Смесь для закладки выработанного пространства

 

Изобретение относится к смеси для закладки выработанного пространства. Сущность изобретения: смесь содержит обожженные карбонатные породы, заполнитель, воду и дополнительно - сульфатсодержащие породы, пластификатор и активные алюмосиликатные породы. 2 ил., 1 табл.

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для возведения искусственных массивов при разработке месторождений подземным способом.

Известна смесь для закладки выработанного пространства, включающая мас.

Известь-пушенка 5 8 Глина молотая, обожженная при 650 700^oC 10 16 Хвосты обогащения 76 85 (авт.св. N 655678, кл. C 04 B 15/08, 1979) Недостатком известного технического решения является высокая стоимость, обусловленная использованием природных материалов (известь, глина), для добычи которых необходимо сооружение и содержание карьеров и карьерного хозяйства и низкая прочность в условиях пониженных температур, так как данная смесь в процессе твердения не саморазогревается (в извести-пушенке вся CaO переведена в Ca(OH)₂, не обладающую тепловыделением). Смеси на извести-пушенке при температурах ниже 10^oC не твердеют.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является (Смесь для закладки выработанного пространства, авт. св. N 1677340, кл. E 21 F 15/00, 1991). Смесь содержит следующие компоненты, мас.

Измельченные карбонатные породы вскрыши, обожженные при 1200 1300^oC - 9,0 25,2 Заполнитель 51,1 76,0 Вода Остальное Недостатком данного состава являются низкие эксплуатационные свойства смеси, присущие всем смесям на цементах: короткие сроки схватывания, водоотделение и усадочные деформации свежеуложенного массива и низкая ранняя прочность. Кроме того, сложная технология производства вяжущего, практически не отличающаяся от производства портландцемента, обусловливает ее высокую стоимость.

Целью предлагаемого изобретения является улучшение эксплуатационных свойств смеси при снижении ее стоимости. Указанная цель достигается тем, что смесь для закладки выработанного пространства, содержащая обожженные карбонатные породы, заполнитель и воду, дополнительно содержит сульфатсодержащие породы, пластифицирующую добавку и активные алюмосиликатные породы при следующем соотношении компонентов, мас.

Обожженные при 900 1150^oC карбонатные породы 3,5 13,2 Активные алюмосиликатные породы 3,0 16,5 Сульфатсодержащие породы 0,4 1,5
Пластифицирующая добавка 0,02 0,4
Заполнитель 32 68,4
Вода Остальное
Закладочные смеси должны характеризоваться определенными свойствами: транспортироваться по трубам в самотечном режиме без расслоения и водоотделения, растекаться в выработанном пространстве под углом не более 6^o, схватываться в течение 2 12 ч, набирать прочность 0,5 10 МПа в контакте с многолетнемерзлыми породами, иметь подвижность 11 -14 см, предельное напряжение сдвига менее 200 Па.

Карбонатные породы являются отходом алмазодобывающих карьеров, так как слагают вмещающие породы кимберлитовых трубок. Карбонатные породы складируются в спецотвал и характеризуются следующим химическим составом, мас. (усредненная проба) CaO 41,70; MgO 15,90; SiO ₂ 0,10; Al₂O₃ 0,90; Fe₂O₃ 0,20; SO₃ 0,42; п.п.п. 40,40.

Обжиг карбонатных пород производится при температуре 900 1150^oC с целью наиболее полной декарбонизации. При температуре ниже 900^oC процесс декарбонизации не возникает, а при температуре выше 1150^oC возможен пережег и переход активной MgO в периклаз.

Обожженые карбонатные породы вскрыши включают следующие окислы, мас. CaO 56 70; MgO 15 34; SiO₂ 0,1 0,3. При этом содержание активной CaO 45 65% а активной MgO 14 32%
Рациональная область введения обожженых карбонатных пород в состав закладочной смеси составляет 3,5 13,2% При содержании обожженных карбонатных пород ниже заявляемого предела не происходит саморазогревания закладочных смесей в выработанном пространстве (состав 13). Введение обожженных карбонатных пород выше заявляемого предела приводит к ухудшению реологических показателей смеси (состав 4) смесь быстро загустевает, теряет подвижность, предельное напряжение сдвига превышает допустимый показатель (τ > 200 Па).

Активные алюмосиликатные породы содержат кремнезем и глинозем в активной форме. Активными алюмосиликатными породами могут служить уже от природы активные материалы, такие как цеолитовые породы или туфы. Однако возможно использование и от природы инертных материалов алюмосиликатного состава, в процессе термообработки которых кремнезем и глинозем переходят в активную форму, например, обожженные при 750 850^oC алюмосиликатные породы вскрыши одного их карьеров алмазодобывающей промышленности.

