ПОВЫШЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТВЕРДЕЮЩЕЙ ЗАКЛАДОЧНОЙ СМЕСИ

ГИАБ. Горный информационно-аналитический бюллетень / MIAB. Mining Informational and Analytical Bulletin, 2021;(3-2):71-80 ОРИГИНАЛЬНАЯ СТАТЬЯ / ORIGINAL PAPER

УДК 622.273.212 DOI: 10.25018/0236_1493_2021_32_0_71

ПОВЫШЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТВЕРДЕЮЩЕЙ ЗАКЛАДОЧНОЙ СМЕСИ

В. В. Медведев1, В. А. Овсейчук1

1 Забайкальский государственный университет, Чита, Россия

Аннотация: При добыче минерального сырья используются технологии, предусматривающие закладку выработанного пространства твердеющей смесью, что дает возможность слоевой выемки полезного ископаемого с применением высокопроизводительных комплексов горно-шахтного оборудования. Это позволяет вынимать руду с минимальными потерями и разубоживанием. Такие системы разработки кроме положительных характеристик имеют существенный недостаток в виде высокой себестоимости добычи полезного ископаемого и достаточно продолжительного периода твердения закладки. Одним из путей снижения себестоимости добычи является уменьшение срока набора прочности закладочной смеси до её нормативного значения, что позволит значительно повысить производительность труда при ведении очистных работ. В статье приводятся результаты исследований прочности твердеющей закладки от активизации электромагнитными полями воды затворения и последующим воздействием ультразвука на раствор закладки; набора прочности твердеющей закладки от применения композиционных армирующих элементов при изготовлении твердеющей закладочной смеси; определения реологических свойств составов твердеющей смеси от содержания композиционных армирующих элементов при изготовлении твердеющей смеси. Проведенные исследования показали, что использование закладочной смеси с применением омагничивания воды и армировки хризотил-асбестом позволит сократить срок ее твердения, повысить производительность отработки запасов и снизить расходы на вяжущие ингредиенты (цемент, зола — унос).

Ключевые слова: закладочные работы, твердеющая закладка, выработанное пространство, намагничивание, цемент, армирующие элементы хризотил-асбест, состав, расте-каемость, прочность.

Для цитирования: Медведев В. В., Овсейчук В. А. Повышение технологических свойств твердеющей закладочной смеси // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2021. - № 3-2. — С. 71-80. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_32_0_71.

Improvement of cemented backfill properties

V. V. Мedvedev1, V. A. Ovseychuk1

1 Transbaikal State University, Chita, Russia

Abstract: Mineral mining often involves technologies with cemented backfill, which allows multislice cutting using high capacity mining equipment at minimized loss and dilution of minerals. Such mining systems are undoubtedly beneficial except for an essential fault

© В. В. Медведев, В. А. Овсейчук. 2021

represented by high cost of mineral production and by a long curing period of backfill. One of the ways to cheapen mining operations in this case is reduction of strength development time of backfill toward enhanced productivity of stoping. This article describes the studies into: cemented backfill strength as a result of electromagnetic activation of mixing water and subsequent ultrasonic treatment of the mixture; strength development in cemented backfill prepared using reinforcement composites; rheological properties of cemented backfill versus content of reinforcement composites. The studies show that the use of backfill prepared using magnetic water and chrysotile-asbestos reinforcement provides the shorter curing period, higher productivity of stoping operations and the reduced cost of binders (cement, fly ash).

Key words: stowing operations hardening backfill, goaf, magnetization, cement, reinforcing elements chrysotile — asbestos, structure, flowability, strength.

For citation: Мedvedev V. V., Ovseychuk V. A. Improvement of cemented backfill properties. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2021;(3-2):71-80. [In Russ]. DOI: 10.25018/0236_ 1493 2021 32 0 71.

