Закономерности саморазогрева и твердения бесклинкерных массивов на основе негашеной извести при условии полного исключения потребления портландцемента на закладочные работы Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© А.Н. Монтянова, Е.Н. Козлов, 2009

УДК 622.272

А.Н. Монтянова, Е.Н. Козлов

ЗАКОНОМЕРНОСТИ САМОРАЗОГРЕВА И ТВЕРДЕНИЯБЕСКЛИНКЕРНЫХМАССИВОВ НА ОСНОВЕ НЕГАШЕНОЙ ИЗВЕСТИ ПРИ УСЛОВИИ ПОЛНОГО ИСКЛЮЧЕНИЯ ПОТРЕБЛЕНИЯ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА НА ЗАКЛАДОЧНЫЕ РАБОТЫ

Разработаны методика и технология возведения бесклинкерных закладочных массивов, предварительно с помощью математического моделирования установлены требуемые параметры закладываемой выработки.

Ключевые слова: бесклинкерные закладочные смеси, саморазогрев массива, шахтный воздух.

Семинар № 15

A.N. Montjanova, E.N. Kozlov APPROPRIATENESS OF THE SELFHEATING AND MATURING OF CLINKER-FREE AREAS ON THE BASIS OF LIVE LIME ON THE ASSUMPTION OF THE COMPLETE EXCEPTION OF PORTLAND CEMENT CONSUMPTION ON LAYING WORKS

The technique and technology of construction of clinker-free laying areas are developed; preliminary by the means of mathematical modelling demanded parameters of laying development are established.

Keywords: clinker-free laying mixes, massif self-heating, mine air.

~tb 2004 - 2006 гг. рост цен на це-.^Вмент ежегодно составлял (средние показатели по отрасли [3]) 16 - 20 %. В 2007 г., в связи с оживлением экономики России и повышением уровня жизни ее населения, резко возросли объемы и темпы строительства, увеличилась потребность в строительных материалах и в том числе цемента. Отпускная стоимость цемента в 2007 году за 1 кв. возросла на 4,2 %, за 9 месяцев - в 2,4 раза (средние показатели по отрасли [4], в отдельных регионах - до 5 раз).

Основной скачок цен произошел в сентябре-октябре 2007 г. По словам главы Ассоциации строителей России Николая Кошмана на Международном инвестиционном строительном форуме в Москве: « Сегодня цена за тонну цемента перевалила за 8 тысяч рублей, а к концу года, по нашим прогнозам, стоимость цемента может превысить 10 тысяч рублей за тонну» [3].

В условиях постоянно возрастающей стоимости портландцемента наиболее предпочтительными в использовании становятся закладочные смеси на основе обожженных карбонатных пород (негашеной извести), полностью исключающие потребление портландцемента на закладочные работы. Карбонатные породы, как правило, являются распространенным местным материалом, на основе которого рудниками самостоятельно может быть организовано производство бесклинкерных закладочных смесей. Закладочные смеси и возведенные из них твердеющие массивы названы бесклинкерными, поскольку при их формировании не используется молотый цементный клинкер, в т.ч. портландце-

мент. Техническое решение защищено 5 патентами и отмечено золотой медалью на международном салоне «Архимед -2006» в г. Москве.

Разработанный и запатентованный в 90-х годах прошлого столетия институтом Якутнипроалмаз способ формирования бесклинкерных закладочных массивов имеет ряд отличительных особенностей, обеспечивающих достижение нормативной прочности закладки в выработанном пространстве от 0,5 до 13,0 МПа.

Транспортабельность закладочных смесей на основе негашеной извести, свободное растекание, саморазогревание и твердение с увеличением объема в выработанном пространстве достигается их затворением не водой, а мало концентрированным раствором флегматиза-тора, замедляющего реакционную способность обожженных карбонатных пород на время технологических операций по возведению искусственных массивов. Прочность бесклинкерной закладки одного и того же вещественного состава существенно изменяется в зависимости от температурных условий твердения. Температура, развивающаяся в закладочных массивах во время твердения в выработанном пространстве, зависит от содержания обожженных карбонатных пород (негашеной извести) в составах закладочных смесей и геотермических зон возведения искусственных массивов. Достижение требуемых механических характеристик искусственного массива в каждой из геотермических зон с минимальными затратами обеспечивается регулированием темпов его самора-зогрева и охлаждения в процессе твердения с помощью дозы и степени гидратации обожженных карбонатных пород.

