Технология добычи руды с закладкой на вяжущем из хлористого кальция

© Б.А. Борзаковский, М.И. Русаков, М.В. Генкин, 2014

УЛК 622.273.2

Б.А. Борзаковский, М.И. Русаков, М.В. Генкин

ТЕХНОЛОГИЯ ДОБЫЧИ РУДЫ С ЗАКЛАДКОЙ НА ВЯЖУЩЕМ ИЗ ХЛОРИСТОГО КАЛЬЦИЯ

На основании положительных результатов лабораторных и шахтных исследований использования отходов производства сульфата калия в качестве вяжущего для закладки отходов производства обогатительных фабрик калийных рудников разработана технология добычи руды с закладкой на вяжущем из хлористого кальция. Ключевые слова: закладка, калийный рудник, солеотходы, шлам, хлористый кальций.

На рудоуправлениях Верхнекамского месторождении калийных солей путем переработки калийной руды производят хлористый калий, используемый в качестве удобрения в сельском хозяйстве. Однако для ряда сельскохозяйственных культур, чувствительных к хлору, больший эффект приносит применение бесхлорных удобрений, например, сульфата калия и сложных бесхлорных удобрений на его основе.

Известные промышленные методы получения сульфатных удобрений основаны на обменных реакциях хлорида калия KCl с различными сульфатами, серной кислотой и известняком. В результате образуются сульфат калия и в зависимости от технологии различные отходы производства.

В настоящее время в мире производится около 2 млн т сульфата калия. Наибольшие объемы производства приходятся на Китай, Германию, Бельгию. Сульфат калия в России не производится. Одним из факторов, сдерживающих развитие производства бесхлорных удобрений в России, является безопасное размещение отходов производства.

Так, в 90-ые гг. прошлого века в составе обогатительной фабрики БКПРУ-3 ОАО «Уралкалий» было организовано производство сульфата калия, отходом которого являлся рас-

твор, содержащий хлорид калия KCl, сульфат калия K2SO4, хлорид аммония NH4Cl, хлорид натрия NaCl, сульфат аммония (NH4)2SO4. Норма образования отходов 1,7 м3 на 1 т сульфата калия. Жидкие отходы производства откачивали в шламохранилище. Производство прекратили в 2004 г.

Группой компаний ОАО «ОХК «УРАЛХИМ» разработана новая непрерывная технология сернокислотного разложения хлорида калия, отходом производства которой является горячий раствор хлорида кальция. Экспериментальным путем установлено, что при остывании раствор хлористого кальция кристаллизуется с образованием кристаллогидратов, что позволило сделать вывод о возможности его использования в качестве вяжущего для закладки отходов производства обогатительных фабрик калийных рудников.

Так как хлористый кальций растворим в воде, то областью его применения в качестве вяжущего могут быть только рудники, в которых нет воды. К таким рудникам относятся калийные и соляные шахты.

При производстве хлористого калия образуются твердые (солеотходы) и жидкие (шламы) отходы, которые могут быть использованы в качестве наполнителя закладки.

Сочетание возможности использования отходов производства сульфа-

та калия и отходов производства хлорида калия для закладки предопределило, что завод по производству сульфата калия должен располагаться вблизи предприятия по добыче и обогащению калийных руд.

С целью исследования процесса затвердевания натурального закладочного массива на вяжущем из отходов производства сульфата калия, уточнения его физико-механических свойств, а также отработки параметров технологии возведения закладочного массива на калийном руднике БКПРУ-4 ОАО «Уралкалий» в 2012 г. проведены опытно-промышленные работы. Выбор рудника обусловлен тем, что в нем находится в работе действующий подземный шламовый комплекс. Шламы размещают в специально проходимые шламовые камеры, что требует значительных материальных и временных затрат на их проходку.

Испытание технологии возведения закладочных массивов проведено на опытно-промышленном участке, расположенном на 1 СЗП в 4 западном блоке в районе камеры большого сечения (КБС) № 9. Испытания проводили в двух тупиковых шламовых сбойках. Длина тупиковой части, в которой возвели закладочный массив, составляет 25 м.

В шламовую сбойку № 1 подавали закладочную смесь из хлористого кальция и шлама, в шламовую сбойку № 3 - смесь из солеотходов, хлористого кальция и шлама или рассола.

