Исследование физико-механических свойств сгущенных хвостов обогащения и формируемого искусственного массива в выработанном пространстве карьера
В.Н. Калмыков1, А.А. Гоготин2, В.Ш. Галямов2, А.С. Тарабаев1
1 1 Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, Магнитогорск, Российская Федерация
2 ООО «УралГеоПроект», г. Магнитогорск, Российская Федерация
Горная Промышленность №2 / 2024 стр. 111-115
Резюме: В статье представлены результаты исследования физико-механических свойств сгущенных хвостов обогащения, а также закономерностей их изменения в процессе размещения в выработанном пространстве карьера. Необходимость проведения экспериментальных работ вызвана имеющими место несоответствием параметров, создаваемых намывом искусственных массивов, по сравнению с проектными решениями, в частности, углов растекания, отсутствием формируемой прудковой зоны в теле массива, а также незначительным влиянием на притоки водоотливной установки. В качестве объектов исследований приняты такие характеристики сгущенных хвостов обогащения, которые на стадии проектирования определяют параметры технологии намыва и формируемого в карьере искусственного массива: плотность, минеральная плотность, абсолютная и относительная влажность, свободная водоотдача, вязкость, напряжение сдвига, угол растекания, коэффициент фильтрации. Испытание данных характеристик производилось с использованием стандартных методик. Отбор представительных проб произведен в местах сброса сгущенных хвостов в емкость карьера и непосредственно в разгрузке комплекса пастового сгущения со сгустителя №2. Установлено, что по мере транспортирования сгущенных хвостов обогащения к месту укладки в карьере изменения плотностных, влажностных, фильтрационных параметров сгущенного продукта не происходит, а реологические свойства, такие как вязкость, напряжение сдвига, угол растекания, претерпевают существенное изменение, которое должно учитываться в проектных решениях. Ознакомление с технологией сгущения, транспортирования и складирования пастовых смесей в карьерных выработках позволяет считать в качестве основной причины изменения структуры и свойств сгущенных хвостов обогащения – механическое воздействие на флокулы пульпы и их деструкцию, заключающуюся в разрыве макромолекул.
Ключевые слова: хвосты обогащения, сгущенный продукт, карьер, выработанное пространство, угол растекания, формируемый искусственный массив
Благодарности: Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда №23-21-10040, https://rscf.ru/project/23-21-10040.
Для цитирования: Калмыков В.Н., Гоготин А.А., Галямов В.Ш., Тарабаев А.С. Исследование физико-механических свойств сгущенных хвостов обогащения и формируемого искусственного массива в выработанном пространстве карьера. Горная промышленность. 2024;(2):111–115. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2024-2-111-115
Информация о статье
Поступила в редакцию: 03.02.2024
Поступила после рецензирования: 04.03.2024
Принята к публикации: 11.03.2024
Информация об авторах
Калмыков Вячеслав Николаевич – доктор технических наук, профессор, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, г. Магнитогорск, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Гоготин Алексей Анатольевич – кандидат технических наук, директор ООО «УралГеоПроект», г. Магнитогорск, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Галямов Виктор Шамильевич – кандидат технических наук, заведующий лабораторией ООО «УралГеоПроект», г. Магнитогорск, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Тарабаев Андрей Сергеевич – аспирант, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, Магнитогорск, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Введение
Ежегодно в Уральском регионе формируются огромные по занимаемой площади и высоте хвостохранилища и отвалы, размещаемые на земной поверхности. Одновременно с этим усложняются горно-геологические условия разработки месторождений, снижается среднее содержание полезных компонентов [1].
Вопрос размещения отходов обогащения руд особенно актуален для медно-колчеданных месторождений Урала, так как емкости существующих хвостохранилищ обогатительных фабрик исчерпаны, а выделение земель под новые хвостохранилища затруднено, назрела острая необходимость изыскания емкостей для размещения отходов обогащения, в качестве которых могут быть использованы пространства отработанных карьеров [2].
В настоящее время в уральском регионе отработанное карьерное пространство активно используется для размещения отходов обогащения при отработке медноколчеданных месторождений – Учалинского, Гайского, Александринского ГОКов, рассматривается применение данной технологии и на месторождениях других регионов, в частности, на месторождении «Медвежий ручей» (г. Норильск) [1–4].
Целью проведенной работы является выявление причин изменения параметров формируемого искусственного массива при размещении сгущенного продукта в емкости карьера, а также динамики реологических свойств пастового продукта – вязкости, напряжения сдвига, угла растекания в процессе транспортирования и укладки.
