Направленные изменения свойств гидрозакладочного массива

5. O primenimosti reshenij kvazistaticheskih zadach dlya opredeleniya napryazhen-nogo sostoyaniya krepi nekrugovyh vyrabotok pri dejstvii dlinnyh sejsmicheskih voln / A.S. Sammal', S.V. Anciferov, P.V. Deev. O.A. Solov'eva // Mater. 13-go mezhdunar. simp. 25 - 29 sentyabrya 2015. Belgorod. S. 247 - 253.

6. Fotieva N.N., SHelepov N.V. Raschet obdelok tonnelej melkogo zalozheniya na sejsmicheskie vozdejstviya // Gornyj informacionno-analiticheskij byulleten'. 2000. № 3. S. 26 - 30.

7. Latyshev V.A., Zavilejskij O.G. Opredelenie napryazhenno-deformirovannogo sostoyaniya massiva porod vokrug vyrabotok nekrugovogo poperechnogo secheniya melkogo zalozheniya, vyzvannogo sejsmicheskim vozdejstviem // Sb. nauchn. tr. «Podzemnaya razra-botka tonkih i srednej moshchnosti ugol'nyh plastov». Tula: Izd-vo TulGU, 1998. S. 98 - 114.

8. Miklowitz J. The theory of elastic waves and waveguides. Amsterdam, NY and Oxford: Noth-Holland publishing, 1978. 618 p.

9. Muskhelishvili N.I. Nekotorye osnovnye zadachi matematicheskoj teorii uprugos-ti. M.: Nauka, 1966. 708 s.

УДК 622.02:531

НАПРАВЛЕННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ СВОЙСТВ ГИДРОЗАКЛАДОЧНОГО МАССИВА

Е.А. Ермолович, С.В. Донецкий, О.В. Ермолович

Исследовано влияние физико-химических полей на физические характеристики гидрозакладочного массива, сформированного из сгущенных отходов обогащения железистых кварцитов. Установлены закономерности изменения проницаемости, плотности и пористости массива от влажности. Обоснованы материалы для упрочнения массива. Приведены относительные изменения его прочности от концентрации от-вердителя и времени гелеобразования от температуры компонентов раствора. Анализ полученных данных показывает, что оптимальная влажность массива для инъецирования составляет 3-7 %, а его максимальная прочность соответствует концентрации отвердителя 9-11 %.

Ключевые слова: гидрозакладочный массив, флокулянты, проницаемость, сгущенные отходы обогащения, прочностные свойства, силикат натрия

В бассейне КМА в настоящее время производится более половины товарной железной руды России. Учитывая, что 60-90 % запасов на эксплуатируемых месторождениях КМА подлежат отработке комбинированным и подземным способами, для заполнения камер и отработки целиков потребуется необходимость коренных изменений технологии горных работ с применением закладки. Гидрозакладка отработанных камер сгущенными отходами обогащения железистых кварцитов, которая осуществляется на шахте им. Губкина, решает многие экологические проблемы, связанные с их размещением на поверхности, и задачу снижения текущих издержек. Однако данная безотходная технология имеет ряд существенных недостат-

ков. Поскольку отходы обогащения подаются в подземные камеры без вяжущего вещества, данная технология не позволяет отрабатывать междукамерные целики, в результате чего формируются потери (ранее временно не активные запасы), величина которых достигает 60 % от извлеченных запасов [1].

В целях расширения сырьевой базы и создания экологически рациональной технологии разработки месторождений необходимо кардинальное изменение состояния гидрозакладочного массива, предполагающее увеличение его прочности. Для управления свойствами массива необходимы исследования их изменения под воздействием внешних полей.

Цель исследования - получение и накопление знаний о новых закономерностях изменения свойств гидрозакладочного массива на основе сгущенных флокулянтами отходов обогащения железистых кварцитов под воздействием физико-химических полей для их управляемого преобразования.