Для изготовления закладочных смесей использовались следующие компоненты: гранулированный 94-98% хлористый кальций, солеотходы обогатительной фабрики рудника СКРУ-2, глинисто-солевой шлам, рассол. Средняя крупность солеотходов составляла 2,0 мм, около 10% солеотходов в общей массе было крупностью более 10 мм. Глинисто-солевой шлам для

приготовления закладочных смесей использовался в виде шламовой пульпы плотностью 1290-1330 кг/м3 с температурой 30-35 °С.

Приготовление закладочной смеси осуществляли в двух бетоносмесителях, установленных на ровной горизонтальной площадке. Для приготовления пульпы солеотходы и хлористый кальций засыпали в бетоносмесители вручную. Шламовую пульпу заливали в бетоносмесители при помощи резинового рукава диаметром 100 мм, подсоединенного к шламопроводу. Для этого в существующем шламопроводе выполнили врезку рукава на фланцевом соединении и установили задвижку.

В бетоносмесителе смесь перемешивали до необходимой рабочей консистенции и растворения хлористого кальция около 5-8 минут. После перемешивания компонентов закладочной смеси, смесь подавали в приемную емкость V = 0,5 м3, из которой смесь транспортировали насосом за перемычку.

Контроль за возведением закладочного массива вели визуально через проем в перемычке.

Температура приготовленной смеси с наполнителем из шлама после перемешивания составляла до 100 °С. Температура приготовленной смеси с наполнителем из солеотходов и шлама после перемешивания составляла до 55 °С.

В процессе закладочных работ массив с наполнителем из шлама формировался равномерно по всей длине сбойки, верхний уровень массива практически горизонтальный. Продольный профиль закладочного массива после окончания закладочных работ показан на рис. 1 а.

В процессе закладочных работ массив с наполнителем из солеотхо-дов и шлама формировался следующим образом. Солеотходы оседали у перемычки в виде холма, жидкая фаза стекала в сторону тупика сбойки. По

а)

Непроницаемая /перемычка

Закладочный

25

5,0

б)

Закладочный

Непроницаемая перемычка

массив

25

Рис. 1. Профили закладочных массивов: а) с наполнителем из шлама в сбойке № 1; б) с наполнителем из солеотходов и шлама в сбойке № 3

мере роста слоя солеотходов у перемычки часть из них под действием потока жидкой фазы стекала в сторону тупика сбойки. За исключением холма солеотходов у перемычки верхний уровень закладочного массива - горизонтальный. Профиль закладочного массива после окончания закладочных работ показан на рис. 1 б.

Основные показатели технологии возведения закладочных массивов приведены в табл. 1.

После затвердевания закладочных массивов были определены их физико-механические характеристики. Исследования проводили на образцах,

изготовленных из монолитов, извлеченных из закладочного массива.

Работы по извлечению монолитов производились после остывания закладочного массива у перемычки до температуры 20 °С.

Для получения доступа к закладочному массиву в перемычке выполнили проем.

Визуальный осмотр закладочного массива, возведенного в сбойке № 1, показал, что он имеет крупную четко выраженную слоистую структуру, включающую верхний, средний и нижний слои. Строение закладочного массива с наполнителем из глинисто-

Таблица 1

Основные показатели технологии возведения закладочных массивов

Наименование Ел. изм. Закладка смеси Закладка смеси

с наполнителем с наполнителем из

из шлама солеотходов и шлама

Состав смеси на один замес:

хлористый кальций т 0,2 0,1

солеотходы т - 0,2

шлам (рассол) л 150 75

Продолжительность закладки сут 11 35

Количество замесов шт. 1319 1198

Объем закладочной смеси м3 290 264

Рис. 2. Строение закладочного массива с наполнителем из шлама у перемычки в сбойке № 1

солевого шлама у перемычки показано на рис. 2.

Верхний слой мощностью около 0,2 м - «шапка» закладочного массива - представляет собой весьма пористую, но крепкую структуру и состоит из затвердевшей пены глинисто-солевого шлама. Средний слой мощностью около 0,7 м представляет монолитную структуру и состоит из кристаллогидрата хлористого кальция. Нижний слой мощностью около 0,5 м представляет монолитную структуру и состоит из смеси частиц шлама с кристаллогидратом хлористого кальция.