Введение

Применяемая твердеющая закладка при высокой нормативной прочности имеет ряд недостатков, связанных в первую очередь с высокой стоимостью изготовления и длительными нормативными сроками твердения смеси до 28 суток. Последний фактор уменьшает интенсивность ведения горных работ, задерживая начало добычных работ до времени затвердевания закладочного массива, поэтому совершенствование состава закладочных смесей и рецептов их приготовления требуют дальнейших исследований. Одним из путей повышения прочностных и деформационных свойств твердеющей закладки является активизация электромагнитными полями воды затворения при изготовлении закладки и использование в формируемом массиве армирующих элементов в виде волокнистых материалов, добавляемых в твердеющую смесь при изготовлении [1-5].

Методология исследования. В процессе проведения научно-исследовательских работ удалось найти новые технологические решения и установить зависимости качества закладоч-

ных работ от состава закладочных смесей и способов магнитной активации воды при изготовлении закладки. Установлено, что повысить прочностные и деформационные свойства твердеющей закладки возможно путем применения в формируемом массиве армирующих элементов в виде волокнистых материалов, добавляемых в твердеющую смесь при изготовлении. Все это дает возможность повысить эффективность добычных работ за счет уменьшения срока твердения закладочной смеси и увеличения прочности закладываемого искусственного массива [6, 7].

Методика исследований. Определялось влияние на прочность образцов бетонной закладки намагничивания воды в период изготовления твердеющей закладки с использованием электромагнитного аппарата с магнито-и электроактиваторами, а также воздействие ультразвука на раствор в период изготовления твердеющей смеси [8-10].

На приборе Суттарда для выявления пригодности смеси к транспортированию определялось, как влияет процентное содержание армирующего

элемента от массы вяжущего на рас-текаемость смеси. В дальнейшем исследовалась зависимость прочности образцов бетонной закладки и времени их твердения от содержания в растворе хризотилового асбеста.

1. Исследование влияния магнитной активации воды на качество твердеющей закладочной смеси.

Исследование проводились с использованием электромагнитного аппарата с магнито- и электроактиваторами. В магнитном активаторе на обрабатываемую воду действует комплексное сочетание физических свойств магнитного и электрического полей, а также при необходимости и ультразвукового поля. В приборе используется не просто суммирование эффектов действия магнитного и электрического полей, но и дополнение и усиление действия одного свойства другим.

Магнитная активация воды при затво-рении закладочных смесей интенсифицирует процессы растворения и гидратации цемента в более ранние сроки твердения и приводит к образованию мелкокристаллических структур. В свою очередь, это приводит к образованию более плотного с меньшей пористостью раствора, повышая при этом прочность цементного камня, его морозостойкость и устойчивость к воздействию водных и химических растворов [9, 10].

Применение метода затворения цемента омагниченной водой при производстве закладки обеспечивает также снижение (вплоть до полного отказа) расхода пластификаторов, повышение морозостойкости, пластичности закладки и устойчивости её к воздействию химических реагентов.

Для исследования влияния активированной электромагнитными полями воды и воздействия ультразвука на раствор при изготовлении твердеющей

закладки на прочность создаваемого массива нами был проведён ряд экспериментов по определению прочности закладки на одноосное сжатие.

Исследования прочности образцов закладки производились для состава твердеющего раствора с базовой нормативной прочностью 6 МПа и расходом материалов: ПЦ М400 240 кг/м3, золы-уноса 100 кг/м3, ПГС 1470 кг/м3 и воды 320 кг/м3. Образцы размером 100'100'100 мм подвергали сжатию в возрасте 7, 14, 28 и 90 суток.

Один из опытов по установлению влияния омагниченной воды на прочностные свойства закладки показан на рис. 1.

На экранах монитора показаны данные по усилию на раздавливание образцов закладки до и после омаг-ничивания, время твердения закладки 28 суток.

По результатам серии опытов построены обобщенные графики зависимости прочности закладки без активации воды и с активацией воды при изготовлении твердеющей закладки (рис. 2).

