ТВЕРДЕЮЩАЯ ЗАКЛАДОЧНАЯ СМЕСЬ
HARDENING FILL MIXTURE

3
Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при подземной разработке полезных ископаемых системами с закладкой выработанного пространства твердеющей закладочной смесью, в составе которой применяются некондиционные пески с низким модулем крупности менее 0,7. Использование флокулянта (Alclar) позволяет снизить дисперсность песков, что дает возможность уменьшить содержание цемента до минимальных значений (1-2%), а в качестве основного вяжущего использовать жидкое стекло с плотностью ρ=1300 кг/м.
Известен закладочный материал (заявка №2001104570 от 20.01.2003), включающий дробленую горную породу и твердеющую смесь, отличающийся тем, что в качестве дробленой горной породы он содержит дробленую скальную породу с гранулометрическим составом, обеспечивающим после ее вибрационной укладки в выработанное пространство образование заложенного массива с пористостью 7-15%, а в качестве твердеющей смеси - инъектированный в его поры твердеющий раствор.
Недостатком закладочного материала для смеси является то, что в качестве заполнителя закладочный материал содержит дробленую скальную горную породу, что значительно удорожает его стоимость, например, по сравнению с некондиционным песчаным заполнителем и затрудняет контроль качества получаемой закладки.
Известна твердеющая бесклинкерная закладочная смесь (патент РФ №2275505, от 05.11.2004), включающая измельченное известьсодержащее вяжущее в виде активного алюмосиликатного материала и обожженных карбонатных пород, воду затворения, флегматизатор, заполнитель, который содержит обожженные при 900-1200°С карбонатные породы с содержанием активных окисей кальция и магния CaO+MgO в них не менее 40% и не более 9,1% от массы смеси, измельченные до остатка на сите 0,08 мм не более 15%, в качестве активного алюмосиликатного материала - обожженный мергель или обожженную глину, либо обожженные хвосты обогащения кимберлитовых руд, или гранулированный доменный шлак, а вода затворения содержит флегматизатор в количестве, определяемом по формуле: Д=(0,005÷0,021)·СИ/СВ, где Д - количество флегматизатора в 1 л воды затворения, кг; (0,005÷0,021) - коэффициент, учитывающий пропорциональное соотношение флегматизатора и обожженных карбонатных пород в составе смеси; СИ - расход обожженных карбонатных пород в составе смеси, кг; СВ - экспериментально определенный расход воды затворения в составе смеси, л, при соотношении компонентов в закладочной смеси, мас.%: активный алюмосиликатный материал - 5,6-33,2, обожженные карбонатные породы - 1,0-16,7, вода затворения с флегматизатором - 10,6-27,5, заполнитель - остальное. При превышении указанного содержания активных CaO+MgO в смеси переводят CaO и MgO в гидроокиси опрыскиванием водой в количестве не более 20% от массы обожженных карбонатных пород в пересчете на активные CaO+MgO. В качестве карбонатных пород используют вмещающие породы кимберлитовых месторождений, в качестве заполнителя - песок, и/или хвосты обогащения, и/или измельченную алюмосиликатную породу - туф, и/или диабазовую породу, и/или карбонатную породу, в качестве флегматизатора - лигносульфонат технический - ЛСТ или суперпластификатор С-3 и ЛСТ, взятые в соотношении 2:1.
Недостатком бесклинкерной закладочной смеси является то, что высокое содержание активных окисей кальция и магния обеспечивает водонеустойчивость такой закладочной смеси; при воздействии воды, содержащей диоксид углерода либо сероводород, или подкисленных вод за счет растворения и выноса СаО и MgO наблюдается резкое снижение прочности и устойчивости закладочного массива. Эти недостатки полностью отсутствуют в предлагаемом составе закладочной смеси, в котором вяжущим служит стекло с минимальным содержанием цемента.
