ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТВЕРДЕЮЩЕЙ ЗАКЛАДКИ ПРИ ОТРАБОТКЕ РУДНЫХ ЗАПАСОВ В СЛОЖНЫХ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

Краткое содержание

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність обраної теми, розглянуто зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами, сформульовано мету, ідею та завдання досліджень, визначено об’єкт, предмет і методи досліджень, викладено основні наукові положення, новизну та значення отриманих результатів, наведено інформацію про особистий внесок здобувача, апробацію результатів та структуру роботи.

Перший розділ дисертації присвячений розгляду питань застосування складу твердіючих сумішей при видобутку руд підземним способом та аналізу вивченості структурних особливостей у закладному масиві. На сьогодні значні обсяги закладних робіт застосовуються на Гайському, Яковлевському Джезказганському, Норильскому, Текелійському, Североуральському, Малєєвському, Запорізькому рудниках, що дозволяє високоякісно та повноцінно розробляти рудні поклади.

Запорізький залізорудний комбінат (ЗЗРК) розробляє багаті залізні руди  Південо-Білозірського родовища камерною системою розробки з твердіючим закладенням у складних гірничо-геологічних умовах. Вміст заліза у руді досягає 62%. Використовується закладна суміш з доменного шлаку, флюсового вапняку, пустих гірських порід та води. Міцність закладного масиву складає 6-7 МПа, а збіднення руди при її видобутку - 2-5%. Складні умови визначаються заляганням у покрівлі рудно-кристалічного масиву водоносних горизонтів, нестійкими породами висячого боку з коефіцієнтом міцності за шкалою проф. М.М. Протод’яконова f=4-8, глибиною розробки (330-940 м), тріщинуватістю масиву. Ці фактори обумовлюють підвищені вимоги до міцності закладного масиву. Фактичні вивали закладного масиву спостерігались у його середині та у зонах сполучення боків камери з її покрівлею.

Дослідженню складу твердіючого закладення, технологій ведення закладних робіт та підвищення стійкості штучного масиву присвятили свої праці видатні вчені М.Н. Цигалов, М.І. Агошков, О.А. Байконуров, В. І. Хомяков, Д.М. Бронніков, В.В. Куліков, К.В. М’ясников Э.О. Штернбек, В.П. Кравченко, О.В. Колоколов, О.М. Кузьменко, З.Р. Маланчук, В.Г. Перепелиця, Курносов С.А., К.Ю. Репп, Н.Ф. Замесов, А.Л. Требуков, В.П. Волощенко, В.І. Ляшенко, Є.П. Чистяков, П.В. Швидько та ін. У своїх наукових працях вони досліджували співвідношення між компонентами закладної суміші, залучення місцевих матеріалів у закладні роботи для досягнення її здешевлення. В основному, це є металургійні шлаки, цемент, золи, різні види гірських порід, хвости збагачення, вапняки, піски та ін. Однак формування внутрішніх структурних новоутворень у закладному масиві від питомої поверхні в’яжучих речовин, умов їх утворення та раціонального застосування у технології ведення гірничих робіт не досліджувалось і не враховувалось. Ці питання у джерелах інформації висвітлені недостатньо, що потребує їх наукового обґрунтування.

За результатами виконаного аналізу сформульовані мета роботи, задачі досліджень та обґрунтовані методи їх вирішення.

У другому розділі розглянуті теоретичні передумови отримання міцних новоутворень у закладному масиві і викладена методика лабораторних та фізико-хімічних досліджень параметрів та структури закладного масиву.

Поставлені завдання у роботі вирішувалися комплексно з використанням положень хімії в’яжучих речовин, сучасних фізико-хімічних методів дослідження структури речовини, лабораторних виміри параметрів закладних сумішей, а також аналізу шахтних вимірів основних технологічних параметрів закладної суміші.

