Разработка технологии закладки выработанного пространства с использованием хвостов гидрометаллургической переработки урановых руд

Основные результаты исследований отражены в следующих защищаемых научных положениях.
1. Технологические характеристики закладочных смесей, приготовленных с использованием хвостов гидрометаллургического передела, определяются по установленным зависимостям от содержания хвостов в составе и обеспечиваются необходимыми реологическими, прочностными и радиационными свойствами.
Твердеющие закладочные смеси (ТЗС) относятся к классу многокомпонентных систем, характеризующихся значительным числом взаимосвязанных показателей (расход компонентов, реологические и прочностные свойства и др.). Технологическая специфика закладочного производства (наличие и совокупность вертикального и горизонтального трубопроводного транспорта, проложенного на значительные расстояния; растекаемость в выработанном пространстве; формирование различной структуры массива, а также условия и способ его подработки; и др.) определяет в качестве первоочередных – реологические свойства закладочных смесей.
Для условий закладочного производства ПАО «ППГХО» приняты и установлены четыре основных, измеряемых, взаимосвязанных реологических показателя: растекаемость; водоотделение; сопротивление сдвигу (предельное напряжение); расслаиваемость. Основной характеристикой затвердевшей закладки является прочность и время её набора. Этот критерий является определяющим при выборе и расчете расхода вяжущих и инертных компонентов.
При проведении исследований закладочных смесей, гидрометаллургические хвосты использовали в 3-х различных фазных состояниях:
1. Сухие – декантированная и высушенная твердая составляющая пульпы.
2. Пастообразные – сгущенная (при помощи флокулянтов) пульпа, до состояния вязкой пластичной массы – пасты (влажность 26… 39%).
3. Кек фильтрации – твердая фракция пульпы после фильтрационно- декантационного обезвоживания (влажность 20… 26%).
Особенностью хвостов переработки урановых руд является их дисперсность и высокое содержание шламовых частиц. Твердая составляющая пульпы представляет собой тонкоизмельченный материал крупностью -0,2 мм (-0,074 мм 80±5% по массе). На рисунке 1 представлена диаграмма распределения твердой фракции хвостов по классам крупности. Измерения проведены автоматическим анализатором размеров частиц «Bettersize ST», методом лазерной дифракции.
Рисунок 1 – Распределение твердой фракции хвостов по классам крупности
Гидрометаллургические хвосты в сухом состоянии:
В таблице 1 представлены примеры составов закладки с хвостами в сухом состоянии с расходом цемента 200 и 300 кг/м3, остальные рецептуры приведены в диссертационной работе (дозировка компонентов исследуемых составов, кг/м3: цемент – 200 … 500; хвосты – 250 … 950; ПГС – 0 … 1630; вода – 310 … 590; нумерация составов приведена в соответствии с текстом в диссертации). В ходе исследований для оценки реологических характеристик составов закладки с сухими хвостами испытано 154 опытных образца.
Таблица 1 – Экспериментальные смеси с хвостами в сухом состоянии
No Серия / шифр / п/п обозначение
5 КС200*
6 Ц200-Хв250
7 Ц200-Хв500
8 Ц200-Хв750
9 Ц200-Хв950
10 КС300**
11 Ц300-Хв250
12 Ц300-Хв500
13 Ц300-Хв750
14 Ц300-Хв890
Фактический расход компонентов, кг/м3
цемент
200 – 200 250 200 500 200 750 200 950 300 – 300 250 300 500 300 750 300 890
хвосты
ПГС вода 1630 320 1220 370
810 440 350 510 – 580 1520 330 1120 380 680 450 270 520 – 570
Традиционный состав ТЗС с нормативной прочностью (СТО 07621060-081-2014): * 3,0 МПа, в срок твердения 28 суток; ** 6,0 МПа, в срок твердения 28 суток

На рисунке 2 представлены графики зависимости изменения реологических характеристик разработанных составов с сухими хвостами при расходах цемента 200 и 300 кг/м3. Остальные зависимости других составов закладки приведены в диссертационной работе.
