Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Технологические решения по утилизации резинокордовых отходов при закладке очистного пространства на кимберлитовых рудниках

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

Автореферат диссертации по теме "Технологические решения по утилизации резинокордовых отходов при закладке очистного пространства на кимберлитовых рудниках"

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО УТИЛИЗАЦИИ РЕЗИНОКОРДОВЫХ ОТХОДОВ ПРИ ЗАКЛАДКЕ ОЧИСТНОГО ПРОСТРАНСТВА НА КИМБЕРЛИТОВЫХ РУДНИКАХ

г

Специальность 25.00 22 - «Геотехнология (подземная, открытая и строительная)»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2007

00305Э430

003059430

Работа выполнена в Московском государственном горном университете

Научный руководитель

доктор технических наук САВИЧ ИГОРЬ НИКОЛАЕВИЧ

Официальные оппоненты-доктор технических наук, профессор БОРОВКОВ ЮРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ кандидат технических наук ТАВОСТИН МИХАИЛ НИКОЛАЕВИЧ

Ведущее предприятие: ФГУП «ГИПРОЦВЕТМЕТ» (г. Москва)

Защита диссертации состоится « 8 » июня 2007 года в 1100 часов на заседании диссертационного совета Д-212.128.03 при Московском государственном горном университете по адресу 119991, г. Москва, Ленинский проспект, д 6

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета

Автореферат разослан « 8 » мая 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук

МЕЛЬНИК ВЛАДИМИР ВАСИЛЬЕВИЧ

Общая характеристика работы Актуальность работы Подземная разработка месторождений полезных ископаемых при применении технологий с закладкой выработанного пространства отличается высокими показателями извлечения, однако сопряжена со значительными затратами на добычу. Повышение эффективности добычи за счет снижения затрат на производство закладочных работ достигается при использовании местных природных материалов и отходов производства, что в свою очередь позволяет снизить расходы на содержание земельных отводов под отвалы, хвостохранилища, а также складов использованных материалов и отслужившей свой срок техники

Например, за 50-летний период работы горнодобывающих предприятий на территории Мирнинского района скопилось около 100 тыс тонн резинокордовых отходов, в том числе, изношенных шин от карьерных автосамосвалов и другой колесной техники, транспортерных лент и тп Вывоз резинокордовых материалов экономически нецелесообразен, поэтому их складирование осуществляется путем совместного хранения в зоне горных отводов, занимая значительные площади

На сегодняшний день существует множество различных видов технологий по переработке, утилизации и вторичному использованию резинокордовых изделий Вопрос утилизации отходов производства, в том числе резинокордовых, приобретает существенную значимость в связи с планами по вторичной переработке хвостов обогащения и отвалов

В то же время, добыча и транспортировка заполнителя (песка) для закладки в условиях крайнего севера значительно осложнена в связи с климатическими условиями, поэтому все основные работы по подготовке заполнителя производятся в летний период.

Одним из путей снижения затрат на заполнитель является его частичная замена на резинокордовую крошку Возможность применения закладки с резинокордовым заполнителем и установление ее соответствия

предъявляемым требованиям по прочностным и деформационным свойствам позволит решить ряд вопросов, в частности.

• освобождение площадей, использующихся для хранения изношенных автопокрышек,

• частичное замещение дорогостоящего заполнителя,

• повышение безопасности ведения подземных горных работ за счет использования закладки с повышенной пластичностью

В связи с вышеизложенным, обоснование технологических решений по утилизации резинокордовых отходов в закладку при подземной разработке месторождений полезных ископаемых системами с искусственным поддержанием очистного пространства является актуальной научной и практической задачей для горной промышленности

Цель работы - установление закономерностей изменения свойств закладки в зависимости от состава заполнителя с резинокордовыми отходами и обоснование рациональных составов твердеющей смеси для разработки технологических решений по утилизации резинокордовых отходов при закладе очистного пространства, позволяющих повысить эффективность добычи руды на кимберлитовых рудниках.

Основная идея работы заключается в утилизации резинокордовых отходов горнодобывающих предприятий в заполнитель закладочной смеси при формировании искусственных массивов с повышением несущей способности за счет изменения их физико-механических свойств

Научные положения, разработанные лично соискателем:

• для обеспечения нормативных характеристик несущего и вторичного слоев закладки концентрация резинокордовой крошки в закладочной смеси должна варьироваться в диапазоне от 20% до 35% от общего объема заполнителя,

• для повышения эффективности использования резинокордового заполнителя, его, после предварительного замораживания и измельчения до фракции -4 мм, следует подавать по объединенной технологической линии с вяжущим, представленным цементным молоком;

• при использовании резинокордовой крошки в закладку модуль деформации затвердевшей смеси увеличивается в 2 - 3 раза, а разрушение

носит упруго-пластический характер с высоким значением остаточной прочности, что повышает уровень безопасности ведения подземных горных работ

Научная новизна работы заключается в следующем:

• научно обоснована возможность утилизации резинокордовых отходов в состав закладочной смеси в виде крошки и диапазон ее концентрации в общем объеме заполнителя;

• доказана эффективность использования резинокордовой крошки и установлен ее рациональный фракционный состав для закладочной смеси при применении системы разработки с нисходящей слоевой выемкой,

• установлено, что с увеличением модуля деформации затвердевшей смеси, вызванным присутствием резинокордового заполнителя, разрушение носит упруго-пластический характер с высоким значением остаточной прочности

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются применением современных методов экспериментальных и аналитических исследований, включающих в себя определение нормативных характеристик, постановку лабораторно-исследовательских работ и анализ полученных экспериментальных данных с помощью методов математической статистики, удовлетворительной сходимостью полученных результатов экспериментов и расчетов (расхождение до 15%)

Научное значение работы заключается в установлении зависимостей физико-механических свойств закладки с добавлением резинокордовой крошки от содержания ее в заполнителе, выборе технологических схем и параметров формирования закладочных массивов.

