Исследование физико-механических свойств разработанного для сохранения ценности техногенного сырья изоляционного состава, используемого на отрабатываемом участке техногенного месторождения



Актуальность статьи не вызывает никаких сомнений, особенно в условиях комплексного использования недр. Исследуя вопрос подготовки добычных блоков техногенного сырья, представленными хвостами обогащения, можно выделить проблему влияния воды, которая приводит к снижению ценности техногенного сырья, устойчивости техногенного массива, а в последствии к обрушению. Для предотвращения переувлажнения и последующего обрушения техногенного массива авторами был предложен цеметнополимерный раствор с армированными волокнами (фиброй). Исследования проводились на образцах, отверждение которых проводилось на воздухе в режимах: при 200С в течении 240 ч, 1200С и 1500С в течении 3 ч. Показатели прочности разработанного раствора определены методом разрушения образцов соосными встречно направленными сферическими инденторами. Водопоглощение определялось по изменению массы в зависимости от времени выдержки образцов в воде, взятой из железосодержащего хвостохранилища. В статье показана тенденция изменения физико-механических и релакционных свойств раствора при воздействии с водой, а также описаны происходящие деструктивные процессы. Описанные результаты предопределяют необходимость дальнейших исследований в данном направлении, особенно для отверждающихся цементнополимерных растворов, соприкасающихся с водой из хвостохранилищ, а также возможность расширения сферы их применения.

Ключевые слова: раствор, физико-механические свойства, вода, добычной блок, техногенное месторождение, хвосты обогащения, релакционные свойства, водорастворимый полимер.

Современное состояние горнодобывающей и горноперерабатываюшей отраслей характеризуется структурными изменениями сырьевой базы, связанными с ухудшением качественного состава исходных запасов, усложнением технологических схем комплексного извлечения полезных компонентов, резким нарастанием эколого-экономических проблем. Все это вынуждает при разработке конкретных технических решений использовать достижения фундаментальных наук, привлекать способы и методы, интенсифицирующие добычу горнорудного сырья, так и решение проблем рационального природопользования и охраны труда [1,2].

Одним из выдающихся достижений химии высокомолекулярных соединений и коллоидной науки является создание синтетических высокомолекулярных веществ, получивших название водорастворимых полимеров (ВРП) [3,4]. Специфические особенности водорастворимых полимеров были взяты на вооружение в горнодобывающей отрасли, поскольку наличие в макромолекулах сочетания гидрофильно-гидрофобных фрагментов предопределило их высокую поверхностную активность на границах твердое-жидкость и жидкость-газ [1].

Изменение прочностных свойств сырья на стадии дробления, измельчения, дезинтеграции, регулирование агрегативной и кинетической устойчивости минеральных гидро- и аэродисперсных систем при гравитации, химическая кольматация и тампонаж торных пород, селективная флокуляция и флотофлокуляция, структурообразование свободно-дисперсных систем — вот далеко не полный перечень явлений и процессов, которые осуществляются с помощью водорастворимых полимеров [4–6].

Имеются детальные данные примерно о тринадцати различных явлениях, связанных с влиянием полимеров на дисперсные системы, и этот список, несомненно, будет продолжен [7].

В настоящее время практически на любой стадии горно-обогатительного передела находят применение ВРП различных типов и классов. Особенно большой интерес вызывает использование ВРП при создании экологически надежных технологий в системах оборотного водоснабжения и при комплексной переработке минерального сырья. У нас в стране работы, связанные с синтезом и использованием ВРП ведутся в различных центрах: МГУ, Иргиредмет, МГРИ, КНИИХП и др.

К настоящему времени создано свыше ста различных типов водорастворимых полимеров, однако в промышленном производстве освоено не более 33 [8–12].

В настоящее время проведены многочисленные исследования в области применения водорастворимых полимеров. Этим исследованиям посвящены работы ведущих ученых Свирякин Б. И., Булатова А. И., Рябова Л. И., Chokhawala H. A., Johnsy George, Bernabé L. Rivas, Ahmed M. A., Brümmer G. W., Chen N., Grover V. A., Hristovski K. D., Vatutsina O. M., Matyjaszewski, K. и другие. Разработаны и рассмотрены особенности водорастворимых полимеров и характер их взаимодействия на различные дисперсные системы. Таким образом, была расширена область применения в различных отраслях промышленности [1,2,5].

Добыча и переработка минерального сырья характеризуется крайне агрессивными водными средами, которые отрицательно влияют используемые материалы. Применение водорастворимых полимеров в горной отрасли теоретически обоснованы и позволяют получить существенный эффект на различных технологических процессах, особенно при обеспечении устойчивости, сохранении ценности и предотвращения переувлажнения техногенного массива при подготовке добычных блоков к разработке [14–18].

