ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВЯЖУЩИХ СВОЙСТВ ЖИДКИХ ХВОСТОВ ОБОГАЩЕНИЯ РУД

Полный текст

ВведениеБудучи крупной сырьевой державой мира, Россия не преодолела опасности стать сырьевым придатком развитых стран. Устаревшие технологии не решают проблему полноты извлечения сырья из недр и комплексности его использования.54Голик В.И., Комащенко В.И., Разоренов Ю.И. Использование вяжущих свойств жидких хвостов...Универсальная природоохранная и ресурсосберегающая технология с заклад- кой подземных технологических пустот твердеющими смесями требует надежно- го обеспечения сырьем для изготовления этих смесей, что создает проблемы для окружающей среды. Актуальность проблемы объясняется уменьшением запасов месторождений и необходимостью увеличения объема добычи сырья с ростом населения Земли.Проблему сырья для приготовления твердеющих смесей решают утилизацией отходов горного и смежных производств [4-9]. Так, экспериментально обосно- вана возможность извлечения металлов из хвостов обогащения путем механохи- мической обработки в аппаратах с извлечением до 80% металлов от остаточного содержания [10; 11].Одним из основных направлений оптимизации горного производства являет- ся уменьшение объема руд, оставляемых в недрах для управления состоянием рудовмещающего массива, что в итоге определяет качественные показатели про- цесса добычи полезных ископаемых. Критерием оптимальности управления со- стоянием рудовмещающего массива становятся затраты на управление рудовме- щающим массивом с учетом ущерба от потерь и разубоживания.Закладка пустот твердеющими смесями по сравнению с системой разработки с открытым выработанным пространством позволяет эффективно регулировать величину технологических и природных напряжений в окрестностях очистных выработок, используя твердеющие смеси на основе хвостов обогащения.Содержание фракций в хвостах обогащения металлических руд различно, из них частиц размером менее 0,1 мм содержится до 60%. Количество хвостов на складах предприятий намного превышает потребности в сырье для твердеющих смесей. Так, только на предприятиях КМА их накоплено 320 000 тыс. т. Выход отходов составляет около 5 т/т товарной руды в сухом весе, в том числе при до- быче открытым способом до 5,5 т/т, а при подземном способе - 1,3 т/т.Объем бетонной продукции - твердеющих смесей - на горных предприяти- ях оценивается от сотен тысяч до первых миллионов м3 в год, что превышает объем бетонной продукции в строительной индустрии, в связи с этим встает за- дача снижения стоимости бетонной продукции.Решение проблем производства бетонной продукции приведет к созданию прибыли, поэтому заполнение подземных пустот хвостами обогащения после их сгущения не может быть признано корректным, поскольку при этом безвозврат- но теряются попутные металлы, стоимость которых может превышать стоимость извлеченных титульных металлов.Подземные выработки в этом случае превращаются в реактор природного вы- щелачивания металлов с катастрофическими последствиями химического зара- жения. Еще опаснее использование металлосодержащих хвостов обогащения в промышленном и гражданском строительстве. Наличие металлов, в том числе и весьма распространенных радиоактивных, в строительных материалах и кон- струкциях создает угрозу жизни людей.Целью исследования является обоснование возможности использования жид- ких хвостов обогащения для твердеющих закладочных смесей со снижением их стоимости и уменьшении загрязнения окружающей среды отходами бетонного производства.55Вестник РУДН, серия Инженерные исследования, 2016, № 4Материалы и методы исследованияВ качестве материала для приготовления твердеющих смесей использовали пульпообразные отходы гидрометаллургического завода с содержанием фосфо- гипса. Изменение реологических свойств смеси, в том числе однородность, пре- дельное напряжение сдвига, прочность при одноосном сжатии исследовали стан- дартными методами.