Расширение ресурсной базы и повышение комплексности освоения месторождений медно-никелевых руд за счет использования хвостов обогащения в закладочных смесях

УДК 622.272 Ю.И. Родионов

РАСШИРЕНИЕ РЕСУРСНОЙ БАЗЫ И ПОВЫШЕНИЕ КОМПЛЕКСНОСТИ ОСВОЕНИЯ МЕСТОРОЖДЕНИЙ МЕДНО-НИКЕЛЕВЫХ РУД ЗА СЧЕТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ХВОСТОВ ОБОГАЩЕНИЯ В ЗАКЛАДОЧНЫХ СМЕСЯХ

Приведены результаты исследований закладочных смесей на основе сульфидных хвостов обогащения. Определена зависимость набора прочности образцами закладки от их удельной поверхности. Выявлены, что наиболее перспективными являются закладочные смеси на тонкодисперсной основе.

Ключевые слова: закладка, сульфидные хвосты обогащения, удельная поверхность образца, кинетика набора прочности образцами закладки, коэффициент формы, морфологический анализ, гидрооксиды кальция.

~П начале XXI века на Нориль-

-я-3 ском комбинате внедрена технология обогащения шихты богатых и медистых руд Талнаха по селективно-коллективно-селективной схеме (СКС) с выделением породных хвостов. Это позволило рассмотреть возможность их применения в качестве наполнителя в закладочных смесях.

Выполненный анализ свидетельствует о высокой экономической эффективности перехода на рудниках Тална-ха на новую технологию ведения закладочных работ. Использование текущих породных хвостов обогащения в закладочных смесях позволит добиться существенного снижения капитальных вложений в развитие взаимосвязанных произ-водств.

Закладка выработанного пространства на подземных горных работах является одним из производственных процессов, где можно добиться реального снижения себестоимости добычи руды. Особенно это актуально для предприятий расположенных в районах Крайнего Севера.

Одним из основных пунктов в достижении поставленной цели - снижения себестоимости закладочных работ, является выбор вяжущего, материалов и дешевого сырья, входящего в состав смесей. С этой целью были проведены исследования закладочных составов на основе отходов производства (хвостов обогатительной фабрики (ОФ), металлургических шлаков).

Породные хвосты для закладки выделяются из шихты богатых руд рудников Талнаха и медистых руд рудника «Октябрьский» и из смеси медистых и вкрапленных руд рудника «Комсомольский».

Работы по созданию закладочных составов на основе хвостов обогащения начались сразу после получения положительного заключения на возможность их утилизации. В ходе проведенных исследований были достигнуты некоторые положительные результаты, однако при этом неоднократно отмечались случаи разрушения образцов закладки на основе хвостов ТОФ-2, содержащих серу в количестве 8% и более табл. 1.

Таблица 1

Вещественный состав песков

гидроциклона, выделенных из породных хвостов ТОФ-2

Анализ опыта работы предприятий, ведущих очистную выемку с применением систем разработки с закладкой выработанного пространства позволил выделить основные направления в совершенствовании закладочных работ:

• снижение содержания воды в закладочных смесях, широкое применение пастообразной закладки;

• широкое использование бесце-ментных вяжущих, особенно в случае использования сульфидных хвостов в качестве заполнителя;

• оптимизация гранулометрического состава смесей, за счет подбора соотношения крупного, мелкого и сверхтонкого заполнителей;

• использование химических добавок;

• активация материалов смеси и готовой смеси;

• применение передвижных модульных закладочных комплексов.

Закладочные составы на основе хвостов обогащения по селективно-коллективно-селективной схеме (СКС) шихты богатых руд Талнаха являются типичными дисперсными системами с большим количеством тонкоизмельчен-ных частиц класса минус 50 микрон табл. 2. Их свойства и способы приготовления существенно отличаются от закладочных смесей на песчаной и гравийной основе. Поэтому перед началом работ по подбору составов на основе хвостов обогащения ТОФ нами были рассмотрены возможные пути создания устойчивых композиций, способных набирать требуемую по технологии работ прочность и сохранять ее на протяжении всего периода ведения горных работ в районе обнажения закладочного массива.