На рисунке приведены технологические данные, учитываемые при назначении расхода обожженных карбонатных

пород (тепловыделяющего компонента) в составах закладочных смесей.

Температура закладочных массивов в условиях подземного рудника не постоянна и изменяется в зависимости от ряда факторов [1]:

Т = f [ Тзн; Тгн, Тзк; Тв; Q3 (В, Q, т) Км; 13; К; К; См; С3; Vв; ^ Х] (1)

где Т - температура закладки в заданной точке; Тзн; Тгн; Тзк - начальная температура свежеуложенной закладки, горного массива и закладочного массива, обнажаемого в стенке (для выработок второй и третьей очереди), соответственно; Тв и VI,- температура и скорость воздуха при проветривании выработок; Qз - тепловыделение закладочного массива при гидратации вяжущего; M; В; Q - минералогический состав тепловыделяющего компонента закладки, его расход и тепловыделение; т - время твердения закладки; Км; Кз; Кв; Кп- коэффициенты теплопроводности горного массива, закладки, воздуха в горных выработках, перемычки соответственно; См ; Сз - теплоемкости горного массива и закладки соответственно; h - высота возводимого слоя закладочного массива; Х - пространственная координата.

Анализ и обобщение температурных и технологических условий формирования закладочных массивов, а также результаты исследований позволили классифицировать условия возведения искусственных массивов на типовые геотермические зоны. В качестве основных классификационных признаков приняты внешние (по отношению к искусственному массиву) параметры, наиболее существенно влияющие на интенсивность его саморазогрева и охлаждения: температура горного и искусственного массивов, шахтного воздуха, соленасыщен-ность пород (рисунок).

Выделены пять геотермических зон: I -отрицательная температура незасолен-

ного горного массива и шахтного воздуха; II - отрицательная или низкая положительная температура соленасыщенного горного массива, низкая положительная температура шахтного воздуха; III -отрицательная или низкая положительная температура незасоленного горного массива, низкая положительная температура шахтного воздуха; IV - температура незасоленного горного массива и шахтного воздуха близка температуре нормальных условий; V - температура горного массива и шахтного воздуха не влияет на условия возведения массива, условия твердения близки к адиабатическим.

Для определения температуры бес-клинкерных закладочных массивов в геотермических зонах I-V методами математического планирования расчетов и статистической обработки их результатов получены зависимости вида:

Т = Ьо + Ь{Тгн + Ъ2Ви + ^ + ЪаТгнВи + +ЬъТгнН + ЬбВчЬ, (2)

где Т - средняя или текущая температура закладочного массива в расчетной точке через t суток твердения; Ь0 ... Ь7 — эмпирические коэффициенты, полученные с использованием математической обработки результатов расчетов. Диапазон изменения факторов Тга, Тзн, Ви, h и соответствующий присвоенный им уровень представлены в табл. 1.

Относительная прочность бесклин-керных закладочных массивов на основе негашеной извести зависит от текущей температуры массива и рассчитывается по формуле

О28=Ао0+1+Ао1+2+До2+7+Ао7+14+До 14+28, (3) где о7, о28 - относительная прочность цементной, клинкерной или бесклин-керной закладки, % от марочной прочности (прочность закладки при твердении в нормальных условиях в возрасте 28 сут) за расчетный промежуток времени, например 7 или 28 сут твердения;

Т7, Т28 - средняя температура закладочного массива в расчетной точке (периферийная часть массива) в первичных выработках за расчетный период 7 или 28 сут; Доо+1+До1+2+До2+7+До7+14+До14+28

- увеличение относительной прочности бесклинкерной закладки за периоды 0-1, 1-2, 2-7, 7-14 и 14-28 сут соответственно при текущих температурах твердения в возрасте 1, 2, 7, 14 и 28 сут (табл. 2).

