Технология подземного пульпоприготовления с использованием мобильных закладочных комплексов Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 622.273.2

М.И. Русаков, А.В. Шилов

ТЕХНОЛОГИЯ ПОДЗЕМНОГО ПУЛЬПОПРИГОТОВЛЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МОБИЛЬНЫХ ЗАКЛАДОЧНЫХ КОМПЛЕКСОВ

Гидравлический способ пульпоприготовления в подземных условиях прошел испытания сначала на СКРУ-1 ПАО «Уралкалий» при переводе карналлитовой закладки с механического способа на гидравлический, затем при опытных и промышленных работах на БКПРУ-4 ПАО «Уралкалий». Результаты испытаний положительные. При выборе места пульпоприготовления для мобильной закладки необходимо учитывать наличие рассо-лопровода или емкости рассола для постоянной подачи рассола, габариты выработки и расстояние до отработанных камер, предусматриваемых к закладке. В составе комплекса мобильной закладки на подаче пульпы рекомендуется использовать поршневой насос, позволяющий транспортировать высококонцентрированную пульпу. Применение бетононасосов позволяет не устанавливать перед мешалкой дробилку, необходимую при использовании на подаче пульпы грунтовых насосов. Поршневые бетононасосы развивают напор, достаточный для транспортирования пульпы на значительные расстояния. Проведенные испытания бетононасоса «Putzmeister» BSA 1409 на солеотвале БКПРУ-2 ПАО «Уралкалий» показали возможность транспортирования им высококонцентрированной пульпы солеотходов. Радиус действия поршневого насоса по предварительным данным может составить в условиях калийного рудника до 1,5 км.

Ключевые слова: калийный рудник, закладочные работы, механический способ, гидравлический способ, солеотходы, закладочный комплекс, самоходный вагон, пульпо-приготовление, поршневой насос.

Для предприятий железорудной промышленности известны схемы модульных (мобильных) закладочных комплексов [1, 2]. Принципы их работы просты, они высокопроизводительны, позволяют размещать стандартизованное оборудование в стесненных условиях шахт и рудников, они обладают низкой материалоемкостью и позволяют организовать пульпоприготовление из многокомпонентных смесей. При приготовлении закладочных смесей в подземных условиях отсутствует необходимость в поверхно-

DOI: 10.25018/0236-1493-2017-9-0-144-150

стных комплексах-заводах, появляется возможность вести пульпоприготовление непосредственно в районе, требующем закладочных работ, при этом отсутствуют затраты на транспортирование вязких и плотных смесей на большие расстояния [3], но присутствуют затраты на доставку компонентов смесей.

Роль закладочных работ при отработке запасов калийных рудников очень высока, и заключается прежде всего в повышении безопасности горных работ. В настоящее время на всех действую-

ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 9. С. 144-150. © М.И. Русаков, А.В. Шилов. 2017.

щих рудниках ПАО «Уралкалий» ведут гидрозакладочные работы. В то же время, на действующих гидрозакладочных установках их мощности не всегда обеспечивают необходимые плановые и текущие объемы закладочных работ.

Решение этой проблемы, а также обеспечение закладочным материалом участков, требующих локальной закладки, например, в зонах смягчения у длительно остановленных границ горных работ или на границах шахтных полей при значительной удаленности участков ведения закладочных работ от стволов, возможно за счет применения мобильных закладочных комплексов.

На калийном руднике эксплуатация мобильных закладочных комплексов возможна с использованием технологических схем подачи закладочного материала гидравлическим или механическим способом. Однако в настоящее время не выявлены наиболее рациональные области применения каждой из этих схем, что не может гарантировать правильность принимаемых решений по технологической схеме подачи закладки.

Закладка соли от проходки подготовительных выработок применяется повсеместно на всех рудниках и выполняется механическим способом [4]. В настоящее время для транспортирования породы от проходки выработок используют самоходные вагоны, погрузочно-доста-вочные машины, ленточные конвейера. Радиус действия одного самоходного вагона ограничен длиной кабеля и составляет 400—500 м. Область применения погрузочно-доставочных машин ограничена их малой грузоподъемностью (объем ковша в среднем 2—4 м3). Ленточные конвейера монтируют на прямолинейных участках.

