Введение к работе
Актуальность темы. Высокая интенсивность разработки месторождений полезных ископаемых, необходимость комплексного использования недр, обострение экологических и природоохранных проблем, возрастающая опасность ведения горных работ на больших глубинах (> 1000 м) предопределяют дальнейшее расширение масштабов добычи полезных ископаемых с применением твердеющей закладки. За последнее десятилетие объемы закладочных работ возросли в 2 раза. С закладкой выработанного пространства работают рудники Гайского и Учалннского ГОК, АО "Севуралбокситруда", Еелоусовскпй (Иртышский ГМК), рудники Алтая и др., расходуя ежегодно до 1,0 млн.т. цемента. Практически два цементных заЕода России работают на обеспечение закладочных комплексов. Поэтому проблема снижения удельного расхода цемента на 1 м3 закладки является важной и актуальной.
Б расширение палитры составов закладочных композиций, технологии их подготовки и прішенения значительный вклад внесли работы К.Н.Светланова, С.А.Атманских, А.П.Илюшина (Унипромедь), Е.Т.Белых, М.Н.Цыгалова, М. С.Гаркавії (Магнитогорский горно-металлургический институт), В.М.Уфимцева, Н.Ф.Кокнаева, В.А.Пьячева (Уральский государственный технический университет).
В литературе имеются в основном данные о составах закладочных смесей, практически отсутствуют физико-химические основы подбора и механизмы синтеза новообразований в них, что не позволяет полностью использовать потенциальные возможности сырьевых материалов, в частности, техногенного происхождения.
Настоящая диссертационная работа выполнена по программам "Переработка отходов производства и потребления" (0.85.08), "Человек и окружающая среда", в рамках Президентской и Губернаторской программы N 1 по переработке отходов техногенных продуктов от 9 января 1996 г.
Целью работы является разработка оптимальных составов и технологии закладочных смесей, включающих формирование структуры повышенной прочности за счет использования отходое горнодобывающей и металлургической промышленности для сокращения расхода цемента, синтез гидросиликатов (ГСК). гидросульфоалюминзтов кальция (ГСАК). Достижение поставленной цели заключалось в последовательном решении задач:
физико-химическое изучение предельно-титанистых доменных шлаков НТМК, нефелинового шлама и клинкера АГК, феррохромовых шлаков Серовского ферросплавного завода, установление технологических параметров синтеза ГСК, ГСАК с их использованием;
подбор добавок-активизаторов с целью возбуждения вяжущих свойств техногенных материалов (известь, ССО, гипс, микрокремнезем и др.);.
подбор малоцементных закладочных смесей оптимальных составов на основе выбранного сырья с использованием метода симплекс-решетчатого планирования эксперимента;
выяснение физико-химических условий синтеза ГСК, ГАК, ГСАК и его особенностей для случая разбавленных водных систем (В/Ц = 0,7);
методами физико-химического анализа изучение фазо- и структурообразования в закладочных композициях на основе техногенных продуктов;
разработка рекомендаций по.составам закладочных смесей для промышленного внедрения.