В большинстве случаев, подготовка добычных блок к выемке осуществляется путем проходки опережающих дренажных траншей, которая позволит ускорить процесс осушения и обеспечить несущую способность лежалых хвостов обогащения. Интенсификация осушения массива хвостов достигается также путем создания в зимний период в промерзших хвостах дополнительных дренажных траншей [19].

Изучение гранулометрического состава хвостов обогащения на Магнитогорском ГОКе, показало, что при увеличении расстояния от места выпуска предопределяет средневзвешенный размер частиц, которые изменяются от 0,1до 0,24 мм, которые свою очередь приводит к снижению коэффициента фильтрации от 3,06 до 2,95 м/сут и колебанию влажности техногенного массива от 9 до 13 % в пределах добычного блока [18, 19].

Повышение влажности от внешних атмосферных осадков снижают коэффициент запаса устойчивости добычного блока, приводящие к обрушениям и оползням [20]. Для предотвращения переувлажнения техногенного сырья в добычном блоке необходимо проводить его изолирование от внешних атмосферных осадков путем применения цементнополимерного раствора.

Анализ водорастворимых полимеров определил необходимость поиска альтернативы в условиях разработки хвостохранилищ [21–24]. В результате был предложен раствор на основе гидроксипропилметилцеллюлозы, цемента и армирующих волокон, для которого до сих пор не изучено влияние агрессивной воды, которая содержаться в железосодержащих хвостохранилищ на физико-механические и релакционные свойства раствора.

Цель исследования — выявить влияние жидкой среды хвостохранилищ на физико-механические и релакционные свойства отверженного цементнополимерного раствора.

Исследования проводились на образцах, отверждение которых проводилось на воздухе в режимах: первый — при 20 ⁰ С в течении 240 ч, второй ‑120 ⁰ С и третий — 150 ⁰ С в течении 3 ч.

Влияние воды на термомеханические свойства образцов, испытанных по первому режиму, заключалось в незначительном смещении переходной области, соответствующей отвердеванию раствора, в сторону меньших температур из-за пластифицирующего действия сорбированной воды (наблюдается только при весьма малом времени выдержки в воде, т. е. ч).

При дальнейшем увеличении времени выдержки температуры плавления композиций начинают возрастать, причем особенно интенсивно этот эффект проявляется в интервале 10‑240 ч, где среднее приращение температуры плавления составляет примерно 0,1°С за 1 ч. При больших значениях времени скорость роста

существенно меньше: во временном диапазоне от 240 до 1320 ч она не превышает в среднем 5*10– ^{3 0} С за 1 ч пребывания в воде.

Наряду с ростом показателя происходит довольно значительное уменьшение деформации образца в высокоэластическом состоянии по мере увеличения времени пребывания его в воде, что свидетельствует об увеличении частоты пространственной сетки в полимере.

При старении образцов на воздухе наблюдаемые изменения температуры плавления и молярной массы крайне малы (таблица 1), причем и они в значительной мере могут быть также отнесены к эффекту, связанному с действием влаги, сорбированной из окружающей среды.

Полученные результаты говорят о существенном ускорении плавления водорастворимых полимеров на цементной основе в воде на глубоких стадиях превращения.

Таблица 1

Зависимость свойств раствора от времени их выдержки в воде

Параметры	Тип полимера	Режим отверждения	Время выдержки образцов в воде, ч
			0	24	240
Водопоглощение, %	Гидроксипропилметилцеллюлоза	Первый	0	4,3	9,6
		Второй	0	1,8	7,7
		Третий	0	1,4	8,0
Температура плавления , 0 С		Первый	337	341	361
		Третий	377	362	350
Молярная масса , кг/моль		Первый	1280	1165	874
		Второй	759	681	657

При этом за сравнительно короткое время достигаются значения параметров и

близкие к таковым для термообработаных образцов. В связи с этим выдержку образцов в воде с последующей сушкой можно рассматривать как перспективный способ получения предельно отвержденных материалов со стабильными свойствами без воздействия повышенных температур, при которых возможно протекание нежелательных деструктивных процессов.

Для образцов, подвергнутых прогреву, наблюдается несколько отличная картина. Хотя и в этом случае имеют место эффекты пластификации и доотверждения (величина , как следует из табл., убывает по мере увеличения времени выдержки образцов в воде), однако влияние первой явно преобладает. Это находит свое отражение в постоянном снижении с течением времени, причем особенно резко температура плавления убывает за первые сутки нахождения термоотвержденного образца в воде. Заметим, что для прогретого образца уменьшение теплоемкости во времени наблюдается даже при старении его на воздухе, что, по-видимому, связано с пластифицирующим действием влаги, сорбированной из воздуха. Вследствие этого его теплостойкость через достаточно длительное время (13–20 ч.) пребывания не только в воде, но и воздухе становится ниже, чем у образца, полученного по первому режиму, после его выдержки в воде. Это позволяет предположить, что для обеспечения более высокой работоспособности раствора в водной среде следует стремиться к достижению некоторой оптимальной, отличной от предельной, полноты отверждения.