Практическое значение работы заключается в разработке составов закладочной смеси с использованием резинокордовой крошки в заполнитель, технологических схем подачи компонентов закладочной смеси и параметров формирования закладочного массива. При утилизации резинокордовых

отходов в закладку одновременно решаются экологические проблемы, закладочный массив обеспечивает нормативные характеристики и повышает уровень безопасности при проведении подземных горных работ.

Использование резинокордовых отходов в закладку позволяет снизить затраты на производство закладочных работ за счет частичного замещения дорогостоящего заполнителя Экономия с учетом закупки оборудования и себестоимости производства резинокордовой крошки составит 23 - 25 миллионов рублей в год, без учета штрафных выплат за восстановление природного ландшафта

Реализация работы. Разработанные в диссертации технологические решения и составы закладочных смесей с применением резинокордовой крошки в качестве заполнителя рекомендованы к применению в условиях кимберлитовых месторождений западной Якутии, в частности, рудника «Интернациональный».

Апробация работы. Основное содержание работы и ее отдельные положения докладывались и получали положительные отзывы на конференциях МГГУ «Неделя Горняка» (2001 - 2006 гт), а также на научных семинарах кафедры « Технологии подземной разработки рудных и нерудных месторождений» (2001 - 2006 гт)

Публикации. Основные аспекты диссертационной работы отражены в 3 статьях

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 35 рисунков, 12 таблиц и список литературы из 55 наименований.

Основное содержание работы

При подземной разработке месторождений полезных ископаемых широкое распространение в отечественной и зарубежной горнодобывающей промышленности получили системы разработки с искусственным поддержанием очистного пространства. Особенно большое распространение

эти технологии получили при добыче ценных руд, к которым можно отнести и кимберлитовые месторождения Якутии.

Исследованиями в области формирования закладочных массивов занимались такие известные ученые: Агошков М И., Аксенов Н.И., Байконуров О.А, Белов Г.М, Белых В Т, Бронников Д.М, Замесов Н.Ф, Казикаев Д М, Калмыков В Н., Кравченко В Т, Крупник Л А., Меркулов А Н, Мирошник К В , Монтянова А.Н, Руденко В В., Слащилин И.Т., Цыгалов М Н, Цыгалов Ю.М и многие другие.

В их работах рассмотрены способы и установлены закономерности формирования искусственных закладочных массивов, изучены процессы транспортировки, и распределения закладочной смеси в выработанном пространстве, освещены и многие другие вопросы, связанные с технологиями ведения закладочных работ. В частности, большое внимание уделено разработке составов с местными дешевыми вяжущими компонентами и использованию отходов перерабатывающих производств в качестве заполнителя закладочной смеси.

От свойств исходных материалов во многом зависят характеристики, как закладочной смеси, так и сформированного искусственного закладочного массива Поэтому, подбор состава смеси является базовым элементом, определяющим технологию закладочных работ.

На одну единицу объема закладки приходится порядка 10 - 30% вяжущего и 70 - 90% заполнителя, который и служит несущей основой и определяет основные физико-механические свойства закладочного массива Основными требованиями, предъявляемыми к заполнителю, являются следующие свойства, небольшая растворимость в водной среде, отсутствие примесей, препятствующих адгезии, несущая способность, составляющая не менее 10 - 20% от нормативной прочности требуемого закладочного массива и фракционный состав, позволяющий осуществлять доставку до выработанного пространства в соответствие с принятыми технологиями на горнодобывающем предприятии

Стоимость материалов для закладки составляет порядка 60 + 70% в общей стоимости закладочных работ. Существенная часть затрат приходится на заполнитель, пластификаторы и другие компоненты закладочной смеси. Особенно высока их себестоимость в регионах Крайнего Севера, где затраты на добычу заполнителя (песка) приближаются к стоимости вяжущих компонентов Прежде всего, это обусловлено климатическими условиями, в которых большая часть объемов песка заготавливается в летний период во время частичного оттаивания многолетнемерзлых пород Подготовка заполнителя является крайне энергоемким и трудоемким процессом

Одним из направлений снижения затрат на формирование искусственного массива является создание технологии закладочных работ твердеющими смесями с частичным замещением в заполнителе песка резинкордовой крошкой. В соответствие с целью диссертации были поставлены и решены следующие задачи.

• исследование физико-механических характеристик резинокордовой крошки, получаемой из переработанных покрышек автосамосвалов;

• определение прочностных свойств образцов закладочного массива при замене части заполнителя резинокордовой крошкой,

• определение рационального гранулометрического состава резинокордовой крошки,

• определение процентного содержания резинокордовой крошки в образцах закладки, удовлетворяющего нормативным характеристикам закладки в конкретных горнотехнических условиях,

• разработка и обоснование технологической схемы закладочных работ с применением резинокордовой крошки;

• технико-экономическое сравнение предлагаемой технологии закладки выработанного пространства с технологией, применяемой в настоящее время.

Одним из основных критериев оценки закладки является ее устойчивость при горизонтальном и вертикальном обнажении, в котором

ключевую роль играет предел прочности закладки на одноосное сжатие Снижение фактической прочности ниже нормативной категорически недопустимо из соображений безопасности проведения подземных горных работ, превышение же влечет за собой неминуемое удорожание закладочных работ

При формировании закладочного массива, например, на руднике «Интернациональный», несущий слой выполняется из марок (М40) и (М50) с дополнительным упрочнением посредством применения армирования дна очистного пространства на высоту порядка 1,5 м, а остальной объем выработанного пространства заполняют закладочной смесью марки (МЗО)

В этих составах количество вяжущего изменяется в пределах 150 - 500 кг/м3, содержание песка варьируется в пределах 955 - 1229 кг/м3, плотность составляет 1788 — 1884 кг/м3. С учетом этого, исследования проводили на следующих составах закладочной смеси.