Данная работа проводилась на пробах сгущенных хвостов обогащения, предоставленных Учалинским ГОКом. Подача сгущенных хвостов в Учалинский карьер осуществляется по двум трубопроводам с южной части карьера, откуда паста самотеком стекает по уступам карьера и достигает дна [5]. Согласно проектным решениям угол растекания пульпы составляет 12°, однако в процессе проведения маркшейдерской съемки установлено, что фактический угол растекания отличается от проектного. Кроме того, не наблюдается образования прудковой зоны [6], а в постоянно действующей системе водоотлива, включающей водоотливную установку и фильтрационные устройства, не фиксируется снижение водопритока [7].
Отбор представительных проб произведен в местах сброса сгущенных хвостов в емкость карьера и непосредственно в разгрузке комплекса пастового сгущения со сгустителя №2 [8–11]. В связи с отсутствием доступа в карьер отбор проб из формируемого искусственного массива в настоящее время невозможен [12–16].
Методика и результаты исследований
Рис. 1 Диаграмма плотности хвостов
Fig. 1 Density chart of thickened tailings
Плотность хвостов определялась методом режущего кольца – ГОСТ 5180–2015 1, в результате чего получены значения плотности, приведенные в диаграмме (рис. 1). Из рис. 1 видно, что минимальное значение плотности составляет 2,02 г/см3, максимальное – 2,28 г/см3, среднее значение – 2,14 г/см3.
Рис. 2 Диаграмма минеральной плотности хвостов
Fig. 2 Mineral density chart of thickened tailings
Определение минеральной плотности хвостов проводилось в соответствии с ГОСТ 8269.0–972, полученные данные представлены в виде диаграммы (рис. 2). Из рис. 2 видно, что минимальное значение минеральной плотности составляет 2,99 г/см3, максимальное – 3,74 г/см3, среднее значение – 3,35 г/см3.
Рис. 3 Диаграмма абсолютной влажности
Fig. 3 Absolute moisture content chart
Влажность хвостов определялась методом высушивания до постоянной массы на трёх образцах от каждой пробы, ГОСТ 5180–20153. Результаты исследований абсолютной и относительной влажности хвостов представлены на рис. 3, 4.
Рис. 4 Диаграмма относительной влажности
Fig. 4 Relative moisture content chart
Исследования свободной водоотдачи проводились путем отстаивания хвостов в мерном цилиндре в течение нескольких суток, далее производился замер осветленной воды и вычислялся объем водоотдачи (рис. 5). Из рис. 5 следует, что свободная водоотдача материала изменяется от 6,17 до 11,24%.
Рис. 5 Диаграмма свободной водоотдачи хвостов
Fig. 5 Storactivity chart of thickened tailings
Также посредством прибора ПКФ-01 «Союздорнии» определен коэффициент фильтрации хвостов, который составил в среднем 0,017 м/сут в месте излива, в разгрузке сгустителя №2 – 0,014 м/сут. Все полученные значения в соответствии с ГОСТ 25100–20204 по классификации водопроницаемости относятся к категории «слабоводонепроницаемые».
Из анализа полученных значений плотности, минеральной плотности, абсолютной и относительной влажностей, свободной водоотдачи, коэффициента фильтрации следует, что по мере транспортирования сгущенных хвостов обогащения к месту укладки в карьере изменений вышеуказанных параметров хвостов не происходит. Имеющиеся различия показателей находятся в пределах точности замеров и не имеют систематического характера.
Испытания реологических свойств сгущенного материала включали определение вязкости, напряжения сдвига, угла растекания и их динамики в процессе размещения в карьере.
Рис. 6 Диаграмма вязкости исследуемых хвостов
Fig. 6 Viscosity chart of thickened tailings
Кинетика изменения вязкости материала определена при помощи вискозиметра Fungilab, напряжение сдвига определено на реометре YR-1 фирмы Brookfield (результаты представлены на рис. 6 и 7)5.
Рис. 7 Диаграмма напряжений сдвига исследуемых хвостов
Fig. 7 Shear stress chart of thickened tailings
В процессе проведения исследований сгущенных хвостов получены следующие средние значения вязкости для проб, отобранных с излива, они составляют 27,59 П, отобранных с разгрузки сгустителя №2 – 31,75 П. Среднее значение напряжения сдвига для излива составляет 50,26 Па, с разгрузки сгустителя №2 – 57,69 Па. Во всех пробах фиксируется понижение вязкости и напряжения сдвига в процессе транспортирования сгущенных хвостов. При помощи вискозиметра Суттарда определена растекаемость пульпы, значения которой отражены в диаграмме на рис. 8. Во всех пробах имеет место снижение угла растекания.