Базовый состав твердеющих смесей, содержащий комплексное вяжущее, ва- рьировали по условию транспортабельности. Результаты лабораторных исследо- ваний проверили в ходе опытно-промышленных работ на закладочном комплек- се предприятия.В ходе опытно-промышленных работ опробовали состав твердеющей смеси, отбираемой на сливе смесителя в закладочную скважину, и готовили контрольные кубы на различные сроки твердения. Опробовали тонкость помола граншлака в шаровой мельнице.Из искусственного массива отобрали пробы, исследование которых послужи- ло основанием для оценки динамики прочности твердеющих смесей и рекомен- дации составов твердеющей смеси к промышленному использованию в горном производстве.На основании данных теории и практики рекомендовали метод изменения физико-механических свойств раствора под влиянием электрического поля в диафрагменных электролизерах.Результаты исследования и их обсуждениеВ бетонном производстве возможно использование хвостов гидрометаллур- гического передела металлических руд [6].Так, на рассматриваемом гидрометаллургическом заводе (ГМЗ) в хвостохра- нилище направляются объединенные отходы с содержанием фосфогипса 30%, которые могут быть использованы в качестве дешевого сырья для закладочных работ.Замена песчано-гравийной смеси хвостами ГМЗ - пульпой хвостового сгу- стителя до объединения отходов обеих линий при соотношении твердого к жид- кому Т : Ж = 1 : 3,5 улучшает реологические свойства смеси, потому что тверде- ющая смесь более однородна, а ее предельное напряжение сдвига ниже.Прочность при одноосном сжатии по сравнению с базовым составом увели- чивается в 1,5-4 раза, что объясняются присутствием в пульпе активизирующих солей. Чтобы использовать пульпу, ее сгущают в гидроциклоне до соотношения Т : Ж = 1 : 0,5 и подают по пульпопроводу к закладываемому участку.Осаждение твердой фракции хвостов происходит в хвостохранилище, после чего осветленная дамбовая вода может быть использована в технологическом процессе, так как содержит в своем составе соли сульфата натрия, хлорида натрия и поверхностно-активное вещество - полиакриламид.Хлористый натрий и сернокислый натрий применяют в качестве добавки к строительным бетонам для повышения начальной пластической прочности.56Голик В.И., Комащенко В.И., Разоренов Ю.И. Использование вяжущих свойств жидких хвостов...Лабораторно исследовали влияние солей на прочность твердеющей смеси с использованием дамбовой воды состава: рН 7,0-7,5; NH4 18-25; NO2 3-7; NO3 - нет; сумма катионов и анионов 24000-40000 на 1 дм3.Базовый состав твердеющих смесей содержал 460-480 кг/м3 комплексного вяжущего (шлако-портландцемент М-400 плюс мокромолотый гранулированный шлак).В опытах расход комплексного вяжущего снижали до 400 кг/м3. Установлено, что транспортабельность составов с меньшим количеством комплексного вяжу- щего приемлема.Полученные в лабораторных условиях результаты проверены в ходе опытно- промышленных работ на закладочном комплексе по схеме (рис. 1).Инертные материалыСмесительТвердеющая смесьВяжущие материалыЗатворитель - дамбовая водаРис. 1. Схема приготовления твердеющей смеси с дамбовой водой [Scheme of the preparation of forming mixtures with dam water]Состав закладочной смеси: цемент - 14 кг/м3; мокромолотый граншлак - 500 кг/м3; заполнитель - 1100 кг/м3; вода дамбовая - 400 л/м3.Продолжительность опытно-промышленных работ - 2 ч 30 мин. при произ- водительности закладочного комплекса 284 м3/ч. Объем изготовленной тверде- ющей смеси - 710 м3.