75
65
55
45
35
y = 72,273e-0,116x R2 = 0,8767
y = 77,584e-0,131x R2 = 0,8421
0 250 500 750 950 СОДЕРЖАНИЕ ХВОСТОВ (Сх), КГ/М3
2,3 2,0 1,8 1,5 1,3 1,0 0,8 0,5
y = 0,0929×2 – 0,4671x + 1,98 R2 = 0,9169
y = 0,0786×2 – 0,4614x + 2,12 R2 = 0,8743
0 250 500 750 890- СОДЕРЖАНИЕ ХВОСТОВ (Сх), КГ/М3 9 5 0
Рисунок 2 – Графики зависимости сопротивления сдвигу ( 0) и коэффициента расслаиваемости (Кр) закладки от содержания сухих хвостов и расхода цемента:  – составы с расходом цемента 200 кг/м3; ■ – с расходом цемента 300 кг/м3
Уравнения множественной регрессии имеют вид:
 с коэффициентом корреляции (r) 0.78, описывающее изменение сопротивления сдвигу закладки в зависимости от содержания в составе основных компонентов (хвостов (Сх), цемента (Сц), заполнителя – ПГС (Сп), расхода воды (Св)) и растекаемости смеси (Rs):
0 = 0,15Сх + 0,13Сц + 0,12Сп + 0,09Св – 0,25Rs – 147,6 (1)  с коэффициентом корреляции (r) 0.74, описывающее изменение коэффициента расслаиваемости в зависимости от содержания в составе основных компонентов и сопротивления сдвигу ( 0):
Кр = -0,0027Сх – 0,0014Сц – 0,0013Сп + 0,004Св + 0,021 0 + 1,38 (2)
Анализ уравнений (1) и (2) показал, что реологические свойства разработанных составов в целом улучшаются с увеличением содержания хвостов в комплексном заполнителе. При полной замене ПГС хвостами, 0 твердеющих растворов снижается в 1,6… 2,0 раза и принимает минимальные значения (39,3… 48,8 Па), возможные в условиях закладочного производства ПАО «ППГХО». Расслаиваемость смесей при дозировке хвостов в исследуемых составах до 500 кг/м3 снижается на 6… 21%, а при повышении расхода до 950 кг/м3 с полной заменой ПГС – увеличивается в сравнении с контрольными сериями до 25%, но при этом не превышает регламентируемых для рядовой твердеющей закладки параметров.
Сгущенные гидрометаллургические хвосты – паста:
В таблице 2 представлены примеры рецептур бесцементной закладки с использованием хвостов в сгущенном состоянии, остальные составы приведены в диссертационной работе.
Сопротивление сдвигу ( 0), Па
Коэффициент расслаиваемости (Кр), отн. ед.
Таблица 2 – Закладка с сгущенными эксплуатационные хвостами
No Наименование
п/п Серия /шифр/обозначение 1.1 +20%золы
1.2 +30%золы
1.3 +40%золы
1.4 +50%золы
Фактический расход компонентов, кг/м3
хвосты цемент 1300 – 1200 – 1100 – 1000 –
зола-унос вода 260 130 360 180 440 220 500 250
Примечание: % содержания компонентов принят от массы исходной пасты
Реологические параметры сгущенных хвостов оценивались по критерию подвижности смеси – напряжения сдвига, определенного стандартным методом по осадке конуса. Для оценки реологических свойств исходной пасты испытано 40 опытных образцов (из которых 24 образца эксплуатационных хвостов и 16 – продуктов переработки руды «Аргунского месторождения»). На основе проведенных экспериментов получена зависимость напряжения сдвига от содержания твердого в исследуемом материале (рисунок 3).
80
60
40
20
y = 29,035e0,1067x R2 = 0,9278
43 47 50 53 58 Содержание твердой фазы в пасте (Ств), %
0,30 0,26 0,22 0,18 0,14 0,10 0,06
y = 0,0779e0,1248x R2 = 0,9277
43 47 50 53 58 Содержание твердой фазы в пасте (Ств), %
Р и с у н о к 3 – Зависимость напряжения сдвига исходной пасты на основе гидрометаллургических хвостов от содержания твердой фазы
Исследования показали, что рациональная концентрация твердой фазы пастового материала находится в пределах 55… 60%, а влажность 40… 45%.
Кек фильтрации хвостов:
В таблице 3 представлены примеры рецептур закладки с использованием кека фильтрации хвостов переработки руды «Аргунского» месторождения (с цементом 170 и 420 кг/м3), остальные рецептуры приведены в диссертационной работе (нумерация составов приведена в соответствии с текстом в диссертации). В таблице 4 отражены их реологические свойства. Для оценки реологических свойств испытан 91 опытный образец.
