Решение проблемы утилизации техногенного сырья КМА

СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА

Гридчин А.М., д.т.н., проф., Лесовик Г.А., аспирант, Авилова Е.Н., аспирант, Глаголев Е.С., аспирант

Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ УТИЛИЗАЦИИ ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ КМА

Для сокращения потери руды при разработке месторождений предлагается использовать твердеющую закладку, в которой в качестве мелкого заполнителя используются отходы ММС. Установлена возможность использования техногенного песка в качестве одного из компонентов композиционных вяжущих, что значительно сокращает расход цемента, тем самым ведя к снижению себестоимости закладочных работ.

Ключевые слова: закладка, техногенный песок, мелкий заполнитель, композиционные, отходы.

Современная цивилизация и биосфера уже не в состоянии справиться с вредными отходами, образующимися в результате человеческой деятельности. Научно-техническая революция, быстрое развитие производительных сил и одновременное развитие агрессивного общества потребления привели к коренному изменению характера взаимодействия природы и общества. Энергетический, сырьевой и экологический кризисы подтвердили основы теории массового производства и потребления. Но если в прошлом эти кризисы носили, как правило, локальный характер и не приводили к радикальным экологическим изменениям в природе, нынешний кризис носит общепланетарный характер, чреватый глобальной катастрофой. Мировая экономика пришла в состояние крайней неустойчивости в результате истощения доступных и достаточно дешевых ресурсов планеты, стремительного возрастания затрат на предотвращение и ликвидацию разрушительных последствий техногенных воздействий и стихийных бедствий.

Постоянное увеличение глубины разработки месторождений железистых кварцитов, усложнение горно-геологических и горнотехнических условий их эксплуатации является большой проблемой горнодобывающей промышленности [1,2].

При добыче полезных ископаемых подземные работы ведутся на флангах месторождения, но предусмотрена также частичная выемка руды непосредственно под открытыми работами системами с открытым выработанным пространством и с магазинированием руды с оставлением рудных целиков. Оставленные целики намечено извлечь после погашения карьера. Возможность последующей отработки этих целиков высоко-

производительными системами весьма сомнительна из-за недостаточной устойчивости пород висячего бока.

Поддержание выработанного пространства путем оставления естественных целиков имеет весьма существенный недостаток - большие потери полезного ископаемого. При разработке ценных полезных ископаемых применять этот способ поддержания нецелесообразно. В таких случаях возникает необходимость замены целиков полезного ископаемого искусственными массивами, способными обеспечить надежное поддержание подрабатываемых руд и пород.

Для увеличения эффективности разработки месторождений было предложено отработку запасов руды под действующим карьером вести системами с применением твердеющей закладки, что в значительной мере определяет эффективность отработки месторождений. При этом выработанное пространство заполняется материалом, который, постепенно затвердевая - "цементируясь", со временем приобретает определенную прочность, достаточную для надежного поддержания подработанного массива пород или руд, разрабатываемых во вторую очередь. Получаемый при этом закладочный массив имеет прочность ниже прочности рудных целиков, но он более однороден, монолитен и превосходит их по размерам. Этот способ находит все более широкое распространение в практике, так как при этом могут быть использованы местные закладочные и вяжущие материалы, а процессы приготовления, транспортирования и укладки твердеющего материала механизированы и автоматизированы.

Анализ многолетнего опыта применения систем с твердеющей закладкой показывает, что

использование последней позволяет успешно решать многие технические и организационные вопросы: сократить объём горнокапитальных работ, вовлечь в эксплуатацию новые участки со сложными гидрогеологическими условиями, сократить площадь изымаемых из сельскохозяйственного оборота земель, существенно снизить или полностью сократить травматизм горнорабочих, снизить запылённость окружающей территории от хвостохранилищ. Расчётные данные технико-экономической эффективности применения систем с твердеющей закладкой при добыче железных руд показывают, что потери руды снижаются до 15 - 20%.

Закладка призвана обеспечить безопасную и эффективную эксплуатацию месторождения с наибольшей полнотой извлечения полезного ископаемого, а также управление горным давлением. Основное требование к закладочному массиву как средству управления горным давлением - сохранение устойчивости при его обнажении. Устойчивость закладки в обнажениях определяется её технической прочностью, способностью противостоять воздействию статиче-

ских и динамических нагрузок. Динамика набора прочности уложенной твердеющей закладочной смеси должна быть такой, чтобы нормативная прочность составляла 85 - 95 % от максимальной (прочность закладочного массива в 6 -12 - месячном возрасте) [3].