• вяжущее (цемент марки портланд М400) - 300 кг/м3,

• заполнитель - 715 -1300 кг/м3;

• содержание резинокордовой крошки в общем объеме заполнителя 5 - 45% (45,4 - 408,4 кг/м3);

• вода - 330 кг/м3

В дальнейшем были определены прочностные характеристики образцов закладочной смеси и установлено их соответствие нормативным показателям.

Для этого проводили испытания нескольких серий образцов в виде кубиков 70x70x70 мм в возрасте 1, 5, 7, 28, 60 и 180 дней В процессе проведения экспериментов определяли прочностные и компрессионные свойства закладки По результатам проведенных испытаний были построены диаграммы полного деформирования образцов

Полная диаграмма деформирования горных пород при одноосном сжатии в режиме заданных деформаций представляет графическое изображение экспериментальной зависимости продольного сжимающего

напряжения (о) в образце от задаваемых, на силовой установке (прессе), продольных деформаций (еО и, одновременно построенной экспериментальной зависимости поперечных деформаций (е3) от задаваемых продольных (£1) Эксперимент в режиме заданных деформаций позволяет построить диаграмму деформирования как до предела прочности (допредельная ветвь диаграммы), так и за пределом прочности на одноосное сжатие (запредельная ветвь диаграммы), в отличие от традиционного эксперимента в режиме заданной нагрузки, когда строится только допредельная ветвь.

Полная диаграмма деформирования несет информацию о механических свойствах горных пород (деформационных и прочностных), что необходимо для прогнозирования различных проявлений горного давления и проектирования грузонесущих элементов породных или искусственных массивов. Результаты испытаний образцов на прочность при одноосном сжатии представлены в табл 1.

Таблица 1

Прочность образцов закладки с применением резинокордовой крошки

Возраст закладки, (сутки) Прочность образцов на одноосное сжатие, МПа

5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45%

1 0,335 0,321 0,311 0,290 0,251 0,158 0,244 0,233 0,201

5 1,314 1,307 1,224 1,201 1,220 1,339 1,121 1,093 1,087

7 2,201 2,138 2,121 2,098 1,986 1,563 1,471 1,439 1,397

28 4,519 4,508 4,498 4,486 3,199 3,127 2,936 2,892 2,774

60 4,661 4,692 4,701 4,710 3,273 3,259 3,007 2,991 2,925

180 4,709 4,742 4,751 4,768 3,307 3,299 3,037 3,020 2,967

Анализируя полученные результаты, можно сделать вывод о том, что увеличение процентного содержания резинокордовой крошки разупрочняет закладку Сравнительная оценка полученных результатов с

характеристиками, принятыми на производстве, можно сделать вывод о том, что составы с содержанием резинокордовой крошки до 20% имеют прочность на одноосное сжатие идентичную с составом марки (М40)

Как показывают технико-экономические расчеты, при наличии в объеме заполнителя резинокордовой крошки не менее 20%, ее утилизация в закладку наиболее целесообразна при нисходящем порядке отработки и условии соответствия прочностным характеристикам, рис 1.

Рис.1. Зависимость изменспия затрат на производство закладочных работ ог содержания резинокордопои крошки в составе заполнителя закладочной смеси.

В связи с этим в дальнейшем исследования проводили на смесях, составы которых приведены в табл 2

Таблица 2

Составы закладочных смесей с применением резиновой крошки

кг/м3 Вяжущее (цемент) Заполнитель (песок) Резинокордовая крошка Вода Плотность закладки

20% 300 1040 381,5 330 1851,5

25% 300 975 226,8 330 1831,8

30% 300 910 272,1 330 1812,1

35% 300 845 317,5 330 1792,5

Динамика изменения прочности закладки при добавлении резинокордовой крошки представлена на рис 2, а кинетика набора прочности образцов закладки показана на рис 3.

а =4,519 (МПа)

о №

О &

а =4,50 1- 8 (МПа ^-- <т=4,4 , <з=4/ 38 (МП; К 1)

=3,199 ( ЛПа) ___а =2,9361 МПа)

о =3,1 27 (МП —4— ст =2^92 (МГ 1 о =2,

774(МПа)

10 15 20 25 30 35 40 Содержание резинокордовой крошки в смеси,(%)

45

Рнс.2. Динамика изменения прочности закладки от содержания резинокордовой крошки в смеси.

о 3

л -В 2

о

о 1 1

/ /

/ У 1— / / / Ч

/

/

20% ▼ 25% • 30% Ж 35% ■

5,7

28

60

180

(супси)

Рис.3. Кинетика набора прочности образцов закладки с течением времени.

Анализ результатов исследований позволяет сделать вывод о том, что прочность образцов закладки резко снижается после того, как в заполнителе 20% песка заместили резинокордовой крошкой. Таким образом, с учетом требований, предъявляемых к закладке, при нисходящем порядке отработки запасов для формирования несущего слоя искусственной кровли можно

использовать составы закладочных смесей с частичным замещением в заполнителе песка на резинокордовую крошку до 20%

При отработке месторождения с восходящим порядком, использование резинокордовой крошки целесообразно варьировать в пределах 25 - 35% При дальнейшем увеличении содержания резинокордовой крошки в смеси, прочностные свойства закладки не отвечают предъявляемым требованиям

Диаграммы полного деформирования образцов соответствующих составов, представлены на рис. 4,5,6,7.