Предыдущими исследованиями [2, 3] было установлено, что различные флокулянты, применяемые для сгущения гидрозакладочной пульпы, значительно отличаются по сохранению количества мелких фракций. Средний диаметр частиц отходов обогащения в гидросмесях, сгущенных флокулянтом Суперфлок А110 НМW в 2,3 раза больше, чем при сгущении флокулянтом Магнафлок 338. 90 % частиц в первом случае имеют размер менее 173,5 мкм, в то же время 90 % частиц во втором случае не превышают 71 мкм. Это влияет на проницаемость гидрозакладочных массивов, сформированных из сгущенных отходов обогащения. Максимальный коэффициент фильтрации при градиенте 1,5 для Суперфлок А110 НМW достигает значения 0,61 м/сут, тогда как аналогичный параметр для Магнафлок 338 при градиенте напора 2 не превышает значения 0,38.

Поскольку консолидация гирозакладочного массива на основе отходов обогащения железистых кварцитов ОАО «Комбинат КМАруда» продолжается до года и более [1], и соответственно меняется влажность искусственного массива и его физические свойства, испытания проводились при различных состояниях образцов гидрозакладочного массива (гидрозакладочной смеси) - от воздушно-сухого в предельно рыхлом состоянии, до влажного (до 25 %) в максимально плотном состоянии.

Изменения средних коэффициентов фильтрации образцов гидрозакладочного массива, сформированных из отходов обогащения, сгущенных флокулянтами Суперфлок А110 НМW и Магнафлок 338 от начальной влажности массива в указанном диапазоне, удовлетворительно аппроксимируются полиномиальными функциями четвертого порядка и третьего порядка соответственно (при градиенте напора 1,5):

Кф = -0,00004Г4 + 0,0021Г3 - 0,0391Г2 + 0,2255Г + 0,1055;

Кф = 0,00002Ж3 - 0,0007Г 2 + 0,0078Г + 0,0096,

где Кф - средний коэффициент фильтрации, м/сут; Ж - начальная влажность образца, %.

Значения коэффициентов детерминации Я равны 0,82 и 0,98 соответственно.

Графики зависимостей приведены на рис. 1 - 2. Каждая точка на графиках данных и последующих зависимостей получена, как среднее из 3-6 измерений. Определение коэффициента фильтрации осуществлялось по стандартной методике [4] в приборе СОЮЗДОРНИИ ПКФ-СД.

Таким образом, выбирая флокулянт, можно целенаправленно изменять проницаемость массива на основе сгущенных отходов обогащения и тем самым влиять на выбор способа его упрочнения посредством инъецирования растворов.

Рис. 1. График зависимости среднего коэффициента фильтрации образцов гидрозакладочного массива, сформированных из отходов обогащения, сгущенных флокулянтом Суперфлок А110 НМЖ, от их начальной влажности

Вещественное поле (влажность) [5] также оказывает непосредственное влияние на физические свойства закладочного массива.

Дальнейшие исследования велись на образцах массива, на основе отходов обогащения, сгущенных флокулянтом Суперфлок А110 НМW в производственных условиях, отобранных в заложенной камере шахты им. Губкина.

Изменение плотности образцов гидрозакладочного массива на основе отходов обогащения, сгущенных флокулянтом Суперфлок А110 НМ^ от влажности хорошо аппроксимируется полиномиальной функцией второго порядка с достоверностью Я =0,92 (рис. 3):

р = -0,0009Ж2 - 0,0071Ж + 1,8695, где р - плотность образца, г/см ; W - влажность образца, %.

0,04

и

0 Н-1-1-1-1-1

О 5 10 1? 20 25

Начальная влажность массива, %

Рис. 2. График зависимости среднего коэффициента фильтрации образцов гидрозакладочного массива, сформированных из отходов обогащения, сгущенных флокулянтом Магнофлок 338, от их начальной влажности

Изменение пористости образцов гидрозакладочного массива на основе отходов обогащения, сгущенных флокулянтом Суперфлок А110 НМW, от их влажности хорошо аппроксимируется полиномиальной функцией четвертого порядка с достоверностью Я =0,91 (рис. 4):

п = -0,0003Ж4 + 0,0196Ж3 - 0,4273Ж2 + 3,6152Ж + 31,397 , где п - пористость образца, %; W - влажность образца, %.

Как известно максимальный коэффициент фильтрации соответствует минимальной плотности и максимальной пористости массива. Анализ полученных данных подтверждает, что максимальный коэффициент фильтрации будет достигнут при начальной влажности, соответствующей влажности инъецирования, 3-7 %. Изменение влажности массива в этих пределах позволяет получить максимальную его проницаемость для упрочняющих растворов.