Породу до конвейера доставляют самоходными вагонами. На участок закладки доставку осуществляют ленточным конвейером. Разгрузку конвейера

производят в бункер-перегружатель и далее в самоходный вагон, который доставляет породу до закладываемых камер и разгружается непосредственно в камере.

В зависимости от высоты камеры закладку производят в один или два слоя. В один слой закладывают камеры высотой до 3,1 м. Камеры большей высоты закладывают в два слоя. При закладке в один слой закладка производится в обратном порядке. Разгрузку соли производят с поднятым кузовом. При закладке в два слоя первый слой отсыпают в прямом порядке без поднятия кузова так, чтобы выдерживался зазор между сидением машиниста и кровлей не менее 1,3 м. При закладке первого слоя его отсыпают по всей ширине камеры, чтобы избежать сползания вагона. При закладке второго слоя зазор между вершиной кучи и кровлей должен быть не более 1 м. Степень заполнения камер не превышает 0,7.

Таким образом, эксплуатация мобильных закладочных комплексов с использованием механического способа закладки обеспечивает достаточную надежность выполнения работ, но циклич-на, и зависит от производительности самоходного вагона и не обеспечивает большой производительности работ и полноты заполнения камеры, которая может быть достигнута при гидравлическом способе закладки.

На руднике БКПРУ-4 ПАО «Уралкалий» проведены опытные работы по приготовлению закладочной смеси в подземных условиях [5, 6]. Приготовление закладочной смеси из солеотходов, глинисто-солевого шлама и хлористого кальция осуществляли в двух бетоносмесителях. Для приготовления пульпы солеотходы и хлористый кальций засыпали в бетоносмесители вручную. Шламовую пульпу заливали в бетоносмесители из шламо-провода. Для этого в существующем шла-

мопроводе выполнили врезку тройника с рукавом на фланцевом соединении и установили задвижку. Перед засыпкой солеотходов их просеивали на бункере с виброситом с ячейкой 5х5 мм. Выгрузка солеотходов в бункер осуществлялась при помощи погрузочно-доставочной машины. В бетономешалке смесь перемешивали до необходимой рабочей консистенции и растворения хлористого кальция. После перемешивания компонентов закладочной смеси, смесь подавали в приемную емкость V = 0,5 м3, из которой смесь транспортировали насосом С0-50А на закладку выработок. Загрузку и опорожнение бетоносмесителей производили попеременно, в одном из бетоносмесителей перемешивали смесь, в другом — засыпали компоненты смеси.

Опытные работы доказали возможность приготовления закладочной смеси на мобильной закладочной установке, включающей стандартизованное про-мышленно выпускаемое оборудование — бетоносмесители и насосы [7]. При принятии решения о промышленном применении данной технологии необходимы решения по механизации подачи солеот-ходов в бетоносмесители. Данное реше-

ние достигается добавлением в схему передвижного ленточного бункера-питателя и дробилки.

На руднике БКПРУ-4 ПАО «Уралкалий» до ввода мощности поверхностного гидрозакладочного комплекса запустили в работу закладку с подземным пульпо-приготовлением. На закладке использовали специально добываемую соль. Для гидротранспорта при помощи грунтовых насосов крупную соль дробили. С использованием этой технологии был заложен участок размерами 400 * 800 м. При эксплуатации гидрозакладочного комплекса получен положительный эффект, однако вследствие значительной неравномерности подачи соли режим его работы не является оптимальным. Кроме того, использование стационарных мешалки и насосов не позволяет считать рассмотренную схему мобильной. Применение схемы целесообразно при закладке больших объемов пустот и времени ее работы без передвижек 1—2 года.

При выборе места пульпоприготов-ления для мобильной закладки необходимо учитывать наличие рассолопрово-да или емкости рассола для постоянной

б)

\

1

/ ЯгТ

13 4 8

Рис. 1. Технологическая схема мобильного закладочного комплекса: с приготовлением пульпы в районе закладочных работ (а); с приготовлением пульпы в районе проходки выработок (б); 1 — самоходный вагон; 2 — ленточный конвейер; 3 — вибросито; 4 — мешалка; 5 — емкость с рассолом (камера); 6 — насос для рассола; 7 — рассолопровод; 8 — насос для пульпы; 9 — пульпопровод

подачи рассола, габариты выработки и расстояние до отработанных камер, предусматриваемых к закладке.