В 2007 г. авторами разработан пакет программных продуктов для оперативного прогнозирования температуры и прочности бесклинкерных закладочных массивов, твердеющих в различных геотермических условиях рудников. При этом результирующая зависимость для расчета относительной прочности закладочных массивов, твердеющих в шахтных условиях, в различные периоды после формирования (тн, т - первые и расчетные сутки) апроксиммируется выражением:

а = 12757,7£Т0-01771(-— +геР’— —

отн ’

—12840, бе~а01797(те” —'— +

Г

+| (—108,834е^0’

(4)

-(-2,31885(ше°т + герт ) -

—44 9481)е(-°"0015(™е"+геР' )—°,14103)т)^г где т - текущее время; тн - время начала твердения закладки; т, 8, г, р - коэффициенты, определяемые методом наименьших квадратов, после расчетов значений функции Т(ґ) по уравнениям (4).

т

Первая геотермическая зона (I)

рудничный воздух: -15....0°С

ш //////////У // // |-10...0°Ш ш

ш Ж Ул ш

|-1а!о°( 1 11

Вторая геотермическая зона (II)

рудничный воздух: +8°С

□□□□□□□□□

ТШПСШСШСШ

)□□□□□□□□

/□□□□□□□□□

:□□□□□□□□□

:□□□□□□□□□

//// □□□□□□□□:

'УУ/, □ □□□□□□□:;

□ □□□□□□ п\ '□□□□□□□□□ п\

Третья геотермическая зона (III)

рудничный воздух: +8°С

Четвертая геотермическая зона (IV)

рудничный воздух: +15°С

ш ж У/

У/^У/ |+То.'^5^С/||

Пятая геотермическая зона (V)

рудничный воздух: не влияет

' ж

в ;+2і5°с||

Условные обозначения:

- кимберлит

□ □□□□□□□С

□ □□□□□□□С - галит

□□□□□□□□с

- незасоленые вмещающие породы

- твердеющая закладка

1

1

Схемы к классификации геотермических зон твердения закладочных массивов при развитии горных работ во времени и в пространстве месторождений при твердеющего массива: 1 - с воздухом через перемычку; 2 - с рудным массивом (например, кимберлит); 3 - с незасоленной вмещающей породой; 4 - с твердеющей закладкой; 5 - с галогенными породами

Таблица 1

Диапазон изменения факторов, влияющих на температуру закладочного массива

Условное обозначение Уровень варьирования*

Фактор верхний, +1 средний, 0 нижний, -1

Начальная температура горного массива, оС Тгн +3/+25 -1/+17,5 -5/+10

Расход тепловыделяющего компонента (негашеной извести) на 1м3 закладки, кг Ви 200/200 150/120 100/40

Мощность единовременно возводимого искусственного массива, м н 5,0/5,0 3,0/3,0 1,0/1,0

*В числителе - уровень для геотермических зон I, II и III, в знаменателе - для зон IV и V.

Таблица 2

Матрица для расчета относительной прочности бесклинкерных закладочных массивов на основе негашеной извести

№ п/п Температура твердения, ОС Относительная прочность закладки (% от марочной) при твердении в течение

1 сут 2 сут 3 сут 5 сут 7 сут 14 сут 2 8 с у т

1 70 50 120 173 250 269 315 315

2 50 35 79 105 150 211 268 315

3 40 18 35 50 125 145 200 250

4 30 10 20 32 65 78 128 171

5 20 0 7 18 20 27 68 100

6 14 0 0 12 14 19 51 77

7 8 0 0 5 6 10 35 54

8 2 0 0 0 0 5 15 45

Разработанные институтом Якутни-проалмаз методика и технология возведения бесклинкерных закладочных массивов прошли опытно-промышленную апробацию в условиях действующего рудника «Айхал» в 2000 г.[2]. Предварительно с помощью математического моделирования были установлены требуемые параметры закладываемой выработки. Выявлено, что с целью подтверждения всех наработанных закономерностей формирования новых закладочных массивов, достаточно сформировать в условиях выработанного пространства искусственный массив с геометрическими параметрами 3х3х3 м. В более масштабных закладочных массивах будут иметь место те же тепловые и прочностные поля, изменяется лишь их протяженность.

