CC BY
12
- © г .В. Шубин, Б.Н. Заровняев, B.C. Сорокин,
Д.И. Кирюшин, A.A. Синяков, A.M. Алексеев, 2012
УЛК 622.273.218
Г.В. Шубин, Б.Н. Заровняев, B.C. Сорокин, Д.И. Кирюшин, A.A. Синяков, A.M. Алексеев
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ СМОЛ В КАЧЕСТВЕ СВЯЗУЮЩЕГО ПРИ ФОРМИРОВАНИИ ЗАКЛАДОЧНОГО МАССИВА
Проведены лабораторные и натурные исследования по возможности использования вскрышных пород из отвалов карьера «Удачный» в качестве закладки выработанного пространства одноимённого подземного рудника.
Ключевые слова: натурные исследования, вскрышные породы, закладка, модели, полимерная смола, ПАВ «Статус»».
В натурных условиях ОППУ (опытно - промышленный подземный участок) рудника «Удачный» в середине 2000-х проводились исследования по установлению возможности использования полимерных смол (Р-1) в качестве связующего при формировании закладочного массива из местных вскрышных породных материалов. Объектом исследования являлись известняки - вскрышные породы отвалов карьера « Удачный». Целью проводимых исследований являлось выбор и обоснование оптимального соотношения компонентов закладочного материала при использовании в качестве связующего полимерных материалов (резорциновая смола Р1) с отвердителем из щелочи (№ОИ) и крупного заполнителя из местных вскрышных пород (известняков). Основными задачами исследования ставились следующие:
- определение и проверка рекомендуемых оптимальных соотношений компонентов связующего на основе полимерной смолы Р-1;
- установление характера и скорости схватывания, искусственных образцов закладки при различных схе-
мах подачи полимерных материалов и гидрофобных добавок, используемых в качестве связующих;
- определение прочности образцов закладки лабораторными методами.
На начальном цикле экспериментальных работ в данном направлении, поставленные задачи решались в ла-бораторно-производственных условиях, непосредственно в выработках ОППУ, в последующем - на масштабных моделях сопоставимых с реальными условиями и объемами закладки на производстве.
На первом этапе исследования проводились на моделях, закладываемых из крупного заполнителя с добавками растворов на основе полимерной смолы, непосредственно в подземной камере штольни №1 рудника «Удачный». На следующем этапе аналогичные исследования планировалось проводить с использованием в моделях мелкого наполнителя (отходов хвостов ОФ) с отработкой технологии приготовления и искусственного закладывания массивов.
К закладочным материалам предъявляются требования, как технологи-
ческого характера, так и специфические, связанные со способом транспортирования и укладки их в выработанное пространство.
Закладочный материал должен соответствовать следующим качествам:
- при заполнении выработанного пространства, позволять применение наиболее рациональной для данных горно-механических условий системы разработки;
- обладать способностью к образованию в выработанном пространстве прочного (3-4 МПа), плотного и устойчивого массива с малой воздухопроницаемостью;
- под действием силы тяжести и горного давления давать минимальную усадку;
- не иметь склонности к самовозгоранию, слеживаемости, смер-заемости;
- не обладать абразивными свойствами;
- не подвергаться дополнительному дроблению при его транспортировке и укладке в выработанное пространство;
- иметь низкую стоимость и достаточные запасы для обеспечения потребности горного предприятия в течении всего срока разработки месторождения.
При выборе материала для закладочных работ проводились качественные и количественные исследования его свойств, основываясь на требованиях к искусственному массиву и в соответствии с технологией закладочных работ.
На прочность твердеющего закладочного массива наиболее существенное влияние оказывают следующие факторы:
1. Активность вяжущего вещества и его количество в единице объема закладочной смеси.
2. Количество, гранулометрический состав и соотношение крупного
и мелкого заполнителей, а также их количество в единице объема смеси.
3. Количество воды (водовяжу-щее отношение).
4. Способ приготовления, транспортировки и укладки.
5. Условия твердения (температурный режим твердения, возраст твердения и др.).
В настоящее время на Удачнин-ской площадке в отвалах находится порядка 400 млн. м3 вскрышных пород вынутых из карьера «Удачный» за весь срок его эксплуатации. Причем в процентном соотношении по составу их находится в отвалах ориентировочно: известняки - около 40 %; мергели - около 14 %; доломиты - около 10 %; песчаники - 7 %; переслаивающихся известняков, мергелей, доломитов, песчаников, глинистых до-ломитизированных известняков и др. - около 29 %.
Из всего приведенного перечня вскрышных пород следует по возможности исключить использование в качестве закладочного массива мергелей, которые обладают минимальной прочностью, высокой текучестью и наличием мелкодисперсных и пыле-ватых частиц.