На диаграмме полного деформирования образцов при 20% содержании резинокордовой крошки отображены обе деформационные ветви по двум составам. Пунктиром показаны характеристики образцов из состава, используемого в настоящее время на производстве. Сплошными линиями на графике показано изменение свойств закладки при использовании резинокордовой крошки

Я-.(ЭДПа)

а =4,486 (МПа)

2,?/

./ <т=2,098(МПа)

\

в = 1,201 (МПа)

Щ а = 0,290 (МПа)

Е, 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05

Рис.4. Диаграмма деформирования образцов с 20% содержанием резинокордовой крошки. Состав смеси: заполнитель (песок) - 1040 кг/м3, вяжущее (цемент) - 300 кг/м3, резинокордовая крошка - 182 кг/м3, вода - 330 кг/м3.

о„,(МПа) 4,0

Ё, 0^05 0,04 0,03 0,02 0,01 0 0^01 0,02 0,03 0,04" 0,05 Ё

Рис.5. Диаграмма деформирования образцов с 25% содержанием резинокордовой крошки. Состав смеси: заполнитель (песок) - 975 кг/м3, вяжущее (цемент) - 300 кг/м3, резинокордовая крошка - 227 кг/м3, вода - 330 кг/м3.

о„,(МПа) 4,0

3,5

а = 3,127 (МПа)

Рис.6. Диаграмма деформировании образцов с 30% содержанием резинокордовой крошки. Состав смеси: заполнитель (песок) - 910 кг/м3, вяжущее (цемент) - 300 кг/м3, резинокордовая крошка - 272 кг/м3, вода - 330 кг/м3.

Рис.7. Диаграмма деформирования образцов с 35% содержанием резинокордовой крошки. Состав смеси: заполнитель (песок) — 845 кг/м3, вяжущее (цемепт) - 300 кг/м3, резинокордовая крошка - 318 кг/м3, вода - 330 кг/м3.

Изменение содержания резинокордовой крошки в образцах при одинаковой максимальной вертикальной нагрузке, влияет на показатели относительных деформаций в продольном и поперечном направлениях. Присутствие в составе закладочной смеси резинокордового заполнителя повышает пластичность искусственного массива, что позволяет ему выдерживать одинаковые нагрузки более продолжительное время по сравнению с используемыми составами закладочных смесей на производстве.

Как видно из графика, представленного на рис.4, после прохождения пика максимальной нагрузки, образцы закладки с резинокордовым заполнителем разрушаются гораздо медленнее по сравнению с обычными образцами и имеют более высокую остаточную прочность. Следовательно, применение закладки, допускающей более высокие пластические деформации, позволяет повысить уровень безопасности подземных горных работ.

На первом этапе исследований при формировании закладочного массива наблюдалось сосредоточение резинокордовой крошки в поверхностных слоях образцов за счет всплытия из-за наличия в составе смеси высокоплотных компонентов В связи с этим были проведены исследования с целью предотвращения всплытия резинокордовой крошки

В процессе экспериментов опробовали следующие варианты

• резинокордовая крошка предварительно перемешивалась с песком, а затем в эту смесь подавали воду и цемент,

• предварительно смоченную резинокордовую крошку перемешивали, добавляя в цементное молоко, а потом подавали песок

В результате было установлено, что резинокордовую крошку необходимо предварительно смачивать и добавлять в цементное молоко В этом случае удается избежать всплытия резинокордовой крошки за счет проникновения цемента в поровое пространство резины и реакции схватывания цемента на поверхности резинокордовой крошки

Анализируя результаты исследований, полученные в процессе выполнения экспериментальной части работы, можно сделать следующие выводы

• прочностные свойства закладочной смеси при замене части заполнителя после ее затвердевания резко снижаются при содержании в нем резинокордовой крошки более 20%;

• кинетика набора прочности у всех исследуемых образцов сопоставима с составами, используемыми в настоящее время,

• при сравнении механических свойств предлагаемых составов закладки с используемыми составами на производстве, можно сделать вывод о том, что они имеют более высокий предел прочности пластичных деформаций, что позволит им выдерживать одинаковую нагрузку более продолжительное время

Таким образом, использование резинокордовых отходов в качестве заполнителя закладочной смеси, возможно, однако для этого необходимы

изменения существующей технологической схемы закладочного комплекса В технологическую схему необходимо включить отделение смачивания и отделения предварительной подготовки резинокордовой крошки посредством её смачивания и перемешивания с цементным молоком, а также смонтировать установку по производству резиновой крошки, состоящую из холодильной установки и молотковой дробилки

Для замораживания и дробления резинокордовых отходов предлагается использовать технологию, разработанную фирмой «БиЫЬОР», которая нашла очень широкое применение на практике, рис 8.

Рис 8. Установка для замораживания и дробления покрышек: 1 - перфоратор, 2 - форсунки для распыления жидкого азота, 3 - конвейер, 4 -ванна, 5 - трапецеидальный элемент, 6 - валковая дробилка, 7 - молотковая дробилка, 8 -вибросито, 9 - бункера для резиновой крошки различного фракционного состава.

Автопокрышки, с заранее пробитыми в них перфоратором отверстиями, охлаждаются посредством разбрызгивания на их поверхность с помощью форсунок жидкого хладоагента (азот, либо двуокись углерода) Далее шины подают конвейером в ванну, заполненную жидким хладоагентом Из ванны покрышки поступают в валковую дробилку, а затем - в молотковую дробилку. В результате содержание крошки менее 4 мм составляет 95 -100%

На рис 9 представлена рекомендуемая технологическая схема закладочного комплекса.

