ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ СХВАТЫВАНИЯ И ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ПРОЧНОСТЬ СМЕСЕЙ

АННОТАЦИЯ

В работе рассмотрены вопросы начало схватывания и продолжительность твердения смеси до проектной прочности, факторы, влияющие на выбор состава твердеющей закладки, влияние горнотехнических условии эксплуа­тации месторождения на срок твердения закладочного материала, соответствии принятой технологии за­кладочных и очистных работ, методы определения фактических продолжительности схватывания закладки, процесс гидратации вяжущих компонентов твердеющей за­кладки. Изучены влияние температуры на срок схватывание и прочность закладочного смеси. Также рассмотрены влияние объема и пористости закладочного материала на прочности закладочного массива. Изучены закономерности изменения температуры закладочного массива и наблюдениями установлено, в каком части массива наиболее высокая температура. Твердение закладочной смеси сопровождается изменением объема. В процессе заполнения выработанного пространства твердеющий раствор под действием собственного веса и в резуль­тате дренажа уплотняется.

ABSTRACT

The article deals withissues of the beginning of setting and the duration of hardening of the mixture to the design strength, factors influencing the choice of the composition of the solid stowing, the influence of mining conditions of field operation on the period of hardening of the laying material, compliance with the accepted technology of laying and cleaning operations, methods for determining the actual duration of setting of the stowing, the process of hydration of the binding components of the solid stowing. The influence of temperature on the setting time and strength of the filling mixture has been studied. The influence of the volume and porosity of the laying material on the strength of the laying array is also considered. The patterns of temperature changes in the laying array have been studied and observations have established in which part of the array the highest temperature is. The hardening of the filling mixture is accompanied by a change in volume. In the process of filling the developed space, the hardening solution is compacted by its own weight and as a result of drainage.

Ключевые слова: искусственный массив, схватывания, продолжительность твердения, проектный прочность, очистная выемка, процесс гидратации, вяжущие компоненты, закладочный массив, температура закладочного массива, уплотнения.

Keywords: artificial massif; setting; duration of hardening; design strength; cleaning excavation; hydration process; binding components; laying array; temperature of the laying array; seals.

ВВЕДЕНИЕ.

В мире подземная добыча на современном этапе характеризуется понижением уровня горных работ, которое сопровождается увеличением горного давления и осложнением горно-геологических условий разработки месторождений полезных ископаемых. В таких условиях все большее применение находят системы с закладкой выработанного пространства в основном твердеющими смесями. В связи с этим разработка технологий закладочных работ, обеспечивающих расширение области применения эффективных систем разработки с высокой полнотой выемки, является актуальной задачей, имеющей важное научное и практическое значение для горного производства.

МЕТОДОЛОГИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ.

Состав твердеющей закладки подбирают с таким расчетом, чтобы начало схватывания и продолжительность твердения смеси до проектной прочности соответствовали принятой технологии за­кладочных и очистных работ. Схватывание смеси должно насту­пать по возможности позднее для обеспечивания времени, необ­ходимого на ее доставку в выработанное пространство и вероятных непродолжительных остановок в работе закладочной установ­ок. Фактическая продолжительность схватывания закладки устанавливается с помощью иглы диаметром 1,1 мм, прикрепленной к цилиндрическому стержню весом 300 г, который свободно может перемещаться по штативу. Пробу смеси с толщиной слоя 4 см устанавливают под углом прибора. Начало схватывания фикси­руют, если игла при погружении в смесь не достигает дна на 1 мм, конец схватывания — если игла погружается в смесь всего нa 1 мм [1].

Процесс схватывания раствора, приготовленного даже на низ­косортных шлаковых цементах, начинается очень быстро, спустя 1 ч после затворения смеси водой. По этой причине цементы в обычном виде малопригодны для твердеющей закладки. Однако добавлением глинистого материала можно флегматизировать цементный раствор, затормозить процесс схватывания до 4-5 ч. В случае более, длительных остановок в работе закладочной уста­новки необходимо освобождать трубопровод от смеси [1,2].

Таблица 1.

Сроки схватывания смесей наиболее распространенных составов (водовяжущее соотношение 0,7)

Более благоприятно применение в закладочных смесях моло­тых шлаков, начало схватывания которых наступает спустя 6 ч после приготовления раствора.

Оптимальный срок твердения закладочного материала уста­навливается в зависимости от горнотехнических условии эксплуа­тации месторождения. Запасы руды в камерах второй очереди (междукамерных целиках) целесообразнее отрабатывать в воз­можно короткие сроки после выемки полезных ископаемых из камер первой очереди для сокращения затрат на поддержание и проветривание выработок, а также издержек, связанных с консервацией запасов руды в массиве. При этом большое значение имеет максимальная концентрация горных работ при достаточно широком фронте очистной выемки в пределах участка. Поэтому время твердения закладки должно быть по возможности неболь­шим. Прочность закладки возрастает, как известно, прямо про­порционально времени ее твердения. Оптимальный срок твердения рассмотренных составов закладки составляет три месяца. Однако очистную выемку пограничных с закладочным массивом блоков можно начинать спустя 1-1,5 месяца, так как закладочный ма­териал к этому времени приобретает достаточную устойчивость, а нагрузки на него вышележащих пород будут еще относительно небольшими [4].   .

Процесс гидратации вяжущих компонентов твердеющей за­кладки протекает с выделением теплоты в количестве 5-9 калорий из 1 г вяжущего вещества в течение 28 дней.