Анализ результатов экспериментов выявил, что при применении активированной электромагнитными полями воды и последующим воздействием ультразвука на раствор прочность образцов на сжатие возросла на 10...30 %, причем наибольшее значение повышения прочности происходит в начальный период, а прочность бетонной закладки поднимается до 6,0 МПа в возрасте 14 суток. Что объясняется возникновением при воздействии ультразвука на раствор интенсивных колебательных движений с большим ускорением, в результате чего в растворе реализуются акустические потоки, кавитация, дегазация, приводящие к интенсивному проникновению вяжущего в раствор и уменьшению количества раковин [6].

Рuc. 1. Состояние образцов и прочность бетонной закладки после одноосного сжатия в возрасте 28 суток: а — без активации воды, б — с активацией воды

Fig. 1. Condition of samples and durability of concrete backfill after compression on one axis at the age of 28 days: and — without water activation, — with water activation

10,0

nS

С

£8,0 Й

6.0

4.0

о

св

x =

о х

2-

0

о.

1 2,0 5

о.

с

о

1

14 28 42 56 70 84 90 Время твердения, сут.

Puc. 2. Гоафики зависимости прочности закладки от возраста закладки: 1 — без активации воды, 2 — с активацией воды

Fig. 2. Profiles of dependence of durability of backfill from age of backfill: 1 — without water activation, 2 — with water activation

Произведенные по итогам исследований расчеты составов закладочных смесей при прочности закладки 4 МПа с применением активации воды показали уменьшение расхода на цемент и воду до 15 %, что снижает затраты на приобретение цемента и использования технической воды (табл. 1).

Проведенные исследования показали, что подбор состава закладочной смеси с требуемой нормативной прочностью закладочного массива и уменьшением расхода вяжущего, а также снижением сроков твердения смеси до 7 суток возможен путем применения электромагнитной активации воды.

Таблица 1

Сравнение предлагаемых и базового составов твердеющих смесей Comparison offered and base structures of hardening mixes

Твердеющая Время Проч- Расход материалов,кг/ м3

смесь твердения закладки, сутки ность закладки, МПа ПЦ М400 Зола унос ПГС Вода

Базовая смесь 28 4 200 100 1500 320

С активацией 21 4 200 100 1500 320

воды и снижением

сроков твердения

С активацией 28 4 170 100 1530 310

воды и снижением

количества цемента

в закладке

2. Исследование влияния на повышение прочностных и деформационных свойств твердеющей закладки введением в ее состав композиционных армирующих элементов.

Композиционными армирующими элементами при изготовлении твердеющей закладки могут быть асбест хризотиловый и микрофибра базальтовая. Кристаллы хризотилового асбеста представляют собой тончайшие полые трубочки-фибриллы диаметром 2,6 — 10—5 мм (= 30 нм) и длиной до 2 — 3 см, что позволяет рассматривать асбест в качестве нанодисперсной арматуры [11, 12].

Для исследования прочностных свойств твердеющей закладки на основе композиционных армируемых хризотиловым асбестом закладочных смесей был проведён ряд экспериментов. В начале для определения процентного содержания армирующего элемента от массы вяжущего исследовалась транспортабельность твердеющей смеси с разным содержанием в растворе хризотилового асбеста на приборе Суттарда. В дальнейшем проводилось исследование прочности и времени твердения образцов бетонной закладки от содержания в растворе хризотилового асбеста [13].

Установлено, что смеси пригодны к транспортированию при растекаемо-сти более 140 мм, измеренной на приборе Суттарда. Проведенные лабораторные исследования растекаемости смести с внедрением в состав армирующего материала в виде хризотилового асбеста показали, что растекаемость смеси при содержании 3 % асбеста от массы цемента составляет регламентируемые 140 мм (рис. 3) [7].

По результатам серии экспериментов построен график зависимости растека-емости твердеющей смеси с разным содержанием в растворе хризотилового асбеста (рис. 4). Анализ результатов экспериментов показывает, что регламентируемая растекаемость закладочной смеси более 140 мм достигается при содержании хризотилового асбеста в растворе менее 3 % от вяжущего.