Рис.9. Технологическая схема закладочного комплекса, предусматривающая использование резинокордовой крошки в закладку.

Как видно, применение закладки с использованием резинокордовой крошки не требует кардинальных изменений закладочного комплекса, влекущих за собой применение большого количества дополнительного оборудования, а значит и больших капиталовложений. Применение закладочных смесей с использованием резинокордовой крошки дает возможность снизить и стабилизировать расход вяжущего (цемента) и дорогостоящего заполнителя (песка) при производстве закладочных работ, а также значительно сократить площади, отведенные под складирование использованных автопокрышек и других резинокордовых изделий.

Проведенные расчеты, представленные на рис.! О, показывают, что применение предлагаемых решений позволяет получить существенный экономический эффект за счет снижения затрат на производство закладочных работ.

Piic.Ht, Сравнительная диаграмма затратна материалы для производства закладочных работ.

1 — суммарные затраты на материалы для производства закладочных работ и течение 5-ти лет при существующей технологии закладочных работ;

1 - cv«M'Ap»H>it затраты на материалы для производства заккадечиых работ в течение 5-ти лет с иснользонапиеи резинокордовой крошки и закладку.

Таким образом, в результате проведенных исследований, были разработаны составы закладочных смесей с частичным замещением

заполнителя резинокордовой крошкой, технология и технологическая схема закладочного комплекса, которые рекомендованы для применения на руднике «Интернациональный» (АК «АЛРОСА»)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой обоснованы актуальные для горнорудной промышленности технологические решения по формированию искусственных массивов закладочными смесями с использованием резинокордовой крошки при ее утилизации посредством частичного замещения песка в заполнителе, что позволяет повысить экономическую эффективность подземной разработки месторождений твердых полезных ископаемых.

Основные научные и практические результаты, полученные лично автором, заключаются в следующем:

1 Доказана принципиальная возможность использования дробленых отходов резинокордовых изделий в составе заполнителя закладочной смеси при обеспечении нормативных характеристик создаваемого массива, что позволяет повысить эффективность подземных горных работ в горнотехнических условиях кимберлитовых месторождений Якутии

2 Установлено, что при применении технологий с нисходящей слоевой выемкой руды содержание в объеме заполнителя резинокордовой крошки должно быть не более 20%, а при восходящем порядке отработки - до 35%, при этом обеспечиваются нормативные характеристики формируемого искусственного массива и повышается эффективность закладочных работ.

3 Определено, что изменение содержания резинокордовой крошки в образцах закладки при одинаковой максимальной вертикальной нагрузке влияет на показатели относительных деформаций в продольном и поперечном направлениях. Присутствие в составе закладочной смеси

резинокордового заполнителя повышает пластичность искусственного массива, что позволяет выдерживать критические нагрузки более продолжительное время по сравнению с используемыми составами закладочных смесей на производстве, тем самым, повышая уровень безопасности подземных горных работ

4 Установлено, что использование резинокордовых отходов в заполнитель закладочной смеси позволяет снизить и стабилизировать расход вяжущего (цемента) на 7%, при этом потребность в вяжущем снижается с 330 кг/м3 до 300 кг/м3

5. Технология производства закладочной смеси с резинокордовой крошкой в качестве заполнителя должна включать операции предварительного смачивания и перемешивания с цементным молоком, что позволяет предотвратить всплытие за счет проникновения цемента в поровое пространство резины и ускоренной реакции схватывания вяжущего на ее поверхности.

6 Разработана типовая схема закладочных работ с утилизацией в закладку отработанных резинокордовых изделий посредством их предварительного замораживания и последующего дробления, реализация, которой позволит существенно улучшить экологическую обстановку Мирнинского региона Якутии за счет освобождения площадей, отведенных под хранение.

7 Расчетный экономический эффект, возможный при использовании рекомендуемой технологии закладочных работ с частичным замещением заполнителя резинокордовой крошкой, составит 23 - 25 млн руб в год без учета штрафных выплат за восстановление природного ландшафта.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих

работах:

1 Тишков М.В Технологические схемы приготовления закладочных смесей с применением резинокордовых материалов. // Горный информационно-аналитический бюллетень - М.: Издательство Московского государственного горного университета - 2006, №7. - С 287 - 295.

2 Тишков М В Утилизация резинокордовых материалов в закладку // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М Издательство Московского государственного горного университета. - 2006, №8 - С 296 -303.

3 Хайрутдинов М.М., Тишков М В. Снижение удароопасности горных пород упрочнением массива твердеющими составами. И Горный информационно-аналитический бюллетень - М : Издательство Московского государственного горного университета. - 2001, №8. - С. 239 - 242

Подписано в печать 04.05.2007. Формат 60x90/16 Объем 1 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № ЧЧЦ

Типография Московского государственного горного университета. Москва. Ленинский проспект, 6.

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Тишков, Максим Вячеславович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ИЗУЧЕННОСТЬ ПРОБЛЕМЫ, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Развитие технологий добычи полезных ископаемых с применением систем разработок с твердеющей закладкой.

1.2. Системы разработки с закладкой выработанного пространства.

1.3. Составы твердеющей закладочной смеси.

1.4. Приготовление и транспорт закладочных смесей.

1.5. Резинкордовые отходы и способы их утилизации.

1.6. Цели и задачи исследований.

ГЛАВА 2. ВЫБОР ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ РЕЗИНОКОРДОВОЙ КРОШКИ.

2.1. Влияние температуры и скорости деформации на разрушение полимеров.

2.2. Способы перевода резины в псевдохрупкое состояние.

2.3. Технологические схемы получения резинокордовой крошки из измельченных шин криогенным способом.

2.4. Технологии получения резинокордовой крошки.