Научная новизна:
- комплексом физико-химических методов впервые исследованы
структуры, процессы гелеобразования, синтез ГСК, ГАК, ГСАК в ус
ловиях высокого разбавления (В/Т = 0,7) в закладочных смесях в
зависимости от их состава, свидетельствующие о возможности полу
чения массивов с RC!K в пределах 4-11,5 МПа;
разобран механизм упрочнения закладок;
обосновано влияние фагового состава и структуры закладочных смесей на их прочность в присутствии различных добавок-акти-визаторов, в том числе в зависимости от тонины помола исходных материалов, максимальные Есж. получены для материалов с 5уд.= 400-450 м2/кг;
показано, что смешанное сульфатно-щелочное возбуждение, т.е. добавка ССО, способствует образованию эттрингита в закладках в большей мере, чем гипс;
установлена роль микрокремнезема как актизизатора твердения, обеспечивающего кристаллизацию ГСК размером до 5 мкм и формирование более плотной структуры закладочного массива;
установлены закономерности изменения RCJB. = f(pH) среды затворения закладочных смесей на основе передельно-титанистых шлаков НТМК, нефелинового шлама и клинкера АГК, ФХШ СФЗ. Максимальные RCM. (8-11 МПа) в 28 сут. получены для значений водородного показателя 12,20-12,78, приближенных к рН твердеющее паст из чистых В-СгЗ (11,9) и Сэ5 (12,8);
установлены закономерности изменения содержания компонентов системы ШГЩ-ФХШ-изеєстняк методом симплекс-решетчатого планирования эксперимента. Линии равного уровня для нормативных значений Rex.23 = 3-4 МПа на диаграммах состав-свойство смешаются от 28 до 90 сут. в сторону уменьшения содержания ШПЦ в пределах 18-10, известняка - 40-20 и увеличения ФХШ до 80-87 %;
в результате 8 часового эксперимента на приборе "Mal-vern-3600 Е" впервые прослежен характер изменения размеров частиц феррохро.мового шлака: за первые 2 ч вдет процесс увеличения частішу от 4,25 до 4,87 мкм, связанный с коллоидацией, гидратацией, в последующие 45 мин ее размеры уменьшаются до 3,87 мкм, что-зано с растворением образующихся гидратных фаз. Затем начи
второй цикл, где размеры частиц возрастают до 4,51 мкм, т.е. процесс '"гидратации и коллоидации идет более интенсивно;
- выявлены отличия е размерах между первичным и вторичным
зттрингитом в закладках соответственно 15 и 7 мкм. Появление пос
леднего не должно стать причиной сульфатной коррозии твердеющих
закладочных смесей вследствие еысокого В/Т отношения и твердения
при t > 0С.
Технологическая новизна работы подтверждена авторским свидетельством N 1786S75 на состав закладочной смеси. Автор защищает:
обоснование целесообразности применения передельно-титанистого шлака НІЖ, нефелинового шлама и клинкера АГК, отвального феррохромового шлака в составе малоцементных композиций после их физико-химического исследования;
разработанные оптимальные составы закладок на основе исходного сырья, в том числе методом симплекс-решетчатого планирования эксперимента;
обоснование влияния фазового состава и структуры закладочных смесей на их прочность в присутствии различных добавок-акти-виеаторов: гипса, извести, ССО, микрокремнезема;
синтез ГСК, ГАК, ГСАК, образующихся в несущей фазе закладочных смесей при их гидратации, характер кристаллизации новообразований е зависимости от состава, температуры, В/Т отношения и рН после ватворения композиций;
закономерности для управления процессами гидратации, синтезом новообразований, а следовательно, и прочностью закладочного массива.
Практическая ценность. Разработаны малоцементные закладочные смеси с Исж.2а > 3-4 МПа на основе передельно-титанистого шлака НТМК, нефелинового шлама и клинкера иэ отходов глиноземистого производства АГК, отвальных феррохромовых шлаков СФЗ, что позво-
ляет в комплексе решить проблему снижения расхода цемента до 60 кг/м3 закладки и защиты окружающей среды. Даны рекомендации по тонине помола доменных шлаков.
По результатам сиплекс-решетчатого планирования эксперимента получены карты прогнозируемых свойств в зависимости от состава смесей с использованием ФХШ. Составлена технологическая инструкция на их изготовление.
Результаты работ приняты к внедрению на АО "Севуралбокситру-да". Экономический эффект от внедрения составит 19-38 млн. руб. в ценах на 1 марта 1992 г.
Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на Всесоюзном научно-техническом совещании "Исследование и применение вяжущих для изготовления огнеупоров" (Свердловск, 1990); IX юбилейной НТК УГМ (Свердловск, 1990); Всесоюзных НТК "Перспективные направления развития науки и технологии силикатных и тугоплавких неметаллических материалов" (Днепропетровск, 1991); "Материалы, технология, организация и экономика строительства" (Новосибирск, 1992); Межреспубликанском научно-практическом семинаре "Разработка месторождений системами с закладкой выработанного пространства. Опыт и перспективы" (Екатеринбург, 1992); Межгосударственной НТК "Исследование действительной работы и усиление строительных конструкций промышленных зданий и сооружений (Магнитогорск, 1993).
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав, выводов, списка литературных источников (64 наименования). Общий объем диссертации - 194 с. машинописного текста, в том числе 29 табл., 62 рис., 1 приложение.
