CC BY
142
СЕМИНАР 1
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 98" МОСКВА, МГГУ, 2.02.98 - 6.02.98
П.И. Полоник, асп., О.И. Савич, студ., Московский государственный горный университет
Технология пастовой закладки при подземной разработке руд
В последние годы на ряде горнодобывающих предпри-ятий Канады, Германии, ЮАР и др. стран получила развитие технология закладки выработанного пространства пастообразным материалом. Эта технология имеет ряд преимуществ по сравнению с используемыми на рудниках России, поэтому, на наш взгляд, необходимо раскрыть некоторые вопросы, связанные с возможным ее применением при подземной разработке месторождений полезных ископаемых.
За последние два десятилетия получила развитие технология транспортировки пастообразных материалов. Первоначально пастовая транспортная технология использовалась для размещения закладки при подземной добыче. По предварительной оценке большинство пустых пород не подходили для размещения в качестве закладки из-за недостаточных дренажных свойств. Применение пастообразных закладочных смесей позволяет решить эти вопросы и получить цементирующуюся закладку. Низкая вязкость пасты позволяет транспортировать очень грубые материалы (песок, пустую породу, шлак и т.д.). Это свойство также сделало возможным объединить крупные и мелкие горные пустые породы, чтобы произвести безопасную, дешевую закладочную смесь. Сравнительные характеристики видов закладочного материала приведены в табл. 1.
Применение пастовой закладки является одним из наиболее существенных новшеств в горной промышленности в настоящее время. Прежде всего необходимо разобраться, что же такое паста и как она себя ведет. Паста - гранулированный материал, который смешан с водой, количества кото-
рой достаточно для транспортировки, чтобы материал вел себя как жидкость, то есть обладал текучестью. Удержание воды происходит за счет наличия в материале коллоидных частиц. Коллоидные свойства обеспечивают поляризацию частиц и, в связи с этим, удержание ими воды и распределение их по периметру трубопровода.
Для лучшего понимания течения пасты по трубопроводу необходимо ввести понятие ядра. Пас-товый закладочный материал не транспортируется в виде пульпы, а демонстрирует характеристики течения со структурным ядром, когда центральное ядро материала транспортируется по трубопроводу с определенной скоростью. Вне этого ядра скорость материала уменьшается с приближением к стенкам трубы. Основой материала, двигающегося с меньшей скоростью, являются коллоидные частицы закладочного материала, которые служат в качестве смазочного слоя для центрального ядра более крупных частиц. Было установлено, что эффект течения с центральным ядром достигается в основном за счет ионизации мельчайшей твердой составляющей пасты. При этом, за счет трения, труба и частицы обладают противоположными зарядами и, как следствие, происходит отток коллоидных частиц к стенкам трубы. Именно этим и объясняется наличие смазочного слоя из мельчайшей фракции материала (рис. 1).
Для пастовой закладки без применения цемента не существует критической скорости потока, так что она может транспортироваться за любое время, но транспортное ядро или насос должны компенсировать потери давления в системе. Однако, пастовая закладка не должна применяться без вя-
жущих, так как закладка без цемента в заполненном выработанном пространстве подвержена разжижению и может оставаться в таком состоянии в течение дней, недель и даже годами после укладки. Это приводит к потерям полезного ископаемого в целиках.
Набор прочности закладки зависит от типа применяемого вяжущего. При применении цемента с увеличением срока твердения прочность закладки возрастает, достигая через 7 дней 65 %, после 28 дней 95 % максимально возможной, а последние 5 % набирает за несколько месяцев.
При применении золы уноса набор прочности в первое время происходит только за счет содержания цемента. Действие золы уноса начинается через 10 - 14 дней после укладки смеси, к 28 дням прочность достигает 60% от потенциально возможной. За этим сроком набор прочности продолжается и в конце может соответствовать прочности цементного эквивалента содержащегося вяжущего.
Доменные шлаки сходны с золой уноса и без добавок цемента или извести набор прочности в этих смесях не начинается. При минимальных добавках этих катализаторов уже на 7 день прочность смесей соответствует прочности цементного эквивалента в возрасте 28 дней. Для получения равных характеристик необходимо увеличить содержание заполнителя, в данном случае хвостов.