Известен тампонажный раствор, выбираемый в качестве прототипа (патент №2001135982 от 27.12.2001), для тампонажа закрепного пространства шахтных стволов калийных рудников, содержащий цемент, затворяющую жидкость, отличающийся тем, что в качестве пластифицирующей и уплотняющей добавки, регулирующей сроки твердения, используется раствор лигносульфонатов, в качестве добавок, увеличивающих водостойкость и плотность смеси, используется зола-унос, жидкое стекло, хлористый кальций, в качестве расширяющей добавки используется гипс, негашеная известь.
Недостатком тампонажного раствора является использование цементов как основного вяжущего, что значительно повышает стоимость закладочной смеси, а применение лигносульфонатов - высокотоксичного отхода целлюлозно-бумажной промышленности не отвечает экологическим требованиям по применению материалов в горных выработках, а также защите подземных вод от загрязнения. В предлагаемом изобретении используются экологически чистые компоненты, которые значительно снижают денежные затраты на изготовление больших объемов закладочных смесей при условии применения некондиционных песков с низким модулем крупности.
Технический результат - повышение качества технологических свойств твердеющей закладочной смеси, снижение себестоимости, увеличение несущей способности заложенного массива.
Технический результат достигается тем, что твердеющая закладочная смесь включает заполнитель, жидкое стекло натриевое, гипс, цемент, согласно изобретению в смесь дополнительно вводят флокулянт (Alclar) и мартито-гематитовую железную руду, при соотношение компонентов смеси:
3
- жидкое стекло натриевое (плотность 1300 кг/м) 20-22%;
- цемент 1-2%;
- гипс 1-2%;
- флокулянт 0,002-0,004%;
- руда железная мартито-гематитовая 1%;
- заполнитель - остальное.
Технический результат достигается тем, что в качестве заполнителя смесь содержит некондиционный карьерный песок с модулем крупности менее 0,7.
Исследования проводились на основе теории планирования эксперимента с привлечением аналитических разработок в области физико-химических и химических процессов синтеза вяжущих при использовании некондиционных заполнителей по критерию их гранулометрического состава (модуля крупности), выполнения лабораторных работ, состоящих из определенных стадий:
- подготовка воздушно-сухой смеси из нескольких компонентов (песок + цемент + гипс + железная руда) в заданном процентном отношении к массе песка;
- подготовка растворов (жидкое стекло + флокулянт);
- тщательное перемешивание твердой и жидкой составляющих;
- формование образцов определенной формы и размеров;
- твердение образцов при комнатной температуре 20±2°С в течение 4-28 дней;
- испытания образцов на прессах для получения величины временного сопротивления сжатию.
Для обоснования оптимального состава было исследовано 15 рецептур.
Пример. В таблице 1 приведены результаты исследований твердеющей закладочной смеси.
Предлагаемый состав закладочной смеси обеспечивает возможность использования в качестве основного заполнителя некондиционных тонких и мелких карьерных песков с низким модулем крупности при условии применения активного флокулянта (Alclar) для агрегирования тонкодисперсных фракций песка, что позволяет значительно снизить расход дорогостоящего цемента и использовать в качестве вяжущего жидкое стекло и малые количества гипса как связующего компонента, а также с целью предотвращения усадки смеси при ее твердении.
Таблица 1.
Результаты исследований прочности многокомпонентной закладочной смеси.
№№ п/п
Твердые компоненты закладочной смеси в % от массы заполнителя (некондиционного песка)
Жидкие компоненты вяжущего
Отношение жидкой и твердой составляющих
Плотность смеси ρ,кг/м<sup>3</sup>
Временное сопротивление сжатию R<sub>сж</sub>, МПа
Песок
Гипс
Цемент М300
Железная руда «краска»
Жидкое стекло ρ=1300 кг/м<sup>3</sup>
Раствор флокулянта в % к массе жидкого стекла заданной плотности
28 суток, 100% прочности
4 суток, 40% от конечной прочности (28 суток)
1
+
1
1
1
+
6
0,22
1720
85
34
2
+
0
2
1
+
4
0,22
1630
79
32
3
+
1
5
1
+
0
0,21
1900
90
36