Как правильно отмечено в работе [6] технология упрочнения растворами включает процесс упрочнения, упрочняющие материалы и оборудование. Правильный выбор упрочняющих растворов - это ключ к успешному изменению свойств массива в нужном направлении.

Значительный объем исследований (в лабораторном масштабе) был проведен в последние годы по использованию химических и суспензионных растворов (силикат натрия, акрилат, лигнин, уретан, смола, лапонит,

Рис. 3. График зависимости плотности образцов гидрозакладочного массива, сформированных из отходов обогащения, сгущенных флокулянтом Суперфлок А110 НМЖ, от их влажности

Влажность, %

Рис. 4. График зависимости пористости образцов гидрозакладочного массива, сформированных из отходов обогащения, сгущенных флокулянтом Суперфлок А110 НМЖ, от их влажности

Растворы силиката натрия являются наиболее предпочтительными растворами из-за их безопасности и экологической совместимости [15]. Однако среди отмеченных зарубежных исследований не встречаются работы с опытом по упрочнению гидрозакладочных массивов. Максимальная прочность закрепленного различными химическими растворами массивов приводится около 5 МПа [16].

На основании выполненных исследований и полученных результатов проницаемости массива в качестве упрочняющего раствора был выбран раствор силиката натрия с кремнефтористоводородной кислотой в качестве отвердителя.

Известно, что концентрация компонентов химического раствора влияет на прочность закрепления массива, а их температура определяет время гелеобразования упрочняющего раствора.

Выполненные исследования показали, что относительные изменения предела прочности на сжатие образцов гидрозакладочного массива на основе сгущенных отходов обогащения от концентрации отвердителя (кремнефтористоводородной кислоты) хорошо аппроксимируются полиномиальной функцией третьего порядка с достоверностью Я =0,96:

асж = 0,876С3 - 33,817С2 + 416,77С +1503,7 ,

где асж - относительные изменения предела прочности при сжатии, %; С -концентрация кремнефтористоводородной кислоты, %.

График зависимости изменения предела прочности на сжатие образцов гидрозакладочного массива на основе сгущенных отходов обогащения от концентрации отвердителя приведен на рис. 5.

Рис. 5. График зависимости относительного изменения предела прочности на сжатие образцов гидрозакладочного массива от концентрации кремнефтористоводородной кислоты

Изменение времени гелеобразования раствора от температуры компонентов хорошо аппроксимируется полиномиальной функцией второго порядка с достоверностью ^2=0,96:

Т = -0,1223/2 + 0,9107/ + 56,184 , где Т - время гелеобразования, мин.; / - температура компонентов раствора, 0С.

График зависимости времени гелеобразования раствора от температуры компонентов раствора приведен на рис. 6.

60

X

%

2 50

X

«

ОС с

§ 40

V-

с <и г

£ 30 £

<и С.

ее 20

0 5 10 15 20 25

Температура компонентов, °С

Рис. 6. График времени гелеобразования раствора от температуры

Анализ полученных результатов показывает, что максимальное увеличение прочности гидрозакладочного массива при сжатии достигается при концентрации кременефтористоводородной кислоты 9-11 %, а температура компонентов упрочняющего раствора не должна превышать 14 0С для того, чтобы было достаточно времени на его транспортирование к массиву до начала образования геля.

Установленные на основе регрессионных моделей зависимости позволяют прогнозировать изменение свойств гидрозакладочного массива под действием физико-химических полей и разрабатывать эффективные способы направленного воздействия, позволяющие изменять его состояние для создания экологически рациональных технологий разработки.

Список литературы

1. Ресурсовоспроизводящая безотходная геотехнология комплекс -ного освоения месторождений Курской магнитной аномалии / С. Г.

Лейзерович, И. И. Помельников, В. В. Сидорчук, В. К. Томаев // под ред. Каплунова Д. Р. М.: Горная книга. 2012. 547 с.

2. Ермолович Е.А., Донецкий С.В., Ермолович О.В. Влияние флоку-лянтов на выбор способа закрепления гидрозакладочного массива // ГИАБ. 2016. № 10. С. 201-211.