Принимая во внимание то, что в отвалах содержится чистых известняков - 40 %; а также известняков переслаивающихся с другими породами - 29 %; в общем суммарном объеме они составляют около 70 %, т.е. основная часть крупного заполнителя при создании закладки будет состоять из данного материала.
При использовании вскрышных пород из отвалов необходимо их предварительная обработка (дробление). Размер отдельных кусков пород после дробления для создания закладки не должен превышать 50-80 мм.
Для производства натурного эксперимента максимальный размер от-
Рис. 1. Гранулометрический состав крупного наполнителя при проведении натурного эксперимента
дельностей крупного заполнителя принимается не более 50 мм. Средний размер основной массы крупного заполнителя для закладки в модели согласно проведенным исследованиям по методике [1] составил 19,74 мм.
Ввиду дороговизны и дефицитности традиционного связующего (цемента) для данного региона, а также значительных его расходов (до 50%) при формировании искусственного закладочного массива, предложено в качестве вяжущего рассмотреть возможность использования раствора резорциновой смолы Р1 (клей резорци-нофенолформальдегидный) с отвер-дителем из щелочи НаОН в комбинации с поверхностно-активным материалом (ПАВ) типа «Статус» обладающим высокими гидрофобными свойствами к воздействию высокоминерализованных растворов шахтных вод [1,2], расход которых, по предварительным расчётам, ниже на порядок чем цемента.
На рис. 1 приведен гранулометрический состав крупного наполнителя (известняка) для закладки моделей при проведении натурного эксперимента.
При выборе вяжущего учитывались основные закономерности укрепления крупнообломочных карбонатных пород синтетическими высокомолекулярными соединениями (смолами). Имелось в виду, что смолы также являются ПАВ, только имеют гораздо длиннее цепь углеводородных радикалов и соответственно большой молекулярный вес. Основными принципами выбора смолы для укрепления крупнообломочных карбонатных пород были следующие:
- высокая когезия, она зависит от длины цепочки полимера;
- хорошая адгезионная способность, т.е. способность полимера обладать достаточным сцеплением с породой в присутствии воды или сродством с применяемым стабилизатором;
- способность к избирательной адсорбции по отношению к гидрофильным глинистым минералам с образованием хемосорбционных соединений;
- активное взаимодействие непосредственно между минеральными частицами и полимером и способность к увеличению и сохранению сил
№ Наименование показателей Ел. измер. Значения
1 Условная вязкость смолы по вискозиметру ВЗ-246 (6 мм): - в момент изготовления - отвердителя сек 50 - 100 10 - 25
2 Водородный показатель рН 7 - 8
3 Жизнеспособность, не менее час 1,5
4 Водостойкость клеевых соединений Высокая группа водостойкости
5 Температура замерзания °С -25
6 Отвердитель для смолы натриевая щелочь ЫаОН
7 Время отвердевания смолы при содержании щелочи ЫаОН: - 5% - 10% час 3 1
8 Расход смолы от массы закладки % 1,5
9 Расход щелочи от массы смолы Р1 % 5
связи в системе частица грунта-вода-полимер;
- растворимость в воде при введении в грунт путем смешения, уплотнения или другим путем;
- нерастворимость в воде и не смачиваемость после отверждения, а также способность противостоять внешним атмосферным воздействиям;
- способность отвердевать в интервале температур (+5)-0-(-5град. С);
- доступность, не токсичность, возможность использования в небольших количествах.
Стабилизатор грунта «Статус-3» представляет собой универсальное поверхностно-активное вещество (ПАВ) в виде жидкости светло-коричневого цвета, растворимое в воде, плотностью 1,06 г/см1 (в концентрированном виде - 1,34-1,36 г/смО, водородный показатель рН=5,6 (нейтральный), не изменяет свойства во времени, не распадается, замерзает при температуре ниже -15.° С (в концентрированном виде не замерзает, но загустевает). Экологически и пожаробезопасен.
Опытным путем для глинистых известняков Удачнинского месторождения расход «Статуса» определен в ко-
личестве 0,3 кг/м1, при нулевом во-донасыщении породы [1, 2].
Смола Р1 представляет собой слабосвязную жидкость светлого цвета, растворяется в воде, загустевает при отрицательных температурах.
Физические свойства, расход смолы и отвердителя приведены в табл. 1.
Отвердители (щелочь НаОН) может поставляться в сухом виде, химически активна, что требует соответствующих условий хранения и обращения. Растворяется в воде до 40 % концентрации перед смещением с резорциновой смолой в соотношении 1:10, 1:20 по массе.
