CC BY
64
О.А. Горбунова
РАЗРАБОТКА СОСТАВОВ ТВЕРДЕЮЩЕЙ ЗАКЛАДКИ НА ОСНОВЕ ОТХОДОВ ГОРНООБОГАТИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА С ДОБАВКОЙ ПОЛИМЕРОВ КЛАССА ПОЛИГЕКСАМЕТИЛЕНГУАНИДИНОВ
Согласно существующим технологиям переработки полезных ископаемых от 30 до 70% исходного сырья уходит в «хвосты».
Образующиеся в большом количестве отходы обогащения можно рассматривать как техногенные источники полезных ископаемых и хранить их в отвалах для последующих поколений, когда уровень технологии доизвлечения ценных компонентов позволит сделать вторичную переработку рентабельной. До внедрения соответствующих технологий вторичной переработки и проведения оценки техногенных ресурсов отходы горного производства подлежат укладке в хранилища с вытекающим отсюда комплексом экономических и экологических проблем.
Отходы обогащения (хвосты, шлаки) можно также использовать при производстве строительных материалов (бетон, силикатный кирпич, основания при строительстве дорог и т.д.), однако стройматералы из вторсырья, несмотря на свою потенциальную дешевизну, в нашей стране редко находят своего потребителя.
Экономически и экологически выгодным представляется использование отходов горнодобывающих и горно-обогатительных предприятий в качестве инертного заполнителя для твердеющей закладки выработанного пространства. Такие технологии получают все большее распространение и позволяют:
• снизить экологические последствия складирования хвостов обогащения руд для локальных экосистем, сократить загрязнение почв, водных систем, сократить отторжение земель;
• сократить себестоимость полезных ископаемых за счет затрат на закладочные материалы (песок, цемент, щебень) для выработанного пространства.
Однако в ряде горнодобывающих предприятий цветной металлургии использование хвостов обогащения при формировании твердеющих массивов сдерживается в связи с присутствием в хвостах компонентов, оказывающих отрицательное действие на твердение цемента. В этом случае важным компонентом в составе твердеющих закладок выступают добавки к цементу, способные эффективно воздействовать на технологические свойства закладочной смеси, увеличивать прочность закладки, нейтрализовать компоненты хвостов, мешающих твердению.
Цель данной работы - разработка составов твердеющих закладок с максимально возможным включением отходов ГОКов, обоснование надежности закладок предлагаемого состава.
Задачи работы:
1- довести процент включения хвостов в цементный компаунд до 70-80% масс;
2- сократить количество цемента в закладочной смеси до 715% масс;
3- при заявленном составе обеспечить прочность компаунда
2-4 МПа на 28-е сутки твердения, ранний набор прочности - до 0,8-1,5 МПа на 3-7-е сутки твердения;
4- при заявленном составе обеспечить хорошую текучесть смеси на основе хвостов, цемента, воды для свободного транспортирования по трубам.
Для достижения поставленных задач выбрана упрочняющая полимерная добавка класса полигексаметиленгуанидинов (ПГМГ), оказывающая влияние на характер гидратации основных минералов цемента и тем самым повышающая прочность цементного камня в 1,5-1,8 раза [1] (табл. 1). Полимер ПГМГ -отечественного производства, хорошо растворим в воде, нетоксичен, может применяться в виде жидкого раствора, отдозированного в воду затворения цемента.
В рамках работы проведены:
1. Химический и рентгено-фазовый анализ состава образцов отходов обогащения медно-никелевых руд ОАО «ГМК Печенганикель» (г. Заполярный Мурманской обл.), ОАО «Учалинский ГОК» (Башкирия).
Таблица 1
Влияние полимера ПГМГ на прочность на сжатие цементных композиций
Состав (В/Ц=0,6, Ц:П=1:3) Сроки схватывания, час-мин Прочность на сжатие, МПа
Цемент ,г Песок, г Вода, г ПГМГ, % от массы цемента начало конец 3 сут 7 сут 28 сут
500 1500 300 0 1-00 2-30 5,5 6,1 11,6
500 1500 300 0,5 1-00 2-15 11,2 12,9 12,4
500 1500 300 1,0 0-35 0-50 11,5 13,7 27,5
2. Приготовление образцов цементной закладки на основе хвостов и шлаков, исследование текучести цементной смеси, сроков схватывания.