Для обеспечения транспортного потока должны соблюдаться соотношения между вертикальными и горизонтальными участками и сбалансировано давление в системе для обеспечения заданной
Смазочный слой из коллоидных частиц
.утУ/'ТІГ*- Д"*-'іг~~
'■Ь :£г 'Ь^{-г^.~ Д ір
- -
ї/її;/>;}Уґ^г;??п/У)ТП)ґ/г/]їі;/7^
водный слои
Рис. 1. Модель для описания состояния закладочной массы в трубопроводе
производительности. Соотношение длин вертикального и гори-
зонтального участков зависит, в основном, от качественного состава пасты. Наиболее распространенное соотношение длин при производительности 200 т/час -3:1. При увеличении горизонтальных участков и переходе к соотношениям 3:2 и 3:3 производительность падает составляя, соответственно, 150 и 100 т/час. Это общее правило. Однако при отношении 3:5 и 70 дюймовом диаметре трубопровода производительность достигала 100 т/час. В других случаях и при соотношении 3:2 производительность не превышала 100 т/час. Таким образом, материал пастовой закладки должен быть испытан, чтобы определить сопротивление потоку в транспортной схеме каждого рудника. Следует отметить, что это особенно важно еще и потому, что обычно вертикальный став трубопровода размещают в скважине глубиной 2000 - 5000 футов (6001500 м), стоимость бурения которой составляет до 0,5 млн. долл., и
закупорка трубопровода приводит к значительным материальным потерям и остановке рудника. В результате исследований, проведенных на канадских рудниках было установлено следующее: грану-
лированный материал должен иметь по крайней мере 15% частиц менее 20 микрон для придания коллоидальных свойств пасте. Гранулированные материа-
лы с содержанием фракции <20 мк. меньшим чем 15 % коллоидальными свойствами обладать не будут и не смогут транспортироваться. Кроме того, было установлено, что при такой пропорции этой фрак-ции остальной материал может быть представлен практически любыми отходами без изменения сопротивления потоку при транспортировке. Это позволило разработать ряд программ, позволяющих подбирать составы с нормативными характеристиками при минимальных затратах. Также проводились исследования по сравнению параметров закладочных материалов на основе хвостов обогатительной фабрики (ХОФ), и пасты, состоящей из хвостов и дробленой пустой породы (ДПП). При добавлении крупных фракций общая плотность пасты (при сходном градиенте давления) выше, чем материал, изготовленный только на базе ХОФ. Максимальная зарегистрированная в ходе испытаний концентрация составила
87,1 % при смеси ХОФ: ДПП равной 20:80. Исследования показали, что уменьшение градиента давления происходит за счет уменьшения площади увлажнения крупными частицами; при этом остается больше воды для образования менее плотной среды переноса. Менее плотная среда переноса (относительно общей смеси, в которой располагаются более крупные частицы) имеет таким образом более низкую вязкость и соответственно более низкий коэффициент трения, играя при этом роль смазочного слоя для переноса основного ядра.
Однако, коллоидные свойства
материала зависят не только от размера, но также от химического и минералогического состава частиц. Это означает, что различные материалы формируют пасту с различными характеристиками. Каждый гранулированный материал должен быть проверен независимо для определения свойств и поведения в составе пасты. Таким образом, технологии переработки сырья и транспортирования смеси должны быть разработаны исходя из этих специфических свойств.
Наиболее существенным результатом экспериментов, проведенных на канадских рудниках, было изучение изменения сопротивления потоку в зависимости от различных факторов при транспортировке с помощью насосов и с гидравлическим ядром. Было установлено, что потери давления в системе при использовании насосов были на 33 % >, чем в аналогичных условиях с гидравлическим ядром, создаваемым в вертикальной части трубопровода.
85
Таблица 1
Сравнительная характеристика видов закладки___________________________________________
Тип закладки
Показатели Порода Пульпа Паста
1. Состояние сухая 60-75 % твердого 65-85 % твердого
2. Транспортная схема перепуск пород, инъекторы трубопровод, скважины трубопровод, скважины
3. Наличие цемента необязательно необязательно обязательно
4. Сегрегация при перепуске пород при транспорте пульпы отсутствует
5. Полнота заполнения с трудом невозможно легко
6. Производительность 100-400 т/ч 100-200 т/ч 50-200 т/ч
Это явление можно объяснить свойствами пасты при пуске-остановке насоса и соответствующими изменениями в распределительной системе. Измерялись сопротивления потоку при создании в системе вакуума или высокого давления.
Исследования показали, что в условиях большинства рудников мира транспорт закладки может осуществляться без использования насосов. При низких давлениях в трубопроводе этот способ также возможен в действующих стандартах.
Применение пастовой закладки позволяет решить практически все проблемы транспортирования смеси по трубопроводу ввиду отсутствия ограничений к скорости ее перемещения. Во многих случаях ее нахождение в распредели-
тельной системе превышало 2 часа. Эта особенность позволяет осуществлять цикличную поставку пасты по трубопроводу. В свою очередь, в связи с этим, возможна организация производства пастовой закладки на централизованном предприятии, осуществляющем поставку пасты на несколько рудников автомобильным транспортом. Завод по приготовлению пасты аналогичен заводу приготовлению бетона. Несколько рудников в Канаде организовали совместное производство пастовой закладки, что позволило сократить объемы хвостохранилищ и затраты на закладку выработанного пространства.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Разработка месторождений с закладкой, М., Мир, 1987;
2. Технико-экономическое обоснование для разработки месторождения “Джульетта”, Омсукчанская горногеологическая компания, тома 1, А-6, Дэви Интернэшнл, проект № 1425, июль, 1996.
3. Landriault D.A. and Lidkea V.J.,1996, "Paste Fill and High density. Slurry Fill International Congress on Mine Design, Queen's University Kingston, Ontario, Canada, August 1993
4. Lidkea, V. J. and Landriault, D.A., 1992, Paste Fill at Inco, The 5th International Symposium on Mining with Backfill - Mine Fill 93; Johannesburg, South Africa, September.
5. Пастообразные закладочные смеси: достоинства, недостатки, перспективы применения. Ломоносов Г.Г., Полоник П.И.
© П.И. Полоник, О.И. Савич