В лаборатории «Физики горных пород» горного факультета ЗабГУ исследовались прочность образцов закладки по времени твердения для состава твердеющего раствора с нормативной прочностью 6 МПа, прочность бетонной закладки на сжатие в возрасте 7, 14, 28 и 90 суток базового состава и рекомендуемого по растекаемости состава с добавлением 3 % хризотилового асбеста (рис. 5).

Рис. 3. Растекаемость твердеющей смеси с разным содержанием в растворе хризотилового асбеста на приборе Суттарда: а — базовый состав 0 % асбеста, растекаемость 178 мм; б — состав с 3% содержанием асбеста от вяжущего, растекаемость 140 мм

Fig. 3. The spreadability of a hardening mixture with different contents of chrysotile asbestos in the Suttard device: a — basic composition of 0% asbestos, spreadability of 178 mm; b — composition with 3% asbestos content from bent, spreadability 140 mm

: 200

S 160

li

и

8 w

Оч

80

40

178

.97 85

" 2 4 б 8 10

Содержание хризоосилового асбеста, %

Рис. 4 График зависимости растекаемости твердеющей смеси с разным содержанием в растворе хризотилового асбеста.

Fig. 4. Graph of the spreadability of the hardening mixture with different content in the solution of chrysotile asbestos.

Рис. 5. Состояние образцов и прочность бетонной закладки после одноосного сжатия в возрасте 14 суток: а — базовый состав без армирования, б — состав с 3 % содержание асбеста от вяжущего

Fig. 5. The condition of the samples and the strength of the concrete bookmark after uniaxial compression at the age of 14 days: a — is the basic composition without reinforcement, b — is the composition with 3% asbestos content of the binder

По результатам серии опытов построены обобщенные графики зависимости прочности закладки базовой смеси и смеси с добавлением 3 % хризотило-вого асбеста, изображенные на рис. 6.

Анализ результатов экспериментов показывает, что при применении раствора с 3 % содержанием асбеста хризотилового прочность армированных образцов на сжатие возросла на 17 — 25 % по отношению к неар-мированным образцам. Нормативная прочность закладки 6 МПа достигается составом с 3 % содержанием

хризотилового асбеста за время твердения 8 — 10 суток при нормативной в 28 суток.

Произведенные по итогам опытов расчеты состава закладочных смесей с применением раствора с 3 % содержанием асбеста хризотилового показали уменьшение расхода на песчано-гра-вийную смесь с добавлением армирующего элемента (табл. 2).

По результатам проведенных исследований можно сделать вывод, что применение закладочной смеси с добавлением 3 % от массы вяжущего хризотилового

—

* 10,0 D

I 6,0

СО

к

й 4,0

i 2,0 о с.

С _

0 7 14 28 42 56 70 84 90 98

Время твердения, Т сутки

Рис. 6. Гоафик зависимости прочности закладки базовой смеси и смеси с добавлением 3 % хризотилового асбеста: 1 — базовый раствор; 2 — раствор с 3 % содержанием хризотилового асбеста

Fig. 6. A plot of the strength of the base layer and mixture bookmarks with the addition of 3 % chrysotile asbestos: 1 — base solution; 2 — solution with 3% content of chrysotile asbestos

Таблица 2

Сравнение предлагаемого и базового составов твердеющих смесей со сроком твердения закладочного массива до обнажения 14 суток

Comparison of the proposed and basic compositions of hardening mixtures with the period of hardening of the backfill array before exposure to 14 days

Твердеющая Время Прочность Расход материалов, кг/ м

смесь твердения закладки, сутки закладки, МПа ПЦ М400 Зола унос ПГС Асбест хризоти-ловый Вода

Базовая смесь 14 5,41 240 100 1470 — 320

Смесь с 3 % 14 6,89 240 100 1447 7,2 330

содержанием

хризотилового асбеста

асбеста приводит к образованию армируемого искусственного массива, обеспечивающего увеличение прочности в ранние сроки твердения, которые позволят повысить прочность закладочной смеси на 17 — 25 % и снизить время набора прочности до возраста 8 — 10 суток вместо регламентируемого 28 суток.

