Исследование компрессионных и фильтрационных свойств железосодержащих хвостов обогащения



Большинство горнодобывающих предприятий заинтересованы в освоении техногенных месторождений, но недоизученность физико-механических свойств техногенного сырья в значительной мере является сдерживающим фактором. Это происходит по причине того, что первоначальный состав техногенного сырья за время их длительного хранения претерпевает глубокие преобразования, в том числе и физико-механические свойства. В статье изложены результаты исследования по изучению компрессионных и фильтрационных свойств железосодержащих хвостов обогащения. В ходе исследования проведены 8 компрессионных испытаний на пробах из 5 хвостохранилищ, включая определение коэффициентов фильтрации. Результаты лабораторных исследований предназначены для научного сообщества и горнодобывающих предприятий, которые дадут представления о возможности вовлечения в разработку техногенных месторождений с делением их на выемочные блоки с достаточной несущей способностью.

Ключевые слова: средневзвешенный диаметр, коэффициент фильтрации, хвосты обогащения, пористость, сжимаемость, нагрузка.

Зная о высокой эффективности освоения техногенных месторождений, многие всё же не рискуют их разрабатывать, задумываясь о них лишь в будущем с появлением техники и технологий и достаточной научной базой. [1–3]

Основным направлением исследований в мировой науке по освоению техногенных месторождений любого рода является детального изучение объекта. [4,5] Так, например, нерегулируемое складирование техногенного сырья в техногенных месторождениях на длительный срок, а также их перемешивание приводит к изменению внутреннего строения, петрографического, минералогического состава и физико-механических свойств, что уже доказано европейскими учеными. Получаемая информация оказывает огромное влияние на весь производственный цикл, начиная от добычи и до получения минерального сырья. [6.7] Поэтому представленные научно-исследовательские результаты имеют первостепенное значение при освоении техногенных месторождений. [8]

При исследовании использовалась современное лабораторное оборудование и методики согласно установленным Европейским унифицированным строительным нормам и правилам EUROCODE (EN), стандартам American Society of Testing Materials (ASTM), признанными академиями наук более 100 стран мира и Индийсками государственными стандартами (Indian Standard Code), а также ГОСТ РФ и полученные результаты соответствую современным требованиям техники и технологии.

Толща намытых в хвостохранилищах хвостов на конечный период его эксплуатации в пониженных местах будет достигать 90–100 м. Поэтому при проведении компрессионных испытаний сжимающую нагрузку доводим до 1 МПа. В общей сложности компрессионные испытания были проведены на 8 пробах хвостов, отобранных с ненарушенной структурой в стандартные кольца. Результаты испытаний приведены в таблице 1, из данных которой видно, что в трех пробах средневзвешенный диаметр хвостов был меньше 0,04 мм, а начальный коэффициент пористости хвостов этой крупности находился в диапазоне от 0,73 до 1,34. У хвостов с больше 0,04 мм изменялся от 0,65 до 0,80.

В качестве критерия, характеризующего плотность хвостов под нагрузкой принято отношение

где — величина коэффициента пористости после приложения соответствующей нагрузки.

Таблица 1

Изменение сжимаемости и коэффициентов фильтрации хвостов по данным компрессионных испытаний

Номер проб	284	285	479	282	283	286	475	476
Средневзвешенный диаметр хвостов , мм
1	0,028	0,037	0,044	0,067	0,116	0,126	0,190	0,220
Относительное значение коэффициента пористости
1	0,970	0,960	0,980	0,966	0,978	0,968	0,979	0,960
Относительное значение коэффициента фильтрации , м/сут
1	0,420	0,880	0,440	0,950	0,500	0,600	0,150	0,500

Примечание: индексы при относительных коэффициентах пористости и фильтрации соответствуют нагрузкам в тс/м ² .

Из данных таблицы 1 видно, что значения при постоянных значениях P в диапазоне d _СВ от 0,04 до 0,22 мм практически одинакова, что характеризует одинаковую сжимаемость всех классов хвостов обогащения.

Основным показателем фильтрационной способности хвостов является коэффициент фильтрации . Изучение этой характеристики проводилось без нагрузки и под нагрузкой на компрессионно-фильтрационном приборе системы Гуменского. В качестве основной характеристики изменения под нагрузкой было принято отношение

Полученные в результате исследований значения , приведены в таблице 1. Анализируя полученные результаты, можно сказать, что средневзвешенный диаметр хвостов при изучении фильтрации изменялся в диапазоне от 0,03 до 0,22 мм. При значении средневзвешенного диаметра хвостов 0,03–0,04 мм значения в среднем ровнялись 0,03 м/сут. С ростом

значения коэффициентов фильтрации увеличивались. Ориентировочная закономерность изменения в зависимости от может быть выражена в виде

где — средневзвешенный диаметр хвостов в мм, отнесенный к условной крупности хвостов =1,0 мм; — коэффициент фильтрации, м.

При приложении нагрузок коэффициенты фильтрации уменьшаются по закономерности, которая имеет вид

где P — безразмерная величина, равная отношений действующей нагрузки P в МПа к единичной нагрузке P ₀ , равной 0,01 МПа.

Таким образом, из проведенных лабораторных исследований можно сделать вывод, что пористость хвостов обогащения, и соответственно сжимаемость практически одинакова для всех классов хвостов обогащения.

Коэффициент фильтрации возрастает до 0,950 за счет увеличения средневзвешенного диаметра от 0,028 до 0,067 мм. В пробах с большой фракцией, средневзвешенный диаметр которого превышает 0,067 мм, коэффициент фильтрации уменьшается. Это обусловлено наличием в пробах глинистых пород.

Литература:

1. 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.

2. 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.

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. 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.

5. 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

6. 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.

7. 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.

8. 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.