Приготовленная закладочная смесь, включающая обожженные карбонатные породы, туфовые породы и раствор флегматизатора транспортировалась в выработку по трубопроводу. Температура в различных точках искусственного массива фиксировалась с помощью предварительно установленных в выработку термогирлянд, а прочность закладочного массива устанавливалась с помощью кернового опробования [2]. В процессе твердения сформированного на руднике «Айхал» закладочного массива зафиксирована его максимальная температура разогрева (через 12 часов) 54 оС - в центре и 32 оС - на контакте с горным массивом криолитозоны. Прочность массива в возрасте 28 суток твердения увеличивалась от периферии к центру от 3 до 8 МПа.

Рис. 2. Укрупненная технологическая схема производства бесклинкерной закладочной смеси на руднике «Айхал

Позднее, в 2003 г., специалистами Учалинского ГОКа и Магнитогорского государственного технического университета был выполнен более масштабный эксперимент по опробованию нового способа возведения закладочного массива. На Учалинском подземном руднике сформирован искусственный массив в объеме 5300 м3 из закладочных смесей на основе негашеной извести и доменных шлаков. Максимальная температура разогрева закладочного массива составила 42 оС, прочность 2,6 - 7 МПа (увеличивается от периферии к центру).

Результатами промышленных экспериментов на рудниках «Айхал» и «Учалинский» были подтверждены основные свойства закладочных смесей и массивов на основе обожженных карбонатных пород (негашеной извести). Зафиксиро-

ваны: возможность транспортирования новых смесей по трубопроводу в самотечном режиме; свободное растекание в выработанном пространстве; отсутствие водоотделения, слоистости и усадки искусственного массива. Последнее особенно важно при нисходящем порядке выемки руды, поскольку исключается необходимость борьбы с недозакладкой, что повышает интенсивность горных работ и обеспечивает их безопасность. Установлено интенсивное саморазогре-вание закладочных массивов в течение первых трех - пяти суток твердения и последующее их остывание вследствие теплообменных процессов с горным массивом и шахтным воздухом. Подтверждено определяющее значение температуры на прочность закладочного массива, в результате чего достигается

ранняя прочность, формируется разнопрочная, но не слоистая структура массива с увеличением прочности от периферии к центру.

Новое техническое решение внедрено в проект подземного рудника «Айхал». Принципиальная схема принятой к использованию технологии производства бесклинкерных закладочных смесей представлена на рис. 2.

С июня 2008 г. запланирована реконструкция временного закладочного комплекса рудника, что позволит, после второго этапа реконструкции, произвести переход на формирование бесклин-

1. Монтянова А.Н. Формирование закладочных массивов при разработке алмазных месторождений в криолитозоне. - М.: Горная книга, 2005. - 597 с.

2. Монтянова А.Н. Опробование бесце-ментных закладочных смесей на алмазодобывающем руднике «Айхал»//Горный журнал, 2002. - № 3. - С.36-38.

керных закладочных массивов и полностью исключить потребление привозного портландцемента на закладочные работы. Экономическими расчетами выявлено, что производственная себестоимость возведения новых бесклинкерных закладочных массивов в 2 раза ниже, чем цементных с аналогичной нормативной прочностью. Расчеты выполнены в уровне цен 2004 г. Очевидно, что в условиях нынешнего удорожания цемента экономическая эффективность использования нового технического становится более выраженной.

--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

3. Информационное агентство «Интерфакс-недвижимость». Сайт в интернете. - Мо-сква,2007.

4. Информационно-издательский бюллетень фирмы «Цена-Информ»/ Цена Дайджест. - Москва, 2007.

— Коротко об авторах -----------------------------------------------------------

Монтянова А.Н. - доктор технических наук, зав. лабораторией технологий закладки института Якутнипроалмаз, [email protected]

Козлов Е.Н. - кандидат технических наук, старший научный сотрудник горного отдела института Гипроникель, тел. (812) 335-31-01.