Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время на территории Курской магнитной аномалии (КМА) при разработке месторождений железных руд подземным способом применяются системы с последующей твердеющей закладкой. Технология твердеющей закладки выработанного пространства позволяет решить сразу три проблемы — сохранить окружающую среду, дать значительный экономический эффект и сделать подземные работы безопасными. Однако постоянное увеличение глубины разработки месторождений железистых кварцитов и богатых железных руд, усложнение горногеологических и горнотехнических условий их эксплуатации, увеличение отходов горно-обогатительного производства служат предпосылкой для все более широкого распространения различных вариантов систем разработки с закладкой выработанного пространства, что в значительной мере определяет эффективность отработки месторождений.
Наиболее сложным моментом, связанным с применением твердеющей закладки, является правильный выбор ее состава, применительно к конкретным условиям и материалам. В свете вышесказанного проблема эффективного использования отходов горно-обогатительного производства является весьма актуальной.
Усовершенствование технологии приготовления и транспортирования закладочной смеси, а также использование в качестве вяжущих и заполнителей дешёвых материалов, какими являются промышленные отходы, позволяет значительно снизить затраты, связанные с выполнением закладочных работ. Поэтому в данной работе для производства закладочнных смесей было предложено применять тонкомолотое композиционное вяжущее (KB) на основе техногенного сырья КМА.
Диссертационная работа выполнена в рамках реализации ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009 - 2013 годы и программы стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова на 2012 -2016 годы.
Цель работы: разработка эффективных закладочных смесей с использованием композиционных вяжущих на основе цемента, техногенного сырья КМА и добавок.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
исследование минерального состава и физико -механических свойств техногенных песков: отходов мокрой магнитной сепарации (ММС) железистых кварцитов, доменных гранулированных шлаков ОАО «Новолипецкого металлургического комбината» («НЛМК») как компонентов композиционного вяжущего и закладочной смеси;
разработка составов композиционных вяжущих и изучение их свойств;
проектирование состава закладочных смесей на основе композиционных вяжущих;
исследования реологических и физико-механических характеристик закладочных смесей, приготавливаемых по помольно-смесительной технологии с применением композиционных вяжущих;
разработка нормативно-технической документации и внедрение результатов исследований.
Научная новизна. Предложены принципы повышения эффективности закладочных смесей для заполнения выработанного пространства при разработке месторождений полезных ископаемых, заключающиеся в использовании тонкомолотого композиционного вяжущего на основе цемента, отходов ММС железистых кварцитов, доменных гранулированных шлаков и добавки, полученного последовательным помолом всех составляющих компонентов, что вследствие комплексного синергетически усиленного влияния наполнителей, а также гетерогенного гранулометрического состава вяжущего будет оказывать направленное воздействие на формирование структуры композита, уплотняя и упрочняя его.
Установлен характер зависимости морфологии поверхности, размера и характера поверхности частиц композиционных вяжущих от времени помола компонентов. Выявлена наиболее эффективная продолжительность помола, при которой наблюдается усреднение зерен вяжущих при незначительном вкраплении более крупных агрегатов за счет разрушения как зерен наполнителя, так и цемента. При этом крупные частицы техногенного песка, представленные в основном контактово-метаморфическим кварцем, способствуют интенсификации помола вяжущего, выступая своеобразными дополнительными мелющими телами, а сами зерна ММС приобретают окатанную кубовидную форму, повышая плотность упаковки смеси.
Показано, что оптимизация процессов структурообразования компози
ционных вяжущих происходит за счет последовательного роста новообразо
ваний при твердении системы «клинкерные минералы-кварц различного ге-
незиса-шлак-вода-суперпластификатор», обусловленного разной
интенсивностью и временем взаимодействия полигенетического кварца и частичек шлака с продуктами гидратации клинкерных минералов. Халцедо-новидная, реагионально метаморфизованная, а также частично динамо-метаморфическая генерации кварца отходов ММС железистых кварцитов интенсивно связывают гидроксид кальция в мелкокристаллические нерастворимые гидросиликаты кальция, а контактово-метаморфическая разновидность и более крупные частицы шлака выступают подложками и центрами кристаллизации, что в целом способствует уменьшению количества дефектов, снижению кристаллизационного давления и оптимизации структуры материала.
Практическая значимость работы. Разработана помольно-смесительная технология производства закладочной смеси с использованием композиционных вяжущих на основе техногенного сырья КМА.
Предложены составы композиционных вяжущих с оптимальным соотношением доменного шлака и отходов ММС железистых кварцитов, позво-
ляющие снизить расход клинкерной составляющей на 80% при обеспечении достаточной для производства закладочных смесей активности вяжущего.
Разработаны и испытаны составы твердеющих закладочных смесей на основе композиционных вяжущих с применением в качестве мелкого заполнителя отходов ММС железистых кварцитов и отсева дробления кварцито-песчаника; характеризующиеся однородной консистенцией и высокой подвижностью, что исключает возможности расслоения смесей, закупорки бетоновода и недозакладки пустот в горных выработках.
Внедрение результатов исследований. Результаты работы внедрены при получении закладочной смеси на основе композиционного цементо-шлакового вяжущего и техногенных песков КМА.
Для широкомасштабного внедрения результатов научно-исследовательской работы при производстве закладочных смесей разработаны следующие нормативные документы:
рекомендации по технологии изготовления закладочных смесей с использованием композиционного вяжущего на основе отходов ММС железистых кварцитов и доменных гранулированных шлаков ОАО «НЛМК»;
стандарт организации СТО 02066339-008-2013 «Композиционные вяжущие на основе отходов ММС железистых кварцитов и доменных гранулированных шлаков ОАО «НЛМК».
Теоретические положения диссертационной работы и результаты экспериментальных исследований используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 270106.65 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций»; бакалавров по направлению 270800.62 «Строительство»; магистерских программ «Технология производства строительных материалов, изделий и конструкций» и «Инновации и трансфер технологий».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены на Международном студенческом форуме (Белгород, 2006); Всероссийском смотре-конкурсе научно-технического творчества студентов вузов «Эврика» (Новочеркасск, 2008); Международной научно-практической конференции «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии» (Белгород, 2007); VII Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи НТТМ-2007 (Москва, 2007); XVIII Менделеевской конференции молодых ученых (Белгород, 2008); Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2008); Международной конференции с элементами научной школы для молодежи (Якутск, 2009); 2-й Международной научно-практической конференции (Брянск, 2010); Международной научной конференции «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании» (Москва, МГСУ, 2011 г.); Международной научно-практической конференции «Инновационные материалы и технологии» (Белгород, 2011); VIII Международной научно-практической конференции «Научное пространство Европы - 2012» (Przemysl, (Польша), 2012);
Международной научно-практической конференции «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте '2012» (Одесса, 2012); XVI и XVII Международной заочной научно-практической конференции «Технические науки - от теории к практике» (Новосибирск, 2012 и 2013).
Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в 8 научных публикациях, в том числе в 4 статьях в центральных рецензируемых изданиях, 1 монографии. Имеется ноу-хау, а также патент RU 2422640 С1 на состав закладочной смеси.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 153 страницах машинописного текста, включающего 28 таблиц, 35 рисунков и фотографий, списка литературы из 162 наименований, 3 приложений.
