Влияние крупности помола хвостов переработки урановых руд на эманацию радона и прочность пастовой закладки

УДК 622.272

В.С. Святецкий, Е.В. Кузьмин, А.В. Калакуцкий, А.А. Морозов, В.В. Марковец, А.С. Бодров

ВЛИЯНИЕ КРУПНОСТИ ПОМОЛА ХВОСТОВ ПЕРЕРАБОТКИ УРАНОВЫХ РУД НА ЭМАНАЦИЮ РАДОНА И ПРОЧНОСТЬ ПАСТОВОЙ ЗАКЛАДКИ

Проведены исследования по установлению влияния крупности помола хвостов переработки урановых руд на эманацию радона и прочность пастовой закладки. Проведены испытания на прочность образцов, приготовленных из материала пасты, крупных песков и шламовой части. Радиоактивные элементы в основном содержатся в шламовой части хвостов переработки. Удаление шламовой части из материала хвостов с помощью гидроциклона позволит снизить плотность потока радона из оставшейся части - крупных песков. Испытания показали, что при удалении шламов радоновыделение снижается на 35-30%, что улучшает безопасные условия подземных горнорабочих, снижаются требования по необходимой вентиляции. Ключевые слова: пастовая закладка, твердеющий состав, испытания прочности на сжатие, гидроциклон, разделение по фракциям, радоновыделение, плотность потока радона.

Переработка урановых руд требует, чтобы тонина размола руды была ниже определенного размера зерна для освобождения вмещающих пород от урана. Различные минералогические структуры урана и других веществ в составе измельченной рудной массы могут соответствовать различным физическим и химическим свойствам руды, включая ее плотность и форму зерен. При измельчении руды размер и форма частиц в потоке хвостов ГМЗ подобны размеру урановых руд и формам частиц с регулярной (большинство кристаллов) и нерегулярной (большинство глин) структурой.

Мелкоразмолотые хвосты переработки урановых руд имеют более высокую величину плотности потока радона (ППР), нежели такие же хвосты с более грубым помолом. Это объясня-

ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 6. С. 342-349. © 2017. В.С. Святецкий, Е.В. Кузьмин, А.В. Калакуцкий, А.А. Морозов, В.В. Марковец, А.С. Бодров.

ется и доказывается расчетом, в результате которого показывается, что абсолютная суммарная поверхность частиц радия и тория, присутствующих в хвостах, при мелком измельчении намного выше, а размер зерна меньше, следовательно, для атомов радона меньше препятствий и короче путь внутри частицы материала для достижения свободной поверхности. Число атомов образующегося радона, достигших свободной поверхности велико, плотность потока радона высокая.

Кроме размера зерен, на величину ППР влияет форма зерен, определяющая поверхность каждого зерна и суммарную поверхность зерен в заданном объеме. Из геометрических соображений видно, что чем ближе форма зерна к поверхности шара, тем меньше ее суммарная поверхность при равном объеме.

В табл. 1 представлены соотношения между размерами частиц, площадью поверхности и объемом в основных геометрических формах с регулярной структурой.

Задачей работы состояла в установлении количественных зависимостей изменения величины ППР и прочностных свойств пастовой закладки, приготовленной из хвостов ГМЗ с различным средним диаметром зерен частиц, содержащихся в хвостах. Для этого по приведенной ниже методике проведены следующие эксперименты:

Таблица 1

1ллд№ и Аге» Уойт 8 А'У 111)0 ылг гаыо гот шй уо1ите

ТеоаЬвйгол 4 Л.2 ч/2яа 12 1-1.697 —^— =- уДа а 7 21

СиЬе т дее 6 и 6

ОззПвОпл 4 2у/3а2 6>/3 ^ 7.348 уДа я 572

ОоЛкаЛЮгап # 3^25 + 10^ 4 12^25 + Ш>/5 _ 2.694 (15+7х/5)а "" а 5 31

1со5«Ьвдгоп # \2\Д 3.970 (3 + <Л)а ~~ а 5140

# 4 Л;Г 4м3 3 3 а 4&Э6

Рис. 1. Диаграммы соотношений между размерами частиц, суммарной площадью поверхности и объемом в основных геометрических формах

1. Из слива хвостов ГМЗ берется проба объемом более 20 л, которая разделяется на две части в соотношении 1:2.

2. Меньшая часть сгущается и из нее приготавливается паста. В соответствии с фракционным составом хвостов ГМЗ, в табл. 3 представлен элементный и фракционный состав хвостов ГМЗ.

Соотношения между размерами частиц, суммарной площадью поверхности и объемом в основных геометрических формах с регулярной структурой [65].

Как видно из табл. 1, при равном объеме материала, для любых форм частиц, меньшему размеру зерна соответствует большая площадь поверхности. Графическая интерпретация этой зависимости представлена в диаграммах на рис. 1, который демонстрирует экспоненциальный характер этих соотношений для главных регулярных форм [5].

Распределение по классам крупности в пульпе на выходе хвостов ГМЗ приведено в табл. 2 [6].

