CC BY
44
УДК 672.272
Пирогов Геннадий Георгиевич Gennady Pirogov
Пакулов Владимир Васильевич Vladimir Pakulov
ИССЛЕДОВАНИЕ НА ОДНООСНОЕ СЖАТИЕ ТВЕРДЕЮЩИХ ЗАКЛАДОЧНЫХ СМЕСЕЙ НА ОСНОВЕ ХВОСТОВ ОБОГАЩЕНИЯ
THE RESEARCH ON UNIAXIAL COMPRESSION OF SOLIDPACKING MIXES ON THE BASIS OF TAILS’ ENRICHMENT
Приведены результаты экспериментальных исследований прочности твердеющих смесей на основе хвостов обогащения на одноосное сжатие с включением ряда факторов и применением метода активного эксперимента
Ключевые слова: твердеющая смесь, компоненты состава закладочной смеси, хвосты обогащения, технологии разработки с закладкой, зависимости, подземная разработка рудных месторождений, обобщенное уравнение прочнос-
The results of experimental researches of the strength of solid mixtures on the basis of the tailings of the uniaxial compression with inclusion of a number of factors and the use of method of active experiment are described in the article
Key words: solid stowing the mixture, components of composition of the backfill mixture, tailings, technology development with a bookmark, dependence, underground development of ore deposits, generalized equation of strength
ти
Ухудшение горно-геологических условий подземной разработки рудных месторождений, связанное с переходом горных работ на глубокие горизонты, снижением качества добываемых руд, истощением рудоминеральных ресурсов, вызываемым в т.ч. часто неоправданными значительными эксплуатационными потерями, обусловливает повышение доли технологий разработки с закладкой [1-7]. Экономическая эффективность закладки определяется ее стоимостью, существенное снижение которой достигается использованием в качестве основного материала-заполнителя хвостов обогащения. Преимущественно хвосты обогащения после соответствующей подготовки применяют в гидравлических за-
кладочных смесях. Однако с понижением горных работ возрастает напряженно-деформированное состояние горных массивов. Снижение предельных напряжений в породах достигается применением твердеющей закладки, в которой заполнителем являются дробленые горнопроходческие породы или специально добываемые песчано-гравийные смеси. Исследования прочности твердеющих закладочных смесей на основе хвостов обогащения почти не проводились.
Нами выполнены исследования на одноосное сжатие твердеющих смесей с использованием хвостов переработки технологических проб Бугдаинского месторождения, к освоению которого еще не
приступили. Задача исследований заключалась в установлении прочности твердеющих закладочных смесей на основе хвостов обогащения с учетом влияния различных факторов, прежде всего, доли тонкодис-пергированных частиц, расхода цемента и целесообразности использования таких смесей в закладочных работах.
Широкий ассортимент компонентов, используемых для получения закладочной смеси, обусловливает множество возможных вариантов их компонентных составов даже в рамках отдельного закладочного комплекса. Поиск рационального состава представляет собой сложную задачу.
Задача выбора из множества возможных составов закладочной смеси оптимального решается с применением активного эксперимента, методов корреляционного и регрессионного анализа [8-11].
Планированию экспериментов придается большое значение вследствие того, что включение большого числа факторов требует увеличения объема экспериментальных исследований, что затрудняется экономическими, технологическими и прочими ограничениями.
Нами используется матрица планирования экспериментов с результатами опытов, выполненных по методу комбинационных квадратов.
Матрица — это множество чисел, представленное в виде прямоугольной таблицы с т столбцов и п строк. Применительно к рациональному планированию экспериментов число столбцов соответствует числу экспериментов. Число экспериментов п определяется числом р уровней или значений, задаваемых каждому фактору, по формуле п = р2. Обычно число уровней принимается равным 5. В этом случае число экспериментов составит 25.
Структура матрицы такова, что при проведении всех экспериментов каждый уровень любого фактора встречается один раз с каждым уровнем всех остальных факторов. Для этого каждый уровень каждого фактора задается в эксперименте столько раз, сколько принято уровней. Этим достигается усреднение любого фактора при вы-
борке результатов эксперимента на любой уровень фактора, т.е. обеспечивается тот же эффект, какой достигается при бесконечно большом числе экспериментов со случайной вариацией всех факторов, открывается возможность применения законов математической статистики и сокращения числа экспериментов. Матрица планирования экспериментов приведена в табл. 1.
