Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ПОРИЗОВАННОЙ ТВЕРДЕЮЩЕЙ СМЕСИ ДЛЯ ЗАКЛАДКИ ВЫРАБОТАННОГО ПОДЗЕМНОГО ПРОСТРАНСТВА

Изобретение относится к технологии разработки полезных ископаемых подземным способом с закладкой выработанного пространства и посвящена приготовлению твердеющих закладочных смесей из разных компонентов, в т.ч. вяжущего (цемент), дополнительного вяжущего (доменный шлак) и инертных заполнителей (щебень, песок, хвосты обогащения руд и т.п.).

Известно множество способов приготовления твердеющих смесей для закладки выработанного пространства (далее - закладочных смесей) из инертною материала и вяжущего. Но наиболее эффективными считаются те, в которых достигается экономия дорогостоящего вяжущего (цемента) с сохранением хороших прочностных характеристик.

Одним из направлений является механическая активация компонентов смеси. Механически активированная поверхность вяжущего (цемента, доменного шлака) обладает активными центрами (разорванные связи молекул и атомов, свободные электроны и т.п.), которые в смеси активно образуют многочисленные прочные связи, за счет чего прочность закладочного массива существенно повышается и обеспечивается снижение расхода вяжущего при одинаковой прочности.

Другое перспективное направление снижения расхода вяжущего, до сих пор не применявшееся в практике закладки выработанного пространства, - поризация закладочной смеси. Исходя из строительной практики можно утверждать, что применение поризованных закладочных смесей значительно повысит эффективность использования вяжущего.

Проведенные опыты показали, что при приготовлении образцов из активированного цемента с использованием поризации требуется на 30-40% меньше цемента, чем в случае образцов, изготовленных из непоризованной смеси на основе обычного (неактивированного) цемента.

Известен способ приготовления бетонной смеси (Патент РФ 2093496, приоритет 30.11.1992), по которому бетонную смесь готовят по раздельной технологии. Сначала в смесителе-активаторе замешивают цемент с водой, обеспечив их турбулентное перемешивание и активацию электрическим током, а затем цементное тесто подают в бетоносмеситель и замешивают с заполнителем. Использование активированной бетонной смеси ускоряет темп набора прочности бетона. Прочность бетона в 28-суточном возрасте на 22-26% выше прочности бетона обычного приготовления.

Однако в этом способе нет усиленной активации вновь образованной поверхности цемента, поризация не осуществляется, поэтому не достигается экономия вяжущего в должной мере.

Известен способ приготовления закладочной смеси (Патент РФ 2096627, приоритет от 02.08.1995), в котором смесь компонентов проходит вибрационный грохот, дезинтегратор и направляется в вибромельницу, после которого закачивается в подземную выработку. Воду перед смешением компонентов активируют электромеханической обработкой.

Недостатком этого способа является высокая металло- и энергоемкость, что значительно увеличивает себестоимость приготовления закладочной смеси. Поризация не осуществляется, следовательно не достигается соответствующая экономия вяжущего.

Известен способ приготовления твердеющих закладочных смесей (Патент республики Казахстан KZ 16990, приоритет 15.05.2004), который принят за прототип, когда все компоненты (вяжущее, инертные заполнители, добавки) одновременно загружаются в рабочую камеру вместе с водой, где они дробятся, измельчаются, перемешиваются и активируются между поверхностями камеры. Готовая закладочная смесь перекачивается в закладочное пространство, где затвердевает.

Этот способ имеет повышенный расход вяжущего, т.к. поризация не осуществляется, а вместе с исходными компонентами в рабочую камеру подается вода, оказывающая эффект «пассивации», т.е. ослабляется энергонапряженность образующихся активных центров. Таким образом, при прохождении материала между конусами не происходит механической активации в достаточной степени.

Задачей предлагаемого изобретения является сокращение расхода вяжущего при достаточной прочности бетонного камня.

Техническим результатом является использование эффекта поризации при приготовлении закладочной смеси и повышение степени активации ее компонентов, с сохранением прочности закладочного массива.

Для решения этой задачи предлагается готовить закладочную смесь в компактном устройстве, состоящем из конусной инерционной дробилки и высокоскоростного смесителя непрерывного действия. В загрузочный бункер конусной инерционной дробилки при дробящем усилии (4÷8)·10⁵ Н дозированно подаются в сухом виде вяжущее (цемент), дополнительное вяжущее (доменный шлак) и инертный заполнитель. В дробилке осуществляется дробление и измельчение заполнителя и дополнительного вяжущего (шлака), обновление поверхности вяжущего, механоактивация заполнителя и вяжущего, сухое перемешивания компонентов смеси.

Пределы воздействующих усилий на материал объясняются следующим. Агрегаты, традиционно используемые для приготовления закладочных смесей, например барабанные мельницы (стержневые и шаровые), развивают разрушающее усилие меньше 4·10⁵ Н, соответственно в них не происходит значимая механическая активация. Для обеспечения механической активации дробящее усилие должно быть больше 4·10⁵ Н. Это может быть обеспечено в конусной инерционной дробилке. Прикладывать усилия выше 8·10⁵ Н не имеет смысла, т.к. при этом имеется вероятность нарушения кристаллической решетки минералов, они могут перейти в аморфное состояние, и весь эффект механической активации исчезнет. Полученную на выходе из дробилки смесь затворяют водой с перемешиванием в высокоскоростном смесителе непрерывного действия. С целью снижения расхода вяжущего и заполнителя в закладочную смесь перед подачей в закладываемое пространство вводят пену, обеспечивающую образование в твердеющей смеси пор, составляющих 10-20% от объема твердеющей смеси. Поризованная закладочная смесь направляется в закладываемое пространство.

Предлагаемая схема позволяет, с одной стороны, снизить расход цемента за счет поризации смеси, а с другой - повысить прочность получаемого из смеси массива за счет максимального эффекта механоактивации, поскольку в сухом виде исключается пассивация материала при дроблении и обеспечивается повышенная энергонапряженность воздействия на материал. Двухступенчатое перемешивание обеспечивает гораздо лучшую по сравнению с прототипом однородность смеси.

Примеры осуществления способа

1) В загрузочный бункер конусной инерционной дробилки КИД-300 дозированно загружали исходные компоненты в количестве (на 1 м³ готовой смеси): диабаза-999 кг, шлака-207 кг, цемента-67 кг. На выходе из дробилки получили 1273 кг сухой механоактивированной смеси, которую затем направили в высокоскоростной смеситель непрерывного действия, куда для вовлечения воздуха в смесь одновременно подавали пену на основе синтетического пенообразователя Ареком-4, а также воду в количестве, необходимом для доведения смеси до требуемого объема 1 м³. В результате получили пористую однородную высококачественную закладочную смесь.

Таким образом, для приготовления 1 м³ смеси с кубиковой прочностью 5 МПа на 180 день твердения и объемом пор 10% по предлагаемому способу потребовалось: диабаза - 999 кг, шлака - 207 кг, цемента - 67 кг.

Для сравнения приготовлена смесь по способу совместного мокрого помола компонентов (как в прототипе). При этом для приготовления 1 м³ смеси с кубиковой прочностью 5 МПа на 180 день твердения потребовалось: диабаза - 930 кг, шлака - 300 кг, цемента - 150 кг.

За счет комбинации эффекта механоактивации и поризации смеси расход шлакового вяжущего снизился на 32%, расход цемента - в 2,2 раза.

2) В загрузочный бункер конусной инерционной дробилки КИД-300 дозированно загружали исходные компоненты в количестве (на 1 м³ готовой смеси): диабаза - 1287 кг, цемента - 122 кг. На выходе из дробилки получили 1409 кг сухой механоактивированной смеси, которую затем направили в высокоскоростной смеситель непрерывного действия, куда для вовлечения воздуха в смесь одновременно подавали пену на основе синтетического пенообразователя Ареком-4, а также воду в количестве, необходимом для доведения смеси до требуемого объема 1 м³. В результате получили однородную пористую высококачественную закладочную смесь.

Таким образом, для приготовления 1 м³ смеси с кубиковой прочностью 5 МПа на 180 день твердения и объемом пор 15% по предложенному способу потребовалось: диабаза - 1287 кг, цемента - 122 кг.

Для сравнения приготовлена смесь по способу совместного мокрого помола компонентов. При этом для приготовления 1 м³ смеси с кубиковой прочностью 5 МПа на 180 день твердения потребовалось: диабаза - 1330 кг, цемента - 235 кг.

За счет комбинации эффекта механоактивации и поризации расход цемента снизился на 48%.