Исследования начались с изучения свойств составов и получаемого искусственного массива при использовании традиционного вяжущего и традиционном способе подготовки смеси без предварительной подготовки ингредиентов смеси.

В ходе исследовательских работ по изучению влияния количества цемента на прочностные характеристики образцов закладки на основе хвостов обогащения были получены следующие результаты:

1. При расходе цемента до 50 кг

Цемент ведет себя как ПАВ не позволяющее образовываться кластерным структурам. Образцы представляли собой рыхлую массу за все время наблюдения.

2. При расходе цемента до 100 кг

Образцы смесей ШХЦ состава расслаиваются и со временем теряют прочность.

3. При расходе цемента до 150

кг

При добавлении цемента от 100 кг до 150 кг образцы закладки ведут себя не-

Содержание компонентов в песковой части породных хвостов

Наименование компонента, размерность Содержание

никель, % 0,26

кобальт, % 0,025

медь, % 0,10

сера, % 17,75

железо, % 22,67

оксиды, %:

кремния, 19,23

кальция, 5,78

магния, 4,04

алюминия 5,72

натрия 0,63

калия 0,80

минералы, %:

халькопирит 0,84

пентландит 1,77

пирротин 34,94

магнетит 8,59

порода 53,88

Таблица 2

Гранулометрический состав компонентов

Фракция, мм Частные остатки, % Полные остатки, %

Шлак НМЗ

+10 мм 0,3 0,3

+5 мм 3,1 3,4

+2,5 24,7 28,1

+1,25 34,8 62,9

+0,63 26,9 89,7

+0,315 6,1 95,9

+0,16 2,2 98,1

Прошло 1,9 100,0

Породные хвосты ТОФ

+0.16 мм 13 13

+ 0.05 мм 70 83

Прошло 17 100

стабильно в плане динамики набора прочности.

4. При добавлении цемента в количестве 160-180 кг темпы твердения опытных образцов закладки соответствовали требованиям, предъявляемым нормативными документами для низкомарочных (М30) составов.

По методике морфологического анализа был проведен расчет теоретической смеси состава: 170кг цемента, 800кг породных хвостов и 600кг шлака. Было установлено, что в процессе гидратации цемента его частицы облепляются породным шламом. Образуются структуры, которые соединяются между собой с помощью гидроксидов (преимущественно силикатов и алюминатов) кальция. При потере образцами воды (усушка) эти связи теряют прочность. Образцы небольшого размера теряют воду быстрее и поэтому разваливаются раньше.

На основании проведенных исследований выявлено, что закладочные смеси, приготовленные на основе хвостов обогащения по традиционной технологии, могут быть использованы только для приготовления низкомарочных составов. При этом в качестве осредненного для всего диапазона низкомарочных со-

ставов принимается ШХЦ-30 с расходом цемента 160-180 кг/м3.

Основной причиной отказа от применения хвостов в высокомарочных составах (М80-100) при существующей технологии приготовления смеси явилась их цемен-тозатратность (300 кг/м3).

В ходе проведенных исследований определены: гранулометрический, химический и минералогический составы, истинная плотность материалов табл. 3-6, их морфологические особенности, удельная поверхность дисперсной составляющей шлаков рис. 1-2, породных хвостов и цемента.

По результатам исследований материалов являющихся компонентами закладочной смеси сделаны следующие выводы:

1. Шлак

Шлак в гранулированном виде не взаимодействует с цементной массой, что подтверждается слабой коррозией стекол. В то же время раздробленные гранулы активно участвуют в формировании цементной матрицы. Это подтверждается усиленной коррозией пи-роксенов и оливинов, составляющих ядро гранул. То есть для того чтобы шлак участвовал в строительстве кристаллической решетки цементного камня необходим его домол (раскрытие остеклованной оболочки) до размеров зерен цемента.