3. Ермолович Е.А. Влияние флокулянтов на свойства закладочной пульпы на основе отходов обогащения и прочность массива // ГИАБ. 2010. № 3. С. 266-269.

4. ГОСТ 25584-90 Грунты. Методы лабораторного определения коэффициента фильтрации. М.: ФГУП Стандартинформ, 2008. 18 с.

5. Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород: учебник для вузов. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1984. 359 с.

6. Zhang Jinpeng, Liu Limin, Zhang Futao, Cao Junzhi Development and application of new composite grouting material for sealing groundwater inflow and reinforcing wall rock in deep mine // Scientific Reports. 2018. Volume 8, 5642. doi: 10.1038/s41598-018-23995-y.

7. El Mohtar C.S., Bobet A., Santagata M.C., Drnevich V.P., Johnston C. (2013) Liquefaction mitigation using bentonite suspensions // Journal of Geo-technical and Geoenvironmental Engineering. 2013. Volume 139(8). Р.1369-1380.

8. El Mohtar CS., Yoon J., El-Khattab M. Experimental study on penetration of bentonite grout through granular soils // Canadian Geotechnical Journal. 2015. Volume 52(11). Р.1850-1860.

9. Gallagher PM., James M. Influence of colloidal silica grout on liquefaction potential and cyclic undrained behavior of loose sand // Soil Dynamics and Earthquake Engineering. 2002. Volume 22. Р. 1017-1026.

10. Mc Cartney J., Nogueira C., Homes D., Zornberg J. Formation of secondary contamination systems using permeation of colloidal silica // Journal of Environmental Engineering. 2011. Volume 137(6). Р. 444-453.

11. Santagata M., Ochoa-Cornejo F., Bobet A., Johnston CT., Sinfield JV. Cyclic behavior and pore pressure generation in sands with laponite, a superplastic nanoparticle // Soil Dynamics and Earthquake Engineering. 2016. Volume 88. Р. 265-279.

12. Yoon J., El Mohtar CS. Groutability of granular soils using sodium pyrophosphate modified bentonite suspensions // Tunnelling and Underground Space Technology. 2013. Volume 37. Р. 135-145.

13. Sina Kazemain and Maassoumeh Barghchi Review of soft soils stabilization by grouting and injection methods with different chemical binders // Scientific Research and Essays. 2012. Volume 7 (24). Р. 2104-2111.

14. Chadi S. El Mohtar, Jisuk Yoon, Ritika Sangroya, Hamza Jaffal Transferring innovative research into practical wisdom: the case of permeation grouting // Innovative Infrastructure Solutions. 2017. Volume 2(37). Р. 2 - 13.

15. Kazemian S (2009). Assessment and Comparison of Grouting and Injection Methods in Geotechnical Engineering // European Journal of Scientific Research. 2009. Volume 27(2). Р. 234-247.

16. Paul Guyer J. An Introduction to Soil Grouting, PDHLibrary Course No 0005472. 2009. 32 p.

Ермолович Елена Ахмедовна, д-р техн. наук, проф., elena.ermolovich@mail.ru, Россия, Белгород, Белгородский государственный национальный исследовательский университет,

Донецкий Сергей Владимирович, асп., donetskiy@bsu.edu.ru, Россия, Белгород, Белгородский государственный национальный исследовательский университет,

Ермолович Олег Вячеславович, председатель наблюдательного совета, oleg.ermolovich@mail.ru, Россия, Белгород, ООО «Торговый дом «Карина»

DIRECTIONAL CHANGES THE PROPERTIES OF HYDRAULIC STOWAGE MASSIF E.A. Ermolovich, C.V. Donetskiy, O.V. Ermolovich

The effect of physical and chemical fields on the physical characteristics of hydraulic stowage massif formed from concentrated ferruginous quartzite beneficiation tailings, thickened by flocculants, is investigated. The main trends in the variation of the permeability, density and porosity of the massif samples as a function humidity are revealed. Materials for hardening the massif are substantiated. Relative changes in its strength characteristics from the hardener concentration and gel time from the temperature of the solution components are given. The analysis of the obtained data shows that the optimum humidity of the massif for injection is 3-7 %. The maximum strength corresponds to the hardener concentration of 9-11 %.