Варианты технологической схемы мобильного комплекса закладки соли от проходки выработок показаны на рис. 1.

Принципы технологии приготовления пульпы заключаются в следующем. Соль от проходки выработок самоходным вагоном доставляют либо до ленточного проходческого конвейера (рис. 1, а), либо до места пульпоприготовления (рис. 1, б). Далее соль поступает в мешалку через вибросито, также в мешалку подают рассол. В начальный период работы в районе мобильного закладочного комплекса должен быть накоплен объем рассола в количестве, необходимом для его оборота. Пульпу готовят в мешалке и поршневым бетононасосом подают в камеру по технологии гидрозакладки, применяемой на рудниках ПАО «Уралкалий».

Использование в схеме ленточного конвейера позволит вести равномерную подачу солеотходов в мешалку. Производительность разгрузки из мешалки следует регулировать запорной арматурой. Для отсева кусков размером более 40 мм над приемным лотком насоса предусмотрено вибросито.

Исходя из средней производительности комбайнового комплекса с комбайном Урал-20Р на проходке выработок 30—50 т/ч расход пульпы при объемном соотношении Ж:Т в пульпе 2:1 и количества рассолов для ее приготовления (50/2,15) х 2 = 47 м3/ч составляет 70 м3/ч, а при Ж:Т в пульпе 1:1 — 47 м3/ч. При одновременной работе нескольких комбайнов расход пульпы может быть больше.

Испытания бетононасоса «Putzmeister» BSA 1409, проведенные под руководством Б.А. Борзаковского на солеот-вале БКПРУ-2 ПАО «Уралкалий», показали возможность транспортирования им высококонцентрированной пульпы солеот-

ходов. Пульпу готовили в автобетоносмесителях емкостью 9 м3. В смеситель заливали 3 м3 рассола. Загрузку соле-отходов в автобетоносмесители производили под галереей за счет опускания плужкового сбрасывателя на конвейер. Высота подъема пульпы на солеотвал составляла 70 м, длина трубопровода 150 м. Испытания показали возможность гидротранспорта высококонцентрированной пульпы поршневым бетононасосом.

Основным параметром высококонцентрированных пульп, характеризующим их преимущества, является объемная концентрация твердого. С увеличением объемной концентрации уменьшается энергопотребление на транспортирование твердого. Однако при объемной концентрации, при которой сечение трубы полностью заполнено твердыми частицами, сопротивление движению пульпы значительно возрастет. Кроме этого при такой концентрации возникнут большие трудности с промывкой трубопровода. По этим причинам в работе [8] рекомендуется производить транспортирование пульп с объемной концентрацией около 0,5.

Плотность солевой пульпы рп в зависимости от объемной концентрации определяется по формуле, т/м3:

Рп = S ■ Рт.с + (1— S) ■ Рр

(1)

где э — объемная концентрация твердого, доли ед.; ртс — плотность твердых частиц солеотходов, т/м3, ртс = 2,15 т/м3; р — плотность рассола, т/м3, ртс = =р1,23 т/м3.

При известной плотности пульпы значение э определяется по формуле:

Рп - Р Р

s = -

(2)

Рт.с - Рр

При оседании солеотходов доля площади свободного прохода фсв, доли ед., определяют по формуле:

1,85

1,80

1,75

1,70

СП 1,65

2

1,60

Р4"

Ь О 1,55

о

Е 1,50

о

ч С! 1,45

1,40

1,35

1,30

0,00

0,05

0,10

се с^ 0,15

О X 0,20

о а 0,25

с е 0,30

о я 0,35

§ 0,40

ю о 0,45

о 0,50

ч о 0,55

ег 0,60

0,65

0.70

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65

-1-1-1-1-1-1-1- Объемная конпентпятшя ттоттиеп /

/ /

/

/

/

У

/

Рис. 2. Зависимости плотности пульпы и доли свободного прохода от объемной концентрации

Фее = 1 -5 •-

(3)

где р — плотность осевших солеотхо-дов, т/м3.