Таблица 2

Ситовая характеристика хвостов ГМЗ

Класс крупности, мм

+0,4 -0,4+ +0,2 -0,2+ +0,1 -0,1+ +0,08 -0,08+ +0,05 -0,05+ +0,01 -0,01+ +0,005 -0,005 итого

Содержание, % 0,02 0,47 3,35 3,64 9,29 34,32 11,17 37,74 100

№ п/п Наименование показателей Единица измерения Численные значения показателей

1 Плотность истинная кг/м3 2630

2 Плотность насыпная кг/м3 807

3 Усредненный зерновой состав по частным остаткам на ситах с размером: - 0,2 + 0,1 мм - 0,1 + 0,074 мм - 0,074 мм % по массе 4,3 11,2 84,5

4 Содержание химических элементов (усредненное): Мо6+ СаО МgО СаСО3 СаF2 SiО2 А12О3 FеО ^2О3 S "(СУЛЬФ) (ОБЩ) ппп % по массе 0,015 6,6 2,5 5,4 0,71 59,5 2,0 0,99 2,2 2.3 2.4 7,4

В табл. 3 приведен усредненный зерновой состав и содержание химических элементов в хвостах ГМЗ [6].

Из данного материала пасты выделяется часть (9 л) для проведения испытаний на прочность при добавлении 5% цемента.

3. Оставшиеся отобранные хвосты объемом в две части разделяются на гидроциклоне на шламовые и крупнопесковые. Средний диаметр частиц в шламовой части — 16 мкм, а в круп-нопесковой — более 16 мкм. Из полученных частей готовится паста (по 9 л каждая) и проводятся испытания на прочность при добавлении 5% цемента. Из пасты, приготовленной из исходных хвостов ГМЗ, а также пасты, приготовленной из шламовой и крупнопесковой частей готовятся три образца по 1,5 л для измерения величины ППР. Предварительно в каждый образец добавляется 5% цемента (т.к. исследуемый материал — не паста, а твердеющая пастовая смесь). Результаты измерения величины ППР на трех образцах с различным средним диа-

Материал 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Среднее значение

Исходная паста 11.11. 2016 11.11. 2016 14.11. 2016 14.11. 2016 15.11. 2016 15.11. 2016 16.11. 2016 16.11. 2016 17.11. 2016 17.11. 2016 541,20

409 335 467 562 439 520 715 731 496 738

Слив гидро-циклона — шламы 11.11. 2016 11.11. 2016 14.11. 2016 14.11. 2016 15.11. 2016 15.11. 2016 16.11. 2016 16.11. 2016 17.11. 2016 17.11. 2016 613,90

410 457 536 646 652 528 921 590 714 685

Пески гидро-циклона 11.11. 2016 11.11. 2016 14.11. 2016 14.11. 2016 15.11. 2016 15.11. 2016 16.11. 2016 16.11. 2016 17.11. 2016 17.11. 2016 426,80

353 272 322 536 369 466 461 550 458 481

метром зерен частиц показывают влияние крупности помола хвостов на величину ППР (табл. 4).

4. Из диаграмм рис. 1 видно, что каждая расчетная зависимость соответствует определенной геометрической форме частиц. Геометрическая форма зерен частиц, содержащихся в хвостах ГМЗ, определяется процессом самоизмельчения кусков руды в мельницах, при котором основное взаимодействие между ними — взаимное трение и соударение частиц между собой. Поэтому в результате процесса самоизмельчения кусков руды образуются основные формы — это овальные зерна, близкие к форме додекаэдра, икосаэдра, сфере. Из рис. 1 следует, что для этих форм

Рис. 2. Диаграмма изменения величины ППР пасты из исходных хвостов ГМЗ, слива гидроциклона и отделенных крупных песков

№ п/п Наименование Прочность на сжатие МПа, в срок твердения 28 суток Примечание

1 Исходная паста 1,5 -

2 Пески г/ц 1,7 -

3 Слив г/ц 1,1 -

4 Слив 0,7 жидкая паста

соотношение: размер зерна — суммарная поверхность является наиболее выраженной. При измельчении рудной массы поверхность, выделяющая радон, увеличивается в степенной зависимости, с уменьшением среднего диаметра зерен.

Результаты измерений величины ППР образцов с пастой из исходных хвостов ГМЗ, слива гидроциклона (шламовой части) и крупных песков представлены в табл. 4.

На основании данных табл. 4 построены диаграммы значений ППР для исходных хвостов, слива гидроциклона (шламовой части, <0,005 мм) и песков гидроциклона (рис. 2).

Испытания на раздавливание образцов пасты, приготовленной из исходных хвостов, шламовой части хвостов (слива) и крупных песков гидроциклона во времени, при добавлении 10% цемента, проведены с периодом выдержки 14, 28, 56 суток (табл. 5).

Выводы

1. Выполненные расчеты показывают, что абсолютная суммарная поверхность раздробленной и измельченной породы зависит от размеров частиц и их формы: для нескольких типичных форм проведены вычисления и показана разница в величине абсолютной поверхности.