Рис. 8 Диаграмма угла растекания
Fig. 8 Spreading angle chart of thickened tailings
Средний угол растекания по результатам замеров на вискозиметре Суттарда показал следующие значения: для точки отбора проб с разгрузки сгустителя №2 составляет 2,96°, для места сброса в карьер – 2,22°. Анализ проведенных исследований показал, что полученные углы растекания значительно отличаются от проектных значений по причине механического воздействия на стадии перекачивания продукта и в процессе сброса материала с большой высоты, а также изменения состава перерабатываемых руд и тонины помола.
Изменение реологических параметров сгущенных хвостов в зависимости от места отбора проб объясняется разрушением молекул полимера в результате приложенных механических нагрузок и появляющейся деформации в процессе транспортирования по трубопроводам, называемым механической деструкцией полимера. При механической деструкции происходит изменение структуры и свойств сгущенных хвостов, связанное с разрывом макромолекул.
С целью подтверждения данного предположения было проведено исследование, в ходе которого определялись реологические свойства сгущенных хвостов в исходном состоянии и после механического воздействия, позволяющего имитировать разрушение флокул, путем обработки исследуемого материала при высоких оборотах миксера. Анализ значений реологических свойств материала после механического воздействия показал, что имеют место изменения: на 15,3% зафиксировано понижение угла растекания (среднее значение с разгрузки сгустителя №2 уменьшилось до 2,5°, в месте сброса в карьер – до 1,88°), на 25,5% понижение вязкости (среднее значение с разгрузки сгустителя №2 составляет 23,65 П, для места сброса в карьер – 20,55 П), понижение напряжения сдвига – в среднем на 14,0% (среднее значение с разгрузки сгустителя №2 составляет 49,61 Па, для места сброса в карьер – 43,22 Па), что хорошо согласуется с данными, приведенными выше.
Заключение
Исследования показали, что в период приготовления, транспортирования и укладки сгущенного продукта происходят существенные изменения реологических характеристик сгущенных хвостов вследствие их механической деструкции.
Изменение свойств сгущенного продукта в процессе транспортирования и укладки необходимо учитывать в проектных решениях по определению угла растекания, мест точек сброса пульпы в карьер, конструкции, состава и производительности фильтрационных систем и водоотлива.
Список литературы
1. Зотеев О.В., Калмыков В.Н., Гоготин А.А., Зубков А.А., Зубков А.А. Исследование физико-механических свойств отходов обогащения для разработки технологии формирования закладочного массива в выработанном пространстве карьера «Учалинский». Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2013;(4):13–17. Zoteev O.V., Kalmykov V.N., Gogotin A.A., Zubkov A.A., Zubkov A.A. The investigation of tailings physical and mechanical properties for the development of the method of filling solid mass forming in Uchalinsky quarry waste area. Vestnik of Nosov Magnitogorsk State Technical University. 2013;(4):13–17. (In Russ.)
2. Куликова А.А., Ковалева А.М. Применение хвостов обогащения в качестве закладки выработанного пространства рудников. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2021;(2-1):144–154. https://doi.org/10.25018/0236-1493-2021-21-0-144-154 Kulikova A.A., Kovaleva A.M. Use of tailings of enrichment for laying of the developed space of mines. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2021;(2-1):144–154. (In Russ.) https://doi.org/10.25018/0236-1493-2021-21-0-144-154
3. Хайрутдинов М.М., Кузиев Д.А., Копылов А.Б., Головин К.А. Техногенные отходы в закладочных смесях – путь снижения воздействия на экологию. Известия Тульского государственного университета. Науки о земле. 2022;(1):152–164. Khayrutdinov M.M., Kuziev D.A., Kopylov A.B., Golovin K.A. Man-made waste in backfill mixtures – a way to reduce environmental impact. Izvestiya Tulskogo Gosudarstvennogo Universiteta. Nauki o Zemle. 2022;(1):152–164. (In Russ.)
4. Александров В.И., Ватлина А.М., Махараткин П.Н. Обоснование и выбор расчетных параметров гидрофицированного комплекса оборудования для получения закладочных смесей из текущих хвостов обогащения. Записки Горного института. 2023;262:541–551. https://doi.org/10.31897/PMI.2022.68 Alexandrov V.I., Vatlina A.M., Makharatkin P.N. Substantiation and selection of the design parameters of the hydroficated equipment complex for obtaining backfill mixtures from current enrichment tailings. Journal of Mining Institute. 2023;262:541–551. (In Russ.) https://doi.org/10.31897/PMI.2022.68
5. Калмыков В.Н., Гоготин А.А., Тарабаев А.С. Опыт размещения сгущенных хвостов обогащения в Учалинском карьере в условиях совмещения с подземными работами. Актуальные проблемы горного дела. 2021;(2):30–34. Kalmykov V.N., Gogotin A.A., Tarabaev A.S. The experience of placing condensed tailings of enrichment in the Uchalinsky quarry in combination with underground work. Aktualnye Problemy Gornogo Dela. 2021;(2):30–34. (In Russ.)