Плотность осевших в рассоле солеот-ходов определили в лабораторных условиях. Установлено, что плотность осадка солеотходов не зависит от объемной концентрации и в среднем составляет 1,29 т/м3. Доля осветленного рассола, которая равна доле свободного прохода, по экспериментальным данным несколько больше расчетной доли, что может быть вызвано как неточностями измерений, так и колебанием влажности засыпаемых в сосуд солеотходов. По результатам расчета построены зависимости рп = ф(в) и фсв = ф(в), которые приведены на рис. 2.

Расчеты показывают, что при объемной концентрации 0,5 доля свободного прохода составляет 17% от полного сечения трубы, а при дальнейшем увеличении концентрации на 10%, свободный проход уменьшается вдвое, при дальнейшем увеличении концентрации до 0,6 может произойти закупорка трубопровода. С учетом этого рекомендуется транспортирование солевой пульпы плотностью 1,69 т/м3 с объемной концентрацией 0,5 производить при колебаниях производительности в большую сторону не более 5%.

Для комплекса мобильной закладки на подаче пульпы рекомендуется использовать поршневой насос (производительность 70 м3/ч, напор до 16 МПа) с электродвигателем во взрывозащи-щенном исполнении. Применение бе-

т .с

ос.с

тононасосов позволяет не устанавливать перед мешалкой дробилку, необходимую при использовании на подаче пульпы грунтовых насосов. Кроме того, поршневые бетононасосы развивают напор, достаточный для транспортирования пульпы на значительные расстояния, по предварительным оценкам это расстояние составит до 1,5—2 км в зависимости от трассы прокладки пульпопровода.

При опытных работах потребуется определить рациональный радиус действия мобильного закладочного комплекса, потребное количество оборудования и разработать рекомендации по применению каждой из рассмотренных технологических схем подачи закладочного

материала для различных горнотехнических условий. К основному достоинству использования поршневых бетононасосов в схеме мобильного закладочного комплекса относится возможность перекачивать пульпу с содержанием в ней крупных фракций до 40 мм на расстояние большее, чем при использовании грунтовых насосов.

Применение мобильного закладочного комплекса позволит быстро выполнить локальную закладку на участках шахтных полей калийных рудников, где для закладки стандартным способом с поверхностного узла пульпоприготовле-ния требуются либо большие капиталовложения и трудозатраты, либо она недостижима по условиям гидротранспорта.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Аглюков Х.И. Способ управления горным давлением // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2004. - № 11. - С. 181-185.

2. Каплунов Д. Р., Рыльникова М. В., Радченко Д. Н. Перспективы развития технологии закладки выработанного пространства при подземной разработке рудных месторождений // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2011. — № 12. — С. 5—10.

3. Рыльникова М. В.. Ангелов В.А., Туркин И. С. Обоснование технологической схемы и комплекса оборудования для утилизации текущих хвостов обогащения в выработанном подземном пространстве // Горный информационно-аналитический бюллетень — 2014. — № 9. — С. 62—69.

4. Борзаковский Б.А., Папулов Л. М. Закладочные работы на Верхнекамских калийных рудниках: справочник. — М.: Недра, 1994. — 234 с.

5. Борзаковский Б.А., Русаков М. И., Генкин М. В. Технология добычи руды с закладкой на вяжущем из хлористого кальция // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2014. — № 4. — С. 284—292.

6. Борзаковский Б.А., Качурин Н. М., Русаков М. И. Развитие технологий размещения глинисто-солевого шлама в выработанном пространстве калийных рудников // Горный журнал. — 2016. — № 10. — С. 61—64.

7. Шкуратский Д. Н., Русаков М.И. Использование отходов производства калийных удобрений в породных смесях для закладки выработанных пространств // Известия ТулГУ. Науки

0 земле. — 2015. — Вып. 3. — С. 87—98.