Усовершенствование технологии приготовления и транспортирования закладочной смеси, а также использование многокомпонентных вяжущих и заполнителей на основе техногенного сырья, позволяет значительно снизить затраты, связанные с выполнением закладочных работ [4]. Техногенное сырье в большом количестве образуется при обогащении железистых кварцитов Лебединского, Стойленского, Коробковско-го и др. месторождений КМА и представлены в основном отходами мокрой магнитной сепарации (ММС) железистых кварцитов. Они представляют собой техногенный песок темно-серого цвета, с Мк=0,6-0,9, состоящий из неока-танных частичек кварца (около 70 %), магнетита, гематита, амфиболов, карбонатов, полевых шпатов и их агрегатов (рисунок 1) [5].

Рисунок 1 - отходы ММС

Запасы такого песка в отвалах КМА составляют сотни миллионов тонн, что позволяет рассматривать их в качестве мощной сырьевой базы для производства закладочных работ (рис. 2).

Рисунок 2 - Хвостохранилище отходов ММС Для снижения наиболее дорогостоящего ставляющей целесообразно использовать компо-компонента закладочной смеси - цементной со- зиционные вяжущие вещества (КВВ). Производ-

ство КВВ осуществлялось в лабораторной шаровой мельнице [6].

Ввиду того, что отходы ММС в отличие от природного песка имеют значительно меньший размер частичек, остроугольную форму и при этом они представляют собой мономинеральные агрегаты, реже скопления различных минералов, и их размалываемость значительно лучше -энергетически более предпочтительно получать

КВВ, используя вместо природного кварца отходы ММС железистых кварцитов [5].

В результате помола портландцемента ПЦ 400 Д 20, отходов обогащения ММС и суперпластификатора СБ-3 в количестве 0,6% от массы цемента до удельной поверхности 5000 -5500 см2/г, были получены КВВ 20 и КВВ 40, активность которых представлена в таблице 1.

Свойства композиционных вяжущих

Таблица 1

Вид вяжущего Яизг, МПа ЯСж, МПа

7 суток 28 суток 7 суток 28 суток

КВВ 20 2,1 3,2 6,8 10,5

КВВ 40 2,6 4,1 11,8 20

ПЦ400 Д20 5,15 8,26 27,21 44

Для изучения влияния количества вяжущего на прочностные показатели закладочных растворов в дальнейшем исследования проводились на различных составах, но наиболее оптимальными оказались с соотношением вяжущее: отходы ММС = 1:2, 1:3. Все образцы изготовлялись из подвижных растворов, которые характе-

ризовались величиной осадки конуса стандартных размеров. Осадка конуса была в пределах 10-12 см. Результаты исследования затвердевших образцов закладочных растворов, приготовленных с применением этих композиционных вяжущих, приведены в таблице 2.

Таблица 2

№ состава Вид вяжущего Соотношение вяжущее: ММС, в м.ч. Прочность при сжатии, МПа Количество вяжущего, кг/м3

Вяжущее ММС После 7 суток После 28 суток

1 КВВ-40 1 2 2,41 4,11 200

2 1 3 2,037 2,42 143

3 КВВ-20 1 2 1,70 2,91 101

4 1 3 1,47 2,49 76

5 ПЦ400 Д20 1 2 11,8 19 495

6 1 3 8,56 14 355

Таким образом, при использовании КВВ на основе отходов ММС при производстве закладочных смесей происходит значительное снижение наиболее дорогостоящего компонента смеси - клинкерной составляющей. Так, например, при использовании КВВ - 40 расход клинкерной составляющей сокращается на 50% по сравнению с ПЦ 400 Д20.

Анализ полученных данных показал, что эффективным также является использование отходов ММС железистых кварцитов в качестве мелкого заполнителя при получении закладочных смесей. Это было установлено на образцах с соотношением цемент : отход ММС = 1:2 -г 1:4. Для оценки качества ММС проводились исследования тех же составов, но со стандартным

Вольским песком. Образцы испытывались на сжатие через 7 суток и 28 суток твердения. Результаты испытаний приведены в таблице 3.

Из приведенных в таблице результатов видно, что прочность образцов на сжатие уменьшается с увеличением количества «хвостов» в составах. Эта закономерность сохраняется для всех сроков твердения образцов. Исследованиями установлено, что предел прочности закладочных смесей с применением ММС почти в 5,1 раза меньше, чем на песке Вольского месторождения. Поэтому для снижения себестоимости и повышения рентабельности закладки с использованием «хвостов» обогащения необходимо оптимизировать состав закладочной смеси с использованием достижений современного строи-

тельного материаловедения. Это достигается, как было показано выше, путем введения добавки и получении композиционных вяжущих веществ. При этом использование добавок дает

возможность получить одновременно два эффекта: увеличение подвижности бетонной смеси и повышение прочности бетона.