Изменение механических свойств отверждающихся в жидкой среде полимеров можно проиллюстрировать на примере гидроксипропилметилцеллюлозной композиций (рис. 1).

Из рис. 1 следует, что прочность при растяжении при малых временах выдержки образцов в воде достаточно быстро убывает (при этом скорость снижения определяется главным образом природой отверждающего агента, а затем в весьма широком временном интервале остается постоянной или даже несколько возрастает. Исследованиями установлено, что поведение гидроксипропилметилцеллюлозного полимера в водной среде зависит от его концентрации. Для растворов, отверждаемых гидроксипропилметилцеллюлозой, одинаковое отклонение от стехиометрии в сторону больших или меньших количеств отвердителя приводит к почти равным увеличениям максимума деформации при разрыве и снижению .

Рис. 1. График зависимостей σр и ɛр от времени tv цементнополимерного раствора отвержденной разным количеством гидроксиэтилметилцеллюлозой: 1–10 %, 2–15 % и 3–20 % а — деформация при разрыве ɛр; б — предел прочности на разрыв σр

Таким образом, увеличение температуры плавления в образцах приводит к уменьшению деформации образцов, что свидетельствует об увеличении частоты пространственной сетки в полимере, при этом можно отметить, что выдержанные образцы в воде с последующей сушкой можно рассматривать как перспективный способ получения предельно отвержденных материалов со стабильными свойствами без воздействия повышенных температур, при которых возможно протекание нежелательных деструктивных процессов.

Небольшое увеличение концентрации гидроксипропилметилцеллюлозы в образцах вызывает резкое уменьшение прочности и значительное увеличение , тогда как при недостатке указанный характер изменения параметров прочности и деформации проявляется в гораздо меньшей степени.

На основе проведенных исследований разработан цементнополимерный раствор, используемый, в частности, для защиты от внешних атмосферных осадков, сохранения профиля добычных блок, ценности добываемого сырья, что позволит повысит безопасность ведения горных работ на поверхности железосодержащих хвостохранилищ.

Литература:

1. Muthukumar Murugappan Trends in polymer physics and theory // Progress in Polymer Science. — Progress in Polymer Science. — 2020. — № 100. — P. 101–184.

2. Pashkevich M. A., Alekseenko A. V., Petrova T. A. Application of polymeric materials for abating the environmental impact of mine wastes // Journal of Physics: Conference Series, 2019, Vol. 1384, pp. 1–8. DOI:10.1088/1742–6596/1384/1/012039

3. Jiang Feng, Wang, Huan, Ye Zhuangjie, Pang Shishi, Pu Wanfen, Xu Bin Thickening mechanism of water-soluble polymer in the presence of Ca2+ and Na+ // Polymer Bulletin, 2021, pp. 1–10. DOI: 10.1007/s00289–021–03886–5.

4. Schwarz Simona, Oelmann M., Halisch Emilia, Steinbach C., Ahnert Markus, Kuehn Volker Water soluble polymers and their application in flocculation // GWF Wasser — Abwasser, 2018, no 159, pp. 55–60.

5. V. B. Kuskov, Vasilyev A. M. Specific features of the concentration process for finegrained materials in a short–cone hydrocyclone // Obogashchenie Rud, 2018, no 2, pp. 30–34.

6. Kharrat E. R., Mohammad R. M. Stability, flocculation, and rheological behavior of silica suspension-augmented polyacrylamide and the possibility to improve polymer flooding functionality // Journal of Molecular Liquids, 2020, pp. 3–22. DOI: 10.1016/j.molliq.2020.114572.

7. Matanle I. Core business for water soluble polymers // Materials World, 2002, no 10, pp. 36–38.

8. Samanta Abhijit, Bera Achinta, Ojha Keka, Mandal Ajay Effects of alkali salts and surfactant on rheological behavior of partially hydrolyzed polyacrylamide solutions // J. Chem. Eng. Data, 2010, no 55, pp. 4315–4322. DOI: 10.1021/je100458a

9. Semenov A. S. Assessment of project risk in the hierarchical organization of the process of design of complex technical systems // World Applied Sciences Journal, 2014, Vol. 8, no 30, pp. 1080–1082.

10. Gavrishev S. E., Burmistrov K. V., Kornilov S. N., Tomilina N. G. Evaluation of transportation flow charts with open-pit hoisting systems in open pit/underground mining // Gornyi Zhurnal, 2016, no 5, pp. 41–47.