Химический состав цеолитовых пород месторождения Хонгуруу содержит следующие основные окислы, мас. SiO₂ 66 68; Al₂O₃ 10 12; CaO 2 -4; MgO 1 2; (K₂O + Na₂O) 3 4. Содержание растворимого глинозема 7 10% активного кремнезема 2 3%
В химическом составе вулканических туфов месторождения Приустьевое преобладают следующие основные окислы, мас. SiO₂ 40 55; Al₂O₃ 6 16; CaO 2 7; MgO 4 7; содержание растворимого глинозема 6 16% а активного кремнезема 0,4 4,5%
Минералогический состав цеолитовых пород включает 75 95% клиноптилолита и 5 25% кварца, полевых шпатов, обломков кремнистых пород, вулканического стекла, биотита, глинистых и прочих минералов. Для цеолитовых пород характерна стабильность их состава.

Туфовые породы представлены литокристаллической, кристаллокластической и витрокристаллокластической структурой. Состоят они из обломков лавы и осадочных пород, сцементированных чаще хлорит-серпентином с примесью окислов и гидроокислов железа, минералов группы лейцита и иногда цеолитов. Обломочный материал представлен кварцем, полевым шпатом, порфировыми микродолеритами и витрофировой основной, микрокварцитами и вулканическим стеклом. Полевой шпат нередко изменен и замещен глинистым материалом (иллит, монтмориллонит). В массе измененного стекла наблюдается развитие хлорита, серпентина, талька, слюды, кальцита и гидроокислов железа.

Частицы кремнезема, содержащиеся в алюмосиликатных породах, взаимодействуют с Ca(OH)₂ с образованием CSH(B).

Одновременно активный глинозем взаимодействует с гидратом окиси кальция с образованием метастабильных гексогональных двухкалиевого и четырехкальциевого гидроалюминатов или их смесей, которые с течением времени медленно переходят в устойчивый 3CaO·Al₂O₃· 6H₂O.

Присутствие активных глинозема и кремнезема обуславливают и образование гидрата геленита и гидрогранатов 3CaO·Al₂O₃·4SiO₂
Алюмосиликатные неактивные породы являются также отходом производства - породами вскрыши. Усредненная проба неактивных алюмосиликатных пород характеризуется следующим химическим составом, мас. SiO₂ 35,04; Al₂O₃ 9,71; Fe₂O₃ 4,71; CaO 17,71; MgO 4,14; SO₃ 9,65; K₂O 3,17; Na₂O; п.п.п.15,29.

Термическим анализом неактивных алюмосиликатных пород установлена рациональная температура их обжига (фиг.1).

На термограмме первый отрицательный (эндотермический) эффект соответствует температуре 150 180^oC. При температуре 570 590^oC происходит удаление первой гидратной молекулы воды. При температуре 700 - 850^oC происходит удаление второй молекулы гидратной воды, при этом кремнезем и глинозем переходят в активную форму:

Это соединение в водной щелочной среде легко распадается на ионы Al(OH)²⁺ и SiO²₃^- и является показателем высокой реакционной активности материала к CaO и MgO, содержащихся в обожженных карбонатных породах:

Алюмосиликатные породы играют важную роль и в обеспечении требуемых реологтческих показателей смеси. Тонкодисперсные частички активных алюмосиликатных пород, адсорбционно удерживая на своей поверхности значительное количество воды, создают своеобразную смазку для всех составляющих закладки, уменьшая трение между ними. Одновременно адсорбированная вода выполняет роль смазки между закладочной смесью и стенкой трубопровода. Возникает тиксотропный эффект, снижающий коэффициент пристенного трения и увеличивающий растекаемость смеси в выработанном пространстве. Адсорбционно вода удерживается до прекращения транспортирования смеси и начала реакции с частичками окисей кальция и магния.

Рациональная область введения активных алюмосиликатных пород составляет 3 16,5% При их содержании ниже заявляемого предела снижается прочность закладки, так как недостаточно реакционно активных ионов, содержащихся в алюмосиликатных породах для образования вышепоименованных минералов (состав N 1). Превышение данного предела нецелесообразно ввиду того, что заданная прочность уже достигнута и нет необходимости перерасхода дорогостоящего компонента закладки (состав N 4).

Сульфатсодержащие породы представлены также отходами производства - породой вскрыши одного из карьеров. Усредненная проба пород включает следующие основные окислы мас. CaO 31,03; SO₃ 44,62; SiO₂ 2,55; Al₂O₃ 0,37; п.п.п. 20,53.