Заключение. Применение активации воды затворения при изготовлении твердеющей смеси позволяет уменьшить расход цемента до 15 % в зависимости от состава смеси и повысить прочность закладки до 30...45 %, что снижает стоимость закладочных работ и делает рентабельным отработку рудных тел с рядовым содержанием полезного компонента системами с твердеющей закладкой.

Полученные при выполнении исследовательских работ результаты армирования закладки в процессе изготовления позволят при применении композиционных армируемых хризо-тиловым асбестом закладочных смесей работать под заложенным массивом в более ранее сроки и интенсифицировать очистные работы в блоке с повышением производительности добычи руды системами разработки с закладкой. Также это позволит снизить расходы на вяжущие при изменении составов закладки с армированием растворов при достижении регламентируемой прочности массива в установленные сроки твердения и, как следствие, уменьшить стоимость 1 м3 закладочной смеси.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Wu A., Wang Y., Wang H., Yin S, and Miao X. Coupled effects of cement type and water quality on the properties of cemented paste backfill, Int. J. Mineral Process. 143. 2015, pp. 65—71.

2. Yilmaz E., Belem T., Bussiere B., Mbonimpa M, and Benzaazoua M. Curing time effect on consolidation behaviour of cemented paste backfill containing different cement types and contents, Constr. Building Mater. 75. 2015, pp. 99 — 111.

3. Haiqiang J., Fall M., Cui L. Yield stress of cemented paste backfill in sub-zero environments: experimental results, Miner. Eng. 92. 2016, pp. 141 — 150.10.1016/j. mineng.2016.03.014.

4. Kambiz T., Mehdi N., Bijan M., Shocrollah L. Experimental and Analitical Studies to Achieve an Optimized Cemented Backfill Mix to be used in a Cut-Fill Mining metod // International Journal of Mining and Mineral Processing. 2016, No. 5 (1). Р.7.

5. Трубецкой К. Н., Каплунов Д. Р., Викторов С. Д., Рыльникова М. В., Радченко Д. Н. Научное обоснование технологий комплексного ресурсосберегающего освоения месторождений стратегического минерального сырья // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). — 2014. — № 12. — С. 5 — 12.

6. Овсейчук В. А., Медведев В. В. и др. Комплексная технология отработки скальных урановых руд с элементами подземной рудоподготовки: монография. — Чита: ЗабГУ. 2018. — 364 с.

7. Медведев В. В. Лабораторные исследования прочностных и деформационных свойств твердеющей закладки на основе композиционных армируемых закладочных материалов // Кулагинские чтения: техника и технология производственных процессов: XVII Международная научно-практическая конференция. — Чита: ЗабГУ, 2017. — С.147 — 152.

8. Мосин О. В. Аппараты магнитной обработки воды // Новости теплоснабжения. — 2013. — № 11 (147). — С. 31 — 35.

9. Классен В. И. Омагничивание водных систем. — М.: Химия, 1978. — 240 с.

10. Очков В. Ф. Магнитная обработка воды: история и современное состояние // Энергосбережение и водоподготовка. — 2014. — № 2. — С. 17—20.

11. Столяров О. Н., Горшков А. С. Применение высокопрочных текстильных материалов при строительстве // Инженерно-строительный журнал. — 2013. — № 4. —

C. 18 — 19.

12. Кодолов О. М., Кодолов Г. О., Петрова З. К. Твердеющая закладка в градостроительстве // Безопасность жизнедеятельности. — 2014. — № 10. — С. 33—36.

13. Хайрутдинов М. М., Малионок П. А., Хайрутдинова В. Н. Влияние реологических свойств раствора на глубину проникновения // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). — 2016. — № 11. — С. 110 — 112. S2S

REFERENCES

1. Wu A., Wang Y., Wang H., Yin S., and Miao X. Coupled effects of cement type and water quality on the properties of cemented paste backfill, Int. J. Mineral Process. 143. 2015, рp. 65 — 71.