3. Исследование прочности на сжатие образцов закладки в различные сроки твердения -7, 28, 60, 90 сутки.
4. Исследование микроструктуры цементных образцов методом петрографии и сканирующей электронной микроскопии (СЭМ).
Физико-химические свойства отходов представлены в табл. 2, результаты рентгено-фазового анализа - в табл.3 и на рис. 1.
Свойства полученных цементных закладок на основе отходов обогащения с добавкой ПГМГ (при более 75% масс хвостов -дополнительно с добавкой пластификатора С-3) представлены в табл. 3, 4.
При анализе цементных образцов с помощью СЭМ (рис. 2) отмечается неравномерность распределения частиц хвостов (наполнителя) и гидратированного цемента из-за малого количества цемента. Продукты гидратации цемента представлены локальными участками - полями волокнистых кристаллов, главным образом, высокоосновных гидросиликатов СSH. На рис. 2, а с увеличением х1000 видна слоистая структура частицы хвостов; на поверхности центральной частицы, вертикально делящей кадр, в контактной зоне практически отсутствуют новообразования гидратов, поверхность частицы «голая»; однако вверху слоистой частицы (левый верхний угол кадра) кристаллизуется монослой гидросиликатов кальция. Наиболее отчетливо кристаллы гидросиликатов видны на кадре с увеличением х7500 (рис. 2, б) - на темном фоне частицы хвостов хорошо видна «паутина» волокон гидросиликата кальция размером
3-4 мкм.
Таблица 2
Физико-химические свойства
Отходы ОФ Влажность, % масс Насып- ная плотность, г/см3 Г ранулометрический состав, % масс рН Содержание 8042, мг/1г исх. материала
>0,8 0.8-0,4 0.4-0,2 0.2-0,063 <0,063
отходов ОФ ОАОГМК «Печенганикель»
Шлак 2,4 1,625 78,6 18,3 2,5 0,2 0,1 6,9±0,‘ 0,08
Хвосты 18,3 1,103 12,4 7,1 8,2 54,9 17,4 7,3±0,‘ 1,15
шлак ОАО «Учалинский ГМК»
Шлак сухой, сыпучий 2,093 1,0 9,4 32,8 50,4 6,4 4,5±°,і 3,15
66
Рис. 1. Дифрактограммы рентгенофазового анализа: а - хвостов ОФ ОАО ГМК «Печенганикель»; б - шлака ОАО «Учалинский ГОК»
Таблица 2
Результаты рентгено-фазового анализа отходов обогащения
Минерал Формула Основные дифракционные характеристики d, Л
хвосты ОФ ОАО ГМК «Печенганикель» (рис.1а)
Антигорит (серпентин) 3MgO*2SЮ2*2H2O ( Mg6Si4O1o(OH)8) 7,30 , 3,63 , 2,53
Хлорит М&А1[Ага3010К0Щ, 9.48 , 7.50 , 4.66
Биотит от КМ& [АМ30юКОН)2 до Юе3[АМ30юКОН)2 2,65 , 2,46
Кальцит СаСО3 3,03 , 1,48
Кварц а^Ю2 3,42
Аугит Са^, Ее) Si2O6 3,23 , 2,99; 2,97; 2,89, 2,53
Диопсид СаMg(SЮз)2 3,35 , 3,23 , 2,99 , 2,89
шлак ОАО «Учалинский ГМК» (рис.1б)
Кварц а^Ю2 4,26 , 3,35 , 2,45 , 2,28 , 2,13 , 1,54
Пирит FeS2 3,13 , 2,21 , 1,92 , 1,63, 1,55, 1,50, 1,45
Сидерит ЕеС03 2,79 , 2,06; 2,05; 2,04
Малые количества каолинита, гипса, брушита, альбита низкосимметричного
67
Таблица 3
Свойства цементных закладок, содержащих хвосты «Печенганикель»
Состав закладки, % масс Состав цемента с добавками Сроки схваты- вания, сут Растекае- мость мм** Прочность на сжатие, МПа/сут***
Хвосты (2040% влажн.) Цемент Вода 7 28 60 90