2.5. Дробление замороженных резинокордовых изделий.

2.6. Выбор технологии получения резинокордовой крошки для условий рудника «Интернациональный».

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА СОСТАВОВ И СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ЗАКЛАДОЧНОЙ СМЕСИ.

3.1. Методика испытаний.

3.2. Нормативные характеристики закладочного массива.

3.3. Подбор состава закладочной смеси.

3.4. Характеристики формируемого искусственного массива.

ГЛАВА 4. ТЕХНОЛОГИЯ ВЕДЕНИЯ ЗАКЛАДОЧНЫХ РАБОТ.

4.1. Система разработки и технология закладки на руднике

Интернациональный».

4.2. Технология приготовления закладочных смесей.

4.3. Технология возведения закладочного массива.

4.4. Технико-экономическая оценка закладочных работ.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Технологические решения по утилизации резинокордовых отходов при закладке очистного пространства на кимберлитовых рудниках"

Актуальность работы. Подземная разработка месторождений полезных ископаемых при применении технологий с закладкой выработанного пространства отличается высокими показателями извлечения, однако сопряжена со значительными затратами на добычу. Повышение эффективности добычи за счет снижения затрат на производство закладочных работ достигается при использовании местных природных материалов и отходов производства, что в свою очередь позволяет снизить расходы на содержание земельных отводов под отвалы, хвостохранилища, а также складов использованных материалов и отслужившей свой срок техники.

Например, за 50-летний период работы горнодобывающих предприятий на территории Мирнинского района скопилось около 100 тыс.тонн резинокордовых отходов, в том числе, изношенных шин от карьерных автосамосвалов и другой колесной техники, транспортерных лент и т.п. Вывоз резинокордовых материалов экономически нецелесообразен, поэтому их складирование осуществляется путем совместного хранения в зоне горных отводов, занимая значительные площади.

На сегодняшний день существует множество различных видов технологий по переработке, утилизации и вторичному использованию резинокордовых изделий. Вопрос утилизации отходов производства, в том числе резинокордовых, приобретает существенную значимость в связи с планами по вторичной переработке хвостов обогащения и отвалов.

В то же время, добыча и транспортировка заполнителя (песка) для закладки в условиях крайнего севера значительно осложнена в связи с климатическими условиями, поэтому все основные работы по подготовке заполнителя производятся в летний период.

Одним из путей снижения затрат на заполнитель является его частичная замена на резинокордовую крошку. Возможность применения закладки с резинокордовым заполнителем и установление её соответствия 3 предъявляемым требованиям по прочностным и деформационным свойствам позволит решить ряд вопросов, в частности:

• освобождение площадей, использующихся для хранения изношенных автопокрышек;

• частичное замещение дорогостоящего заполнителя;

• повышение безопасности ведения подземных горных работ за счет использования закладки с повышенной пластичностью.

В связи с вышеизложенным, обоснование технологических решений по утилизации резинокордовых отходов в закладку при подземной разработке месторождений полезных ископаемых системами с искусственным поддержанием очистного пространства является актуальной научной и практической задачей для горной промышленности.

Цель работы - установление закономерностей изменения свойств закладки в зависимости от состава заполнителя с резинокордовыми отходами и обоснование рациональных составов твердеющей смеси для разработки технологических решений по утилизации резинокордовых отходов при закладке очистного пространства, позволяющих повысить эффективность добычи руды на кимберлитовых рудниках.

Основная идея работы заключается в утилизации резинокордовых отходов горнодобывающих предприятий в заполнитель закладочной смеси при формировании искусственных массивов с повышением несущей способности за счет изменения их физико-механических свойств.

Научные положения, разработанные лично соискателем:

• для обеспечения нормативных характеристик несущего и вторичного слоев закладки концентрация резинокордовой крошки в закладочной смеси должна варьироваться в диапазоне от 20% до 35% от общего объема заполнителя;

• для повышения эффективности использования резинокордового заполнителя, его, после предварительного замораживания и измельчения до фракции -4 мм, следует подавать по объединенной технологической линии с вяжущим, представленным цементным молоком;

• при использовании резинокордовой крошки в закладку модуль деформации затвердевшей смеси уменьшается в 2 + 3 раза, а разрушение носит упруго-пластический характер с высоким значением остаточной прочности, что повышает уровень безопасности ведения подземных горных работ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• научно обоснована возможность утилизации резинокордовых отходов в состав закладочной смеси в виде крошки и диапазон ее концентрации в общем объеме заполнителя;

• доказана эффективность использования резинокордовой крошки и установлен ее рациональный фракционный состав для закладочной смеси при применении системы разработки с нисходящей слоевой выемкой;

• установлено, что с уменьшением модуля деформации затвердевшей смеси, вызванным присутствием резинокордового заполнителя, разрушение носит упруго-пластический характер с высоким значением остаточной прочности.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются применением современных методов экспериментальных и аналитических исследований, включающих в себя определение нормативных характеристик, постановку лабораторно-исследовательских работ и анализ полученных экспериментальных данных с помощью методов математической статистики, удовлетворительной сходимостью полученных результатов экспериментов и расчетов (расхождение до 15%).

Научное значение работы заключается в установлении зависимостей физико-механических свойств закладки с добавлением резинокордовой крошки от содержания её в заполнителе, выборе технологических схем и параметров формирования закладочных массивов.

Практическое значение работы заключается в разработке составов закладочной смеси с использованием резинокордовой крошки в заполнитель, технологических схем подачи компонентов закладочной смеси и параметров формирования закладочного массива. При утилизации резинокордовых отходов в закладку одновременно решаются экологические проблемы, закладочный массив обеспечивает нормативные характеристики и повышает уровень безопасности при проведении подземных горных работ.