Таблица 1 Матрица планирования
Номера опытов Уровни концентраций
х, Х2
1 4 2 1 2 1
2 2 2 4 2 4
3 1 3 4 3 5
4 5 4 3 4 3
5 3 5 5 5 2
6 5 1 4 5 4
7 3 2 2 3 3
8 2 3 5 4 1
9 1 4 1 1 2
0 4 5 3 2 5
1 1 1 5 2 3
2 4 2 4 4 2
3 3 3 3 1 4
4 2 4 2 5 5
5 5 5 1 3 1
16 2 1 3 3 2
17 5 2 5 1 5
18 4 3 1 5 3
19 3 4 4 2 1
20 1 5 2 4 4
21 3 1 1 4 5
22 1 2 3 5 1
23 5 3 2 2 2
24 4 4 5 3 4
25 2 5 4 1 3
26 3 5 3 2 1
27 2 1 2 4 2
Важно правильно выбрать диапазон изменения факторов. Чем уже диапазон, тем точнее формула, которая будет получена после обработки результатов эксперимента. После выбора интервалов и уровней изменения факторов исходные данные экспериментов целесообразно свести в таблицу (табл. 2). Нами изготавливались опытные образцы в виде кубиков размерами 70x70x70 мм. Образцы в изготовленных формах хранятся в течение 3...4 суток — время, позволяющее извлекать образцы без нарушения их целостности. Испытания со сроками твердения образцов проводились через 7, 14, 28, 60 и 90 суток (табл. 3) с
помощью гидравлического пресса ПСУ-10 в лаборатории кафедры “Строительных конструкции и материалов” Строительно-
го института Читинского государственного университета.
Таблица 2
Исследуемые факторы и уровни их варьирования
Фактор Уровень
Индекс Обозначение 1 2 3 4 5
X, Цемент, г 100 150 200 250 300
Х2 Хвосты обогащения (-0,071 мм), % от общей массы заполнителя 20 40 60 80 100
X, Вода, мл 320 340 360 380 400
Х4 Гранулометрический состав, мм 10 15 20 25 30
X Период, сут 7 14 28 60 90
Таблица 3
Результаты испытаний образцов твердеющей закладочной смеси на одноосное сжатие
По результатам экспериментов получены парные зависимости (табл. 4) прочности на сжатие от расхода цемента (У1), содержания крупности хвостов -0,071 мм (У2), расхода воды (У3), размера частиц (У4) и срока твердения (У5). По формуле (1) определена значимость полученных за-
висимостеи
1К = И ■ - К - 1)]05 / (1 - И2) > 2, (1)
где И — коэффициент нелинейной множественной корреляции;
N — число описываемых точек;
К — число действующих факторов.
Таблица 4
Результаты расчета значимости частных функций
Функция Коэффициент корреляции Значимость зависимостей (У Значимость функции
V, 0,88 6,62 > 2 Значима
V, 0,78 3,46 > 2 Значима
V, 0,95 16,43 > 2 Значима
V, 0,99 85,63 > 2 Значима
0,90 8,19 > 2 Значима
Любую совокупность экспериментальных точек можно описать абсолютно точно функциональной зависимостью. Но такое описание лишено смысла. Поэтому целесообразно найти единую зависимость, сглаживающую разброс точек не только данного эксперимента, но и повторного, если он будет проведен. Такую возможность дает метод обобщенного уравнения М.М. Протодъяконова [9], которое описывается формулой
V = П V, / (У,р.)п-\ (2)
І=1
где Уп — обобщенная функция;
У, — частная функция;
п
П — произведение всех частных і=і функций;
Ур — общее среднее учитываемых значений обобщенной функции (прочность твердеющей закладки на одноосное сжатие).
Обобщенное уравнение прочности твердеющей закладочной смеси на основе
хвостов обогащения на одноосное сжатие по проведенным экспериментам имеет вид: У = [(0,23 + 0,0072 ■ Х1) ■ (0,49 + 0,032 ■ Хп2) ■ (-9,98 + 0,045 ■ Х3)^ ( - 0,83 + 0,28 ■ Х4) ■ (4,45 + 0,05 ■ Х5)] / (4,36)4. (3)
Определены коэффициент многофакторной корреляции (И = 4,23) и значимость функции (1К=2,15 > 2). Ошибка обобщенного уравнения составляет 19,4 %, что позволяет сделать вывод об адекватности выполненных экспериментов. Построены графики зависимостей прочности твердеющей закладки от двух факторов (рис.
