УДК 622.272/.275

Технические науки/10.Горное дело

К.т.н. Ермолович Е.А.

Белгородский государственный национальный исследовательский университет

Исследование фильтрационных свойств твердеющих закладочных смесей на основе горно-металлургических отходов

Системы разработки с закладкой выработанного пространства широко используются в мировой практике добычи подземных ископаемых. Наиболее распространенным типом закладочных смесей является твердеющая закладка. Утилизация техногенных отходов в составах твердеющих закладочных смесей – непременное условие перехода на безотходные технологии добычи полезных ископаемых, повышающие безопасность горных работ и улучшающие экологическую обстановку горно-металлургических районов. Необходимость транспортирования закладочной пульпы к месту сброса подразумевает наличие достаточного количества воды, поэтому фильтрационные свойства закладочных смесей имеют не менее важное значение, чем прочностные и реологические, так как определяют структуру дренажной системы и ее эффективность, а также сроки простоя камер, находящихся под дренажем. В качестве основных компонентов твердеющих композитов в районе Курской магнитной аномалии целесообразнее всего применять доменный гранулированный шлак и отходы мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов, объем складирования которых в поверхностные хвостохранилища Белгородской и Курской областей за 2007-2009 годы составил более 200 млн. тонн [1]. В качестве дополнительных вяжущих компонентов и активаторов в смеси добавляли цемент и известковую пыль (отход электрометаллургического производства). Средний размер частиц вяжущего и компонентов смеси составил 30-60 мкм. Состав композитов приводится в таблице 1.

Для лабораторного определения коэффициента фильтрации компоненты сначала просушили до критически сухого состояния, потом в соответствии с разработанными составами количество каждого компонента строго дозировали и тщательно перемешивали в сосуде. После этого для определения коэффициента фильтрации отбиралась проба смеси и укладывалась в цилиндрический сосуд емкостью 300 мл.

Таблица 1 – Состав композитов твердеющей закладочной смеси

Номер образца	Расход сухих компонентов, кг на 1 м^3 смеси
	цемент	Шлак молотый / не молотый	отходы обогащения	известняковая пыль	песок
1	10	-	1640	-	-
2	30	-	1570	-	-
2/3	50	-	1500	-	-
4/1	-	-	1150	400	-
4/2	10	-	1150	400	-
4/3	50	-	1500	150	-
5/1	10	400/-	1140	-	-
5/2	30	250/-	1320	-	-
5/3	50	150/-	1450	-	-
6/1	10	-/200	1140	200	-
6/2	30	-/100	1320	150	-
6/3	50	-/50	1450	100	-
7/1	-	-/200	1150	200	-
7/2	-	-/100	1350	150	-
7/3	-	-/50	1500	100	-
8/1	-	-	1150	200	200
9/1	-	-	1150	400	-
10/1	10	-/200	1140	200	-

Перемешанная твердеющая закладочная смесь затворялась водой. Из этой смеси для определения плотности отбиралась проба в цилиндрический сосуд в объеме 1000 мл. Пробы твердеющей закладочной смеси испытывались в соответствии с требованиями ГОСТ 25584-90 [2] на приборах КФ-00М. Подготовка и обработка образцов смеси проводилась согласно ГОСТ 22733 [3] и ГОСТ 5180-84 [4]. При этом определялась плотность каждой смеси в водонасыщенном состоянии, так как смеси предназначены для гидравлической закладки. Для определения коэффициента фильтрации каждой пробы проводилось по три измерения времени фильтрации и количества профильтровавшейся воды. Результаты испытаний приведены в таблице 2.

Таблица 2 − Результаты лабораторного определения коэффициента фильтрации

Номер образца	Плотность, г/см^3	Площадь фильтрации, cм^2	Время фильтрации, с	Кол-во профильтровавшейся воды, см^3	Температурная поправка, град.	Коэффициент фильтрации, Кф, м/сутки
1	1,78	25	840	36,5	1,21	1,55
2	1,59	25	600	20	1,27	1,13
2/3	1,72	25	7500	44,5	1,33	0,19
4 /1	1,27	25	6600	25	1,39	0,12
4 /2	1,4	25	6300	25	1,39	0,12
4 /3	1,53	25	6200	44	1,39	0,22
5/1	1,63	25	7200	15	1,39	0,06
5/2	1,65	25	4800	21	1,39	0,14
6/1	1,32	25	1800	12	1,33	0,22
6/2	1,50	25	2400	13	1,33	0,18
7/1	1,48	25	9450	37	1,33	0,13
7/2	1,51	25	6000	35	1,30	0,18
7/3	1,57	25	4800	31	1,30	0,20
8/1	1,36	25	8100	18	1,18	0,08
9/1	1,34	25	8100	38	1,18	0,17
10/1	1,33	25	8400	18	1,33	0,07

Анализ данных таблицы показывает, что испытанные пробы №1 и 2 с Кф=1,13-1,55 м/сутки в соответствии с ГОСТ 25100-95 [5] относятся к водопроницаемым; остальные пробы с Кф=0,06-0,22 м/сутки относятся к слабоводопроницаемым. Аналогичные значения (0,086-0,155м/сут) коэффициента фильтрации были получены для закладочных смесей на основе молотого шлака и отходов гидрометаллургической переработки урановой руды [6].

Для сравнения: у среднезернистых песков Кф=10-30 м/сутки; у речного пылеватого песка Кф=0,5-1,0 м/сутки; у суглинков Кф<0,005 м/сутки; у пылеватых глин Кф<0,00008 м/сутки.

Во всех случаях испытаний закладочные смеси обеспечивали капиллярные поднятия воды, что свидетельствует об отсутствии факторов, препятствующих формированию фильтрации воды. Учитывая, что определение коэффициента фильтрации выполнялось при напорном градиенте i=0,8 и при плотности укладки смеси в водонасыщенном состоянии, можно ожидать, что в закладочных камерах фактические напорные градиенты могут превышать i=0,8, тогда вследствие этого процесс фильтрации воды будет обеспечиваться и даже может превысить полученные результаты. По данным [7] коэффициент фильтрации, определенный в лабораторных условиях меньше на один-два порядка аналогичного параметра, определенного в натурных условиях.

Литература

1. Лейзерович С.Г., Усков А.Х. Разработка экологической направленности технологии добычи железистых кварцитов КМА//Проблемы природопользования и экологическая ситуация в Европейской России и сопредельных странах: материалы IV Международной научной конференции. – Белгород, 2010. – С. 470-473.

2. ГОСТ 25584-90 Методы лабораторного определения коэффициента фильтрации – М.: Стандартинформ, 2008. – 17 с.

3. ГОСТ 22733-2002 Грунты. Метод лабораторного определения максимальной плотности– М.: Стандартинформ, 2003. – 22 с.

4. ГОСТ 5180-84 Грунты. Метод лабораторного определения физических характеристик– М.: Стандартинформ, 2005. – 19 с.

5. ГОСТ 25100-95 Грунты. Классификация – М.: ИПК Издательство стандартов, 2002. – 35 с.

6. Ляшенко В.И., Дятчин В.З., Тархин Ю.Н. Научно-технические основы повышения безопасности жизнедеятельности в уранодобывающем регионе // Науковий вісник НГУ– 2010. – № 2. – С. 7-14.

7. Исследование параметров технологии закладки текущими хвостами обогащения подземных камер шахты им. Губкина на II этапе опытных работ // Отчет о НИР ОАО НИИКМА Губкин – 2000. – 79с.