В ходе опытно-промышленных работ состав смеси опробовали в процессе по- дачи закладочной смеси, отбираемой на сливе смесителя в закладочную скважи- ну, через каждые 30 мин. Контрольные образцы испытывали после твердения в количестве 28 и 90 дней.Тонкость помола граншлака в шаровой мельнице, определенная в результате трех опробований, составила соответственно 10, 15, 15% выхода фракции - 0,08 мм. В пробе дамбовой воды содержание солей составило 24 г/л, в 2 раза меньше, чем в дамбовой воде, использованной при лабораторных исследованиях. При подаче смеси в камеру установлено выделение газа-аммиака (ПДК - 20 т/ м3).Пробы из искусственного массива отобраны бурением двух скважин с углом наклона 4° длиной 18 м и 10° длиной 20 м.Прочность керновых образцов, испытанных в возрасте 60 с, изменяется в пре- делах: σmin = 0,7 МПа, σmax =6,2 МПа, σсред = 2,8 МПа. В возрасте 90 с σсред ока- залась равной 2,5-2,8 МПа.Прочность контрольных образцов, отобранных на сливе смесителя в скважи- ну, в возрасте 28 с оказалась равной σсред = 0,7 МПа, а в возрасте 90 с σсред = 2,2 МПа.В нижней части исследуемой камеры при расходе цемента 83 кг/м3σсред.28с = 3,1 МПа, σсред.90с = 3,7 МПа.57Вестник РУДН, серия Инженерные исследования, 2016, № 4В верхней части камеры при расходе цемента 44 кг/м3 и использовании обыч- ной воды прочность составила σсред.28с = 1,2 МПа, σсред.90с = 1,8 МПа. При ис- пользовании же дамбовой воды с содержанием солей 24 г/дм3 при расходе цемен- та 14 кг/м3 σсред.28с = 0,7 МПа, σсред.90с = 2,2 МПа.Установлено, что использование дамбовой воды сохраняет прочность смеси при уменьшении расхода цемента в 3 раза.К промышленному использованию для закладки верхней части камер реко- мендуются составы твердеющей смеси:портландцемент (шлакопортландцемент) М-400 - 15 кг/м3;мокромолотый гранулированный шлак - 400 кг/м3; песчано-гравийная смесь - 630 кг/м3;порода отвалов карьера - 650 кг/м3;дамбовая вода - 380 дм;водоотделение смеси - до 4%; предельное напряжение сдвига смеси - 90-110 Па; прочность на сжатие в 28 с. - до 3,0 МПа.Препятствием для широкого использования хвостов переработки является наличие в солевых концентратах металлов. Как правило, технологические линии металлургических заводов не извлекают попутные металлы и отправляют их в отходы. Количество и ценность теряемых металлов может превышать стоимость извлекаемых металлов.Экономически и экологически корректен подход, при котором для изготов- ления твердеющих смесей без очистки от металлов используются дамбовые воды с незначительным содержанием металлов, а обогащенные попутными металлами воды проходят стадию извлечения металлов одним из способов (рис. 2).Вяжущие материалыЗатворитель - дамбовая водаИнертные материалыСмесительТвердеющая смесьИзвлечение металловРис. 2. Схема приготовления твердеющей смеси с очищенной дамбовой водой [Scheme of the preparation of forming mixtures with the purified dam water]Очистка хвостов гидрометаллургии от солей тяжелых металлов осуществляет- ся переводом растворенных их в твердую фазу и разделением жидкой и твердой фаз с последующей утилизацией образующегося осадка [7; 8]. Перспективно из- влечение металлов с помощью электрохимической технологии, которая противо- поставляется известным технологиям коагуляции, окисления, сорбции, ионооб- мена, экстракции и т.д.58Голик В.И., Комащенко В.И., Разоренов Ю.И. Использование вяжущих свойств жидких хвостов...Очистка осуществляется изменением физико-механических свойств раствора под влиянием электрического поля в диафрагменных электролизерах. Эффект очистки основан на селективности ионитовых мембран, т.е. пропускании кати- онитовыми мембранами положительно заряженных ионов, а анионитовыми - отрицательных [3].