8. Смолдырев А.Е., Сафонов Ю.К. Трубопроводный транспорт концентрированных гидросмесей. — М.: Машиностроение, 1989. — 256 с. гт^

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Русаков Михаил Ильич1 — зав. лабораторией, e-mail: Mihail.Rusakov@uralkali.com, Шилов Александр Владимирович1 — ведущий инженер, e-mail: Aleksandr.Shilov@uralkali.com,

1 АО «ВНИИ Галургии».

ISSN 0236-1493. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017. No. 9, pp. 144-150.

UDC 622.273.2

M.I. Rusakov, A.V. Shilov

UNDERGROUND SLURRY PREPARATION TECHNOLOGY USING MOBILE BACKFILL PLANTS

Module (mobile) backfilling complex schemes are known for iron ore industry companies. Their operating principles are simple, they are highly productive, they allow to place standardized equipment in constraint environment of mines and carry-out pulp preparation directly in the backfill operations area, herewith there are no expenses for transportation of viscous and closed mixtures in long distances, but there are expenses for delivery of mixture components.

Operation of mobile backfilling units in the potash mine is possible using flow sheets of backfilling material supply by mechanical or hydraulic method. Backfilling of salt from development workings driving is applied everywhere in all mines and performed by mechanical method. Hydraulic method of pulp preparation in underground conditions has been tested first in SKRU-1 of «Uralkali» PJSC by carnallite backfilling shift from mechanical method to hydraulic one, then by experimental and production works in BKPRU-4 of «Uralkali» PJSC.

The test results are positive. By choosing a pulp preparation site for mobile backfilling it is necessary to consider availability of the brine pipe or the brine capacity for permanent brine supply, dimensions of the working and a distance to mined-out backfilling rooms. In mobile backfilling complex for pulp supply it is recommended to use a piston pump which enables to transport high-concentrated pulp. Concrete pumps application allows not to install a crusher, required by using soil pumps for pulp supply, before a mixer. Besides, piston concrete pumps develop a head sufficient for pulp transportation in long distances.

The performed tests of «Putzmeister» BSA 1409 concrete pump in the salt tailings pile of BKP-RU-2 of «Uralkali» PJSC have shown that it can transport high-concentrated pulp of salt waste. According to the preliminary data a working range of the piston pump can account for up to 1.5 km in potash mine conditions.

Key words: potash mine, backfill operations, mechanical method, hydraulic method, salt waste, backfilling complex, shuttle car, pulp preparation, piston pump.

DOI: 10.25018/0236-1493-2017-9-0-144-150

AUTHORS

Rusakov M.I.1, Head of Laboratory, e-mail: Mihail.Rusakov@uralkali.com, Shilov A.V.1, Leading Engineer, e-mail: Aleksandr.Shilov@uralkali.com, 1 Joint stock company «VNII Galurgii», 614002, Perm, Russia.

REFERENCES

1. Aglyukov Kh. I. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2004, no 11, pp. 181—185.

2. Kaplunov D. R., Ryl'nikova M. V., Radchenko D. N. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2011, no 12, pp. 5—10.

3. Ryl'nikova M. V.. Angelov V. A., Turkin I. S. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten' 2014, no 9, pp. 62—69.

4. Borzakovskiy B. A., Papulov L. M. Zakladochnye raboty na Verkhnekamskikh kaliynykh rud-nikakh: spravochnik (Backfilling operations in Upper Kama potassium mines: Handbook), Moscow, Nedra, 1994, 234 p.

5. Borzakovskiy B. A., Rusakov M. I., Genkin M. V. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2014, no 4, pp. 284—292.

6. Borzakovskiy B. A., Kachurin N. M., Rusakov M. I. Gornyy zhurnal. 2016, no 10, pp. 61—64.

7. Shkuratskiy D. N., Rusakov M. I. Izvestiya TulGU. Nauki o zemle. 2015. Vyp. 3, pp. 87—98.

8. Smoldyrev A. E., Safonov Yu. K. Truboprovodnyy transport kontsentrirovannykh gidrosmesey (Pipeline transport of concentrated hydromixtures), Moscow, Mashinostroenie, 1989, 256 p.