Key words: hydraulic stowage massif, flocculants, permeability, thickened tailings, strength properties, sodium silicate.

Ermolovich Elena Akhmedovna, Doctor of Technical Science, Professor of department of applied geology and mining, elena.ermolovich a mail.ru, Russia, Belgorod, Belgorod National Research University,

Donetskiy Sergey ladimirovich., Post-Graduate Student of the department of applied geology and mining, donetskiy@,bsu.edu.ru, Russia, Belgorod, Belgorod National Research University,

Ermolovich Oleg Vjacheslavovich, Vice Chairman of the supervisory board, oleg.ermolovich@mail.ru, Russia, Belgorod, LLC Trading House "Karina"

Reference

1. Resource-reproducing wasteless geotechnology of complex development of deposits of the Kursk magnetic anomaly / SG Leizerovich, II Pomelnikov, VV Sidorchuk, VK Tomaev // ed. Kaplunova, DR M: The Mountain Book. 2012. 547 p.

2. Ermolovich EA, Donetsk SV, Ermolovich OV Influence of flocculants on the choice of the method of fixing the hydrorefilling array // GIAB. 2016. No. 10. pp. 201-211.

3. Ermolovich EA Influence of flocculants on the properties of filling pulp based on waste enrichment and strength of the array // GIAB. 2010. № 3. P. 266-269.

4. GOST 25584-90 Primers. Methods for laboratory determination of the filtration factor. Moscow: FGUP Standartinform, 2008. 18 p.

5. Rzhevsky VV, Novik G.Ya. Fundamentals of rock physics: a textbook for high schools. 4 th ed., Pererab. and additional. Moscow: Nedra, 1984. 359 p.

6. Zhang Jinpeng, Liu Limin, Zhang Futao, Cao Junzhi Development and application of the new composite grouting material for sealing groundwater inflow and reinforcing walls in the deep mine // Scientific Reports. 2018. Vol-ume 8, 5642. doi: 10.1038 / s41598-018-23995-y.

7. El Mohtar C.S., Bobet A., Santagata M.C., Drnevich V.P., Johnston C. (2013) Liquefaction mitigation using bentonite suspensions // Journal of Geotechnical and Geoenvi-ronmental Engineering. 2013. Volume 139 (8). R.1369-1380.

8. El Mohtar CS., Yoon J., El-Khattab M. Experimental study on the penetration of bentonite grout through granular soils, Canadian Geotechnical Journal. 2015. Volume 52 (11). P.1850-1860.

9. Gallagher PM., James M. Influence of colloidal silica grout on liquefaction potential and cyclic undrained behavior of loose sand // Soil Dynamics and Earthquake Engineering. 2002. Volume 22. P. 1017-1026.

10. McCartney J., Nogueira C., Homes D., Zornberg J. Formation of secondary contamination systems using permeation of colloidal silica // Journal of Environmental Engineering. 2011. Volume 137 (6). R. 444-453.

11. Santagata M., Ochoa-Cornejo F., Bobet A., Johnston CT., Sinfield JV. Cyclic behavior and pore pressure generation in sands with laponite, a su-perplastic nanoparticle // Soil Dynamics and Earthquake Engineering. 2016. Volume 88. P. 265-279.

12. Yoon J., El Mohtar CS. Groutability of granular soils using sodium pyrophosphate modified bentonite suspensions // Tunneling and Underground Space Technology. 2013. Volume 37. P. 135-145.

13. Sina Kazemain and Maassoumeh Barghchi Review of the soft soils sta-bilization by grouting and injection methods with different chemical binders // Scientific Research and Essays. 2012. Volume 7 (24). R. 2104-2111.

14. Chadi S. El Mohtar, Jisuk Yoon, Ritika Sangroya, Hamza Jaffal Transferring innovative research into practical wisdom: the case of permeation grouting // Innovative Infrastructure Solutions. 2017. Volume 2 (37). R. 2 - 13.

15. Kazemian S (2009). Assessment and Comparison of Grouting and Injection Methods in Geotechnical Engineering. European Journal of Scientific Research. 2009. Volume 27 (2). R. 234-247.

16. Paul Guy er, J. An Introduction to Soil Grouting, PDHLibrary Course No. 0005472. 2009. p.