Сульфатсодержащие породы выполняют в закладочной смеси две роли. Во-первых, они замедляют реакцию гидратации CaO и MgO, что позволяет перенести процесс тепловыделения в горные выработки. Во-вторых, сульфат кальция реагирует с продуктами реакций (2) и (3), образуя в начальные сроки твердения необходимое количество эттрингита Ca₆Al₂(SO ₄)₃(OH)₂·26H₂O, что повышает прочность закладки.

Сульфатсодержащие породы должны содержаться в смеси в пределах 0,4 1,5% от массы закладки. При введении ниже заявляемого предела не достигается требуемая прочность закладки и требуемая скорость тепловыделения (состав N 6). Передозировка сульфатсодержащих пород нецелесообразна, так как не улучшает уже достигнутые технологические параметры закладки (состав N 5).

В качестве пластифицирующей добавки могут быть использованы любые пластификаторы, например: ЛСТ лигносульфаты технические модифицированные, ОСТ 13-183-83; суперпластификаторы С-3 продукт поликонденсации нафталинсульфокислоты и формальдегида, или их комбинации. При добавлении к вяжущему пластифицирующей добавки на поверхности частиц дисперсной фазы образуется пленка, обеспечивающая при затворении смеси разжижающий эффект, влияющий на свойства смеси: снижается предельное напряжение сдвига, угол растекания смеси в выработанном пространстве. Кроме того, заявляемая дозировка пластификатора обеспечивает заданную продолжительность тепловыделения закладки, что обеспечивает саморазогревание закладки в выработанном пространстве, а не в трубопроводе.

На фиг. 1 изображен график температуры обжига алюмосиликатных пород; на фиг. 2 скорость тепловыделения обожженных карбонатных пород и закладочных смесей на их основе, где 1 обожженные карбонатные породы, 2 закладочная смесь, 3 закладочная смесь, содержащая суперпластификатор С-3 на основе натриевых солей продукта конденсации нафталинсульфокислоты с формальдегидом.

Пластификатор вводится в смесь либо в процессе помола вяжущего, либо непосредственно в бетоносмеситель с водой затворения. Оптимальное его количество 0,02 0,4% от массы закладки. При меньшем количестве пластификатора не достигаются требуемые свойства закладочных смесей (состав N 9). Избыток пластификатора снижает прочность закладки (состав 15).

Количество воды в закладочной смеси определяется из требования необходимой подвижности закладки 14 см по погружению эталонного конуса. Этот фактор является основополагающим для обеспечения транспортабельности смеси по трубам.

Заполнителем закладочных смесей могут служить любые экономически выгодные материалы: мелкозернистые пески, дробленые породы, хвосты обогащения.

Способ производства закладочной смеси включает следующие переделы.

Карбонатные, алюмосиликатные и сульфатсодержащие породы дробятся и грохотятся. Карбонатные породы фракции -100+40 мм обжигаются в шахтной печи. Сульфатсодержащие породы класса -40+0 мм направляются в бункеры перед мельницей. Алюмосиликатные породы при необходимости обжигаются во вращающейся печи. Активные породы также поступают в бункеры перед мельницей. Отдозированные материалы измельчаются в мельнице. С целью обеспечения заданной теплоты гидратации молотого продукта (60 150 кал/г) материал в процессе помола при необходимости опрыскивается водой, далее он перемешивается с заполнителем, пластификатором и водой и подается в выработанное пространство по трубам. В выработках смесь саморазогревается и твердеет.

Результаты испытаний смеси даны в таблице.

Производство закладочных смесей предлагаемого состава не требует значительных инвестиций в строительство, поскольку большая часть пределов располагается в неотапливаемых зданиях. Отсутствие необходимости получения перед обжигом сырьевой шихты заданного состава исключает такие энергоемкие процессы как помол материала перед обжигом и усреднение его состава в горизонтальных и вертикальных шламбассейнах. Кроме того, обжигу подвергается не мокрый, как в прототипе, а сухой материал, причем часть материала либо не обжигается, либо обжигается при более низкой нежели в прототипе температуре (700 850^oC), что существенно снижает энергоемкость процесса.

Формула изобретения

Смесь для закладки выработанного пространства, содержащая обожженные карбонатные породы, заполнитель и воду, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит сульфатсодержащие породы, пластифицирующую добавку и активные алюмосиликатные породы при следующем соотношении компонентов, мас.

Обожженные при 900 1150^oС карбонатные породы 3,5 13,2
Активные алюмосиликатные породы 3,0 16,5
Сульфатсодержащие породы 0,4 1,5
Пластифицирующая добавка 0,02 0,4
Заполнитель 32,0 67,0
Вода Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3