Как показали лабораторные эксперименты, дроблению лучше поддаются крупные фракции шлака (более 2,5 мм).

2. Цемент

Тонкость помола цемента, определенная по остатку на сите 0,08 составила

11,8%. По результатам исследований ус-

тановлено, что содержание портландце-ментного клинкера в цементе не превышает 77,5%, присутствует минеральная добавка 22.5%. Присутствующая добавка относится к гидравлически малоактивным материалам.

Величина удельной поверхности

применяемого на данный момент на

комбинате цемента составляет - 2760 2 / м /г.

В тоже время результаты морфологического анализа показали, что цемент переизмельчен. Он содержит большое количество мелких (менее 5мкм) частиц и значительное количество крупных (более 80 мкм) при почти полном отсутствии частиц среднего класса (20-40 мкм).

3. Хвосты

По результатам электронномикроскопического анализа установлено (рис. 3), что при слеживании хвосты образуют пористую плотную кластерную систему с различным числом частиц в кластере, при этом наблюдается образование как слоистых кластеров, образовавшихся из плоских частиц, так и кластеров, образующихся из частиц, близких к сферическим. Это свойство хвостов позволяет предположить, что в сложных закладочных смесях хвосты ОФ проявляют слабовяжущие свойства. Связь между частицами кластера осуществляется, как правило, через тонкие гидратные слои.

Шламы породных хвостов ТОФ имеют удельную поверхность близкую к цементу - 2480 см2/г.

Экономическая оценка эффективности использования цемента (через коэффициент использования вяжущего) при традиционной технологии приготовления закладочных смесей, показала его низкую работоспособность в системе шлак - цемент - хвосты. В исследуемых составах он изменялся от 0,14 до 0,24,

большее значение соответствует совместному 10-минутному помолу в шаровой мельнице, в то время как обычный портландцемент марки 400 имеет Ки.в. от

0,6 до 0,9.

Поэтому в дальнейшем работы по подбору составов акцентировались на повышении коэффициента использования вяжущего.

Одним из действенных методов достижения положительных результатов в этом направлении является получение комплексного вяжущего за счет введения в цемент активных добавок.

В качестве природных активных добавок в производстве цемента, традиционно используются горные породы, например диатомит, трепел, опока, а также породы вулканического происхождения, например вулканический туф, пепел, пемза, трасс. Сырьем для активных минеральных добавок искусственного происхождения являются побочные продукты и отходы промышленности, такие как, быстроохлажденные гранулированные доменные шлаки, белитовый шлам (отход глиноземного производства), золы- уноса (отход от сжигания твердого топлива) и т.д. Но при существующих объемах закладочных работ получение добавок (или их доставка) потребует значительных денежных вложений или открытия нового производства. Поэтому вопрос получения комплексного вяжущего на основе известных активных добавок нами не рассматривался.

На сегодняшний день накоплен богатый опыт увеличения активности портландцемента путем повышения дисперсности цементного порошка. Однако, несмотря на впечатляющие результаты лабораторных исследований, данная методика не нашла применения в производстве.

РЕЗУЛЬТАТЫ ХИМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА МАТЕРИАЛОВ

Таблица 3

Анализируемый плотность, Химический состав, %

материал г/см3 8ІО2 Al2Oз Fe2Oз CaO MgO К2О 82- ТІО2 MnO CuO Р2О5 а N1

Хвосты (общ.) 3,331 36,53 9,53 25,43 10,91 6,41 0,99 8,25 0,45 0,15 0,221 0,108 0,012 0,090

Хвосты (+005.) 3,331 20,52 16,36 29,53 9,85 8,64 1,573 10,81 0,815 0,279 0,621 0,341 0,112 0,100

Хвосты (-005.) 3,331 17,33 9,529 38,15 8,51 9,66 1,274 5,25 0,815 1,214 7,07 0,899 0,11 0,019

Таблица 4

Анализируемый плот- Химический состав, %

материал ность, г/см3 8ІО2 Al2Oз Fe2Oз CaO К2О 82- ТІО2 MgO MnO CuO № Cr2Oз

шлак 3,999 27,65 6,806 53,56 4,028 0,939 1,314 0,285 4,3 0,117 0,918 0,168 0,079

Таблица 5

Анализируемый плот- Химический состав, %

материал ность, г/см3 111111 8102 АЪОз Fe20з СаО Mg0 8Оз ТІО2 Р2О5 СГ20з К20 нерастворимый остаток.