11. Sidorenko A. A., Sishchuk J. M. Stability of undermining seam panel entries at retreating longwall multiple mining // Research Journal of Pharmaceutical, Biological and Chemical Sciences, 2016, no 7, pp. 927–935.

12. Tian Wei, Pang Mingjun, Xu Na Experimental investigation on drag reduction of mixed peo and ctac/nasal aqueous solution in a rotating disk apparatus // Frontiers in Heat and Mass Transfer, 2021, pp. 1–12. DOI: 10.5098/hmt.16.13

13. Остроушко А, Адамова Л, Гржегоржевский К, Ковеза Е. Взаимодействия диоксана с нанокластерными полиоксомолибдатами и их композициями, включающими водорастворимые полимеры. // Журнал физической химии. — 2020. — № 94. — С. 574–584.

14. Павлова Л. В., Григорьев Н. А., Прокошин К. В. Методы укрепления откосов земляного полотна // Тенденции развития науки и образования. — 2021. — № 74. — С. 54–57. DOI: 10.18411/lj-06–2021–95.

15. Левкевич В., Миканович Д., Бузук А. Методы укрепления откосов земляного полотна // Промышленное и гражданское строительство. — 2021. — С. 67–71. DOI: 10.33622/0869–7019.2021.02.64–71.

16. Немова Наталья, Бельш Татьяна Геомеханическая оценка параметров устойчивости откосов бортов и уступов при отработке месторождения апатит-нефелиновых руд «Олений ручей» // Известия Томского Политехнического университета. Инжиниринг Георесурсов. — 2019. — № 330. — С. 109–120.

17. Burmistrov K. V., Osintsev N. A., Shakshakpaev A. N. Selection of open-pit dump trucks during quarry reconstruction // Procedia Engineering, 2017, no 206, pp. 1696–1702.

18. Фоменко Игорь, Пендин В. В., Горобцов Денис, Никулина Мария Комплексное моделирование устойчивости откосов грунтовых отвалов // Горный журнал. — 2018. — № 2256. — С. 92–96. DOI: 10.17580/gzh.2018.11.17.

19. Аргимбаев К. Р. Обоснование технологии открытой разработки железосодержащих техногенных месторождений на примере хвостохранилищ ГОКов КМА: Дис. … канд. техн. наук. — Санкт-Петербург: Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», 2013. — 133 с.

20. Холодняков Г. А., Е. В. Логинов, Ву Дык Туан Малоотходная открытая разработка полезных ископаемых с помощью гидравлических экскаваторов // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2017. — № 1. — С. 357–363.

21. Жорин В., Киселев М., Котенев В. Тепловые процессы в смесях железа с полимерами и низкомолекулярными органическими соединениями после пластического деформирования под высоким давлением // Физикохимия поверхности и защита материалов. — 2020. — № 56. — С. 374–381.

22. Sarapulova G. I. Environmental geochemical assessment of technogenic soils // Journal of Mining Institute. — 2018. — № 234. — P. 658–662. DOI:10.25515/PMI.2018.6.658

23. Belyakov N. A., Smirnova O. M., Alekseev A. V., Hongbo T. Numerical simulation of the mechanical behavior of fiber-reinforced cement composites subjected dynamic loading // Applied Sciences, 2021, Vol. 3, no 11, pp. 1–15

24. Protosenya A. G., Karasev M. A., Belyakov N. A. Geomechanics of low-subsidence construction during the development of underground space in large cities and megalopolises // International Journal of Mechanical and Production Engineering Research and Development, 2019, no 9, pp. 1005–1014.

25. Бетоны. Общие требования к методам определения плотности, влажности, водопоглощения, пористости и водонепроницаемости: ГОСТ 12730.0–78. -Введ. 01.01.1980. -Москва: ИПК издательство стандартов, 2007. -3 с.

26. Korshunov V. A., Kartashov Yu.M., Kozlov V. A. Determination of indices of strength certificate of rocks using the method of specimens failire with spherical indentors // Journal of Mining Institute, 2010, Vol. 185, pp. 41–45.

27. Korshunov V. A. Determination of indices of volumetric strength of rocks under their loading with spherical indentors // Rock Geomechanics and Mining Surveying, Proc. VNIMI, 1999, pp. 70–75.

28. Цементы. Методы определения предела прочности при изгибе и сжатии: ГОСТ 310.4–81. -Введ. 21.08.1981. — Москва: ИПК издательство стандартов, 1998. -17 с

29. Komolov V. V., Belikov A. A., Demenkov P. A. Research on load-bearing constructions behavior during pit excavation under «slurry wall» protection // Lecture Notes in Civil Engineering, 2021, no 180, pp. 313–323