Использование резинокордовых отходов в закладку позволяет снизить затраты на производство закладочных работ за счет частичного замещения дорогостоящего заполнителя. Экономия с учетом закупки оборудования и себестоимости производства резинокордовой крошки составит 23 + 25 миллионов рублей в год, без учета штрафных выплат за восстановление природного ландшафта.

Реализация работы. Разработанные в диссертации технологические решения и составы закладочных смесей с применением резинокордовой крошки в качестве заполнителя рекомендованы к применению в условиях кимберлитовых месторождений западной Якутии, в частности, рудника «Интернациональный».

Апробация работы. Основное содержание работы и ее отдельные положения докладывались и получали положительные отзывы на конференциях МП У «Неделя Горняка» (2001 - 2006 гг.), а также на научных семинарах кафедры « Технологии подземной разработки рудных и нерудных месторождений» (2001 - 2006 гг.).

Заключение Диссертация по теме "Геотехнология(подземная, открытая и строительная)", Тишков, Максим Вячеславович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научной квалификационной работой, содержащей решение актуальной для горнорудной промышленности задачи, обоснования технологии формирования искусственных массивов при очистной выемке руды закладочными смесями с использованием резинокордовой крошки посредством частичного замещения песка в заполнителе, что позволяет повысить эффективность подземной разработки месторождений твердых полезных ископаемых.

Основные научные и практические результаты заключаются в следующем:

1. Установлена принципиальная возможность использования дробленых отходов резинокордовых изделий в составе заполнителя закладочной смеси при обеспечении нормативных характеристик создаваемого массива, что позволяет повысить эффективность подземных горных работ в горнотехнических условиях кимберлитовых месторождений Якутии.

2. Установлено, что при применении технологий с нисходящей слоевой выемкой руды содержание в объеме заполнителя резинокордовой крошки должно быть не более 20%, а при восходящем порядке отработки до 35%, при этом обеспечиваются нормативные характеристики формируемого искусственного массива и повышается эффективность закладочных работ.

3. Определено, что изменение содержания резинокордовой крошки в образцах при одинаковой максимальной вертикальной нагрузке влияет на показатели относительных деформаций в продольном и поперечном направлениях. Присутствие в составе закладочной смеси резинокордового заполнителя повышает пластичность искусственного массива, что позволяет ему выдерживать критические нагрузки более продолжительное время по сравнению с используемыми составами закладочных смесей на производстве, что позволяет повысить уровень безопасности подземных горных работ.

4. Установлено, что при использовании резинокордовых отходов в заполнитель закладочной смеси позволяет снизить и стабилизировать расход вяжущего (цемента).

5. Технология производства закладочной смеси с резинокордовой крошкой в качестве заполнителя должна включать операции предварительного смачивания и перемешивания с цементным молоком, что позволяет предотвратить всплытие за счет проникновения цемента в поровое пространство резины и ускоренной реакции схватывания вяжущего на ее поверхности.

6. Разработана типовая схема закладочных работ с утилизацией в закладку отработанных резинокордовых изделий, реализация, которой позволит существенно улучшить экологическую обстановку Мирнинского региона Якутии за счет освобождения площадей, отведенных под хранение.

7. Расчетный экономический эффект, возможный при использовании рекомендуемой технологии закладочных работ с частичным замещением заполнителя резинокордовой крошкой, составит 23 ^ 25 миллионов рублей в год без учета штрафных выплат за восстановление природного ландшафта.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Тишков, Максим Вячеславович, Москва

1. Арутюнян Б.А. Разработка технологий закладочных работ в камерах при использовании вяжущего на гипсовой основе. Автореферат дис. канд. технич. наук. -М, МГГУ, 1991.

2. Баженов Ю.М. Технология бетона. М.: Высш. шк, 1987.

3. Бартенев Г.М., Зуев Ю.С. Прочность и разрушение высокоэластичных материалов. М.: Химия, 1964.

4. Белобородова A.B., Мордвинов A.B., Штауб И.В. Технические рекомендации по проведению закладочных работ. Якутнипроалмаз. 2005.

5. Бронникова Д.М., Цыгалова М.Н. Справочник. Закладочные работы в шахтах. М, Недра, 1983.

6. Веркин Б.И., Назаренко А.П., Солянко В.Ф. Переработка изношенных автопокрышек, армированных металлокордом, с помощью криогенной технологии. Харьков.: 1987 - 40с.

7. Вяткин А.П., Горбачев В.Г. Твердеющая закладка на рудниках. -М, Недра, 1983.

8. Гельперин Н.И., Вильниц С.А. Регенерация и другие методы переработки старой резины. М.: Химия, 1966.

9. ГОСТ Р50544-93. Породы горные. Термины и определения. Изд. официальное. Госстандарт России. Москва 1997-83с.

10. ГОСТ 28985-91. Породы горные. Метод определения деформационных характеристик при одноосном сжатии М; Изд. стандартов, 1991-15с.

11. ГОСТ 21153.1-7-75. Породы горные. Методы физических испытаний М; Изд. стандартов 1975.

12. Емельянов В.И., Михайлов Ю.В., Носков В.Ф. Основы разработки месторождений полезных ископаемых в экосистемах криолитозоны. М.: Издательство МГОУ, 2005.

13. Зуев Ю.С. Разрушение полимеров под действием агрессивных сред. -М.: Химия, 1972.

14. Именитов В.Р. Процессы подземных горных работ. М.: Недра, 1978.

15. 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.

16. Илюшин А.П., Цыгалов Ю.М. Новый способ определения реологических параметров твердеющих смесей с крупным заполнителем. В кн.: Подземная разработка мощных рудных месторождений. - Свердловск, изд. УПИ, 1982, с. 94-98.