Для приготовления товарной формы стабилизатора «Статус», разбавления резорциновой смолы и щелочи используется пресная вода, которая может быть смешена с засоленными минерализованными водами (рассолами) с целью снижения температуры замерзания растворов в соответствии с температурой окружающей среды.
Эффект гидрофобизации проявляется при обработке пород стабилизатором, товарной формой приготовленной разбавлением концентрата
водой в соотношении 1:3. При этом, учитывая высокую удельную поверхность закладочного материала и для лучшего распределения раствора стабилизатора, его товарную форму необходимо разбавлять водой в соотношении 1:50 ^ 1:100, в зависимости от исходной влажности обрабатываемого материала.
Выполнение экспериментальных работ проводилось в соответствии с предварительно разработанной методикой [4] и на начальном этапе предусматривалось проведение цикла натурных экспериментов с использованием в качестве основного материала закладки крупного наполнителя - измельченного до требуемой кондиции известняка из отвалов карьера «Удачный». В последующем цикле экспериментов планировалось закладочный материал формировать с включением мелкого наполнителя в соотношениях к крупному согласно разработанной методике [4].
На предварительном этапе подготовки натурного эксперимента выполнен следующий комплекс подготовительных работ:
- произведен выбор материала для крупного наполнителя закладки;
- определено место и объем извлечения известняков из отвала для последующего их дробления до необходимой кондиции;
- произведено измельчение породного материала с доставкой его на площадку ОППУ;
- произведен выбор места проведения натурного эксперимента (подземная камера в штольне № 1 расположенная в 190 м от ее устья) и его безопасное оборудование (освещение, оборка заколов, осушение, планирование и т.д.);
- изготовлены формы моделей для закладки с доставкой их на площадку ОППУ;
- по предварительной заявке с завода изготовителя получены исходные материалы (смола Р-1, ПАВ «Статус», отвердитель НаОН) для приготовления связующего;
- фотопланиметрическим способом определен гранулометрический состав дробленого известняка (крупного наполнителя) в навале;
Заложение и раскрытие образцов моделей производилось вручную в подземной камере штольни №1. Всего за указанный период произведено заложение и раскрытие девяти моделей. Принимался максимальный срок выдерживания моделей в камере - 28 суток. Из указанного общего количества моделей, две модели (№№ 1,2) закладывались с целью установления и проверки гидрофобных и адгезионных свойств поверхностно-активного вещества (ПАВ) «Статус». Одна модель (№ 3) закладывалась для установления качества сцепления крупного заполнителя с цементным связующим, шесть моделей (№№ 4-9) были заложены для установления характера формирования закладочной смеси на основе полимерных смол при различной ее концентрации с отвердителем и водой. Кроме того, предполагалось модель № 10 заложить с использованием в растворе отвердителя шахтных минеральных вод, вместо воды при приготовлении раствора полимерной смолы.
При исследовании влияния ПАВ «Статус» на моделях №№ 1,2 минимальной и максимальной концентрации её товарной формы не отмечено явных признаков ее влияния на состояния отдельностей в моделях закладки.
Признаков адгезии либо уплотнения материала при раскрытии модели не выявлено (рис. 2, 3). При заложении последующих моделей закладки с крупным заполнителем добавки ПАВ «Статус» не применялись. При анали-
Рис. 2. Раскрытие модели № 1
Рис. 3. Раскрытие модели № 2
зе вскрытых образцов моделей № 4 и № 5, отмечена низкая проникающая способность раствора смолы в образцах, поэтому в моделях № 6 и № 7 увеличена концентрация водной составляющей связующего, при неизменной концентрации в растворе смолы и отвердителя ( смола - 1,5 %, отвердитель - 5 %, вода - 1:20 частей). При раскрытии указанных моделей, как в послойно пролитой модели (№ 6), так и в модели пролитой раствором смолы с поверхности (№ 7), отмечено свободное высыпание всего закладочного материала без признаков каркасности. В обеих моделях
Рис. 4. Раскрытие натурной модели № 8 166
отмечено присутствие отдельных слипшихся кусков закладки размером 20x10 и 10x10 см, толщиной 10-20 см, свободно разрушающихся вручную. Присутствуют мелкие отдельности смолы, по всему выпущенному объему моделей №№ 6, 7, не достигшей полного отвердевания, что подтверждается при визуальном осмотре и анализе полученных фотографий, а так же при проверке ее на предмет отвердевания. Лабораторные образцы моделей разрушаются также без значительных усилий, вручную. Испытание кубиков на гидравлическом прессе не проводилось ввиду их разрушения при раскрытия форм.
