ВЛИЯНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕЛА
ВЛИЯНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕЛА
Аннотация
В статье рассматривается влияние физико-механических характеристик и химического состава природного мела железорудного бассейна КМА на технологические свойства его добычи и переработки. Карьерная разработка месторождений природного мела ведется в местах выхода его на поверхность либо селективно при добыче железистых кварцитов. В работе исследуется фактор адгезии мела в зависимости от его влажности и фракционного состава с целью определения эффективности экскавации, транспортирования и первичной переработки мелового камня. Процессы налипания и тиксотропности мела начинают активно проявляться при влажности мела выше критической – 25%. На всех месторождениях выявлена общая тенденция увеличения влажности мела с глубиной и снижения временного сопротивления одноосному сжатию образцов мела от его влажности. Прочность мела из карьера Лебединского ГОКа по этому показателю колеблется в широких пределах 0,2-3,2 МПа от состояния частично водонасыщенного до воздушно-сухого и 0,4-1,2 МПа для мела естественной влажности. Увеличение содержания карбоната кальция по глубине залегания объясняется повышением его плотности и однородности, снижением трещиноватости и отсутствием посторонних примесей.
1. Введение
Бассейн КМА уникален не только огромными запасами железных руд, но и запасами других видов минерального сырья, в частности природным мелом.
Мел относится к полускальным породам, но его физико-механические свойства зависят не только от структурно-текстурных особенностей и соотношения слагающих его компонентов, но и от природных факторов окружающей среды: влажности и температуры. В свою очередь влажность мела связана с погодными условиями, глубиной залегания и уровнем грунтовых вод в меловом водоносном горизонте. Влажность природного мелового массива существенно влияет на его разрабатываемость, то есть определяет энергоемкость его разрушения и кусковатость разрушенного мела.
Мел является широко используемым общераспространенным полезным ископаемым. На Государственном балансе только в Белгородской области учтено 381,7 млн. м3
, , а годовой объём добычи мела в России превышает 13 млн. тонн, причем прогнозные ресурсы данного полезного ископаемого практически не ограничены. Разработка месторождений природного мела ведется исключительно открытым способом – карьерами в один или несколько уступов. Выемка мела осуществляется экскаваторами, транспортировка – автосамосвалами.На Лебединском и Стойленском месторождениях железистых кварцитов попутно добывается до 3 млн. тонн мела в год, основная часть которого перерабатывается заводами АО «Руслайм» (0,14 млн. т) и ЗАО «Осколцемент» (2,6 млн. т).
Попутная добыча мела для цементного производства планируется и при освоении перспективных месторождений КМА
, таких как Приоскольское, Чернянское, Погромецкое, поэтому исследования технологических свойств этого минерала не теряют актуальности со времени вскрытия первых железорудных карьеров.Целью исследований является определение влияния влажности природного мела на его прочность и прилипаемость при добыче и переработке, а также химического состава на качество получаемой меловой продукции.
Задачи исследований:
– анализ процесса прилипания мела к рабочим органам машин в зависимости от его влажности и гранулометрического состава;
– определение прочности добываемого мела естественной влажности и ее изменение при воздушно-сухом и водонасыщенном состоянии;
– анализ зависимости «чистоты» мела от глубины залегания и ее влияния на получение различных видов меловой продукции.
2. Методы и принципы исследования
Лабораторные исследования влажности и прочности проводились на образцах мела месторождений Белгородской области, в частности из Лебединского месторождения с разных горизонтов карьера было отобрано 50 монолитов мела по ГОСТ 2153.0–75
.Определение содержания влаги в образцах мела осуществлялось в лаборатории геолого-технологических исследований НИИКМА по ГОСТ 19219–73
.Подготовка для определения прочности при одноосном сжатии и испытание образцов мела производилась в соответствии с ГОСТ 21153.2–84
. Стадии подготовки образцов мела включали:– часть образцов с естественной влажностью высушивалась при температуре 105-110° С;
– другая часть помещалась в емкость с водой на 24 часа для частичного их водонасыщения;
– третья – в воду на 72 часа до полного их водонасыщения.
Экспериментальные исследования прочности мела выполнялись при помощи гидравлического пресса ЦДМ – 100.
3. Результаты исследования
Ведущими специалистами по открытым горным работам академиком Ржевским В. В. и профессором Гальпериным А. М. установлено, что физико-механические показатели мела существенно влияют на технологические процессы разработки, перемещения, дробления и грохочения
, . Еще в ранних исследованиях НИИКМА (Акционерное общество «Научно-исследовательский институт по проблемам курской магнитной аномалии им. Л.Д.Шевякова») , , в начале разработки меловых горизонтов железорудных карьеров было доказано, что процессы налипания и тиксотропии мела начинают активно проявляться при его влажности выше критической, т. е. выше 25%.Кроме проявления фактора адгезии мела в зависимости от его влажности, отмечается влияние особенности фракционного состава и добавок подсушенного мела при налипании. Исследования гранулометрического состава природного комового мела проводились с целью определения эффективности экскавации и транспортирования его из карьера, а также первичной переработки мелового камня.
Доказано, что мел, в зависимости от влажности и крупности составляющих фракций (рис.1), характеризуется разным временем начала прилипания – от долей минуты до нескольких минут. С уменьшением влажности и увеличением размера кусков увеличивается время, а, соответственно, и расстояние нормального транспортирования, например, по конвейерным трактам. Из полученных результатов следует, что мелкие фракции мела более чувствительны к динамическим воздействиям на перегрузочных узлах технологических линий. Наглядно это показано на графике (рис. 2), где приведены кривые налипания переувлажненного мела при двух значениях влажности: 31-32% и 34-35%.
Качественный однородный мел в карьерах Белгородской области залегает в нижних горизонтах меловой толщи, где влажность его может достигать 35%. Традиционная добыча производится одно или многоковшовыми экскаваторами с транспортированием самосвалами, думпкарами и ленточными конвейерами, что сопряжено с определенными трудностями вследствие налипания породы на рабочие органы машин. Ковшовая экскавация и перегрузка сырья способствуют образованию пылевой фракции, наиболее склонной к прилипанию. Кроме того, технология производства качественных меловых продуктов предусматривает сушку сырья, затраты на которую при такой влажности значительно обременяют себестоимость конечного продукта.
Современный способ добычи мела в открытых карьерах предусматривает применение гидравлического экскаватора с роторной фрезой, зубья которой отделяют от массива необходимую фракцию без излишнего диспергирования для последующей естественной сушки и доставки на перерабатывающее производство. Предлагаемое технологическое решение для улучшения параметров разрабатываемости меловых горизонтов обеспечивает энергосбережение мелового производства, в том числе и за счет снижения влажности мела (до 12-26%) в процессе подготовки массива к выемке путем фрезерования.
Классификация меловых пород по тиксотропии и липкости в зависимости от их природной влажности, предложенная профессором Сотниковым Л. Л.
, используется для прогноза разрабатываемости и переработки меловых месторождений КМА (табл. 1).
Рисунок 1 - Изменение времени начала прилипания мела от влажности различных фракций:
1 – (10); 2 – (10÷6,3); 3 – (5÷4); 4 – (4÷3,15); 5 – (2,5÷0,8); 6 – рядовая смесь из карьера
Примечание: 20 % – частиц 0÷3; 30 % – 3÷5; 50 % – 5÷10
Рисунок 2 - Изменение времени начала прилипания мела от размера частиц переувлажненного мела:
1 – 31÷32 %; 2 – 34÷35 %
Таблица 1 - Классификация природного мела по влажности
Группа | Влажность мела, % | Свойства мела |
1 | 8 | Сухой, не прилипает, не тиксотропен. |
2 | 8÷16 | Слабо влажный, прилипает, но не тиксотропен. |
3 | 16÷24 | Влажный, прилипает, частично тиксотропен. (медленно разжижается и быстро схватывается). |
4 | 24÷32 | Очень влажный, прилипает и устойчиво тиксотропен (быстро разжижается и быстро схватывается). |
5 | 32÷40 | Повышенной влажности, прилипает и частично тиксотропен (быстро разжижается и медленно схватывается). |
6 | 40÷50 | Переувлажненный, слабо прилипает и не тиксотропен. |
Для определения влияния физико-механических свойств и химического состава на технологические свойства мела в НИИКМА были проведены геолого-технологические исследования
, , ряда месторождений Белгородской области (Лебединское, Стойленское, Чернянское и Алексеевское).
Рисунок 3 - Зависимость изменения влажности мела от глубины залегания
Установлено, что показатели прочности мела изменяются в широких пределах от 0,2 до 3,2 МПа, причем наибольшее значение показывают образцы мела воздушно-сухого состояния, а наименьшее частично водонасыщенные. Интересен тот факт, что снижение прочности мела при насыщении водой – временный и обратимый процесс и после высыхания мел восстанавливает свою первоначальную прочность. Сопротивление сжатию добываемого мела Лебединского карьера с естественной влажностью в 10-20% колеблется в пределах 0,4-1,2 МПа.
В целом, резкое снижение прочности образцов мела начинается уже при влажности 2-10%, дальнейшее увлажнение до 30% несколько стабилизирует падение прочности, которая достигает своего минимума в частично водонасыщенных образцах.
В высушенных образцах, вследствие удаления воды из контактов между частицами, прочность достигает своих максимальных величин. Это объясняется возрастанием интенсивности электростатического и молекулярного взаимодействия между частицами, упрочняющего меловую породу.
Добываемые основные меловые породы условно можно разделить на 2 категории по разрабатываемости – низкой прочности с влажностью более 30% и средней с естественной влажностью в 10-30%. Прочность, влияющая в первую очередь на энергоемкость разрушения, у влажных пород в два с лишним раза ниже, однако повышенная липкость нивелирует это достоинство разрабатываемости. Аналогичные закономерности подтверждаются и мировым опытом исследования меловых пород разнообразного структурного состояния, так испытания в Бразилии показали четырехкратное снижение прочности насыщенных образцов относительно сухих, а в подземных меловых шахтах на севере Франции прочность доломитовых меловых пород падала только в 1,5 раза, тогда как глауконитовых – в 3
, .
Рисунок 4 - Зависимость временного сопротивления одноосному сжатию образцов мела от его влажности:
1 – северо-восточный борт карьера, ЛГОК гор.+137 ÷ +150 м; 2 – северо-восточный борт карьера, ЛГОК гор.+150 ÷ +163 м; 3 – северо-восточный борт карьера, ЛГОК гор.+163 м и более; 4 – юго-западный борт карьера, ЛГОК гор.+150 ÷ +163 м; 5 – конвейерный отвал, СГОК; голубой – зона средней природной влажности добываемого мела
Изменение содержания карбоната кальция по глубине залегания обусловлено тем, что в средней и нижней частях толщи мел более плотный, монолитный, менее трещиноватый, без посторонних примесей. На это указывает и уменьшение нерастворимого остатка.
Исключение составляют меловые горизонты в верхних частях массива, залегающих под мергелистыми породами, которые при влажности до 20% содержат CaCO3 до 98 %, а нерастворимый осадок в них не превышает 1,5%. Мел вскрышных пород железорудных карьеров с такими же показателями добывают селективно для переработки в высокосортную меловую продукцию.
Физико-химический состав и качественные характеристики природного мела исследованных месторождений определяют целесообразность производства практически всех видов меловой продукции от простого комового мела марки МК до тонкодисперсного молотового, сепарированного ММС и обогащенного ММО.
Таблица 2 - Содержание карбоната кальция по глубине мелового массива
Абсолютная отметка, м | Химический состав мела, % | |
CaCO3 | Нерастворимый остаток | |
+137 | 92,66 | 5,19 |
+127 | 93,52 | 4,98 |
+123 | 94,95 | 4,17 |
+118 | 95,96 | 2,04 |
+111 | 97,27 | 1,75 |
+107 | 97,55 | 1,14 |
+95 | 98,14 | 0,80 |
+91 | 98,16 | 0,34 |
4. Заключение
Изучив влияние физико-механических характеристик и химического состава на технологические свойства мела можно сделать следующие выводы:
1. Процессы налипания и тиксотропности мела начинают активно проявляться при влажности мела выше критической – 25%.
2. Для мела с влажностью выше критической время начала прилипания увеличивается с увеличением размера кусков и уменьшением влажности.
3. Качественный однородный мел из нижних горизонтов меловой толщи имеет влажность выше критической, поэтому разрабатывать его целесообразно гидравлическим экскаватором с роторной фрезой и последующей естественной сушкой.
4. Общая тенденция изменения влажности в массиве мела по глубине залегания характеризуется ее увеличением по мере приближению к водоносным горизонтам.
5. Показатели прочности мела (временное сопротивление одноосному сжатию) Лебединского карьера в зависимости от влажности изменяются в широких пределах от 0,2 МПа для частично водонасыщенного до 3,2 МПа для воздушно-сухого, а добываемого мела естественной влажности 10-20% колеблются в пределах 0,4-1,2 МПа.
6. В целом, содержание карбоната кальция (CaCO3) на большинстве месторождений увеличивается с глубиной залегания меловой породы.
7. Мел вскрышных пород железорудных карьеров целесообразно добывать селективно для переработки в высокосортную меловую продукцию. Химический состав мелового сырья должен обеспечивать содержание CaCO3 не менее 98%, а нерастворимого осадка менее 1,5 % при естественной влажности до 20%.
8. Физико-химические характеристики природного мела исследованных месторождений обеспечивают его пригодность для производства высококачественной меловой продукции.