17. Информация фирмы Global Technologies Inc., 2002.

18. Каркашадзе Г.Г., Христолюбов В.Д. Лабораторные работы по курсам «Механическое разрушение горных пород», «Процессы и технические средства механического разрушения горных пород». М.: МГГУ, 2002.

19. Кравченко В.П., Куликов В.В. Применение твердеющей закладки при разработке рудных месторождений. М, Недра, 1974.

20. Крупник JI.A. Технология закладочных работ на основе утилизации отходов горно-обогатительного производства. Автореферат дис. канд. технич. наук. М, 1991.

21. Ладенко А.А. Совершенствование и обоснование параметров систем разработки с закладкой выработанного пространства на мощных крутых пластах. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. в форме научного доклада. М, МГТУ, 1991.

22. Леонова Л.Б. Разработка составов и технологий закладочных смесей для горных выработок на основе техногенных материалов. Автореферат дис. канд. технич. наук. Екатеринбург, 1999.

23. Малинский Ю.М., Угилова B.C. Методы исследования полимеров. -М.: Издатинлит, 1961.

24. Малый А.Н. Способы уменьшения разубоживания руды закладкой при отработке вторичных камер. Горный журнал, №2,1976.

25. Монтянова А.Н., Смирнов A.A., Козлов E.H. Технологическая инструкция проведения закладочных работ для рудника Интернациональный. Якутнипроалмаз. 2003.

26. Моссаковский Я.В. Экономика горной промышленности. М., МГТУ, 2004.

27. Материалы Гренобольского салона по вторичным ресурсам. Журнал Nuisances et Environnement, 1975, Франция.

28. Назаренко А.П. Каучук и резина. №4,1998.

29. 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.

30. Петроченков Н.В. Оценка физико-технических свойств горных пород. М.: МГТУ, 2000.

31. Петроченков Р.Г. «Прочностные свойства горных пород и композитов в квазиизотропном приближении их составляющих». Учебное пособие по специальности 09.05 «Открытые горные работы», Москва 2000-109с.

32. Пешкова М.Х. Экономическая оценка горных проектов. М., МГГУ, 2003.

33. Патент 1.534.506 (Англия).34. Патент 2.555.578 (ФРГ).

34. Савич И.Н. Порядок и технологии подземной разработки руд с закладкой выработанного пространства. М, Горная промыш., №2,1999. -с.5-9.

35. Савич И.Н., Тишков М.В. «Формирование закладочных массивов и утилизация резинокордовых отходов». Горный информационно-аналитический бюллетень (приняты к публикации).

36. Савич И.Н., Хайрутдинова В.Н. Формирование монолитных закладочных массивов с применением гель-технологии. М.: Горный информационно-аналитический бюллетень, №4,2003. - с. 129 - 130.

37. Самуль В.И. Основы теории упругости и пластичности. Учебн. Пособие для инж. строит, специальностей ВУЗов. М.: Высшая школа, 1970. -288 с.

38. Справочник закладочные работы в шахтах. Под ред. Бронникова Д.М. и Цыгалова М.Н. - М.: Недра, 1989, - 400 с.

39. Таггер A.A. Физико-химия полимеров. М.: Химия, 1968.

40. Тишков М.В. «Технологические схемы приготовления закладочных смесей с применением резинокордовых материалов». Горный информационно-аналитический бюллетень №7 2006., стр. 287 - 295.

41. Тишков М.В. «Утилизация резинокордовых материалов в закладку». Горный информационно-аналитический бюллетень №8 2006., стр. 296-303.

42. Тишков М.В. «Специальные меры по созданию закладочного массива с использованием резинокордовой крошки». Горный информационно-аналитический бюллетень (приняты к публикации).

43. Тобольский А.Н. Свойства и структура полимеров. М.: Химия, 1964.

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

45. Физика горных пород и процессов. Термины и определения. Учебное пособие для подготовки бакалавров по направлению Т.06-«Горное дело» Москва 1998. МГГУ-145с.

46. Хайрутдинов М.М., Тишков M.B. «Снижение удароопасности горных пород упрочнением массива твердеющими составами». Горный информационно-аналитический бюллетень №8 2001стр. 239 - 242.

47. Хайрутдинов М.М., Хайрутдинова В.Н., Соболев С.Ю. Выбор закладочного материала при условии снижения затрат и сохранения нормативно-прочностных характеристик. М., Горный информационно-аналитический бюллетень №8,2001. - с.243-246.

48. Хайрутдинов М.М., Хайрутдинова В.Н., Соболев С.Ю. Выбор закладочного материала при условии снижения затрат и сохранения нормативных характеристик. М.: Горный информационно-аналитический бюллетень, №8,2001. - с. 243 - 246.

49. Хайрутдинова В.Н. Обоснование закладки выработанного пространства сульфидосодержащими отходами обогащения с использованием гель-технологий. Автореферат дис. канд. технич. наук. М, МГГУ, 2004.

50. Христолюбов В.Д., Скоробогатова JIM. Невзрывные способы разрушения горных пород. М.: МГГУ, 1991.

51. Цыгалов М.Н. Экономичные составы твердеющей закладки из отходов производства. М. Горный журнал, №12,1964.

52. Цыгалов М.Н. О безотходной технологии добычи руд подземным способом. В книге: Подземная разработка мощных рудных месторождений. Свердловск, изд. УПИ им. Кирова, 1977. с. 10-20.

53. Шорохова Н.В. Каучук и резина. М.: 1970, № 3,21.

54. Stewart C.N. J.Pol.Sci.: 1989.

55. Soutward, Australian Plast and Rubber J. 1967.