Для испытаний были отобраны три монолита из среднего и нижнего слоев. Один монолит однородный и представлен чистым кристаллогидратом хлористого кальция, второй слоистый - один слой представлен чистым кристаллогидратом, а второй смесью в виде затвердевшей взвеси частиц шлама в растворе хлористого кальция. Третий монолит однородный, в виде смеси упомянутой выше, но с добавлением нерастворен-ных гранул хлористого кальция.

Визуальный осмотр закладочного массива, возведенного в сбойке № 3, показал, что массив состоит из двух частей. Верхний слой рыхлый, а нижний - монолитный. В дальнейшем при извлечении монолитов оказалось, что

в верхнем слое можно выделить шапку из совершенно несвязанных солеотхо-дов, а ниже в порах солеотходов находились частицы кристаллогидрата хлористого кальция, однако они не связывали частицы между собой. Под этим слоем находился прочный массив из смеси солеотходов, шлама и кристаллогидрата хлористого кальция.

Строение массива с наполнителем из солеотходов и глинисто-солевого шлама показано на рис. 3.

Для испытаний отобраны три монолита из нижней части массива. Перед отбором монолитов рыхлый слой солеотходов удалили.

Выемка монолитов закладочного массива из сбойки № 3 оказалась менее трудоемкой в сравнении с работами в сбойке № 1. Массив достаточно легко выбуривался.

Работы по изготовлению образцов проведены в лабораторных условиях. Для испытаний изготовили образцы размером 70х70х70 мм.

Обобщенные сведения, характеризующие физико-механические свойства закладочного материала из натурального закладочного массива, возведенного в шахтных условиях, приведены в табл. 2.

Ранее, в рамках выполнения комплекса исследований закладки на вя-

Рис. 3. Строение закладочного массива с наполнителем из солеотходов и шлама у перемычки в сбойке № 3

жущем из хлористого кальция были определены физико-механические характеристики образцов, приготовленных в лабораторных условиях. Сравнение физико-механических свойств образцов, приготовленных в лабораторных условиях и образцов из натурального закладочного массива испытаний приведено в табл. 3.

Данные табл. 3 свидетельствуют, что образцы из натурального закладочного массива имеют плотность и прочность на сжатие выше, чем лабораторные образцы.

Плотность образцов из нижней части натурального закладочного

массива с наполнителем из шлама в 1,15 раза выше, чем у лабораторных образцов. Плотность образцов из нижней части натурального закладочного массива с наполнителем из солеотходов и шлама в 1,09 раза выше, чем у лабораторных образцов.

Прочность на сжатие образцов из нижней части натурального закладочного массива с наполнителем из шлама в 2,56 раза выше, чем у лабораторных образцов. Прочность на сжатие образцов из нижней части натурального закладочного массива с наполнителем из солеотходов и шлама в 1,22 раза выше, чем у лабораторных образцов.

Таблица 2

Физико-механические свойства образцов закладки

Монолит Средняя плотность, г/см3 Средний предел прочности при сжатии, МПа Относительная предельная деформация, % Предельный модуль упругости, 103 МПа

Образцы с наполнителем из глинисто-солевого шлама

1 (верхний) 1,85±0,04 6,93±1,72 1,19±0,43 0,63±0,18

2 (средний) 1,88±0,01 11,96±2,45 1,44±0,29 0,84±0,12

3 (нижний) 1,81±0,04 19,19±2,18 1,27±0,2 1,52±0,2

Образцы с наполнителем из солеотходов и шлама

4 (верхний) 2,00±0,02 2,08±0,95 4,69±0,89 0,04±0,02

5 (средний) 2,01±0,02 2,44±0,73 4,52±0,75 0,05±0,02

6 (нижний) 2,01±0,01 7,06±0,89 4,81±0,14 0,15±0,02

Таблица 3

Сравнение физико-механических свойств различных образцов закладки

Показатель Лабораторные образцы, хранившиеся в лабораторных условиях ^=20 °С) Лабораторные образцы, хранившиеся в шахтных условиях Образцы из натурального заклалочного массива