Таблица 3 – Составы закладки с хвостами в виде кека
No п/п 2 3 10 11
Наименование
Контрольный состав закладки * Кек хвостов и цемент 1250/170 Контрольный состав **
Кек хвостов и цемент 1000/420
Серия / шифр КСК 170 ц170-К1250 КСК420 ц420-К1000
Фактический расход компонентов, кг/м3
цемент хвосты 170 – 170 1250 420 – 420 1000
ПГС вода 1655 320 250 250 1630 320 210 300
Традиционный состав ТЗС с нормативной прочностью (СТО 07621060-081-2014): * 4,0 МПа в срок твердения 90 суток; ** 6,0 МПа в срок твердения 3… 7 суток
Осадка конуса, % сохранения высоты цилинлра (Н)
Напряжение сдвига ( 0), кПа
Таблица 4 – Реологические свойства составов с кеком фильтрации хвостов Реологические свойства
растекаемость (Rs) на вискозиметре Суттарда, мм
сопроти вление сдвигу ( 0), Па
коэфф. расслаив аемости (Кр)
водоо тделе ние, %
групп а смеси
тип смеси
No п/п
2 3
10 11
Серия / шифр
КСК 170 ц170-К1250
КСК420 ц420-К1000
Составы с кеком и ПГС, расход 170,0 94,2 2,1 165,0 50,1 1,8
Составы с кеком и ПГС, расход 167,5 73,2 1,7 172,5 34,4 1,4
цемента 170 кг/м3 1,0 I
0,6 III цемента 420 кг/м3
0,4 II 0,2 IV
Жесткая Пластичная
Малопластичная Высокопластичная
Данные таблицы 4 свидетельствуют о том, что 0 твердеющей закладки с кеком фильтрации хвостов «Аргунского» месторождения, при расходе хвостов в смеси в количестве 1000… 1250 кг/м3 и дозировке цемента 170… 420 кг/м3, ниже контрольных составов в 1,3… 2,1 раза и показывает минимальные значения (34,4… 50,1 Па), возможные в условиях закладочного производства ПАО «ППГХО». Расслаиваемость исследуемых экспериментальных составов с кеком фильтрации хвостов на 13… 21% ниже, чем в стандартных образцах ТЗС.
Прочность образцов:
В общей сложности было изготовлено и испытано на прочность в контрольные сроки твердения 7 … 360 суток: 842 образца с использованием сухих хвостов; 798 – с пастообразными хвостами; 630 – с кеком фильтрации. На графиках (рисунок 4) приведены зависимости прочности твердеющей закладки с сухими хвостами от содержания цемента (Сц) и от содержания хвостов (Сх). Остальные зависимости изменения прочности других составов закладки приведены в диссертационной работе.
3,0
2,0
1,0
0,0
СОДЕРЖАНИЕ ЦЕМЕНТА (Сц), КГ/М3
05080100
y = 0,94x – 0,8 R2 = 0,9796
y = 0,73x – 0,6 R2 = 0,9769
y = 0,51x – 0,45 R2 = 0,9797
y = 0,16x – 0,2 R2 = 0,9143
10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0
y = -1,21x + 10,71 R2 = 0,9297
y = -0,83x + 7,93 R2 = 0,905
y = -0,67x + 4,87 R2 = 0,9733
y = -0,36x + 2,7 R2 = 0,9205
0 250 500 750 950 СОДЕРЖАНИЕ ХВОСТОВ (Сх), КГ/М3
Рисунок 4 – Зависимость прочности закладки с сухими хвостами от расхода цемента (при дозировке хвостов 500 кг/м3) и от содержания сухих хвостов (при дозировке цемента 200 кг/м3), в различные сроки твердения, суток: – 7; ■ – 28; ▲– 90; х – 360
Уравнение множественной регрессии с коэффициентом корреляции (r) 0.82, описывающее изменение прочности твердеющей закладки в зависимости от
ПРОЧНОСТЬ НА СЖАТИЕ (R), МПа
ПРОЧНОСТЬ НА СЖАТИЕ (R), МПа
содержания в составе хвостов (Сх), цемента (Сц), заполнителя – ПГС (Сп), расхода воды (Св) и срока твердения (t) имеет вид:
R = -0,013Сх + 0,026Сц – 0,022Сп – 0,115Св + 0,026t + 71,1 (3)
Как видно из представленных графиков (рис. 4), увеличение доли высушенных хвостов в дополнение к ПГС в исследуемых составах снижает прочность твердеющей закладки. С возрастанием дозировки цемента, при равных расходах хвостов, прочность образцов повышается. При полной замене песчано- гравийного заполнителя прочность различных составов, в срок твердения до 28 суток в 2,2… 3,7 раза ниже прочности контрольных образцов, а в срок твердения 60… 360 суток – меньше в 1,3… 2,5 раза.