В камеры обессоливания подают металлосодержащие растворы, а в камеры образования кислоты и щелочей - стоки со скоростью несколько см/с. Под дей-2-ствием электрического поля из камер обессоливания ионы Na+ и SO4переходятв камеры образования щелочи и кислоты, соответственно, где соединяются сгенерируемыми биполярной мембраной ионами ОН- и Н+, образуя щелочь и кислоту, нейтрализующие металлосодержащие соли.Энергоемкость очистки не превышает 10 кВт·ч/м3. Кроме металлов, из осадка извлекаются неметаллические вещества, являющиеся ценным сырьем для це- ментной и керамической промышленности.Эффективность эксплуатации установок повышается с увеличением концен- трации исходного раствора. Технология обеспечена промышленными электро- диализными аппаратами Камышловского завода строительных материалов, Пя- тигорского опытного завода и машиностроительного завода в г. Тамбов.Метод электродиализного обессоливания и одновременного концентрирова- ния шахтных вод возможен с циркуляцией раствора через рассольные камеры и без циркуляции.Предельная концентрация солей с циркуляцией раствора в рассольных каме- рах при исходной плотности тока 100 а/м2 составила » 8 г/л. При конечной силе тока » 20 а/м2 остаточное солесодержание в диализате составило 300 мг/л, а кон- центрация компонентов (мг/л) - Na+ - 72; Са2+ - 30; Mg2+ - 10; Cl- - 114;4SO2 - 100; Zn2+- 0,42, Pb2+0,4. В опытах без циркуляции раствора в рассоль-ных камерах получены аналогичные результаты. Расход электроэнергии составил 0,57 кВт на килограмм выводимых солей в рассол. Концентрация солей в рас- соле составляла » 95 г/л при содержании компонентов (мг/л) - Na+ - 24500;2 2+Са2+ - 1200; Mg2+ - 400; Cl- - 42000; SO4 - 293; Zn6,5. Получаемый рассолв объеме 2% от исходного объема может быть упарен с получением твердого ве-щества, содержащего металлы.Предлагаемая технология способствует решению стоящих перед бетонным производством задач:дамбовые воды используются в качестве компонентов твердеющих смесей и прочих бетонных изделий;стоимость бетонных изделий снижается за счет цены утилизируемых вод и продуктов их очистки, в том числе металлов;уменьшение объемов дамбовых вод в хранилищах снижает загрязнение окружающей среды [1; 2].ВыводыИспользование в составах твердеющих смесей жидких отходов гидрометал- лургического передела за счет солей сульфата натрия, хлорида натрия и поверх-59Вестник РУДН, серия Инженерные исследования, 2016, № 4ностно-активных вод существенно улучшает прочность и реологические свойства твердеющих смесей на их основе.Смесь более однородна, предельное напряжение сдвига уменьшается на 15- 25%, прочность увеличивается в 2-3 раза из-за активирующего влияния солей тем больше, чем меньше марка вяжущего.Применение дамбовых вод в качестве затворителя обеспечивает снижение рас- хода цемента в среднем по очистной камере с 50 до 35 кг/м3, что составляет со- лидный экономический эффект в зависимости от объема использования.Дамбовые воды используют для затворения после извлечения из них металлов, что снижает затраты на приготовление твердеющих смесей. После извлечения металлов из пульпо-образных отходов, последние представляют собой по сути новый, перспективный материал.

Об авторах

Владимир Иванович Голик

Северо-Кавказский государственный технологический университет

Email: v.i.golik@mail.ru
ул. Николаева, 44, Владикавказ, РСО-Алания, 44362021

Виталий Иванович Комащенко

Северо-Кавказский государственный технологический университет

Email: komashchenko@inbox.ru
ул. Николаева, 44, Владикавказ, РСО-Алания, 44362021

Юрий Иванович Разоренов

Северо-Кавказский государственный технологический университет

Email: yiri1963@mail.ru
ул. Николаева, 44, Владикавказ, РСО-Алания, 44362021

Список литературы