2. Yilmaz E., Belem T., Bussiere B., Mbonimpa M., and Benzaazoua M. Curing time effect on consolidation behaviour of cemented paste backfill containing different cement types and contents, Constr. Building Mater. 75. 2015, рp. 99 — 111.

3. Haiqiang J., Fall M., Cui L. Yield stress of cemented paste backfill in sub-zero environments: experimental results, Miner. Eng. 92. 2016, рp. 141 — 150.10.1016/j. mineng.2016.03.014.

4. Kambiz T., Mehdi N., Bijan M., Shocrollah L. Experimental and Analitical Studies to Acheave an Optimised Cemented Backfill Mix to be used in a Cut-Fill Mining metod. Internetional Journal of Mining and Mineral Processing. 2016, no. 5 (1). Р.7.

5. Trubetskoi K. N, Kaplunov D. R, Viktorov S. D, Ryl'nikova M. V., Radchenko

D. N. Scientific substantiation of technologies for complex resource-saving development of strategic mineral deposits. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2014, no. 12, — рр. 5 — 12. [In Russ].

6. Ovseichuk V. A., Medvedev V. V. [i dr.]. Kompleksnaya tekhnologiya otrabotki skal'nykh uranovykh rud s elementami podzemnoi rudopodgotovki: monografiya [Integrated technology for mining rocky uranium ores with elements of underground ore preparation: monograph], Chita, ZabGU, 2018, 364 p. [In Russ]

7. Medvedev V. V. Laboratornye issledovaniya prochnostnykh i deformatsionnykh svoistv tverdeyushchei zakladki na osnove kompozitsionnykh armiruemykh zakladochnykh materialov [Laboratory studies of the strength and deformation properties of hardening backfill on the basis of composite reinforced stowing materials], Kulaginskie chteniya: tekhnika i tekhnologiya proizvodstvennykh protsessov: KhVII Mezhdunarodnaya nauchno-prakticheskaya konferentsiya. Chita: ZabGU, 2017, pp. 147 — 152. [In Russ].

8. Mosin O. V. Magnetic water treatment devices. Novosti teplosnabzheniya. 2013, no. 11 (147), pp. 31—35. [In Russ].

9. Klassen V. I. Omagnichivanie vodnykh system [Magnetization of water systems], Moscow, Khimiya, 1978, 240 р. [In Russ].

10. Ochkov V. F. Magnetic water treatment: history and current state. Energosberezhenie i vodopodgotovka. 2014, no. 2, pp. 17 — 20. [In Russ].

11. Stolyarov O. N., Gorshkov A. S. Application of high-strength textile materials in construction. Inzhenerno-stroitel'nyi zhurnal. 2013, no. 4, pp. 18 — 19. [In Russ].

12. Kodolov O. M., Kodolov G. O., Petrova Z. K. Solidifying bookmark in urban planning. Bezopasnost'zhiznedeyatel'nosti. 2014, no. 10, pp. 33—36. [In Russ].

13. Khairutdinov M. M., Malionok P. A., Khairutdinova V. N. Influence of the rheological properties of the solution on the penetration depth. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull.2016, no. 11, pp. 110 — 112. [In Russ].

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Медведев Валерий Васильевич1 — канд. техн. наук, зав. кафедрой «Подземной разработки месторождений полезных ископаемых», medvedevvv1963@maiL.ru; Овсейчук Василий Афанасьевич1 — докт. техн. наук, профессор кафедры «Подземной разработки месторождений полезных ископаемых», mks3115637@yandex.ru; 1 Забайкальский государственный университет, Чита, Россия.

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS

Medvedev V. V1, Cand. Sci. (Eng.), head of Underground Mining department; Ovseychuk V. A.1, Dr. Sci. (Eng.), professor of Underground Mining department; 1 TransbaikaL State University, Chita, Russia.

Получена редакцией 20.11.2020; получена после рецензии 08.01.2021; принята к печати 10.02.2021. Received by the editors 20.11.2020; received after the review 08.01.2021; accepted for printing 10.02.2021.