1, 2). Из графиков следует, что при увеличении расхода цемента, долей фракций (-)
0,071 мм и срока твердения наблюдаются закономерные увеличения прочности твердеющей закладки. Существенное изменение прочности достигается при расходе цемента 250...300 г, что, однако, значительно удорожает работы по возведению искусственного массива и не может быть рекомендовано к практическому применению.
Рис. 1. Зависимости прочности образцов твердеющей закладочной смеси на сжатие от продолжительности твердения при различном содержании цемента
п
Рис. 2. Зависимости прочности образцов закладочной смеси на сжатие от расхода цемента при различной доле хвостов обогащения класса крупности (-) 0, 071 мм
Установленные зависимости позволяют заключить:
а) при увеличении расхода цемента, долей фракций (-) 0,071 мм и срока твердения закладочной смеси наблюдаются закономерные увеличения прочности твердеющей закладки;
б) существенное увеличение прочности твердеющей закладки на основе хвостов обогащения достигается при расходе цемента в образцах 250...300 г, что значи-
тельно удорожает работы по возведению закладочных массивов и не может быть рекомендовано к практическому применению на подземных рудниках, т.к. для повышения эффективности обогащения тонкость хвостов продолжают увеличивать. Целесообразно изыскивать способы укрупнения хвостов предположительно до 20.30 мм и продолжать исследования прочности смесей.
Литература
1. Пирогов Г.Г., Пакулов В.В. Анализ применения хвостов обогащения в мировой и отечественной практике малоотходных технологий с закладкой // Материалы IV научно-технической конференции Горного института Читинского государственного технического университета.
- Чита: ЧитГТУ, 2003. - Ч. 3. - С. 106-109.
2. Пирогов Г.Г., Пакулов В.В. Классификация хвостов обогащения, используемых в технологиях очистной выемки с закладкой // Материалы V научно-практической конференции, посвященной 30-летию Горного института Читинского государственного университета. — Чита: ЧитГУ, 2004. - С. 166-169.
3. Пакулов В.В., Пирогов Г.Г. Рациональные закладочные смеси на основе хвостов обогащения // Вестник Читинского государственного университета. - Чита: ЧитГУ, 2004. - № 33. - С. 131-134.
4. Пакулов В.В., Пирогов Г.Г. Состав и структура современных закладочных смесей // Вестник Читинского государственного университета. - Чита: ЧитГУ, 2005. - № 2 (39). - С. 19-21.
5. Савич И.Н., Савич Г.В. Закладка выработанного пространства и перспективы ее применения на месторождениях горной химии (Обзорная информация). - М.: НИИТЭХМ, 1987. - 39 с.
6. Пакулов В.В., Пирогов Г.Г. Состав и структура закладочных смесей // Вестник Читинского государственного университета. - Чита: ЧитГУ, 2005. - № 2 (39). - С. 19-22.
7. Закладочные работы в шахтах: справочник / Под ред. Д.М. Бронникова, М.Н. Цыгалова.
- М.: Недра, 1989. - 400 с.
8. Малышев В.П. Математическое планирование металлургического и химического эксперимента. - Алма-Ата.: Наука, 1977. - 35 с.
9. Протодьяконов М.М., Тедер Р.И. Методика рационального планирования эксперимента.
- М.: Наука, 1970. - 178 с.
10. Синьков В.И. Корреляционный анализ в экономических исследованиях. - М.: Статистика, 1975. - 270 с.
11. Налимов Б.В. Теория эксперимента. - М.: Наука, 1980. - 186 с.
Коротко об авторах______________________________
Пирогов Г.Г., д-р техн. наук, профессор, Забайкальский государственный университет (ЗабГУ) Служ. тел.: (3022) 32-29-25
Научные интересы: научное обоснование и создание новых технологий разработки рудных месторождений
Пакулов В.В., канд. техн. наук, Забайкальский государственный университет (ЗабГУ)
Служ. тел.: (3022) 32-29-25
Научные интересы: обоснование и создание технологий подземной разработки рудных месторождений
_____________________Briefly about the authors
G. Pirogov, Doctor of Engineering Sciences, professor, Zabaikalsky State University
Scientific interests: scientific substantiation and creation of new technologies of ore deposits’ mining
V. Рakulov, Candidate of Engineering Sciences, Zabaikalsky State University
Scientific interests: substantiation and creation of technologies of underground mining of ore