нижняя часть срелнее по массиву

Образцы с наполнителем из глинисто-солевого шлама

Средняя плотность, г/см3 1,57 - 1,81 1,86

Средний предел прочности при сжатии, МПа 7,49 _ 19,19 11,67

Относительная предельная деформация, % 3,75 — 1,27 1,27

Предельный модуль упругости, 103 МПа 0,2 _ 1,52 0,94

Образцы с наполнителем из солеотходов

Средняя плотность, г/см3 1,84 1,93 2,01 2,01

Средний предел прочности при сжатии, МПа 5,80 6,6 7,06 3,68

Относительная предельная деформация, % 3,54 7,5 4,81 4,67

Предельный модуль упругости, 103 МПа 0,34 0,09 0,15 0,08

Сравнение прочности массивов с вяжущим на основе хлористого кальция с прочностью твердеющей закладки, применяемой на железорудных комбинатах, показывает, что массивы с вяжущим на основе хлористого кальция расположены в диапазоне прочностей твердеющей закладки.

Результаты опытно-промышленных испытаний позволяют сделать следующие выводы:

• в шахтных условиях возможно получение прочного монолитного закладочного массива на вяжущем из хлористого кальция;

• время снижения температуры закладочного массива с наполнителем из глинисто-солевого шлама до 20-25 °С составляет 180 суток;

• весь объем жидкой фазы, находящейся в закладочной смеси затвердевает при остывании до 2025 °С;

• прочность массивов находится в диапазоне прочности твердеющей закладки на основе вяжущих из смеси цемента с молотым шлаком. Прочность на сжатие образцов с наполнителем из солеотходов и шлама 2,087,06 МПа, с наполнителем из шлама 6,93-19,19 МПа.

Ввиду того, что перспективные объемы образования хлористого кальция ожидаются значительно меньше, чем объемы солеотходов, а образование шлама меньше, чем образование соле-отходов, то целесообразно использование хлористого кальция для получения закладки с использованием в качестве наполнителя глинисто-солевых шла-мов. Кроме того, стоимость размещения 1 т шлама (около 600 руб./т) значительно выше стоимости размещения солеотходов, а на 1 га земной поверхности можно разместить в несколько раз больше солеотходов, чем шлама.

Одним из возможных вариантов применения закладки смеси с наполнителем из отходов производства калийных предприятий и хлористого кальция является специальная технология добычи руды, при которой минимизируются затраты на закладку и повышается безопасность работ. Снижение затрат происходит за счет того, что нет необходимости возводить закладочные перемычки в каж-

Рис. 4. Технология добычи с закладкой смеси с наполнителем из отходов производства калийных предприятий и хлористого кальция: 1 - выработки вышележащего пласта; 2 - конвейерный уклон; 3 - вентиляционный уклон; 4 - выемочный штрек; 5 - вентиляционный штрек; 6 - очистные камеры; 7 - закладочный трубопровод; 8 - пульпоперепускная скважина; 9 - непроницаемая перемычка; 10 - закладочный массив

дой камере. Безопасность работ обеспечивается за счет отсутствия людей в закладываемых камерах.

Достижение этих целей происходит за счет того, что добычные работы на нижнем пласте ведут изолированными блоками, вскрытие нижнего пласта производят уклонами с верхнего пласта, отгрузку руды ведут через выработки верхнего пласта. Размеры блока определяются путем технико-экономического сравнения вариантов по критериям минимизации затрат и потерь полезного ископаемого с учетом горно-технических условий: угла наклона пластов и мощности между-пластий.

Технология добычи с закладкой показана на рис. 4.

Подготовка панели -панельно-блоковая. Подготовка по пласту АБ осуществляется по следующей схеме: по оси блока проходят спаренные выемочные штреки, по границам блока проходят вентиляционные штреки. По каменной соли под выемочным штреком пласта АБ проходят заглубленный конвейерный штрек. Вскрытие пласта Кр.11 производится участками и осуществляется уклонами с выемочного штрека пласта АБ. С выемочных штреков пласта Кр.11 проходят разрезные камеры, а по границам блока - вентиляционные штреки. Выемочные штреки по пластам АБ и Кр.11 смещены на полублок. Перегрузка руды с выемочного штрека пласта АБ на заглубленный штрек осуществляется по рудоспускным скважи-

нам, пересечение рудоспуском пласта Кр.11 предусмотрено в межблоковом целике.