2. Измерения ППР пасты трех видов образцов из одной партии (шламовой части, обычной хвостовой пульпы и крупных песков) показали, что ППР шламовой части составляет 613,9 мБк*м2/с, обычной хвостовой пульпы — ППР = 541,2 мБк*м2/с, для крупных песков гидроциклона — ППР = 426,8 мБк*м2/с.

3. С добавлением 10% цемента в полученные образцы проведены испытания на прочность, во времени, в возрасте 14, 28, 56 суток. При выдержке 28 суток прочность исходной пасты составляет 1,5 МПа, крупных песков — 1,7 МПа, шламовой части (слива гидроциклона) — 1,1 МПа. Как правило, шламовая часть резко снижает твердение хвостов при добавлении цемента. В па-

сте же флокулянты объединяют множество частиц шламов в одну крупную флокулу, при правильном приготовлении мелкие шламы вообще исчезают, находятся в связанном виде. В испытаниях на прочность образцы из шламов (слива гидроциклона) имеют прочность 1,1 МПа, что достаточно для использования в качестве пастовой закладки изолированных камер.

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.

5. Технико-экономическое сравнение вариантов сгущения и складирования хвостов переработки золотоурановых руд месторождений Зона Южная и Северное. Отчет. — СПб.: Гипрошахт, 2012.

6. Отчет о НИОКР по теме: «Использование хвостов ГМЗ в качестве заполнителя твердеющих закладочных смесей». — Краснокаменск: ЦНИЛ ОАО «ППГХО», 2012. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Святецкий Виктор Станиславович — первый заместитель генерального директора —исполнительный директор, АО «Атомредметзолото» ГК «Росатом», e-mail: info@armz.ru, Кузьмин Евгений Викторович1 — доктор технических наук, профессор, начальник лаборатории, e-mail: Kuzmin.E.V@vnipipt.ru, Калакуцкий Алексей Васильевич1 — зам. директора науке и инновациям, Морозов Александр Анатольевич2 — кандидат технических наук, начальник ЦНИЛ, e-mail: MorozovAA@ppgho.ru, Марковец Василий Васильевич2 — начальник лаборатории радиационной безопасности,

Бодров А.С.2 — руководитель Самостоятельного бюро инженерно-геологических изысканий, закладочных работ и строительных материалов, ЦНИЛ,

1 АО «ВНИПИпромтехнологии»,

2 ПАО «Приаргунское производственное горно-химическое объединение» (ПАО «ППГХО»).

UDC 622.272

Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017. No. 6, pp. 342-349.

V.S. Svyatetskiy, E.V. Kuz'min, A.V. Kalakutskiy, A.A. Morozov, V.V. Markovets, A.S. Bodrov

EFFECT OF GRINDING COARSENESS OF URANIUM MILL TAILINGS ON RADON EMANATION AND STRENGTH OF PASTE BACKFILL

It is studied how the grinding coarseness of uranium mill tailings influences emanation of radon and strength of paste backfill. The samples made of paste, coarse grain sand and slime tailings have been tested. Radioactive elements are mostly contained in the slime. Desliming of the tailings using cyclones decreases radon flow density in the remaining portion—coarse grain sands. The tests show that desliming reduces radon emanation by 35-30%, which improves safety of operation conditions of mine personnel and levels down ventilation standards.

Key words: paste backfill, solidifying composition, compression tests, cyclone, separation to fractions, radon emanation, radon flow density.

AUTHORS

Svyatetskiy KS., First Deputy General Director—Executive Director, e-mail: info@armz.ru,

ARMZ Uranium Holding Co. (JSC «Atomredmetzoloto»), 109004, Moscow, Russia,

Kuz'min E.V.1, Doctor of Technical Sciences, Professor,

Head of Laboratory, e-mail: Kuzmin.E.V@vnipipt.ru,

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: MorozovAA@ppgho.ru,

Markovets V.V.2, Head of Laboratory,

Bodrov A.S.2, Head of Independent Bureau for Geological Engineering Survey, Backfilling and Construction MaterialsB,

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 zapolneniya 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 (Analysis of the parameters of solidifying and past backfill mixture made of uranium mill tailings, development of measures to reduce radon emission. 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.

5. Tekhniko-ekonomicheskoe sravnenie variantov sgushcheniya i skladirovaniya khvostov pererabotki zolotouranovykh rud mestorozhdeniy Zona Yuzhnaya i Severnoe. Otchet (Technical and economic comparison of variants of gold-uranium mill tailings thickening and storage at Zona Yuzhnaya and Severnoe deposits), Saint-Petersburg, Giproshakht, 2012.

6. Ispol'z,ovanie khvostov GMZv kachestve zapolnitelya tverdeyushchikh zakladochnykh sme-sey. Otchet o NIOKR (Use of mining-and-metallurgical works tailings as fillers in solidifying backfill mixtures. Research report). Krasnokamensk, TsNIL OAO «PPGKhO», 2012.