цемент 2,918 1,9 25,38 6,68 6,6 52,71 2,42 2,78 0,21 0,08 0,08 0,201 9,46

Таблица 6

Анализируемый плот- Химический состав, %

материал ность, г/смз 8102 АІ20з Fe20з СаО Mg0 8Оз ТІО2 Р2О5 СГ20з К2О N1

н.о. цемента 61,67 18,63 6,56 3,072 5,775 1,184 1,681 1,126 0,094 0,179 0,004

Параметры дисперсности Образец:

Цемент норильский добавочный

Максимальный размер, мкм 45,65

Минимальный размер, мкм 2,81

Средний размер частиц, мкм 4,88

Средний фактор формы 0,51

Распределение частиц по форме

интервал фактора формы

Распределение частиц по размерам

размер частиц, мкм

Границы инт., мкм Распределение, масс.%

нижний верхний

0,00 2,80 0,00

2,80 5,60 73,32

5,60 8,40 18,76

8,40 11,20 4,46

11,20 14,00 1,82

14,00 16,80 0,63

16,80 19,60 0,43

19,60 22,40 0,30

22,40 25,20 0,08

25,20 28,00 0,05

28,00 30,80 0,03

30,80 33,60 0,03

33,60 36,40 0,03

36,40 39,20 0,03

39,20 42,00 0,00

42,00 44,80 0,03

44,80 47,60 0,03

Максимальный размер, мкм 75,18

Минимальный размер, мкм 2,81

Средний размер частиц, мкм 18,07

Средний фактор формы 0,78

Распределение частиц по форме

интервал фактора формы

Границы инт., мкм Распределение, масс.%

нижний верхний

0,00 2,80 0,00

2,80 5,60 12,49

5,60 8,40 12,37

8,40 11,20 8,82

11,20 14,00 9,74

14,00 16,80 9,85

16,80 19,60 8,13

19,60 22,40 8,02

22,40 25,20 5,38

25,20 28,00 6,41

28,00 30,80 5,04

30,80 33,60 3,21

33,60 36,40 2,86

36,40 39,20 2,41

39,20 42,00 1,03

42,00 44,80 1,26

44,80 47,60 0,34

47,60 50,40 0,92

50,40 53,20 0,69

53,20 56,00 0,00

56,00 58,80 0,23

58,80 61,60 0,46

61,60 64,40 0,11

64,40 67,20 0,00

67,20 70,00 0,00

70,00 72,80 0,11

72,80 75,60 0,11

Пористость, (%) 23,98

Общая анализируемая площадь, мм2 0,02

Число пор в плоскости шлифа 346

Общий периметр пор, мм 4,2

Общая площадь пор, мм2 0,0041

Средняя площадь пор, мм2 0,000012

Средний периметр, мм 0,012

Средний диаметр, мм 0,0023

Средний фактор формы 0,46

Максимальный диаметр, мм 0,03291

Минимальный диаметр, мм 0,00036

Распределение пор по форме

70 -60 -| 50 -| 40 -о 30 -| 20 -10 -0 -

интервал фактора формы

0-0,2 0,2-0,4 0,4-0,6 0,6-0,8 0,8-1,0

Площадь, занимаемая порами разного размера

2 0,03-0,04

Ц 0,02-0,03

£ 0,01-0,02 с

2 0-0,01 го

0 0,0005 0,001 0,0015 0,002

площадь пор, мм2

Эффект повышения вяжущих свойств портландцемента не покрывал расходов на ее проведение. На сегодняшний день затраты на проведение активации портландцемента многократно превышают полученную экономическую выгоду от ее осуществления. В шаровых мельницах на полезную работу измельчения расходуется не более 1,510% всей подводимой энергии. Остальная часть энергии переходит в безвозвратно теряемое тепло или другими словами расходуется впустую.