Таблица 3

Зависимость прочности закладочных растворов от количества заполнителя

№ состава Вид заполнителя Соотношение вяжущее: заполнитель, в м. ч. Прочность при сжатии, МПа

Вяжущее Заполнитель После 7 суток После 28 суток

1 Отходы ММС 1 2 4,83 6,4

2 1 3 3,62 5,12

3 1 4 3,11 4,23

4 Вольский песок 1 2 19,6 31,5

5 1 3 16,34 26,9

6 1 4 14,3 22,2

5 ср

С

¡5 «

о с

С * ш о

ч:

ш

СР

с

Кинетика набора прочности закладочной смеси на различном

вяжущем

14 ^

12 10 8 6 4 2 0

iквв20 тквв40  пц400д20

7 28

Время, сутки

Рисунок 3 - Кинетика набора прочности закладочной смеси на КВВ20, КВВ40 и ПЦ400 Д20 при соотношении

вяжущее : заполнитель 1 : 2

Оптимальные эксплуатационные характеристики подвижных МЗБ на основе отходов ММС объясняются остроугольной формой и развитой поверхностью заполнителя, а также наличием разупорядоченного регионально-метаморфического кварца.

При затворении водой КВВ и ТМЦ с использованием полиминеральных отходов ММС происходит формирование пространственной структуры с помощью коагуляционных контактов. Причем, активные заполнители, а в данном случае неупорядоченный регионально-метаморфизованный халцедоновидный кварц,

частично аморфизованный в процессе дробления и помола при обогащении железистых кварцитов, а также при производстве КВВ и ТМЦ, смещает направленность реакции в сторону интенсивного выделения продуктов гидратации, связывая последние в нерастворимые гидросиликаты кальция различной основности, гидро-алюминатные и гидроферритные комплексные соли кальция и гидроксид кальция [5].

Эффективность применения твердеющей закладки зависит от комплексного подхода при проектировании мелкозернистого бетона, заключающегося в выборе специально подготов-

Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова ленными геологическими и техногенными процессами сырья как для получения мелкого заполнителя, так и композиционных вяжущих. Исследование кинетики набора прочности (рис. 3) разработанных мелкозернистых бетонов показало, что замена ПЦ400Д20 на КВВ 20 и КВВ 40 позволяет значительно снизить себестоимость закладочных работ в связи с сокращением расхода цемента на 80 и 60 % соответственно. Это в свою очередь приводит к снижению прочности бетона. Но ввиду того, что прочность твердеющих закладочных массивов обычно невысока, применение высокомарочных вяжущих для их возведения, как показывает строительная практика, менее рационально, чем вяжущих низких марок. Кроме того, в связи с возросшими масштабами промышленного и гражданского строительства высокомарочные вяжущие необходимы для возведения более прочных и ответственных сооружений, а так как прочность при сжатии полученного нами образца соответствует требованиям, предъявляемым к закладочным массивам, то разработанные составы мелкозернистых бетонов можно рекомендовать в качестве закладочной смеси.

Таким образом, повышение эффективности получения закладочных смесей возможно за счет применение отходов ММС железистых кварцитов и композиционных вяжущих веществ.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Ледовской, В.М. Ноосферное развитие горнометаллургического комплекса КМА /В.М. Ледов-ский, Н.И. Мирской, С.А. Гладышев и др.// Старый Оскол: Тонкие наукоемкие технологии. - 2003. - 434 с.

2. Лесовик, В.С. Строительные материалы из отходов горнорудного производства Курской магнитной аномалии: Учебное пособие /В.С. Лесовик. -Белгород: Изд. АСВ, 1996. - 155 с.

3. Мясников, К.В. Применение твердеющей закладки при разработке рудных месторождений/ К.В. Мясников, В.В. Руденко. - М.: Издательство "Недра", 1964. - 124 с.

4. Баженов, Ю.М. Многокомпонентные бетоны с техногенными отходами /Ю.М. Баженов// Современные проблемы строительного материаловедения. Материалы международной конференции. - Самара, 1995. - Ч. 4. - С. 3-4.

5. Лесовик, Р.В. Мелкозернистые бетоны для дорожного строительства с использованием отходов мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов /Р.В. Лесовик// Автореф. дис. канд. тех. наук. - Белгород, 2002. - 26 с.

6. Бабаев, Ш.Т. Основные принципы получения высокоэффективных вяжущих низкой водопотребно-сти /Ш.Т. Бабаев, Н.Ф. Башлаков, В.Н. Сердюк// Промышленность сборного железобетона. Сер. 3. -М., 1991. - Вып. 1. - 77 с.