Введение к работе
Актуальность работы. При подземном способе добычи полезных ископаемых наиболее рациональным с точки зрения надежности, полноты извлечения руд и экологии является применение систем отработки месторождений с использованием закладки выработанного пространства. Однако применение традиционных компонентов закладочных смесей, таких как цемент и песок, увеличивает стоимость закладки. В связи с этим становится целесообразным применение техногенных отходов в составе закладочных смесей. Горно-металлургическое производство характеризуется образованием значительного количества таких отходов. В черной и цветной металлургии отходы только горного производства в виде твердых горных пород составляют более 210, а хвостов обогащения – 140 млн м3/год. Использование этих отходов в составах закладочных смесей позволило бы значительно экономить ресурсы, а также снизить экологическую нагрузку на окружающую среду в горнодобывающих регионах.
При проектировании составов закладочных смесей на основе лежалых техногенных отходов следует учитывать, что их физико-химические свойства отличаются от свойств текущих отходов, а также от свойств компонентов, традиционно используемых в составах закладочных смесей, поэтому разработка эффективных составов закладочных композитов на основе этих отходов невозможна без всестороннего изучения их свойств.
Таким образом, исследование свойств техногенных отходов и возможности их утилизации является актуальной научно-технической задачей.
Диссертационная работа выполнялась в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг.» (гос. контракт П1077).
Целью работы является установление новых и уточнение существующих закономерностей изменения физико-химических характеристик лежалых техногенных отходов, прочностных и реологических свойств закладочных смесей на их основе для разработки эффективных составов твердеющих закладочных композитов.
Идея работы заключается в том, что эффективные составы закладочных композитов создаются введением в них лежалых отходов железистых кварцитов совместно с другими лежалыми техногенными отходами и пластифицирующим компонентом.
Основные научные положения, сформулированные в работе, состоят в следующем.
1. Поверхность лежалых отходов обогащения характеризуется более высоким содержанием активных центров, чем природный кварцевый песок, традиционно используемый в составе закладочных композитов, и текущие отходы обогащения; а элементный состав лежалых техногенных отходов, усредненный по площади поверхности порошков, значительно отличается от валового химического состава.
2. Объем пор в техногенных отходах экспоненциально зависит от размера частиц их порошков в интервале от 2,8 до 88 мкм.
3. Растекаемость и предел прочности при сжатии закладочных композитов на основе лежалых техногенных отходов описывается полиномиальной зависимостью (третьей степени) от содержания суперпластификатора СП-1, что обосновывает применение СП-1 в количестве 0,5-0,7 % от массы вяжущего.
4. На основе лежалых отходов железистых кварцитов КМА можно получить нормативно прочные бесцементные и малоцементные закладочные смеси (5,5-7 МПа).
5. Скорость продольных волн в бесцементных бетонах изменяется по экспоненциальному закону в зависимости от их предела прочности при сжатии, что обосновывает применение акустического метода для контроля прочности искусственного закладочного массива на основе лежалых техногенных отходов.
Новизна основных научных и практических результатов заключается в том, что:
установлена экспоненциальная зависимость объема пор от среднего размера частиц порошков техногенных отходов в интервале от 2,8 до 88 мкм;
установлены полиномиальные зависимости (третьей степени) текучести и предела прочности при сжатии от содержания суперпластификатора СП-1 в интервалах от 0 до 1,1 % и от 0,4 до 0,9 % от массы вяжущего соответственно;
разработана бесцементная твердеющая закладочная смесь, отличающаяся тем, что в качестве вяжущего она содержит смесь из совместно молотых лежалых кислого доменного гранулированного шлака, отходов обогащения мокрой магнитной сепарации и суперпластификатора СП-1, а в качестве инертного заполнителя – лежалые отходы обогащения мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов;
разработана малоцементная твердеющая закладочная смесь, отличающаяся тем, что в качестве вяжущего содержит только портландцемент, дополнительно содержит поверхностно-активную добавку в виде суперпластификатора СП-1, а в качестве заполнителя использованы лежалые отходы обогащения мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов и конвертерный шлам.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
корректной постановкой задач исследования, применением классических методов математической физики, математической статистики и теории вероятностей и современных достижений вычислительной математики;
удовлетворительной сходимостью результатов прогноза с фактическими данными и большим объемом вычислительных экспериментов;
положительным решением государственной патентной экспертизы технических решений.
Практическая значимость работы заключается в том, что разработаны способы использования лежалых отходов обогащения железистых кварцитов КМА в составах бесцементных и малоцементных закладочных смесей, позволяющие сократить объемы хвостохранилищ и тем самым улучшить экологическую обстановку на объектах горного производства и территориях, к ним прилегающих.
Реализация работы. Теоретические результаты и технические решения включены в учебные курсы по технической мелиорации грунтов и геоэкологии горных предприятий, а также использованы при выполнении госбюджетных НИР в ФГАОУ ВПО «Белгородский государственный национальный исследовательский университет».
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались на научных конференциях и семинарах: научных симпозиумах «Неделя горняка – 2011» и «Неделя горняка – 2013» (Москва, МГГУ, 2011, 2013); I Всероссийской заочной (с международным участием) научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов (Белгород, БелГУ, 2011); X Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле» (Москва, РГГРУ, 2011); 8-й Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики (Тула, ТулГУ, 2012); 8-й Международной научно-практической конференции «Научният потенциал на света» (Болгария, София, 2012).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 10 научных работ, в том числе 4 в изданиях, входящих в список ВАК. Получен патент на изобретение.
Объем работы. Диссертационная работа изложена на 112 страницах печатного текста, состоит из введения, заключения, 5 глав, содержит 23 таблицы, 16 рисунков, библиографический список из 115 наименований.