В последующей серии закладываемых моделей (№,№ 8,9), после анализа предыдущей серии, увеличено количество смолы (до 3 % от насыпного веса породы, отвердителя до 10 % от веса смолы, что должно сократить сроки отвердевания смолы до 1 часа (вместо 3 час.), а также сокращено количество частей воды до соотношения (1 : 5). Наиболее характерная структура закладочного массива полу-
б
Рис. 5. Испытание лабораторных образцов моде лей на прессе
чена при раскрытия образца модели № 8 (сформирована на полную мощность, пролив раствора смолы с поверхности). Образовался каркас (целик) из закладки диаметром 40 см и высотой порядка 40 см, с выкрашиванием закладочного материала по краям образца. На дне формы модели отмечен слой затвердевшей смолы светло желтого цвета мощностью 1,0 см., сцепление образованной закладки в каркасе незначительное,
образец легко разрушается при ударе и вручную (рис. 4).
Заложение образца модели № 9 производилось послойно, проливом каждого слоя раствором смолы Р 1. Обшее количество компонентов раствора в связуюшем составляло: смолы - 4,2 кг, отвердителя NaOH - 0,42 кг, воды -5 частей (2,1 литр). Образец модели в течении 28 суток находился под воздействием агрессивных шахтных минерализованных вод. При раскрытии из модели выпушено порядка 5-7 литров рассолов шахтных вод. При раскрытии образца модели № 9 отмечен незначительный каркас из крупного наполнителя и раствора смолы, образованный лишь в донной ее части.
При испытании образцов моделей в лабораторных условиях на гидравлическом прессе отмечено разрушение образцов при незначительных начальных нагрузках (рис. 5, а, б).
Даже при довольно длительном времени выдержки образца (до 28 суток) отвердевания смолы не происходит. Судя по состоянию связуюшего, основное влияние на прочность сцепления образца оказывает воздействие агрессивных шахтных минерализованных вод. Кроме того, крупный породный заполнитель в навале до приготовления образца в подземной камере также подвергался длительному воздействию агрессивных шахтных вод (рассолов) до его закладки в форму модели.
б
Рис. 6. Внешний вид полученного состава полимерной смолы Р1 при замене в растворе отвердителя технической воды рассолом шахтных минерализованных вод
Подтверждением выше сказанному может служить тот факт, что при попытке заложения образца модели №10, из крупного заполнителя с раствором смолы, при приготовлении раствора, отвердителя (NaOH), чистая техническая вода была заменена раствором рассолов шахтных минерализованных вод, из расположенного в штольне зумпфа. При этом наблюда-
лась мгновенная реакция смолы Р-1 с раствором от-вердителя приготовленного из 5 частей рассола шахтных вод. В результате чего произошло выпадение смолы (массой 2,1 кг) на отдельные желеобразные части без их растворения в растворе отвердителя которые по прошествии некоторого времени (порядка 2 час.) достигли определённой пластичности (рис. 6, а, б).
Таким образом, при исследовании образцов моделей (№№ 1, 2) обработанных гидрофобными растворами «Статус» не установлено влияние указанного ПАВ на изменение адгезионных и плотност-ных показателей формируемых образцов из крупного заполнителя. Если первоначально при нанесении раствора ПАВ «Статус» отмечалось покрытие и окрашивание поверхности дробленого материала, то по истечению 5-7 суток модель принимала первоначальный вид практически без признаков гидрофобного покрытия. Образцы моделей находились в естественном состоянии, и подвержены воздействию шахтных вод с кровли камеры в течении 28 суток. В дальнейшем, при установлении оптимальных параметров растворов смол и заполнителя, испытания с добавками в закладочный материал ПАВ «Статус» будут продолжены.
При заложении образца модели с цементным связуюшим по предло-
были
женным расходам не достигалась необходимая его каркасная прочность ввиду высокой подвижности раствора и недостаточного количества цемента в связующем.
При заложении образцов моделей с расходом смолы в размере 1,5 % от массы породы и 5 % отвердителя (НаОН) отмечалось частичное формирование каркаса из закладки без необходимой ее прочности (модель №№ 4, 5).
Увеличение частей воды, для лучшей подвижности раствора связующего (модель №№ 6,7) привело к полному отсутствию каркасности образца модели и образованию отдельных мелких частей смолы практически по всему объему образца без сцепления с крупным заполнителем.
Легко разрушаемый цельный каркас получен при значительно увеличенном количестве смолы до 3 % (в 2 раза) в составе связующего. При этом также в 2 раза увеличен состав от-вердителя (НаОН) в растворе с уменьшением количества воды до 5 частей к части отвердителя (модели №№ 8,9).