Закладочные массивы больших объемов вследствие высокой пористости материала (25-30%), следовательно, и плохой теплопроводности способны аккумулировать в себе значительное количество теплоты и за счет этого разогреваться до высоких температур. Разогреванию закладочного материала способствует также повышенный расход вяжущих веществ.

Повышение температуры закладочного массива до определен­ных пределов благоприятно влияет на твердение смеси. Однако при разработке месторождений полезных ископаемых на большой глубине повышение температуры нежелательно, так как оно уве­личивает тепловой баланс шахт, осложняя проветривание забоев и охлаждение рудничного воздуха.

Закономерность изменения температуры закладочного массива устанавливали непосредственными замерами в шахтных условиях термисторами, которые помещали в закладку при ее подаче в выработанное пространство.

Термистор представляет собой металлический цилиндр диа­метром 5 мм и длиной 6 см. Внутри этого цилиндра находится порошок специального состава, соприкасающийся с электродами, соединенными проводниками с измерительным прибором. Электропроводность порошка изменяется в зависимости от колебаний температуры закладочного массива, что фиксируется ампермет­ром, тарированным в градусах Цельсия.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ.

Наблюдениями установлено, что наиболее высокая температура 80⁰ С наблюдалась в центральной части закладоч­ного массива через 8—10 дней после его возведения и в дальней­шем она снижалась до нормальной (20° С) в течение нескольких месяцев. На обнаженных горными выработками поверхностях за­кладки температура не превышала 35⁰ С. Медленное охлаждение искусственного массива объясняется низкой теплопроводностью закладочного материала. Поэтому оно не оказывает существенно­го влияния на климатические условия в выработках при обычном их проветривании.

Влияние температуры на прочность закладочных смесей устанавливают испытанием образцов после длительного хранения их под слоем воды в тепловых печах при определенной температуре.

Рисунок 1. Влияние температуры на прочность закладочного материала:

1-на доменном шлаке; 2- на котельном шлаке

Увеличение прочности при сжатии об­разцов, твердевших в усло­виях повышенной темпера­туры, показано на рис. 1. Необходимо отметить, что нарастание предела прочно­сти при сжатии происходит пропорционально повыше­нию температуры. С увели­чением температуры до 80°С интенсивность твердения закладочной смеси возрастает на 35-50 % по сравнению с образ­цами, твердевшими в нор­мальных условиях, т. е. при 20° С.

Твердение закладочной смеси сопровождается изменением объема. В процессе заполнения выработанного пространства твердеющий раствор под действием собственного веса и в резуль­тате дренажа уплотняется. Усадка незатвердевшеи смеси может достигать 5% и прекращается после схватывания раствора. За­твердевший закладочный массив практически не дает усадки. При расчете бетонных сооружений обычно принимают коэффици­ент усадки равным 0,00015, т. е. на 1 м длины бетонного сооруже­ния усадка составляет 0,15 мм.

Под действием повышенной температуры закладочный массив расширяется, причем по своей величине это расширение превосхо­дит усадку и создает дополнительный распор на междукамерные целики, повышая их прочность на сжатие.

В результате уплотнения закладочной смеси (под собственным весом) за счет отдачи части воды (дренаж, отстой, испаре­ние) а также экзотермии прочность образцов закладочного мас­сива оказалась на 60-70 % выше контрольных проб, твердевших в нормальных условиях. Прочностные свойства искусственного массива все время улучшаются, в частности предел прочности образцов за этот период времени увеличился в среднем в 1,8 раза по сравнению с пробами трехмесячного возраста.  За прочностными свойствами искусственного массива велись наблюдения п течение трех лет.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

При определении прочности искусственных массивов целесообразно принимать марку закладки по результатам испытаний образцов, твердевших в нормальных условиях, а увеличение прочности ма­териала в выработанном пространстве учитывать коэффициентом запаса. Объемный вес закладочного материала зависит также от ко­личества и удельного веса составляющих ее компонентов и в ос­новном заполнителя.

Список литературы:

1. Бронников Д.М. и др. Основы технологии подземной разработки рудных месторождений с закладкой. Д.М. Бронников, Н.Ф. Замесов, Г.С. Кириенко. - М.: Недра, 2003. -260 с.
2. Закладочные работы в шахтах. Справочник.  под ред. Д.М. Бронникова, М.Н Цыгалова. - М.: Недра, 1999. - 400 с.
3. Кожбанов К. X. Технология закладочных работ на Орловском руднике. Горн, журнал. - 2005 г. - №5, - С. 43-45.
4. Ляшенко В.И., Голик. В.И- Совершенствование технологии закладочных ра­бот. Горн.журнал. - 1998.- № 1.-С. 19-22.
5. Юркевич Г.Ф., Леонтьев А.А., Конохов В.П., Гуревич Б.И. Промышленные испытания закладочных твердеющих смесей с воздухововлекающей добав­кой. Горн, журнал. - 1999. - № 9. — С. 46-49.
6. BFP. Improved Recovery in Highwall Mining Using Backfill, ACARP Project C3052, Australian Coal Research Limited. 1998.
7. Whitman B.E. Pillar recovery by the undercut-and-fill method at the Zinc Corpo­ration Ltd., and New Broken Hill Consolidated Ltd.-In; Proc. of the 11-th Com­mon Mining and Metallurgy Congress. Hong - Cong.