INFLUENCE OF PHYSICAL AND MECHANICAL CHARACTERISTICS AND CHEMICAL COMPOSITION ON TECHNOLOGICAL PROPERTIES OF CHALK

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

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

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.

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

– 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.

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

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. 

В начальный период освоения рудных месторождений КМА на вскрышных работах по экскавации рыхлых и полускальных пород, включая меловые, широко использовались роторные горно-вскрышные комплексы, последний из которых KU-800 производства Чехословакии перестал эксплуатироваться на Стойленском ГОКе совсем недавно. Вскрышные работы такие комплексы осуществляли только при положительных температурах на маловлажных породах. В настоящее время экскавация производится круглогодично ковшовыми машинами ЭШ и ЭКГ с транспортированием пород в отвал рыхлой вскрыши. Использование гидравлического экскаватора с фрезой для добычи качественного мела повышенной влажности в рудном карьере проблематично по технологии горно-вскрышных работ, однако большие объемы вскрытого мела позволяют подбирать селективно участки хорошего химического состава и невысокой влажности для ковшовой экскавации.

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

DOI:10.60797/GEO.2024.1.1.1

Рисунок 2 - Изменение времени начала прилипания мела от размера частиц переувлажненного мела: 

1 – 31÷32 %; 2 – 34÷35 %

DOI:10.60797/GEO.2024.1.1.2

Для определения влияния физико-механических свойств и химического состава на технологические свойства мела в НИИКМА были проведены геолого-технологические исследования

Практически на всех месторождениях выявлена общая тенденция увеличения влажности мела с глубиной. В пределах абсолютных отметок +180 ÷ +150 м средняя влажность составляет 17-18%. Ниже отметки +150 м она резко увеличивается до 38-40% (рис.3). Максимальная влажность мела определяется отметкой уровня подземных вод.

Рисунок 3 - Зависимость изменения влажности мела от глубины залегания

DOI:10.60797/GEO.2024.1.1.4

Влажность оказывает существенное влияние и на прочностные характеристики мела, которые в свою очередь определяют энергоемкость разрушения мелового массива. Для сравнения испытывались образцы мела при естественной влажности, в высушенном и в водонасыщенном состоянии. По результатам испытаний определялись зависимости временного сопротивления одноосному сжатию образцов мела от его влажности (рис. 4).

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

При промерзании мела в зимнее время он переходит в категорию полускальных и скальных пород, что описано в классификации Овчинникова А.В.

[16]

, выделяющей 5 категорий мела по разрабатываемости. Изменение климата в Белгородском регионе в сторону потепления предполагает планирование наработки сырья для получения меловых продуктов и ведение вскрышных работ на железорудных карьерах при положительных температурах, поэтому исследования остальных трех категорий прочного мела не являются настолько актуальными.

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

DOI:10.60797/GEO.2024.1.1.5

По результатам анализов химического состава мела установлено, что в целом содержание карбоната кальция (CaCO3) увеличивается с глубиной залегания меловой породы (табл. 2).

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

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.