Встановлено, що за рахунок надтонкого подрібнення у мінералах в’яжучих речовин здійснюється більше руйнування кремнекисневих зв’язків, які за своєю природою є одними з найміцніших. При подрібненні шлаку до 55-60% частинок крупністю -0,074 мм у технології приготування закладних сумішей розчин насичується іонами слабких зв’язків Ca-O, при цьому у структурі масиву у процесі гідратації формуються желеподібні гідросилікати кальцію високої основності (1,5 - 2) CaO*(Al₂O₃, MgO, FeO)*SiO₂*(1-4)H₂O, де вміст іонів кальцію перевищує вміст іонів кремнію Ca²⁺ > Si⁴⁺. Це обумовлюється меншою у 1,7 раз енергією зв’язку Ca-O ніж Si-O. Якщо вміст частинок крупністю -0,074 мм буде становити 100% та в закладну суміш додавати флюсовий вапняк у якості мікронаповнювача, то кількість іонів Si⁴⁺ підвищиться, частина іонів Ca²⁺ перейде на формування чотирьохкальцієвого монокарбонатного гідроалюмінату 3СаО*Al₂O₃*СаСO₃*11Н₂O. Це призводить до вирівнювання вмісту іонів Ca²⁺ ≈ Si⁴⁺  у закладній суміші та формування при твердінні гідросилікатів кальцію низької основності волокнистого та шаруватого типу (0,8 – 1,5)CaO*(Al₂O₃, MgO, FeO)*SiO₂*(0,5 – 2,5)H₂O.

Для вивчення впливу дрібнодисперсних частинок в’яжучого матеріалу на твердіюче закладення при його структуроутворенні проведені дослідження хіміко-мінерального складу вихідних компонентів закладення та затверділого штучного масиву.

Хімічні сполуки вихідних компонентів закладення та затверділого масиву досліджувались методами рентгенофазового, термічного аналізу, інфрачервоної спектроскопії і растрової електронної мікроскопії.

Вплив питомої поверхні в’яжучого матеріалу на властивості закладних сумішей визначали шляхом подрібнення доменного шлаку і флюсового вапняку у лабораторній газоструминній установці надтонкого подрібнення. Визначення параметрів закладних сумішей на основі дрібнодисперсних частинок в’яжучих речовин визначали за стандартною методикою Науково-дослідного гірничорудного інституту (м. Кривий Ріг). Оцінку дисперсності подрібненого шлаку та вапняку здійснювали на зерновому аналізаторі MULTISIZER-3 та приладі Товарова Т-3.

Лабораторні дослідження полягали у виготовлені закладних сумішей при витраті доменного шлаку 100, 200, 300 кг/м³ для встановлення можливості його зменшення в 1 м³. До доменного шлаку додавали 50% подрібненого флюсового вапняку, як мікронаповнювач закладної суміші.

 При різних витратах шлаку покроково змінювали питому поверхню частинок шлаку та вапняку 2000, 2800, 4300, 6600 см²/г для визначення її впливу на міцність та структуру твердіючого закладення. У процесі досліджень приготовано 12 закладних сумішей, після твердіння отримано 48 зразків твердіючого закладення для випробування на міцність при терміні твердіння 30 днів і 48 зразків для терміну 90 днів. Після випробувань на міцність зруйновані зразки твердіючого закладення були досліджені на електронному мікроскопі-мікроаналізаторі РЕММА-102-02 для визначення структурно-хімічних змін у штучному масиві, морфологічних форм новоутворень.

Монолітність закладного масиву оцінювалась об’ємом вивалювань по висоті очисної камери у виробленому просторі у поверхах 480-580 та 548-640 м. Вивчалися продуктивність закладного комплексу, його час роботи, кількість зупинок кульового млина, склад закладної суміші, рухливість, тонкість помелу, міцність твердіючого закладення при терміні твердіння 90 днів, об'єм камер під закладення.

Розподіл міцності закладного масиву здійснювався за шарами міцності, що утворилися по виробленому простору. Ці шари відрізняються складом закладної суміші. Кількість шарів у закладному масиві розраховували за даними переривання подачі закладної суміші за умови, що між ними пройшло не менш 20 годин. Міцність в шарах закладного масиву визначалася на підставі результатів випробувань зразків закладення, відібраних з бункера-змішувача перед транспортуванням у вироблений простір. Припускаємо, що міцність зразків відповідає міцності шару твердіючого закладення в камері.

У третьому розділі наведено результати лабораторних, фізико-хімічних досліджень формування структури та міцності твердіючого закладення на основі дрібнодисперсних частинок доменного шлаку та вапняку.

В результаті проведення лабораторних досліджень встановлено, що міцність закладення залежить від кількості меленого вапняку в складі закладної суміші та описується поліноміальною залежністю. Раціональною часткою меленого вапняку в суміші слід вважати 50% від частки доменного шлаку. Аналогічну залежність має міцність закладення від збільшення питомої поверхні частинок в’яжучих речовин і за ступеневою залежністю від витрати цих в’яжучих речовин у складі закладної суміші (Рис. 1). Це дозволяє визначити необхідну міцність масиву, виходячи з дисперсного складу доменного шлаку та вапняку у закладній суміші.