40 25 35 М400 , без добавок 6 143 0,2 4,4 6,0 5,7
40 30 30 М400,1 %ПГМГ 2 130 4,0 6,0 8,2 9,1
50 30 30 М400 , без добавок 4-5 120 1,5 5,1 5,4 7,4
50 30 30 М400,1 %ПГМГ 4-5 122 2,6 7,3 8,4 9,9
70 15 15 М400,1 %ПГМГ 3 119 1,7 3,4 4,1 5,4
75 15 10 М400,1 %ПГМГ 4-5 115 0,7 1,1 1,5 1,8
80 15 5 М400, 1%ПГМГ+ С-3 4-5 113 4,7 6,0 8,1 3,9
85* 10 5 М400 + С-3 7-8 140 0,4 1,1 1,0 1,2
85* 10 5 М400, 1%ПГМГ+ С-3 7 115 2,0 2,3 3,0 3,4
* Составы, взятые на исследование петрографическим методом и СЭМ. ** Растекаемость определяли по Конусу АзНИИ.
*** Прочность на сжатие определяли для кубов 10х 10х 10 см.
Таблица 4
Свойства цементных закладок, содержащихшлак « Учалинского ГОК»
Состав, % масс Состав вяжущего Сроки схваты- вания, сут Растек аемост ь, мм Прочность на сжатие, МПа/сут
Шлак сухой Цемен т Вода 7 28 60 90
70 15 15 М400, без ПГМГ + С-3 5 110 4,7 7,7 7,5 6,4
85 10 5 М400, без ПГМГ +5%Са(ОН)2+ С-3 13 135* - 2,2 2,8 1,4
85 10 5 М400+1%ПГМГ +5%Са(ОН)2+ С-3 11 130* - 1,5 3,2 2,8
* Смесь неоднородная, шлак оседает.
Рис. 2. Микрофотографии, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа, образцов цементной закладки в возрасте твердения 60 суток, содержащей 85% масс хвостов «Печенганикель»: а,г - без добавки ПГМГ, увеличение х1000 и х3500; б,в - с добавкой ПГМГ, увеличение х7500 и х3500
При сравнении кадров в одинаковом увеличении х3500 видны различия в кристаллизации гидросиликатов кальция в присутствии добавки ПГМГ (рис. 2, в) и без добавки (рис. 2, г). Установлено, что в присутствии добавки ПГМГ образования гидросиликатов кальция игольчатоволокнистые, а в образцах без добавки ПГМГ - игольчато-призматические (кристаллы с прямым погасанием). В присутствии ПГМГ волокна больше, они «армируют», «сшивают» структуру образца за счет образования согласованного сетчатого каркаса-«паутины», что упрочняет структуру и позволяет даже при использовании минимального количества цемента получить нормативную прочность.
На основании полученных результатов сделан вывод о возможности замены в составе твердеющей закладки специально добываемого заполнителя (песка, щебня) на отходы местного производства (хвосты, шлаки) с использованием упрочняющей полимерной добавки ПГМГ. Использование предложенного состава позволит не только получать искусственный массив с нормативной прочностью, но и комплексно решать экономические и экологические проблемы регионов и горных предприятий, существенно сократив затраты как на закладочные работы, так и на содержание различного рода отвалов и хвостохранилищ, соответственно уменьшив площади земель для горных ОТВОДОВ. ШШ
-------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Горбунова О.А. Цементирование твердых радиоактивных отходов методом пропитки высокопроникающими растворами: Автореферат диссертации на соискание уч. ст. к.т.н.- Москва, 2004.
Коротко об авторе
Горбунова О.А. - к.т .н., доц. каф. ТПР.
Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru
