ПОДХОД К ОЦЕНКЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ БИОСФЕРЫ

Известия ТулГУ. Науки о земле. 2014. Вып. 1
Problems of using underground space at the Tula City engineering-geological conditions are considered. Complex using Tula City underground space is proposed. The technology of “wall in soil” is considered as the best perspective one.
Key words: underground constriction, wall in soil, technology, soil, wastes.
Nikolai I. Prohorov, Candidate of Sciences, Professor, ecology@tsu.tula.ru, Russia,
Tula City, Tula Sate University,
Vladimir A. Moiseev,
“Tulaorgtehstroy” Company
engineer,
ecology@tsu.tula.ru,
Russia,
Tula
City,
УДК 622.273.2
ИССЛЕДОВАНИЕ ТРАНСПОРТАБЕЛЬНОСТИ ЗАКЛАДОЧНЫХ
СМЕСЕЙ ИЗ ОТХОДОВ КАЛИЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА
И ХЛОРИСТОГО КАЛЬЦИЯ
М.И. Русаков, Б.А. Борзаковский, А.В. Шилов, В.В. Тарасов,
В.С. Пестрикова
Проведены лабораторные испытания транспортабельных характеристик
смесей на вяжущем из хлористого кальция. Определены динамическая вязкость и сопротивление сдвигу смесей с различными наполнителями. Установлено, что при увеличении плотности смеси вязкость и сопротивление сдвигу возрастают. За основу расчета гидротранспорта исследуемых смесей приняты положения, используемые в расчетах гидротранспорта закладочных пульп.
Ключевые слова: хлористый кальций, солеотходы, шлам, вязкость, сопротивление сдвигу, гидротранспорт, потери напора
Одним из основных технологических процессов гидрозакладки на
калийных рудниках является транспортирование закладочной пульпы.
Пульпу транспортируют от узла пульпоприготовления, расположенного на
земной поверхности, до закладываемых камер.
Гидрозакладочная пульпа состоит из солеотходов и насыщенного
рассола. В большинстве случаев гидротранспорт обеспечивается за счет
движущего напора, создаваемого весом столба пульпы в стволе. Если движущий напор меньше требуемого, то по трассе трубопровода устанавливают пульпоперекачные станции. Удельные потери напора пульпы зависят
от технологических параметров гидрозакладки (диаметра трубопроводов,
плотности и скорости пульпы) и коэффициента гидравлического трения,
определяемого с учетом шероховатости внутренней поверхности трубопровода и вязкости смеси. Удельные потери напора пульпы солеотходов
65
Геотехнология
составляют от 0,03 до 0,09 м вод. ст./м в зависимости от типа и диаметра
трубопровода [1].
В ОАО «Галургия» разработан новый закладочный материал на вяжущем из хлористого кальция CaCl2 [2]. Лабораторные исследования показали, что из смесей на вяжущем из CaCl2 образуется прочный закладочный
массив.
Для оценки транспортабельных свойств таких смесей изготовлены
составы, состоящие из CaCl2, рассола насыщенного солями NaCl и KCl, и
наполнителей в виде твердых частиц глинисто-соляного шлама и/или солеотходов.
При изготовлении смесей с наполнителем из солеотходов установлено, что в зависимости от отношения жидкого к твердому и крупности
солеотходов смеси получаются разными. При большом количестве жидкого смесь расслаивается и частицы солеотходов оседают, а при малом –
смесь проявляет свойства псевдовязкой смеси. Смеси, в которых объем
жидкого равен или меньше объема твердого, осаждаются медленнее, но
достаточно быстро, чтобы их можно было отнести к псевдовязким смесям.
Вязкостные свойства концентрированных смесей проявляются в течение 5
минут, после этого они расслаиваются и измерить напряжение сдвига
осадка не представляется возможным. Смеси с наполнителем из глинистосолевого шлама относятся к псевдовязким смесям.
Из этих наблюдений следует, что расчет гидротранспорта смесей
следует производить с учетом их состава. Расчет гидротранспорта расслаивающихся смесей следует производить как расчет пульп. Для концентрированных смесей расчет потерь напора необходимо производить двумя
способами как для пульп и как для псевдовязких смесей.
Удельные потери напора для пульпы i, м. вод. столба/м, определяют
по формуле
(k   кр ) 2  п
(1)
i  
 k зап ,
2 g  Dу
где  – коэффициент гидравлического трения; k – коэффициент рабочей
скорости;  кр – критическая скорость, м/с; п – плотность пульпы, т/м3;
D у – внутренний диаметр трубопровода, м; k зап – коэффициент запаса
напора.
Удельные потери напора псевдовязких смесей i, Па/м, определяют
по формуле Бингама-Шведова
 16
32v  д 

сд
i

k ,
(2)
2  зап
 3D у
D
у 

66
Известия ТулГУ. Науки о земле. 2014. Вып. 1
где
 сд – статическое сопротивление сдвигу, Па; D у – внутренний диа-
метр трубопровода, м; v – скорость транспортирования смеси, м/с; д –
динамическая вязкость, Па·с.
В первом случае расчет производится с учетом динамической вязкости (учитывается в коэффициенте гидравлического трения), как жидкой
части пульпы, так и самой пульпы, а во втором с учетом динамической
вязкости смеси и ее статического сопротивления сдвигу. Ниже приведены
основные результаты исследований.
Определение транспортабельных характеристик проводили с помощью вискозиметра Брукфилда. Результаты измерений динамической
вязкости 55 % раствора CaCl2 при разных температурах представлены на
рис. 1.
Рис. 1. Зависимость динамической вязкости 55 % раствора CaCl2
от температуры
Из рис. 1 видно, что динамическая вязкость с уменьшением температуры увеличивается. Это позволяет сделать вывод о том, что при транспортировании закладочной смеси, содержащей CaCl2, в связи с ее остыванием потери напора будут увеличиваться.
Известно, что добавление в жидкость мелких частиц твердого повышает вязкость. Результаты измерений сопротивления сдвигу и динамической вязкости раствора CaCl2 с добавлением частиц солеотходов класса 0,16 мм показаны на рис. 2 в виде зависимостей вязкости и статического
сопротивления сдвигу от концентрации мелких частиц при температуре
50°С.
Для смеси с наполнителем из солеотходов с объемным содержанием Т:Ж=1:1 с содержанием мелких фракций соли 15 % динамическая вяз67
Геотехнология
кость составила 0,3 Па·с, статическое сопротивление сдвигу 12,5 Па, для
смеси с содержанием Т:Ж=1,3:1 – 0,44 Па·с и 19 Па соответственно.
Для смеси с содержанием Т:Ж=1:1 удельные потери напора определили по формуле (1). Потери напора составили 0,054 м. вод. столба/м. Для
смеси с содержанием Т:Ж=1,3:1 удельные потери напора определили по
формулам (1) и (2). Потери напора составили 0,033 и 0,0745 м. вод. столба/м соответственно. Расчеты показали, что удельные потери напора смесей, где в качестве несущей жидкости используется раствор CaCl2, находятся в диапазоне значений для пульпы солеотходов на насыщенном рассоле.
Рис. 2. Зависимости вязкости и статического сопротивления сдвигу
от концентрации мелких частиц солеотходов класса -0,16 мм
Ниже приведен расчет гидротранспорта смесей с наполнителем из
глинисто-солевого шлама.
Статическое сопротивление сдвигу и динамическую вязкость определили для шламовой пульпы и ее смеси с CaCl2. Массу добавления CaCl2
в шламовую пульпу определили исходя из того, чтобы концентрация CaCl2
в воде, содержащейся в шламе, была не менее 55 %, что соответствует образованию кристаллогидратов CaCl2·2Н2О и CaCl2·4Н2О.
68
Известия ТулГУ. Науки о земле. 2014. Вып. 1
Масса добавления CaCl2 в заданный объем шламовой пульпы
М CaCl 2 , т, определяется по формуле
М CaCl 2  Vш.п  Vр  mCaCl 2 ,
(3)
где Vш.п – объем шламовой пульпы, м3; Vр – объемное содержание
рассола в шламовой пульпе, доли ед.; mCaCl 2 – удельный расход CaCl2 для
получения насыщенного раствора CaCl2 на 1 м3 насыщенного рассола, т/м3.
Объемная доля рассола в шламовой пульпе Vр , доли ед., определяется по формуле

 ш.п
Vр  т.ш
,
 т.ш   р
где  т.ш – плотность твердых частиц шлама, т/м3,  т.ш =2,48 т/м3; ш.п
– плотность шламовой пульпы, т/м3;  р – плотность рассола, т/м3,  р
=1,23 т/м3.
Удельный расход сухого CaCl2 для получения насыщенного раствора CaCl2 на 1 м3 насыщенного рассола mCaCl2 , т/м3, определяется по формуле
mCaCl 2 
 р   в. р   CaCl 2
 в.CaCl 2
,
 в. р – массовая доля воды в рассоле, доли ед.,  в. р =0,86;  CaCl 2 –
массовая доля сухого CaCl2 в растворе CaCl2, доли ед.,  CaCl 2 =0,56;
где
 в.CaCl 2 – массовая доля воды в растворе CaCl2, доли ед.,  в.CaCl 2 =0,44.
В лабораторных условиях на вискозиметре Брукфилда определили
статическое сопротивление сдвигу и динамическую вязкость для шламовой пульпы и ее смеси с CaCl2. Массу добавления CaCl2 в шламовую пульпу определили по формуле (3). Данные об исходном составе шламов, их
смесей с CaCl2 и транспортабельных характеристиках приведены в таблице.
Следует отметить, что плотность смеси шламовой пульпы с CaCl2
несколько меньше расчетной. Это вызвано тем, что при приготовлении
смеси, кроме воздуха, содержащегося в гранулах CaCl2, вовлекается воздух
при перемешивании, а удаление его чрезвычайно затруднено.
По данным таблицы построены зависимости д  f (ш.п , см ) и
сд  f (ш.п , см ) , которые показаны на рис. 3. Эти зависимости показывают, что добавление CaCl2 увеличивает динамическую вязкость и статическое сопротивление сдвигу шламовой пульпы.
69
Геотехнология
Характеристика шламов и их смесей с CaCl2
Объемная доля рассола в
шламовой пульпе, доли
ед.
Динамическая вязкость,
Па·с
Статическое сопротивление сдвигу, Па
Объем шламовой пульпы,
мл
Масса добавления CaCl2,
г
Плотность, т/м3
Динамическая вязкость,
Па·с
Статическое сопротивление сдвигу, Па
Смесь шламовой пульпы и CaCl2
Плотность, т/м3
Шламовая пульпа
1,5
1,45
1,4
1,35
1,3
0,784
0,824
0,864
0,904
0,944
0,631
0,300
0,135
0,076
0,022
28,4
13,5
6,1
3,5
1,0
500
500
500
500
500
528
555
582
608
635
1,72
1,70
1,68
1,66
1,64
0,8
0,64
0,44
0,153
0,144
34,0
27,3
19,0
6,5
6,2
С учетом полученных значений динамической вязкости и статического сопротивления сдвигу в качестве примера по формуле (2) определены удельные потери напора для смеси в трубе D у =250 мм при скорости 1
м/с.
По результатам расчета построена зависимость i  f ( см ) , которая
представлена на рис. 4.
Основным показателем, определяющим область применения гидротранспорта, является радиус действия, который зависит от удельных потерь напора.
Возможная дальность транспортирования L , м, определяется по
формуле
Н д 104
(6)
,
L
i
где Н д – движущий напор, м.
На рис. 5 представлен график дальности транспортирования закладочной смеси от плотности закладочной смеси при движущем напоре 390
м. В этих условиях при положении фронта очистных работ на расстоянии
4–6 км от ствола возможно транспортирование закладочной смеси плотностью 1,68 т/м3 без использования дополнительных перекачных станций.
70
Известия ТулГУ. Науки о земле. 2014. Вып. 1
Рис. 3. Зависимости динамической вязкости и статического
сопротивления сдвигу от плотности смеси:
1 – шламовая пульпа; 2 – смесь шламовой пульпы и CaCl2
Рис. 4. Зависимость удельных потерь напора от плотности смеси
шламовой пульпы и CaCl2
71
Геотехнология
Рис. 5. Зависимость дальности транспортирования от плотности
смеси шламовой пульпы и CaCl2
Выполненные исследования показали возможность транспортирования смесей на вяжущем из CaCl2 с наполнителями из солеотходов и глинисто-солевого шлама гидравлическим способом.
Увеличение температуры и содержания мелких частиц в растворе
CaCl2 приводит к увеличению динамической вязкости. С увеличением содержания твердых частиц в смеси динамическая вязкость и сопротивление
сдвигу в смеси увеличиваются. Добавление CaCl2 в шламовую пульпу увеличивает плотность смеси, динамическую вязкость и статическое сопротивление сдвигу пульпы. Дальность транспортирования закладочной смеси
зависит от содержания мелких и твердых фракций солеотходов и частиц
шлама.
Список литературы
1. Методическое руководство по ведению горных работ на рудниках ОАО «Сильвинит» / ОАО «Галургия». Новосибирск: Наука, 2011. 478с.
2. Борзаковский Б.А., Русаков М.И., Генкин М.В. Новый закладочный материал из отходов производства калийных удобрений // ОАО «Галургия» – 40 лет пути: Задачи, решения, достижения: сб. науч. тр. Новосибирск: Наука, 2012. С. 169-173.
Русаков Михаил Ильич, науч. сотрудник лаборатории технологии закладочных
работ, Rusakov.Mihail@gallurgy.ru, Россия, Пермь, ОАО «Галургия»,
Борзаковский Борис Александрович, зав. лабораторией технологии закладочных работ, Rusakov.Mihail@gallurgy.ru,Россия, Пермь, ОАО «Галургия»,
Шилов Александр Владимирович, вед. инженер лаборатории технологии закладочных работ, Rusakov.Mihail@gallurgy.ru, Россия, Пермь, ОАО «Галургия»,
72
Известия ТулГУ. Науки о земле. 2014. Вып. 1
Тарасов Владислав Викторович, заведующий
Tarasov@gallurgy.ru,Россия, Пермь, ОАО «Галургия»,
горной
Пестрикова Варвара Сергеевна, вед. инженер
Rusakov.Mihail@gallurgy.ru, Россия, Пермь, ОАО «Галургия»
горной
лабораторией,
лаборатории,
RESEARCH ON TRANSPORTABILITY OF STOWING MIXTURES FROM POTASH
PRODUCTION WASTE AND CALCIUM CHLORIDE
M.I. Rusakov, B.A. Borzakovskiy, A.V. Shilov,
V.V. Tarasov, V.S. Pestrikova
Laboratory testing of transportable features of mixtures using the binder of calcium
chloride have been performed. Dynamic viscosity and resistance to displacement of the mixtures with different fillers have been defined. It has been found out that by increase of the mixture density the viscosity and resistance to displacement rise. As a calculation basis of
hydrotransport of the investigated mixtures the provisions have been accepted, which are
used in calculations of hydrotransport of stowing pulps.
Key words: calcium chloride, salt waste, sludge, viscosity, resistance to displacement, hydrotransport, head losses
Mikhail I. Rusakov, researcher of the laboratory on stowing operations process,
Rusakov.Mihail@gallurgy.ru, Russia, Perm, «Galurgia» OJSC,
Boris A. Borzakovskiy, chief of the laboratory on stowing operations process,
Rusakov.Mihail@gallurgy.ru, Russia, Perm, «Galurgia» OJSC,
Alexander V. Shilov, senior engineer of the laboratory on stowing operations process, Rusakov.Mihail@gallurgy.ru, Russia, Perm, «Galurgia» OJSC,
Vladislav V. Tarasov, chief of the mining laboratory, Tarasov@gallurgy.ru, Russia,
Perm, «Galurgia» OJSC,
Varvara S. Pestrikova, senior engineer
Tarasov@gallurgy.ru, Russia, Perm, «Galurgia» OJSC
73
of
the
mining
laboratory,