Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Исследование физико-химических свойств отходов обогащения железистых кварцитов Курской магнитной аномалии для разработки эффективных закладочных композитов

ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации по теме "Исследование физико-химических свойств отходов обогащения железистых кварцитов Курской магнитной аномалии для разработки эффективных закладочных композитов"

На правах рукописи

ИЗМЕСТЬЕВ Константин Александрович

ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ОТХОДОВ ОБОГАЩЕНИЯ ЖЕЛЕЗИСТЫХ КВАРЦИТОВ КУРСКОЙ МАГНИТНОЙ АНОМАЛИИ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ЭФФЕКТИВНЫХ ЗАКЛАДОЧНЫХ КОМПОЗИТОВ

25.00.20 - Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 4 ОКТ 2013

Белгород - 2013

005535513

Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Белгородский государственный национальный исследовательский университет» на кафедре прикладной геологии и горного дела

Научный руководитель: доктор технических наук

ЕРМОЛОВИЧ Елена Ахмедовна

Официальные оппоненты:

ГОЛОВИН Константин Александрович, доктор технических наук, доцент, профессор кафедры геотехнологий и строительства подземных сооружений, ФГБОУ ВПО ТулГУ, г. Тула,

КОРЧАГИНА Татьяна Викторовна, кандидат технических наук, ОАО «Прокопгипроуголь», главный инженер, г. Прокопьевск.

Ведущая организация: Открытое акционерное общество «Тульское научно-исследовательское геологическое предприятие» (ОАО «ТулНИГП»), г. Тула.

Защита состоится «/У» 2013 г. в /У час. Об мин. на засе-

дании диссертационного совета Д 212.271.04 при Тульском государственном университете, по адресу: 300012, г. Тула, просп. Ленина, 90, 6 корп., ауд. 220.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, подписанные и заверенные печатью организации, просим высылать по адресу: 300012, г. Тула, просп. Ленина, 92, ученый совет ТулГУ, факс: (4872) 33-13-05, e-mail: galina_stas@mail.ru.

Автореферат разослан « // » ОкХ~илл\ 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета —T^^V-- Андрей Борисович Копылов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. При подземном способе добычи полезных ископаемых наиболее рациональным с точки зрения надежности, полноты извлечения руд и экологии является применение систем отработки месторождений с использованием закладки выработанного пространства. Однако применение традиционных компонентов закладочных смесей, таких как цемент и песок, увеличивает стоимость закладки. В связи с этим становится целесообразным применение техногенных отходов в составе закладочных смесей. Горнометаллургическое производство характеризуется образованием значительного количества таких отходов. В черной и цветной металлургии отходы только горного производства в виде твердых горных пород составляют более 210, а хвостов обогащения - 140 млн м3/год. Использование этих отходов в составах закладочных смесей позволило бы значительно экономить ресурсы, а также снизить экологическую нагрузку на окружающую среду в горнодобывающих регионах.

При проектировании составов закладочных смесей на основе лежалых техногенных отходов следует учитывать, что их физико-химические свойства отличаются от свойств текущих отходов, а также от свойств компонентов, традиционно используемых в составах закладочных смесей, поэтому разработка эффективных составов закладочных композитов на основе этих отходов невозможна без всестороннего изучения их свойств.

Таким образом, исследование свойств техногенных отходов и возможности их утилизации является актуальной научно-технической задачей.

Диссертационная работа выполнялась в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг.» (гос. контракт П1077).

Целью работы является установление новых и уточнение существующих закономерностей изменения физико-химических характеристик лежалых техногенных отходов, прочностных и реологических свойств закладочных смесей на их основе для разработки эффективных составов твердеющих закладочных композитов.

Идея работы заключается в том, что эффективные составы закладочных композитов создаются введением в них лежалых отходов железистых кварцитов совместно с другими лежалыми техногенными отходами и пластифицирующим компонентом.

Основные научные положения, сформулированные в работе, состоят в следующем.

1. Поверхность лежалых отходов обогащения характеризуется более высоким содержанием активных центров, чем природный кварцевый песок, традиционно используемый в составе закладочных композитов, и текущие отходы обогащения; а элементный состав лежалых техногенных отходов, усредненный по площади поверхности порошков, значительно отличается от валового химического состава.

2. Объем пор в техногенных отходах экспоненциально зависит от размера частиц их порошков в интервале от 2,8 до 88 мкм.

3. Растекаемость и предел прочности при сжатии закладочных композитов на основе лежалых техногенных отходов описывается полиномиальной зависимостью (третьей степени) от содержания суперпластификатора СП-1, что обосновывает применение СП-1 в количестве 0,5-0,7 % от массы вяжущего.

4. На основе лежалых отходов железистых кварцитов КМА можно получить нормативно прочные бесцементные и малоцементные закладочные смеси (5,5-7 МПа).

5. Скорость продольных волн в бесцементных бетонах изменяется по экспоненциальному закону в зависимости от их предела прочности при сжатии, что обосновывает применение акустического метода для контроля прочности искусственного закладочного массива на основе лежалых техногенных отходов.

Новизна основных научных и практических результатов заключается в том, что:

- установлена экспоненциальная зависимость объема пор от среднего размера частиц порошков техногенных отходов в интервале от 2,8 до 88 мкм;

- установлены полиномиальные зависимости (третьей степени) текучести и предела прочности при сжатии от содержания суперпластификатора СП-1 в интервалах от 0 до 1,1 % и от 0,4 до 0,9 % от массы вяжущего соответственно;

- разработана бесцементная твердеющая закладочная смесь, отличающаяся тем, что в качестве вяжущего она содержит смесь из совместно молотых лежалых кислого доменного гранулированного шлака, отходов обогащения мокрой магнитной сепарации и суперпластификатора СП-1, а в качестве инертного заполнителя - лежалые отходы обогащения мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов;

- разработана малоцементная твердеющая закладочная смесь, отличающаяся тем, что в качестве вяжущего содержит только портландцемент, дополнительно содержит поверхностно-активную добавку в виде суперпластификатора СП-1, а в качестве заполнителя использованы лежалые отходы обогащения мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов и конвертерный шлам.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- корректной постановкой задач исследования, применением классических методов математической физики, математической статистики и теории вероятностей и современных достижений вычислительной математики;

- удовлетворительной сходимостью результатов прогноза с фактическими данными и большим объемом вычислительных экспериментов;

- положительным решением государственной патентной экспертизы технических решений.

Практическая значимость работы заключается в том, что разработаны способы использования лежалых отходов обогащения железистых кварцитов КМА в составах бесцементных и малоцементных закладочных смесей, позволяющие сократить объемы хвостохранилищ и тем самым улучшить экологиче-

скую обстановку на объектах горного производства и территориях, к ним прилегающих.

Реализация работы. Теоретические результаты и технические решения включены в учебные курсы по технической мелиорации грунтов и геоэкологии горных предприятий, а также использованы при выполнении госбюджетных НИР в ФГАОУ ВПО «Белгородский государственный национальный исследовательский университет».

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались на научных конференциях и семинарах: научных симпозиумах «Неделя горняка - 2011» и «Неделя горняка - 2013» (Москва, МГГУ, 2011, 2013); I Всероссийской заочной (с международным участием) научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов (Белгород, БелГУ, 2011); X Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле» (Москва, РГГРУ, 2011); 8-й Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики (Тула, ТулГУ, 2012); 8-й Международной научно-практической конференции «Научният потенциал на света» (Болгария, София, 2012).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 10 научных работ, в том числе 4 в изданиях, входящих в список ВАК. Получен патент на изобретение.

Объем работы. Диссертационная работа изложена на 112 страницах печатного текста, состоит из введения, заключения, 5 глав, содержит 23 таблицы, 16 рисунков, библиографический список из 115 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Основной вклад в разработку научных основ рационального недропользования, комплексного освоения и использования минерального сырья с геологических, технологических, экономических и экологических позиций внесли отечественные ученые и специалисты - М.И. Агошков, В.И. Вернадский, К.А. Головин, Е.И. Захаров, Н.М. Качурин, Д.Р. Каплунов, Н.В. Мельников, H.H. Мельников, Л.А.Пучков, К.Н. Трубецкой, В.А, Ферсман, В.А. Чантурия, H.H. Чаплыгин.

Значительный вклад в разработку способов использования технологических отходов в составе закладочных смесей внесли С.А. Атманских, Р.В. Балах, О.П. Байконуров, Д.М. Бронников, Л.И. Бурцев, А.Л. Вяткин, Н.И. Зощук, Т.В. Корчагина, А.Л. Требуков, В.И. Хомяков, М.Н. Цыгалов и другие исследователи.

Цель и идея работы, а также современное состояние знаний по рассматриваемой проблеме обусловили необходимость постановки и решения следующих задач исследований:

- анализа негативного влияния техногенных отходов на окружающую среду;

- исследования физико-химических свойств лежалых отходов обогащения железистых кварцитов и других техногенных отходов;

- разработки составов твердеющих закладочных смесей с использованием лежалых отходов обогащения и других техногенных отходов;

- исследования свойств твердеющих закладочных смесей с использованием в составе лежалых отходов обогащения и других техногенных отходов;

- разработки условий и параметров технологического процесса подготовки лежалых отходов обогащения и других техногенных отходов к использованию в составе твердеющих закладочных смесей;

- расчета экономического эффекта от применения лежалых техногенных отходов в составе закладочных смесей.

Проектирование эффективных составов закладочных композитов невозможно без всестороннего изучения физико-химических свойств предполагаемых компонентов.

Физико-химические свойства лежалых техногенных отходов отличаются от свойств текущих.

Методами лазерной дифракции установлено (рисунок 1), что в состав лежалых отходов обогащения железистых кварцитов помимо магнетита, гематита, кварца, доломита входят суглинки, характеризующиеся высокой концентрацией поверхностных активных центров, что хорошо подтверждается результатами исследования образцов лежалых отходов обогащения индикаторным методом определения распределения центров адсорбции РЦА.

Рисунок 1 - Дифрактограмма лежалых отходов обогащения железистых кварцитов

Определено, что поверхность лежалых отходов обогащения характеризуется более высоким суммарным содержанием активных центров, чем природный кварцевый песок, традиционно используемый в составе закладочных композитов, и текущие отходы обогащения (рисунки 2-3).

Показатель кислотности рКа

Рисунок 2 — Сравнение концентрации центров адсорбции лежалых отходов (2) и природного песка Болынемаячкинского месторождения (1)

Показатель кислотности рКа

Рисунок 3 - Сравнение концентрации центров адсорбции лежалых отходов (2) и текущих отходов (1)

В сравнении (таблица 1) с текущими отходами и природным песком Яко-влевского месторождения на поверхности лежалых отходов установлено повышенное содержание активных центров, влияющих на гидратационную активность (рКа от -4 до 7 и >13), основных центров, влияющих на нормальную густоту цементного теста (рКа от 7 до 13), и кислотных центров, отвечающих за структурообразование на ранней стадии твердения и пластическую прочность (рКа > 13). Кроме того, повышенное содержание активных центров с рКа от -4 до 7 по сравнению с природным песком позволяет получить закладочные композиты более высокой механической прочности.

Таблица 1 - Сравнение концентрации центров адсорбции текущих отходов, природного песка Большемаячкинского месторождения и лежалых отходов

Наименование Количество центров, мг-экв/м1, при рКа

Основания по Льюису Кислоты по Бренстеду Основания по Бренстеду Кислоты по Льюису Сумма

-4+0 0-7 7-13 >13

Песок 4,0 20,98 18,13 4,89 48,0

Текущие отходы 6,7 25,7 10,44 27,8 70,64

Лежалые отходы 3,9 27,59 21,58 42,64 95,71

В качестве компонента вяжущего в твердеющих закладочных смесях на основе лежалых отходов обогащения железистых кварцитов КМА целесообразно применять молотый доменный гранулированный шлак.

Активность доменного гранулированного шлака и его химический состав изменяются в процессе хранения. Так, исследуемый доменный гранулированный шлак 3 сорта с коэффициентом качества К=1,23, хранившийся в мешках в течение четырех лет, по истечении указанного срока имеет коэффициент качества К=1,08 (таблица 2).

Таблица 2 - Изменение химического состава доменного гранулированного шлака в процессе хранения

Тип шлака Коэффициент качества Химический состав, %

СаО БЮг А12Оз мео МпО Прочие

Свежий 1,23 40,4 42,7 5,4 6,7 0,026 4,78

Лежалый 1,08 35,71 46,81 8,64 6,08 0,02 2,74

Исследование физико-химических свойств компонентов закладочных смесей проводились с использованием оборудования Центра коллективного пользования НИУ «БелГУ» «Диагностика структуры и свойств наноматериа-лов».

Для повышения активности лежалого доменного гранулированного шлака и возможности применения его в качестве вяжущего он измельчался в равной пропорции с лежалыми отходами обогащения железистых кварцитов КМА.

По результатам исследований, определено, что измельчение техногенных отходов приводит к увеличению их пористости, и установлена экспоненциальная зависимость объема пор от среднего размера частиц порошков техногенных отходов в интервале от 2,8 до 88 мкм (1). Коэффициент корреляции составляет 0,988. График зависимости изображен на рисунке 4.

У= 0,7314-ехр(-0,46872-с!) +0,00108. (1)

Размер частиц д, мкм

Рисунок 4 - Зависимость объема пор от среднего размера частиц порошков техногенных отходов

От размера, протяженности и общего объема пор зависит количество поглощаемой влаги. Повышенный расход воды существенно снижает прочность бесцементных и малоцементных закладочных композитов. Снижение водосо-держания смеси для упрочнения твердеющей закладки при сохранении ее по-

движности и транспортабельности достигается применением пластифицирующих добавок.

Исследованиями установлены полиномиальные зависимости (третьей степени) текучести (2) и предела прочности при сжатии (3) от содержания суперпластификатора СП-1 в интервалах от 0 до 1,1 % и от 0,4 до 0,9 % от массы вяжущего соответственно. Коэффициенты корреляции - 0,993; 0,990.

ё = -132,6-С3 + 388,11 -С2 + 328,48-С + 99,977, (2)

ст= 8055,3-С3- 1745ГС2+ 11883-С - 2377,4. (3)

Анализ установленных зависимостей доказывает, что наилучшие прочностные и реологические показатели твердеющих закладочных смесей на основе лежалых отходов обогащения железистых кварцитов КМА достигаются при содержании суперпластификатора в количестве 0,5-0,7 % от массы вяжущего вещества.

Для эффективного проектирования составов закладочных смесей важно учитывать, что взаимодействие компонентов преимущественно осуществляется на контакте поверхности их частиц.

Методами рентгенофлуоресцентной спектрометрии и сканирующей электронной микроскопии установлено, что элементный состав лежалых техногенных отходов, усредненный по площади поверхности порошков, значительно отличается от валового химического состава (таблицы 3-4).

Таблица 3 - Сравнение химического состава лежалых отходов обогащения на поверхности и в объеме

Химический элемент Содержание на поверхности,% Содержание в объеме, %

вЮз 89,46 47,71

Ре203 6,58 39,07

МёО 1,97 2,26

А1203 1,29 1,62

СаО 0,44 7,03

к2о 0,26 0,86

р2о5 - 0,57

N3,0 - 0,34

ТЮ2 - 0,22

МпО - 0,19

803 - 0,13

Таблица 4 - Сравнение химического состава конвертерного шлама на поверхности и в объеме

Химический элемент Содержание на поверхности, % Содержание в объеме, %

Ре203 80,43 82,04

СаО 10,06 11,78

ТпО 4,47 4,50

БЮ, 1,27 0,37

МпО 0,82 0,35

р2о5 - 0,44

БОз - 0,03

РЬО - 0,09

Прочие 2,95 0,40

Химическое картирование поверхности техногенных отходов показало, что распределение химических элементов по поверхности неравномерно (рисунки 5-6). Так, на поверхности лежалых отходов железистых кварцитов КМА из-за крупного помола вследствие существующих ранее схем измельчения и недостаточного раскрытия сростков химические элементы имеют преимущественно очаговое распространение (средний размер частиц 75,86 мкм), а на поверхности конвертерного шлама, напротив, химические элементы равномерно рассеяны по всей площади вследствие высокой дисперсности порошков (средний размер частиц 2,8 мкм).

• Саб | * '! -^ 1 ■ ■ -цру 1 ;: >■ Щ , * , . 'Р, - " , % *" ... > \ " МеО

% "л % Г\ О РсА с! • • ж Н , !ИЯИ н В \

Рисунок 5 - Химическое картирование поверхности лежалых отходов обогащения

11

Рисунок 6 - Химическое картирование поверхности конвертерного шлама

Химическое картирование доказало целесообразность дополнительного помола комплексного вяжущего с целью выведения на поверхность активных веществ.

Определено, что частицы порошков лежалых отходов имеют удлиненную форму, что приводит к увеличению водопотребности бетонной смеси, а это, в свою очередь, дополнительно обосновывает применение суперпластификатора.

На основе установленных зависимостей разработаны эффективные составы бесцеметной и малоцементной твердеющих закладочных смесей, которые позволяют утилизировать лежалые отходы обогащения и попутно лежалые конвертерный шлам и доменный гранулированный шлак, на которые получен патент на изобретение (таблицы 5-6). Разработанный бесцементный композит в составе коллективной экспозиции закладочных материалов награжден серебряной медалью на Московском международном салоне изобретений и инновационных технологий «Архимед-2013».

По результатам экспериментальных исследований доказано, что прочность таких композитов составляет 5,5-7 МПа.

Учитывая, что на горных предприятиях контроль качества закладки сопряжен с некоторыми трудностями (для проверки прочностных свойств отбирается керн, который впоследствии исследуется) наиболее удобным методом контроля качества является акустический. Возможность использования данного метода для контроля качества бесцементных закладочных смесей доказана экспериментально на основе установленной экспоненциальной зависимости (4). Коэффициент корреляции составляет 0,998.

а = 0,37075-ехр(0,00137-У) - 0,91205. (4)

Таблица 5 - Бесцементная закладочная смесь на основе лежалых отходов обогащения железистых кварцитов КМА и других техногенных отходов

Состав закладочной смеси Расход компонентов при изготовлении смеси, % Диаметр пятна растекания по Суттарду, мм Предел прочности при сжатии, МПа Кол-во утилизуемых отходов обогащения, масс. % на сухое вещество

Вяжущее в том числе совместно молотые: — доменный гранулированный шлак (49,7 %) — отходы обогащения (49,7 %) — суперпластификатор СП-1 (0,6 %) 22,65 190 7,0 85,0

Заполнитель 55,35

Вода 22,00

Таблица 6 - Малоцементная закладочная смесь на основе лежалых отходов обогащения железистых кварцитов КМА и других техногенных отходов

Состав закладочной смеси Расход компонентов при изготовлении смеси, % Осадка конуса, мм Предел прочности при сжатии, Мпа Кол-во утилизуемых отходов обогащения, масс. % на сухое вещество

Вяжущее в том числе: - портландцемент -суперпластификатор СП-1 (0,7 %) 8,08 12,5 5,5 89,56

Заполнитель в том числе: - лежалые отходы обогащения (81,7%) - лежалый конвертерный шлам (18,3 %) 69,34

Вода 22,58

Для реализации предлагаемого способа утилизации лежалых техногенных отходов возможно использование стандартного технологического оборудования.

С целью подготовки комплексного вяжущего с лежалыми отходами обогащения железистых кварцитов, лежалым доменным гранулированным шлаком и суперпластификатором СП-1 в составе в технологическую схему вводится стандартная барабанная шаровая мельница мокрого помола МШЦ-3200х4500 производительностью 42-121 т/ч.

Использование лежалых отходов, имеющих естественную влажность 8-15 %, позволяет обходиться без предварительной сушки. Использование лежалых отходов обогащения в закладочных композитах предусматривает применение стандартных операций (рисунок 7). Условия и параметры технологического процесса подготовки лежалых отходов обогащения и других техногенных отходов к использованию в составе твердеющих закладочных смесей приведены в таблице 7.

1 — хвостохранилище 3 — приемный бункер 5 — смеситель

2 - экскаватор 4 - конвейер 6 - шаровая мельница мокрого помола

Рисунок 7 - Схема подготовки отходов к использованию в составе твердеющих

закладочных смесей

Таблица 7 — Условия и параметры технологического процесса подготовки лежалых отходов обогащения и других техногенных отходов к использованию в составе твердеющих закладочных смесей

Наименование Значение

Требуемое количество воды 220 л/т

Сушка материалов не требуется

Совместный помол требуется совместный помол лежалых отходов обогащения, доменного гранулированного шлака и суперпластификатора СП-1 для использования в качестве комплексного вяжущего

Способ помола вяжущего мокрый

Степень измельчения вяжущего до 30 мкм

Производительность до 270 т/ч

Ожидаемый годовой экономический эффект составит 113,0 млн руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе на основе выполненных экспериментальных и теоретических исследований установлены новые и уточнены существующие закономерности изменения физико-химических характеристик лежалых техногенных отходов, прочностных и реологических свойств закладочных смесей на их основе и разработаны эффективные составы закладочных смесей.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем.

1. Исследования физико-химических характеристик лежалых техногенных отходов доказывают, что лежалые техногенные отходы отличаются от текущих по химическому, фазовому составу и концентрации активных центров на поверхности.

2. Элементный состав лежалых техногенных отходов, усредненный по площади поверхности порошков, значительно отличается от их валового химического состава.

3. Установлены: экспоненциальная зависимость объема пор от среднего размера частиц порошков техногенных отходов в интервале от 2,8 до 88 мкм; полиномиальные зависимости (третьей степени) текучести и предела прочности при сжатии от содержания супер пластификатора СП-1 в интервалах от 0 до 1,1 % и от 0,4 до 0,9 % от массы вяжущего соответственно.

4. Установлена экспоненциальная зависимость предела прочности при сжатии от скорости продольных ультразвуковых волн, что подтверждает возможность использования акустического метода для контроля качества и прочности бесцементного закладочного массива.

5. На основе установленных закономерностей разработаны и испытаны рациональные составы закладочных смесей на основе лежалых отходов обогащения железистых кварцитов КМА, при этом доля утилизации техногенных отходов составляет от 85 до 90 % в пересчете на сухое вещество, а предел прочности на сжатие образцов разработанных составов составляет 5,5-7,0 МПа.

6. Доказана целесообразность применения суп ер пластифицирующей добавки в составе твердеющей закладочной смеси в пределах 0,5-0,7 % для улучшения реологических и прочностных свойств.

7. Для технологической реализации предложенного способа приготовления закладочных смесей возможно использование стандартного измельчитель-ного оборудования.

8. Ожидаемый годовой экономический эффект составит 113,0 млн руб.

Основные научные и практические результаты диссертационного исследования автора опубликованы в следующих работах.

1. Ермолович Е.А., Изместьев К.А., Овчинников А.В. Исследование прочностных и деформационных характеристик образцов закладочных композитов на основе горнометаллургических отходов // Научные ведомости БелГУ. Серия Естественные науки. Вып. 15. Белгород: БелГУ, 2011. № 9(104). С. 173-175.

2. Ермолович Е.А., Изместьев К.А., Кирилов А.Н. Техногенные минеральные тонкодисперсные и наночастицы в горно-металлургических отходах промышленного и лаборатор-

ного измельчения // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - Новосибирск: Российская Академия Наук. Сибирское отделение, 2012. № 1 С. 188-195.

3. Ермолович Е.А., Изместьев К.А. Исследование физико-химических свойств горнометаллургических отходов, как компонентов твердеющих закладочных смесей // Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: МГГУ, 2012. № 10. С. 9-16.

4. Ермолович Е.А., Изместьев К.А., Шок И.А., Сергеев А.Л. Твердеющие закладочные смеси на основе лежалых техногенных отходов // Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: МГГУ, 2013. № 2. С. 20-23.

5. Патент на изобретение «Твердеющая закладочная смесь» RU 2455493 С1 от 31.05.2011 г. // Ермолович Е.А., Ермолович О.В., Ермолович A.B., Изместьев К.А., Филимонов A.A.

6. Изместьев К.А. Акустический метод определения деформационных параметров твердеющих закладочных смесей II Современные проблемы освоения недр: материалы I Все-рос. заоч. (с междунар. участием) науч.-практ. конф. молодых ученых, аспирантов и студентов. Белгород, 2011. С. 125-126.

7. Изместьев К.А. Влияние горно-металлургических отходов на окружающую среду // Новые идеи в науках о Земле: материалы X Междунар. конф. М.: РГГРУ, 2011. Т. 3.

8. Изместьев К.А. Исследование поверхности металлургического отхода для утилизации в составе закладочных смесей // Геоэкология и рациональное природопользование: от науки к практике: материалы П Междунар. науч.-практ. конф. молодых ученых. Белгород: «ПОЛИТЕРРА», 2011. С. 137-139.

9. Ермолович Е.А., Шок И.А., Изместьев К.А., Ермолович О.В. Анализ негативного влияния горнопромышленных и металлургических отходов на экологию окружающей среды // Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики: материалы 8 Междунар. конф. по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики. Тула: ТулГУ, 2012. Т. 2. С. 250-257.

10. Ермолович Е.А., Изместьев К.А., Шок И.А., Кирилов А.Н., Донецкий C.B. Исследование влияния суперпластификатора на свойства твердеющих бесцементных и малоцементных закладочных композитов на основе горно-металлургических отходов // Научният потенциал на света: материали за 8-а Международна научна практична конференция. София: «БялГРАД-БГ», 2012. Т. 17. Технологии. С. 53-56.

С. 22.

Подписано в печать 23.09.2013. Times New Roman. Формат 60x84/16. Усл. п. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 211. Оригинал-макет подготовлен и тиражирован в ИД «Белгород» НИУ «БелГУ» 308015 г. Белгород, ул. Победы, 85

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Изместьев, Константин Александрович, Белгород

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Белгородский государственный национальный исследовательский университет»

ИЗМЕСТЬЕВ Константин Александрович

ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ОТХОДОВ ОБОГАЩЕНИЯ ЖЕЛЕЗИСТЫХ КВАРЦИТОВ КУРСКОЙ МАГНИТНОЙ АНОМАЛИИ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ЭФФЕКТИВНЫХ ЗАКЛАДОЧНЫХ КОМПОЗИТОВ

04201363946

На правах рукописи

25.00.20 - геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д-р техн. наук Ермолович Е.А.

Белгород-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.............................................................................................................4

1. Аналитический обзор и постановка задач исследования..........................8

1.1. Негативное воздействие техногенных отходов на окружающую среду..........................................................................................................................8

1.2. Использование техногенных отходов в промышленности..............22

1.3. Использование техногенных отходов в составе закладочных смесей......................................................................................................................24

1.4. Использование суперпластификаторов в составах закладочных смесей......................................................................................................................28

Выводы.............................................................................................................30

2. Физико-химические свойства лежалых отходов обогащения железистых кварцитов КМА и других техногенных отходов как компонентов закладочных смесей...................................................................................................33

2.1. Методика исследований......................................................................33

2.2. Исследование физико-химических свойств лежалых отходов обогащения железистых кварцитов КМА и других техногенных отходов.....39

2.2.1. Концентрация активных центров на поверхности техногенных отходов................................................................................................................40

2.2.2. Химический состав лежалых техногенных отходов..................43

2.2.3. Дисперсность, морфология частиц и пористость порошков отходов................................................................................................................50

Выводы:............................................................................................................57

3. Разработка и исследование закладочных композитов на основе лежалых отходов обогащения железистых кварцитов КМА и других техногенных отходов.................................................................................................59

3.1. Применение суперпластификатора СП-1 в составе бесцементных и малоцементных закладочных смесей..................................................................60

3.2. Разработка эффективных составов твердеющих закладочных смесей на основе лежалых отходов обогащения железистых кварцитов КМА

и других техногенных отходов.............................................................................68

3.3. Использование акустического метода для контроля прочностных

свойств бесцементного закладочного массива...................................................72

Выводы.............................................................................................................78

4. Технологическая схема подготовки лежалых отходов к использованию в составе закладочных смесей..................................................................................80

Выводы.............................................................................................................86

5. Расчет ожидаемой экономической эффективности использования разработанных составов закладочных смесей........................................................87

Выводы.............................................................................................................96

Заключение.......................................................................................................97

Библиографический список............................................................................99

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. При подземном способе добычи полезных ископаемых наиболее рациональным с точки зрения надежности, полноты извлечения руд и экологии является применение систем отработки месторождений с использованием закладки выработанного пространства. Однако применение традиционных компонентов закладочных смесей, таких как цемент и песок, увеличивает стоимость закладки. В связи с этим, становится целесообразным применение техногенных отходов в составе закладочных смесей. Горно-металлургическое производство характеризуется образованием значительного количества таких отходов. В черной и цветной металлургии отходы только горного производства в виде твердых горных пород составляют

Л

более 210, а хвостов обогащения - 140 млн. м /год. Использование этих отходов в составах закладочных смесей позволило бы значительно экономить ресурсы, а также снизить экологическую нагрузку на окружающую среду в горнодобывающих регионах.

При проектировании составов закладочных смесей на основе лежалых техногенных отходов следует учитывать, что их физико-химические свойства отличаются от свойств текущих отходов, а также от свойств компонентов, традиционно используемых в составах закладочных смесей, поэтому разработка эффективных составов закладочных композитов на основе этих отходов невозможна без всестороннего изучения их свойств.

Таким образом, исследование свойств техногенных отходов и возможности их утилизации является актуальной научно-технической задачей.

Диссертационная работа выполнялась в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг.» (гос. контракт П1077).

Целью работы является установление новых и уточнение существующих закономерностей изменения физико-химических характеристик лежалых техногенных отходов, прочностных и реологических свойств закладочных

смесей на их основе для разработки эффективных составов твердеющих закладочных композитов.

Идея работы заключается в том, что эффективные составы закладочных композитов создаются введением в них лежалых отходов железистых кварцитов совместно с другими лежалыми техногенными отходами и пластифицирующим компонентом.

Основные научные положения, сформулированные в работе, состоят в следующем:

1. Поверхность лежалых отходов обогащения характеризуется более высоким содержанием активных центров, чем природный кварцевый песок, традиционно используемый в составе закладочных композитов, и текущие отходы обогащения; а элементный состав лежалых техногенных отходов, усредненный по площади поверхности порошков, значительно отличается от валового химического состава.

2. Объем пор в техногенных отходах экспоненциально зависит от размера частиц их порошков в интервале от 2,8 до 88 мкм.

3. Растекаемость и предел прочности при сжатии закладочных композитов на основе лежалых техногенных отходов описывается полиномиальной зависимостью (третьей степени) от содержания суперпластификатора СП-1, что обосновывает применение СП-1 в количестве 0,5-0,7 % от массы вяжущего.

4. На основе лежалых отходов железистых кварцитов КМ А можно получить нормативно прочные бесцементные и малоцементные закладочные смеси (5,5-7 МПа).

5. Скорость продольных волн в бесцементных бетонах изменяется по экспоненциальному закону в зависимости от их предела прочности при сжатии, что обосновывает применение акустического метода для контроля прочности искусственного закладочного массива на основе лежалых техногенных отходов.

Новизна основных научных и практических результатов:

- установлена экспоненциальная зависимость объема пор от среднего размера частиц порошков техногенных отходов в интервале от 2,8 до 88 мкм;

- установлены полиномиальные зависимости (третьей степени) текучести и предела прочности при сжатии от содержания суперпластификатора СП-1 в интервалах от 0 до 1,1 % и 0,4 до 0,9 % от массы вяжущего соответственно.

- разработана бесцементная твердеющая закладочная смесь, отличающаяся тем, что в качестве вяжущего он содержит смесь из совместно молотых лежалого кислого доменного гранулированного шлака, текущих отходов обогащения мокрой магнитной сепарации и суперпластификатора СП-1, а в качестве инертного заполнителя - лежалые отходы обогащения мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов;

- разработана малоцементная твердеющая закладочная смесь, отличающаяся тем, что в качестве вяжущего содержит только портландцемент, дополнительно содержит поверхностно-активную добавку в виде суперпластификатора СП-1, а в качестве заполнителя используют лежалые отходы обогащения мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов и конвертерный шлам.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- корректной постановкой задач исследования, применением классических методов математической физики, математической статистики и теории вероятностей и современных достижений вычислительной математики;

- удовлетворительной сходимостью результатов прогноза с фактическими данными и большим объемом вычислительных экспериментов;

- положительным решением государственной патентной экспертизы технических решений.

Практическая значимость работы: разработаны способы использования лежалых отходов обогащения железистых кварцитов КМА в составах бесцементных и малоцементных закладочных смесей, позволяющие сократить объемы хвостохранилищ и тем самым улучшить экологическую

обстановку на объектах горного производства и территориях к ним прилегающих.

Реализация работы. Теоретические результаты и технические решения включены в учебные курсы по технической мелиорации грунтов и геоэкологии горных предприятий, а так же использованы при выполнении госбюджетных НИР в НИУ «Белгородский государственный университет».

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались на научных конференциях и семинарах: научных симпозиумах «Неделя горняка - 2011» и «Неделя горняка - 2013» » (Москва, МГГУ, 2011, 2013); I Всероссийской заочной (с международным участием) научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов (Белгород, БелГУ, 2011); X международной конференции «Новые идеи в науках о Земле» (Москва, РГГРУ, 2011); 8-ой Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики (Тула, ТулГУ, 2012); 8-ой международной научно-практической конференции «Научният потенциал на света» (Болгария, София, 2012).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 10 научных работ, в том числе 4 в изданиях, входящих в список ВАК. Получен патент на изобретение.

Объем работы. Диссертационная работа изложена на 112 страницах машинописного текста, состоит из введения, заключения, 5 глав, содержит 23 таблицы, 16 рисунков, список литературы из 115 наименований.

1. Аналитический обзор и постановка задач исследования

1.1. Негативное воздействие техногенных отходов на окружающую

среду

Высокие темпы развития современного промышленного производства обуславливают все большую потребность в сырье, а возрастающая потребность в сырье влечет за собой бурное развитие горной отрасли. В связи с этим объем добываемого минерального сырья в мире каждые 10-15 лет удваивается. А доля Российской Федерации в мировой добыче минерального сырья приближается к 10%[1].

В соответствии со статьей 1 Федерального закона «Об охране окружающей среды» № 7-ФЗ [2] под негативным воздействием на окружающую среду понимается воздействие хозяйственной и иной деятельности, последствия которой приводят к негативным изменениям ее качества.

Негативное воздействие горной промышленности на окружающую среду многопланово и зачатую имеет необратимые последствия. Одним из наиболее важных аспектов неблагоприятного воздействия горного производства на окружающую среду является невысокая степень утилизации горнопромышленных отходов, в связи с чем на значительных площадях формируются техногенные массивы, представляющие собой источники негативного воздействия на почвы, подземные воды, флору и фауну.

По данным [3] на хранилища твердых отходов приходится более 10 % всех нарушенных горным производством земель.

По данным [4, 5] техногенные массивы, образованные отходами горного производства, занимают площадь ОД га на каждую тысячу тонн извлеченного сырья.

Отраслями промышленности, доминирующими по образованию и накоплению отходов, являются угольная и металлургическая (черной и цветной

металлургии). Особенно много отходов образуется на предприятиях угольной промышленности - 1960 млн. т в год. Ежегодно их количество на предприятиях других отраслей составляет (млн. т): черной металлургии - 630, цветной металлургии - 374. [6].

Всего в гидроотвалах и хвостохранилищах на территории России заскладировано около 5 млрд. м3 отходов обогащения полезных ископаемых и

■у

более 1,5 млрд. м вскрышных пород [7].

В таблице 1.1 показано количество образующихся отходов по отраслям промышленности [8].

Таблица 1.1 - Отходы, образующиеся при добыче и переработке минерального сырья

Вскрышные и отвальные

Промышленность породы на 1 т перерабатываемого сырья, т Выход хвостов обогащения, %

Угольная 1-5 10-20

Черная металлургия 2-5 20-30

Цветная металлургия 3-8 70-95

Горная химия 2,5 20-30

Добыча и переработка сырья строительных пород 0,3-0,6 <20

За период с 2007 по 2009 годы в поверхностные хвостохранилища Белгородской и Курской областей заскладировано более 200 млн. т отходов обогащения.

С учетом отвалов, формирующихся при отработке вскрышных пород, производство 1 т концентрата сопровождается образованием от 3,2 до 5,0 т отходов [9].

При производстве железорудного концентрата со средним коэффициентом извлечения 0,4 ежегодно на территории Курской магнитной аномалии образуется около 60 млн. т отходов обогащения. На каждую тонну концентрата приходится 1,5 т отходов на стадии обогащения [10].

Стойленский горно-обогатительный комбинат ежегодно складирует на

л

хвостохранилищах более 8 млн. м отходов (таблица 1.2) [11].

Таблица 1.2 - Показатели работы цеха хвостового хозяйства Стойленского ГОКа

С (-н* и и

Показатель ю г- оо <7\ о

о о о О

ся гч сч

Переработка руды, млн. т 24,6 25,29 25,05 23,47 25,67

Производство концентрата, млн т 11,31 11,62 11,48 10,93 12,08

Объем укладываемых хвостов, млн. м 8,59 8,87 8,84 8,84 8,95

Общее количество не утилизированных отходов горного производства в России превышает 45 млрд. тонн на площади 250 тыс. гектар [12].

Суммарный ущерб от загрязнения техногенными отходами окружающей среды оценивается на уровне 15% ВВП нашей страны [13, 14]

Воздействия, оказываемые отходами на окружающую среду, происходят в различных направлениях. Эти направления можно разделить на четыре основные группы [3, 6, 15, 16, 18, 19].

Негативное воздействие на атмосферу вследствие пыления с сухих поверхностей хвостохранилищ. Известно, что с 1 га сухих участков хвостохранилищ ветром может уноситься от 2 до 5 тонн мелкодисперсной пыли в сутки. Пробы техногенной пыли, отобранные около хвостохранилищ МГОКа, Стойленского ГОКа, Оскольского электрометаллургического комбината содержат в различных концентрациях ряд элементов первого (Хп, РЬ), второго (Сг, Со, N1) и третьего (V, Мп, Ре) классов опасности, при этом концентрация многих из них значительно превышает предельно допустимые и

ориентировочно допустимые концентрации. Рассеивание пыли, сдуваемой с хвостохранилища ОАО «Михайловский ГОК», в приземном слое атмосферы приводится в таблице 1.3 [19].

Таблица 1.3- Рассеивание пыли в приземном слое атмосферы, сдуваемой с хвостохранилища ОАО «Михайловский ГОК», мг/м3

Расстояние от источника пыления, км Количество пыли, рассеиваемой при скорости ветра, м/с

3,5 5,3 6,7 7,8

0,5 0,016 0,181 4,852 26,525

1,0 0,007 0,078 1,924 10,595

1,5 0,004 0,048 1,029 5,824

2 0,003 0,021 0,518 2,810

3 0,002 0,016 0,325 1,724

4 0,002 0,009 0,194 1,056

5 0,001 0,006 0,151 0,812

10 0,001 0,003 0,070 0,294

Пыль представляет для человека наибольшую опасность из всех факторов воздействия техногенных отходов. Из примесей, попадающих в воздух, только пыль обладает выраженным кумулятивным воздействием на организм человека. Пыль в организме накапливается с постепенным наложением первоначально незначительных изменений.

Наиболее опасна для организма пыль, содержащая свободную двуокись кремния в ее кристаллических модификациях, так как она способна вызывать силикоз - одно из тяжелейших заболеваний.

Предельно допустимые концентрации пыли в воздухе варьируются в пределах от 0,01 до 10 мг/м . Наименьшие предельно-допустимые концентрации установлены для пыли, содержащей свинец и его неорганические соединения, уран, хромовый ангидрит, хроматы и бихроматы.

Авторами [20] была оценена пылевая нагрузка в районе расположения Алтайского горно-обогатительного комбината. Хвотохранилища АГОКа расположены у северо-западной окраины города Горняка. Оценка была произведена по массе твердого остатка в снежном покрове (таблица 1.4). Исследование показало, что даже при низкой пылевой нагрузке в районе хвостохранилищ концентрация некоторых тяжелых металлов превышает в несколько раз их фоновое содержание в почве и ПДК.

Таблица 1.4 - Содержание химических элементов в водной и твердой фазах снежного покрова в районе расположения АГОКа

Место отбора проб мг/кг Содержание химических