Engineering Survey, Backfilling and Construction Materials,
1 JSC «VNIPIpromtechnologii», 115409, Moscow, Russia,
2 «Priargunsky Industrial Mining and Chemical Union» JSC, 674673, Zabaykalsky region, Krasnokamensk, Russia.
REFERENCES
1. Obosnovanie i provedenie polupromyshlennykh ispytaniy po ispol'zovaniyu pastovogo sgushcheniya khvostov dlya obratnogo z,apolneniya imi otrabotannykh gornykh vyrabotok. Itogovyy otchet po vypolneniyu nauchno-issledovatel'skoy raboty (Substantiation and execution of semi-commercial trial of thickening of tailings up to paste for backfilling. Research report), Elektrostal, ZAO «Trane Teknik», 2011.
2. Issledovaniya parametrov tverdeyushchey i pastovoy z,akladki na osnove khvostov pererabotki uranovykh rud, razrabotka mer posnizheniyu radonovydeleniya. Zaklyuchitel'nyy otche (Исследования параметров твердеющей и пастовой закладки на основе хвостов переработки урановых руд, разработка мер по снижению радоновыделения. Research report), AO «VNIPIpromtekhnologii», PAO «PPGKhO», 2016.
3. Svyatetskiy V. S. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2015, no 10, pp. 37—40.
4. Svyatetskiy V. S. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2015, no 9, pp. 10—13.