6. Зотеев О.В., Калмыков В.Н., Гоготин А.А., Зубков А.Е., Ахмедъянов И.Х., Зубков А.А., Бондаренко Д.А. Разработка технологии закладки Учалинского карьера сгущенными отходами обогатительного производства. В кн.: Комплексное освоение месторождений полезных ископаемых: сб. науч. тр. Магнитогорск: МГТУ им. Г.И. Носова; 2013. С. 44–47. Zoteev O.V., Kalmykov V.N., Gogotin A.A., Zubkov A.E., Akhmedyanov I.H., Zubkov A.A., Bondarenko D.A. Development of the backfilling technology using thickened concentration wastes at the Uchalinskiy open pit mine. In: Integrated development of mineral deposits: collection of scientific articles. Magnitogorsk: Nosov Magnitogorsk State Technical University; 2013, pp. 44-47. (In Russ.).
7. Зубков А.А. Обоснование параметров технологии формирования техногенных массивов из отходов обогащения в выработанном карьерном пространстве при открыто-подземной разработке медно-колчеданных месторождений: дис. … канд. техн. наук. Магнитогорск; 2013. 160 с. Zubkov A.A. Justification of technological parameters for creation of man-made masses using concentration wastes in combined method of mining copper and cobalt deposits: Cand. eng. sci. diss., Magnitogorsk; 2013, 160 p. (In Russ.).
8. Gao J., Fourie A. Studies on thickened tailings deposition in flume tests using the computational fluid dynamics (CFD) method. Canadian Geotechnical Journal. 2019;56(2):249–262. https://doi.org/10.1139/cgj-2017-0228
9. Blight G.E., Melentev A.V. The master profile for hydraulic fill tailings beaches. Proceedings of the Institution of Civil Engineers – Geotechnical Engineering. 1994;107(1):27–40. https://doi.org/10.1680/igeng.1994.25718
10. Jiao H., Yang W., Ruan Z., Yu J., Liu J., Yang Y. Microscale mechanism of tailing thickening in metal mines. International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials. 2023;30(8):1538–1547. https://doi.org/10.1007/s12613-022-2587-0
11. Cacciuttolo Vargas C., Marinovic Pulido A. Sustainable management of thickened tailings in Chile and Peru: A review of practical experience and socio-environmental acceptance. Sustainability. 2022;14(17):10901. https://doi.org/10.3390/su141710901
12. Бармин И.С., Морозов В.В., Поливанская В.В. Исследование и разработка режимов сгущения и флотации шламовых классов лежалых хвостов. Руды и металлы. 2020;(1):87–93. https://doi.org/10.24411/0869-5997-2020-10007 Barmin I.S., Morozov V.V., Polivanskaya V.V. Research and development of regimes of thickening and flotation of sludge classes of stale tails. Ores and Metals. 2020;(1):87–93. (In Russ.) https://doi.org/10.24411/0869-5997-2020-10007
13. Шершнев А.А., Кисляков В.Е. Растекание пастообразных хвостов обогатительного передела. Журнал Сибирского федерального университета. Техника и технологии. 2014;7(3):290–294. Shershnev A.A., Kislykov V.E. Spreadability of paste tailings after concentrating repartition. Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies. 2014;7(3):290–294. (In Russ.)
14. Зотеев В.Т., Зотеев О.В., Костерова Т.К., Тагильцев С.Н., Осламенко В.В. Гидрогеологические и геомеханические условия формирования хвостохранилища в Главном карьере Высокогорского ГОКа. Известия вузов. Горный журнал. 1995;(5):111–121. Zoteev V.T., Zoteev O.V., Kosterova T.K., Tagiltsev S.N., Oslamenko V.V. Hydrogeological and geomechanical conditions of tailings storage formation in the Main quarry of the Vysokogorsky GOK. Izvestiya Vuzov. Gornyi Zhurnal. 1995;(5):111–121.
15. A Chryss., Fourie A., Monch A., Nairn D., Seddon K.D. Towards an integrated approach to tailings management. Journal of the Southern African Institute of Mining and Metallurgy. 2012;112(11):965–969. https://doi.org/10.36487/ACG_REP/1263_01_CHRYSS
16. Николаев А.К., Авксентьев С.Ю., Ляшик С.П. Исследование реологических характеристик пастообразных гидросмесей. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2008;(10):352–355. Nikolaev A.K., Avksentiev S.Yu., Lyashik S.P. Investigation of rheological characteristics of pasty hydraulic mixtures. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2008;(10):352–355.