Выпуск высокоактивного, быстрот-вердеющего цемента, удельная поверхность которого более 3500 см2/г повлечет серьезную модернизацию действующего цементного завода. Иначе производство высокоактивного цемента попросту не может быть рентабельным.

Именно поэтому мы отказались от применения вяжущего высокой степени помола (более 3500 см2/г).

В дальнейшем работы были сосредоточены на создании комбинированного вяжущего (или псевдовяжущего) на основе многотоннажных отходов горного производства.

В основу разработки комбинированного вяжущего были положены принципы механоактивации поверхности ингредиентов вяжущего за счет их предварительной подготовки.

Подготовка материалов заключалась в следующем:

- хвосты подвергались предварительному рассеву с выделением фракции менее 50мкм;

- шлак перед применением рассеивали и размалывали крупную его фракцию;

- до начала перемешивания всех ингредиентов закладочного состава в цемент вводили микронаполнитель и проводили сухую механоактивацию.

Основными задачами, решаемыми при разработке комбинированного вяжущего, являлись:

- равномерное распределение цемента внутри высокодисперсной составляющей смеси для получения оптимальной ее плотности;

- предотвращение расслоения смеси и смывания цемента с зерен заполнителя.

- сокращения расхода цемента.

Полученный на основе отходов горного производства микронаполнитель и цемент для получения комбинированного вяжущего проходили совместную обработку в высокоскоростном миксере (прототип дезинтегратора). В смесях, приготовленных по такой технологии, происходит микронаполняющий эффект, т.е. повышение прочности бетона с постоянным расходом цемента при введении инертных дисперсных добавок.

По результатам проведенных опытов найден реальный механизм улучшения качества закладочных смесей без дополнительного расхода цемента. Установлено, что применение комбинированного вяжущего полностью устраняет рас-слаиваемость смеси, снижает водоотде-ление, предотвращает образование илистых отложений на поверхности закладочной смеси.

Были получены устойчивые композиции с ранними сроками схватывания. Достигнутая прочность образцов закладки в возрасте 3-х суток для вяжущего с использованием молотого шлака составляла 1,34МПа, а для вяжущего на основе дисперсной фракции породных хвостов - 1,15МПа. На 90 сутки и те и другие образцы набирали прочность от 5,1 до 6,6МПа. Получены смеси плотностью от 2,3 до 2,5т/м3 при содержании твердого до 82%.

По результатам проведенных работ было выяснено, что для эффективного использования хвостов обогащения в качестве закладки выработанного пространства на рудниках ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель»:

1. Технология приготовления закладочных смесей должна включать в себя элементы механоактивации

2. Ингредиенты закладочной смеси должны проходить предварительную обработку

3. В технологическую схему приготовления закладочных смесей должен входить совместный помол компонентов вяжущего.

С точки зрения экономии энергозатрат при производстве закладочных смесей наиболее перспективным представляется направление по созданию комбинированного вяжущего на основе крупнотоннажных отходов горного производства (молотый шлак, шлам хвостов обогащения и пр.).

Исследования проводятся в рамках Г осударственного контракта №02.740.11.0697.

— Коротко об авторе ----------------------------------------------------------------

Родионов Ю.И. - научный сотрудник, Учреждение Российской академии наук Институт проблем комплексного освоения недр РАН, e-mail: uir54@yandex.ru,

А

----------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ

ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ

Автор Название работы Специальность Ученая степень

КАЗАХСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. К.И. САТПАЕВА

СОЛТАБАЕВА Сауле Темирболатовна Совершенствование методики маркшейдерского обеспечения подготовки запасов руды при планировании горных работ 25.00.16 к.т.н.