При предлагаемой схеме подготовки на пласте Кр.11 появляются дополнительные потери руды, так как на месте камер, отрабатываемых при обычной схеме подготовки, проходят уклоны. Однако с учетом упрочняющего действия закладки на целики, высокой полноты заполнения камер закладкой при заполнении камер с вышележащего пласта и малой усадки закладочного массива технология позволит уменьшить ширину междукамерных целиков. Конкретные параметры (ширина очистных камер и междукамерных целиков) будут рассчитываться под определенные горно-геологические условия с учетом фактических физико-механических свойств пород.

Закладочную пульпу до участка размещения отходов транспортируют гидротранспортом. Пульпа подается в горячем виде. Пульпу подают в каждую камеру через скважины с вышележащего пласта. После использования скважины тампонируют.

Так как при опытно-промышленных испытаниях получено, что поверхность массива с наполнителем из шлама практически горизонтальная, то степень заполнения камер будет составлять не менее 0,95.

После закладки участка возводят непроницаемые перемычки в начале уклонов, тем самым изолируя участок размещения отходов.

После остывания закладочной смеси она представляет прочный закладочный массив, так как рассол, вступая в химическую реакцию с хлористым кальцием, образует твердое вещество -кристаллогидрат хлористого кальция.

Преимущества предлагаемой технологии:

• для размещения жидких отходов не требуется проходить специальные камеры по каменной соли;

• потенциальная возможность уменьшения ширины междукамерных целиков на площадях, где будет возводиться закладочный массив, так как степень нагружения междукамерных целиков может быть рассчитана по допустимому сроку их устойчивости, включающему продолжительность отработки, закладки и время охлаждения закладочного массива до набора им прочности;

• не требуется выполнять изоляцию каждой камеры для удержания в ней закладочной смеси, так как подачу пульпы производят с вышележащего пласта;

• не требуется откачивать рассол, так как рассол, содержащийся в закладочной смеси, вступает в химическую реакцию с хлористым кальцием с образованием твердого вещества - кристаллогидрата хлористого кальция;

• размещение значительных объемов отходов обогащения калийных производств в отработанных очистных камерах, тем самым уменьшение объема их размещения в поверхностных шламохранилищах.

Таким образом, технология позволит размещать отходы производства сульфата калия и твердые частицы шлама при полном затвердевании жидкой фазы шламовой пульпы, продлить срок службы существующих шла-мохранилищ и дает потенциальную возможность уменьшить ширину междукамерных целиков при допустимом технологическом сроке устойчивости кровли очистных камер.

Предлагаемая технология добычи руды с закладкой с добавлением хлористого кальция является перспективной. Для оценки технико-экономических показателей технологии необходимо проведение опытных работ.

Финансирование исследований и опытно-промышленных работ выполнено ОАО «ОХК «УРАЛХИМ». ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_

Борзаковский Борис Александрович - кандидат технических наук, заведующий лабораторией технологии закладочных работ,

Русаков Михаил Ильич - научный сотрудник лаборатории технологии закладочных работ, e-mail: rusakov.mihail@gallurgy.ru,

ОАО «Уральский научно-исследовательский и проектный институт галургии» (ОАО «Галургия»). Генкин Михаил Владимирович - директор по развитию бизнеса ОАО «ОХК «УРАЛХИМ».

UDC 622.273.2

ORE MINING WITH BACKFILL WITH CALCIUM CHLORIDE BINDER

Borzakovskij B.A., Candidate of Engineering Sciences, Head of Laboratory, Rusakov M.I., Researcher of Laboratory, e-mail: rusakov.mihail@gallurgy.ru, Ural Research and Design Institute of Mineral-Salt Production (Galurgia); Genkin M.V., Business Development Director, URALCHEM Holding P.L.C.

The positive result obtained in the laboratory and mine tests of applying potassium sulfate production waste as a binder in the backfill mix composed of potash mine and preparation plant refuses inspires the development of the ore mining method using backfill with the calcium chloride binder.

Key words: backfill, potash mine, salt refuse, middlings, calcium chloride.

РИСУЕТ ДАРЬЯ АБРЕНИНА

В книге можно найти много интересного