Необходимую прочность конструкции закладки приносит внесение мелкого наполнителя. Для проведения дальнейших исследований с использованием мелких наполнителей необходимо предварительно определиться со способами и технологией формирования закладочного материала из мелкого и крупного наполнителя, а также с порядком и последовательностью подачи вяжущего раствора смол в образцы моделей.
По результатам проведенного натурного эксперимента по изучению закладки из местного породного материала и связующего на основе полимерной смолы Р1, необходимо отметить следующее:
1. Определен гранулометрический состав материала крупного заполнителя в навале пород, перед проведением натурного эксперимента, где средний размер отдельностей пород составил 19,77 мм.
2. При проведении натурного эксперимента произведена закладка и раскрытие 9 форм моделей, при этом 6 моделей заложено с использованием связующего из полимерной смолы Р1, две модели с гидрофобными добавками ПАВ «Статус» и одна модель с использованием в качестве связующего цементного раствора.
3. При исследовании образцов обработанных раствором ПАВ «Статус» с товарной формой 1:3 и 1:5 отмечена невысокая степень гидрофоб-ности поверхности образца (до 5-7 суток) при воздействии на них минерализованных шахтных вод и полное отсутствие проявлений, каких либо адгезионных свойств.
4. При формировании образцов моделей с использованием раствора резерцинофенолформальдегидной смолы ее процентный состав по отношению к крупному наполнителю в экспериментах принимался 1,5 % (модели №№ 4-7) и 3 % (модели №№ 8, 9). Расход отвердителя НаОН при этом принимался соответственно к расходу смолы 5 % (модели №№ 4-7) и 10 % (модели №№ 8,9) с соответствующими частями воды к расходу от-вердителя 1:10 (модели №№ 4,5), 1:20 (модели №№ 6,7) и 1:5 (модели №№ 8,9).
5. При испытании как натурных, так и лабораторных образцов закладки, отмечена их невысокая прочность сцепления. Разрушение образцов происходило при незначительных нагрузках, практически все образцы имеющие каркас легко разрушаются вручную, даже при максимальном сроке их выдержки (28 суток).
6. Каркасная форма закладки получена при раскрытии формы модели № 8 (расход смолы 4,2 кг, от-вердителя 0,42 кг, 2,1 л воды), при этом ее разрушение также происходило при незначительных нагрузках.
7. При раскрытии образцов моделей на основе полимерной смолы Р1 повсеместно отмечалось присутствие в объеме закладочного материала мелких частиц смолы с недостаточной степенью ее отверждения, пластичной на ощупь, причиной чего, на наш взгляд, являлось воздействие агрессивных минерализованных шахтных вод как при формирова-
1. Методика фотопланиметрических замеров фракционного состава горных пород. Мирный: институт «Якутнипроалмаз»; 2004. 24 с.
2. Опытно-промышленные лабораторные исследования закладочного материала, полученные из вскрышных пород карьера «Удачный» или отходов обогащения руды с использованием стабилизатора серии «Статус». Отчет НИР ООО «НПЦ Авто-ДорТех» Москва, 2003. 14 с.
нии, так и при выдержке образцов моделей.
8. При приготовлении раствора связующего с использованием шахтных минирализованных растворов, вместо технической воды, в рекомендованных соотношениях, отмечена быстрая реакция и свертывание смолы Р-1, без ее смешения с раствором отвердителя. Данное обстоятельство указывает на невозможность приготовления раствора связующего при добавлении местных шахтных вод в состав отвердителя при создании закладки на основе резерциноформаль-дегидной смолы Р-1.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Лабораторные исследования закладочного материала из вскрышных пород карьера «Удачный» с использованием стабилизатора «Статус». Отчет НИР МАДИ (ГТУ). Москва, 2003. 45 с.
4. Методика проведения лабораторных исследований закладочного массива из вскрышных пород и хвостов обогащения руд Удачнинского месторождения на основе полимерных материалов. Удачный: институт «Якутнипроалмаз»; 2005. 23 с. ШИЛ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Шубин Григорий Владимирович - кандидат технических наук, доцент, зав. кафедрой открытых горных работ, горного факультета СВФУ;
Заровняев Борис Николаевич - доктор технических наук, профессор, декан горного факультета;
Сорокин Владимир Степанович - доцент кафедры ОГР;
Кирюшин Дмитрий Иванович - ведущий инженер;
Синяков Андрей Анатольевич - кандидат технических наук, доцент;
Алексеев Андрей Михайлович - старший преподаватель кафедры подземной разработки месторождений полезных ископаемых.
Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова
