Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка технологии подготовки гипсосодержащих вяжущих и формирования на их основе закладочных массивов

ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Савич, Олег Игоревич

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Изученность проблемы, задачи и методы исследований.

1.1 .Анализ опыта подготовки вяжущих, смесей и формирования закладочных массивов.

1.2. Высокопрочный гипс.

1.3. Гипсоцементнопуццолановые и гипсошлакоцементнопуццолановые вяжущие вещества.

1.4. Гипсовые вяжущие вещества из гипсосодержащих материалов.

1.5. Свойства гипсовых растворов.

1.6. Практика применения смесей с гипсосодержащим. вяжущим на рудниках.

1.7. Заполнение выработок закладкой.

1.8. Производство строительного гипса.

1.8.1. Тепловая обработка в варочных котлах.

1.8.2. Обжиг гипса во вращающихся печах (сушильных барабанах).

1.8.3. Производство строительного гипса во взвешенном состоянии.

1.9. Цели и задачи исследований.

1.10. Методика исследований.

Глава 2. Дегидратация гипсосодержащих материалов. и подбор на их основе состава вяжущего омпонента.

2.1. Характеристика применяемых материалов.

2.2. Термообработка гипсосодержащих материалов.

2.3. Подбор состава вяжущего компонента.

2.4. Рекомендуемые составы вяжущего компонента.

2.5. Влияние добавок на гипсосодержащие материалы.

Глава 3. Разработка состава закладочной смеси.

3.1. Нормативные требования к закладке.

3.2. Свойства составов закладки на основе гипсоцементного вяжущего.

3.3. Свойства составов с соотношением составляющих вяжущее цемент : гипс 20:

3.4. Свойства составов с соотношением составляющих вяжущее цемент : гипс 22:

3.5. Свойства составов с соотношением составляющих. вяжущее цемент : гипс 25:75.

3.6. Свойства составов с соотношением составляющих. вяжущее цемент : гипс 30:70.

3.7. Анализ результатов экспериментов с составом. закладки на основе гипса.

Глава 4. ТЕХНОЛОГИЯ ЗАКЛАДОЧНЫХ РАБОТ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ В

СОСТАВЕ ВЯЖУЩЕГО ГИПСОСОДЕРЖАЩИХ ПОРОД.

4.1. Общие положения по технологии закладки.

4.2.3амедление сроков схватывания гипсосодержащих закладочных смесей.

4.3. Применение в качестве замедлителя триполифосфата натрия (ТПФ).

4.4.Применение в качестве замедлителя двойного суперфосфата (ДСФ).

4.5. Свойства рекомендуемого состава закладки.

4.6. Исследование транспортабельности закладочной смеси.

4.7 Технология приготовления закладочных смесей.

4.8. Технология возведения закладочного массива.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка технологии подготовки гипсосодержащих вяжущих и формирования на их основе закладочных массивов"

Актуальность проблемы. В настоящее время при подземной разработке месторождений полезных ископаемых в связи с углублением горных работ и усложнением горно-геологических условий всё большее распространение получают технологии, предусматривающие закладку выработанного пространства.

Кроме того, современный этап развития технологий добычи руд характеризуется повышением требований к полноте использования недр, что также достигается, применением систем с закладкой при создании монолитных (твердеющих) массивов. Управление горным давлением закладкой выработанного пространства позволяет также обеспечить большую безопасность ведения горных работ, возможность одновременной отработки месторождения подземным и открытым способами, уменьшить негативное влияние горного производства на окружающую среду. Закладка позволяет достаточно надежно предохранить земную поверхность от оседания, уменьшить площадь изымаемых сельскохозяйственных земель для горных отводов и различного рода отвалов, хвостохранилищ.

Создание монолитных массивов возможно с использованием в составе закладочного материала вяжущих компонентов или консолидации породной закладки посредством воздействия на нее химических реагентов, а также воды, после предварительного преобразования свойств породы.

В качестве вяжущего компонента в составе закладочной смеси в основном используют цемент, реже металлургические шлаки, золы и т.п. Однако, использование дорогостоящих вяжущих или расходы на транспортировку их заменителей существенно увеличивают себестоимость добычи руды. Наибольшего эффекта достигают тогда, когда при формировании закладочных массивов используют исключительно местные материалы. Но и в этом случае, технологии подготовки материалов и возведения искусственных массивов не всегда экономичны.

При подготовке вяжущих компонентов закладочных смесей на основе местных материалов применяют их глубокую переработку, включающую процессы измельчения и «варки», например, гипсосодержащих пород и известняков, что также увеличивает затраты на формирование закладочных массивов.

Исключение ряда технологических процессов при подготовке материалов позволит существенно снизить себестоимость закладки, упростить технологию формирования закладочных массивов и, тем самым, повысить эффективность подземной разработки месторождений полезных ископаемых. Поэтому требуется уделять серьезное внимание разработке бесцементных или малоцементных закладочных составов с использованием местных природных материалов и отходов промышленности, имеющих вяжущие свойства.

К перспективным, отвечающим изложенным требованиям, можно отнести гипсосодержащие материалы как природные, так и в виде отходов производства, при условии их наличия в районе месторождений полезных ископаемых разрабатываемых системами с закладкой.

Нестабильность свойств закладочных массивов сформированных из смесей, включающих гипсосодержащие компоненты в составе вяжущего, вызывает необходимость уточнения параметров закладки.

В связи с этим, разработка технологии подготовки гипсосодержащих материалов и формирования монолитных закладочных массивов на их основе является актуальной научной и практической задачей, имеющей важное значение для горного производства.

Цель диссертации Установление зависимостей для разработки технологии формирования закладочных массивов на основе гипсосодержащих пород и отходов технологических переделов без применения или со снижением расхода дорогостоящих цементных вяжущих.

Основная идея работы заключается в том, что при термообработке гипсосодержащих пород в определенном интервале температур поверхностная часть куска приобретает вяжущие свойства, а его ядро используется как инертный заполнитель.

Методы исследований: анализ литературных источников, опыта и практики, натурные и лабораторные исследования, обработка и технико-экономический анализ экспериментальных данных с применением методов математической статистики.

Основные научные положения, разработанные автором и их новизна:

- термическая обработка дробленых гипсосодержащих пород в интервале температур 105-180°С приводит к формированию на поверхности кусков породы гидравлически активного слоя, который приобретает при этом вяжущие свойства.

- в процессе термообработки дегидратированную часть объема кусков гипсосодержащих пород необходимо доводить до 30 - 60% общего объема куска, что обеспечивает создание вяжущего слоя по поверхности в количестве, достаточном для формирования закладочного массива; временной интервал гидравлического транспортирования закладочной смеси, на основе гипсосодержащего вяжущего и замедлителей схватывания до места укладки ограничен и не превышает 40 минут от момента затворения ее водой;

- параметры укладываемого за один прием массива взаимосвязаны с методом подачи закладочного материала в выработанное пространство, ограничены временем подачи раствора, объемом закладываемых пустот, а также их местоположением в этаже и изменяются по высоте в диапазоне 0,5-2м при слоевой выемке руды и до 5м при заполнении камер.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: использованием современных методов аналитических и экспериментальных исследований, удовлетворительной сходимостью расчетов и результатов экспериментов (расхождение до 15%).

Научное значение работы состоит в получении и оценке зависимостей показателей свойств закладки на основе гипсосодержащего вяжущего от температурного режима его обработки и обосновании параметров процесса подготовки материалов, выборе методов и параметров формирования закладочных массивов на их основе.

Практическое значение работы заключается в разработке технологий подготовки вяжущего и закладочных смесей из гипсосодержащих пород и формировании на их основе монолитных закладочных массивов.

Реализация работы. Разработанные в диссертации технологические решения направлены для использования в проектные институты и предприятия АК «АЛРОСА».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных конференциях «Неделя горняка» (г. Москва, 1998-2002гг.), молодежных конференциях МГГУ, (г. Москва, 1999-2001 гг.), заседаниях кафедры ТПР МГГУ (г. Москва, 1998-2002 гг.), научно-практической конференции «Мирный 2001».

Заключение Диссертация по теме "Геотехнология(подземная, открытая и строительная)", Савич, Олег Игоревич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научной классификационной работой, содержащей решение актуальной для горнорудной промышленности задачи разработке технологии подготовки гипсосодержащих материалов и формирования закладочных массивов на их основе.

В результате проведенных исследований изучен процесс подготовки многокомпонентного вяжущего на основе гипсосодержащих пород и закладочных смесей с замедляющими добавками. Определен характер изменения прочностных свойств закладки в зависимости от содержания вяжущих компонентов и гранулометрического состава инертного заполнителя, представленного смесью отвальных пород и хвостов обогащения.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Установлена возможность использования гипсосо держащего вяжущего, после его предварительной термической поверхностной обработки в интервале температур 120 - 180 С, в многокомпонентных твердеющих закладочных смесях при совместной и раздельной транспортировке их составляющих в закладываемое выработанное пространство.

2. Обработку гипсосодержащих пород с фракционным составом +10 + -40мм необходимо проводить в интервале температур 120-180 градусов, с доведением обожженной части материала до 30-60% от общей обрабатываемой массы, при этом не подвергшееся дегидратации ядро куска остается как инертный заполнитель.

3. Формирование искусственного массива осуществляется с набором прочности в короткие сроки, что позволяет обеспечить концентрацию очистных работ за счет сокращения количества отрабатываемых выемочных единиц. Наиболее целесообразно такие составы использовать при слоевой восходящей выемке руды, в вариантах камерных систем разработки на вторичных стадиях закладочных работ.

4. Прочность закладки во времени в связи с применением гипсосодержащего компонента, имеющего короткие сроки схватывания, изменяется за исследуемый период (6 месяцев) в небольшом диапазоне. При применении на практике можно исходить из положения, заключающегося в том, что максимальных значений прочность закладки достигает в течение 2-4 недель после ее укладки в выработанное пространство, что позволит существенно сократить фронт очистных работ в процессе эксплуатации месторождения.

5.Транспортирование закладочной смеси до места укладки следует производить раздельным способом. При этом в зависимости от вида добавки, состав компонентов, проходящий по двум ветвям до момента смешения, подбирается в каждом конкретном случае. Например, при применении добавок ТПФ и ДСФ, состав, проходящий по ветви с гипсом, будет выглядеть следующим образом:

- гипс + ТПФ;

- гипс +ДСФ + породы.

6. При применении замедляющих добавок необходимо исходить из того, что их дозирование должно быть строго регламентировано, поскольку в случае превышения расхода возможен переход дегидратированного гипса в двуводный и, таким образом, вяжущее будет представлено только цементом.

7. Прочностные свойства закладочного материала, включающего замедляющие добавки, снижаются в 1,2 - 3 раза, по сравнению с составами без замедлителей сроков схватывания, что взаимосвязано с видом и количеством добавки. С учетом необходимости минимального воздействия на свойства закладки рекомендуется использовать двойной суперфосфат в порошкообразном состоянии или растворе в количестве до 1,5% от веса гипсосодержащего компонента в вяжущем.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Савич, Олег Игоревич, Москва

1.Основы технологии подземной разработки рудных месторождений с закладкой / Д.М. Бронников, Н.Ф. Замесов, Г.С. Кириченко и др. М., Наука, 1973.

2. Закладочные работы в шахтах: Справочник / Под ред. Д.М. Бронникова, М.Н. Цыгалова. М., Недра, 1989.-400с. :ил.

3. Цыгалов М.Н. Подземная разработка с высокой полнотой извлечения руд. М., Недра, 1985.

4. Цыгалов М.Н., Зурков П.Э. Разработка месторождений полезных ископаемых с монолитной закладкой. М., Недра, 1970.

5. Вяткин А.П., Горбачев В.Г, Рубцов В.А. Твердеющая закладка на рудниках. М., Недра, 1983.

6. Кравченко В.П., Куликов В.В. Применение твердеющей закладки при разрабоке рудных месторождений. М., Недра, 1974.

7. Цыгалов М.Н., Слащилин И.Г., Якобсон Э.В. Эффективность замены цемента шлаками в составе твердеющей закладки. Горный журнал, 1986, № 4, с. 24 - 26.

8. Шварц Ю.Д., Андреева Н.Г., Гальперин В.Г. Способы активации закладочных смесей. М., ЦНИИЦветмет экономики и информации, 1983, вып. 2 «Горное дело», с. 50.

9. Панютин А.Г. Строительный гипс в стеновых конструкциях зданий. Госсстройиздат, 1963.

10. Скрамтаев Б.Г., Булычев Г.Г. Высокопрочный гипс по методу «самозапаривания». Стройиздат, 1945.1.. Печуро С.С. Производство гипсовых и гипсобетонныхизделий и конструкций. «Высшая школа», 1971.

11. Волженский А.В., Ферронская А.В., Васильева Т.А. Свойства высокопрочных бетонов на ГЦП вяжущих. «Строительные материалы», 1967, №12.

12. Волженский А.В., Буров Ю.С. и др. Минеральные вяжущие вещества. М., Стройиздат, 1979.

13. Юнг В.Н. , Бутт Ю.М., Окороков С.Д. Технология вяжущих веществ. М., Промстройиздат 1952.

14. Ласис А.Ю. О природе связи воды в полуводном гипсе. «Строительные материалы», 1971,№1

15. Волженский А.В., Ферронская А.В., Венец А.Е. Усовершенствованный метод получения высокопрочного гипса. «Строительные материалы», 1964, №4.

16. Матвеев М.А. Водоустойчивость гипсовых стройизделий и способы ее повышения. Промстройиздат, 1951.

17. Ребиндер П. А. Процессы структурообразования в дисперсных системах. Сб. статей «Физико-химическая механика стройматериалов», т.324, 1966.

18. Палагин Г.С., Куроцапов М.С. Повышение атмосфероустойчивости гипсовых изделий. М., «Промышленность стройматериалов, 1941.

19. Будников П.П., Гулинова Л.Г.,Торчинская С.А. Гипсовые безобжиговые цементы. «Украинский химический журнал» т.21, вып.2, 1955.

20. Копелянский Г.Д., Юрчик С.И. стойкость гипсовых вяжущихпротив влажиостных влияний при нормальных и пониженных температурах. Сб. трудов вып.4, БТИ, 1947.

21. Волженский А.В., Иванникова Р.В. Гипсоцементные и гипсошлаковые вяжущие вещества. «Строительные материалы, изделия и конструкции», №4, 1955.

22. Ратинов В.Б., Ферронская А.В., Балдин В.П. Стойкость гипсоцементнопуццолановых вяжущих под воздействием кислых сред . «Строительные материалы», 1969, №7.

23. Справочник по производству гипса и гипсовых изделий. Госстройиздат, 1963.

24. Морова А.А. Адгезионная способность сульфатных вяжущих. Сб. трудов ППИ, № 35, 1969.

25. Мчедлов-Петросян О.П., Бершадский Ф.И. Химия неорганических строительных материалов. Стройиздат, 1971.

26. Стамбулко В.И., Арадовский Я.Л. Жесткие гипсоцементнопуццолановые бетоны несущих панельных конструкций. «Строительные материалы», №9, 1964.

27. Чехов А.П., Сергеев A.M. Справочник по бетонам и растворам. Киев, Будивельник, 1972.

28. Меркин А.П., Сахаров Г.П. Об улучшении свойств гипса поверхностно-активными веществами. «Строительные материалы», 1964, №6.

29. Доценко В.Ф., Крикуненко В.К. и др. Прочностные и гидравлические свойства материалов для монолитных перемычек. «Уголь Украины», 1981, № 4.

30. Закладка выработанного пространства гипсом «Танко гидзюцу Colliery end». 1978. дек. 1 6 (Япония).

31. Временное руководство по применению фосфогипсовоговяжущего в угольных шахтах. М., ИГД им. Скочинского, 1985.

32. Технологическая инструкция по производству закладочных работ на рудниках Норильского комбината. Норильск, 1981.

33. Технологическая инструкция по производству закладочных работ на Учалинском и Узельгинском подземных рудниках. Свердловск, 1990.

34. Мак И.Л., Ратинов В.Б., Силенок С.Г. Производство гипса и гипсовых изделий. Госстройиздат, 1961.

35. Кравченко В.Т. Разработка и внедрение технологий твердеющей закладки при освоении обширных пологопадающих месторождений высокоценных руд в условиях крайнего севера. Автореферат дисс.-М., 1998

36. Палий В.Д. , Смелянский Е.С., Кравченко В.Т. Определение нормативной прочности твердеющей закладки. Горный журнал, 1983, № 3, с. 25-28.

37. Смолдырев А.Е. Гидро- и пневмотранспорт в металлургии. М., Металлургия, 1985.

38. Покровская В.Н. Трубопроводный транспорт в горной промышленности. М., Недра, 1985.

39. Методические указания по определению нормативной прочности твердеющей закладки и оценке прочностных своств искусственных массивов. / В.Д. Палий, Е.С. Смелянский, В.Т. Кравченко и др. Л.,ВНИМИ. 1975.

40. Справочник по горнорудному делу. Под редакцией

41. В.А.Гребенюка, Я.С. Пыжьянова, И.Е.Ерофеева. М., Недра, 1983

42. Осипов И.Д., Илюшин А.П. Оценка способов транспортирования закладочных смесей по трубопроводу в зависимости от их состава. В сб. «Совершенствование технологии добычи и обогащения руд цветных металлов», Свердловск, 1983, с. 65 67.

43. Илюшин А.П. Расчет составов твердеющих закладочных смесей с крупным заполнителем для транспортирования по трубам. В сб. «Совершенствование технологии добычи и обогащения руд цветных металлов», Свердловск, 1983, с. 67 70.

44. Волженский А.В., Бобкина И.И. Композиции из отвальных зол и известковогипсовоцементных вяжущих для приготовления легких бетонов. «Строительные материалы», № 7,1983.

45. Волженский А.В., Бобкина И.И. Структурная пористость и теплофизические показатели неавтоклавного микроспорита. «Строительные материалы», № 11, 1983.

46. Савич Г.В., Савин В.Ф., Савич И.Н., Савина P.M. Способ приготовления твердеющей закладки. Авт.Св. №1418479. 23.08.88. Бюл. №31.

47. Rohland P. Der Stuck und Estrichqips, 1964.

48. Riddel W . "Rock Products ", т.57,1954.

49. Докукина Ж.П. Некоторые особенности гипсовых вяжущих с добавкой солей сополимеров дикарбонатовых и метакриловой кислот. Сб. докладов научно-технической конференции по применению гипса и ГЦП вяжущих в городском и сельском строительстве. М., 1969.

50. Савич О.И. Свойства закладки на основе гипсосодержащихпород.: Горный аналитический бюллетень. М.: Издательство МГГУ, 2001, №8.

51. Хомяков В.И. Зарубежный опыт закладки на рудниках. М., Недра, 1984.294с.

52. Ариоглу Э., Лю Кечьжень, Сунь Кайнянь и др. Разработка месторождений с закладкой: Пер. с англ./ Под ред. С. Гранхольма.-М. Мир,1987.-519см.,ил.

53. Савич О.И. Подбор состава закладочной смеси на осонове гипсосодержащих пород. Горный аналитический бюллетень. М.: Издательство МГГУ, 2001, №8.

54. Кузьмин Е.В., Савич О.И. Формирование закладочного массива на основе гипсосодержащего вяжущего. Горный аналитический бюллетень. М.: Издательство МГГУ, 2002.

55. Шварц Ю.Д., Андреева Н.Г., Гальперин В.Г. Способы активации закладочных смесей. М., ЦНИИЦветмет экономики и информации, 1983, вып.2 "Горное дело". С.52

56. Требуков А.П. Применение твердеющей закладки при подземной добыче руд. М., Недра, 1981

57. Формирование закладочного массива при слоевой системе разработки с закладкой / Г.С. Кириченко, Л.В. Малетин, Е.Г. Гришин, В.Е. Видергауз. В кн.: Теория и практика разработки рудных и нерудных месторождений. - М., изд. ИПКОН АН СССР, 1986, с. 137-146.

58. Крупник Л.А., Соколов Г.В., Герасимов B.C. Технология закладочных работ с полным использованием хвостов обогащения,- В кн.: Совершенствование технологии добычи руд с закладкой (на рудниках

59. Казахстана).- Алма-Ата, Наука, 1986, с. 81-106.

60. Палий В.Д., Смелянский Е.С., Кравченко В.Т. Определение нормативной прочности твердеющей закладки. Горный журнал, 1983, №3, с 25-28.

61. Смолдырев А.Е. Технология и механизация закладочных работ. М., Недра, 1974.

62. Савич О.И. Подготовка гипсосодержащего вяжущего. Горный аналитический бюллетень. М.: Издательство МГГУ, 2002.

63. Полоник П.И., студ. Савич О.И. Технология пастовой закладки при подземной разработке руд. Горный информационный аналитический бюллетень. М.: Издательство МГГУ, 1998г., №6.