Радиационные свойства:
При исследовании радиационных характеристик хвостов и закладочного материала, приготовленного с их использованием, проведены измерения удельной эффективной активности естественных радионуклидов (А эфф), α, β, γ – излучения, плотности потока радона (ППР) и содержания основных радиоактивных элементов. В таблице 5 приведены сводные результаты исследований радиационных характеристик исходных хвостов.
Таблица 5 – Радиационные характеристики гидрометаллургических хвостов
No
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Определяемый параметр
А эфф
 – излучение  – излучение γ – излучение ППР Ra-226 Th-232 К-40
U
Ед. изм.
Бк/г частиц/см2*мин. частиц/см2*мин. МкЗв/час мБк/(м2с) Бк/г
Бк/г
Бк/г
%
Численное значение
эксплуатационные хвосты 9,3±0,9 ÷ 19,4±1,9
4,2 ÷ 12,1
39,2 ÷ 80,9
0,6 ÷ 0,9
350 ÷ 2120
9,1±0,9 ÷ 22,3±2,2 0,06±0,02 ÷ 0,35±0,06 0,65±0,3 ÷ 3,4±0,9 ≤0,005
хвосты Аргунского м-я 10,7±1,1 ÷ 27,5±2,8 5,3 ÷ 9,5
342,2 ÷ 523,5
1,0 ÷ 1,9
960 ÷ 3420 10,3±1,1 ÷ 27,0±2,8 0,075±0,025 ÷ 0,37±0,07 0,94±0,36 ÷ 5,1±1,2 ≤0,005
На графике (рисунок 5) представлены зависимости изменения γ – излучения и плотности потока радона закладки от содержания сухих хвостов в составе.
0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00
y = 0,151x + 0,041 R2 = 0,9789
y = 0,147x + 0,009 R2 = 0,9787
0 250 500 750 890- СОДЕРЖАНИЕ ХВОСТОВ (Сх), КГ/М3 9 5 0
300
200
100
y = 65,5x – 15,3 R2 = 0,952
0 250 500 750 890-
СОДЕРЖАНИЕ ХВОСТОВ (Сх), КГ/М3 9 5 0
y = 65,1x – 4,3 R2 = 0,9564
Р и с у н о к 5 – Зависимость изменения мощности эквивалентной дозы γ – излучения и плотности потока радона закладки от содержания сухих хвостов, в срок твердения образцов 28… 90 суток:  – составы с расходом цемента 200 кг/м3; ■ – с расходом цемента 300 кг/м3
МОЩНОСТЬ ЭКВИВАЛЕНТНОЙ ДОЗЫ ГАММА ИЗЛУЧЕНИЯ (Y), МкЗв/час
ПЛОТНОСТЬ ПОТОКА РАДОНА (PRn), мБк/(м2с)
Остальные зависимости в составах закладки с хвостами в различном фазном состоянии и расходом цемента, приведены в диссертационной работе.
Зависимость гамма – излучения твердеющей закладки (γ) от содержания гидрометаллургических хвостов в составе (Сх) определяется по формуле:
γ = А*Сх + В (4) где γ – мощность эквивалентной дозы гамма – излучения, МкЗв/час;
Сх – содержание хвостов в составе, кг/м3;
А, В – коэффициенты, зависящие от расхода цемента, кг/м3. Полученная
зависимость носит линейный характер с коэффициентом аппроксимации – 0.97. Уравнение множественной регрессии с коэффициентом корреляции (r) 0.81, описывающее изменение плотности потока радона закладки, в зависимости от содержания в составе хвостов (Сх), тонины их помола (D), расхода цемента (Сц),
срока твердения (t) и прочности (R) имеет вид:
PRn = 0,52Сх – 3280D – 0,0007Сц + 0,36t + 2,20R + 292,9 (5) В результате исследований реологических свойств закладки,
приготовленной с применением хвостов, установлено, что:
 В составах с сухими хвостами реологические свойства удовлетворяют действующим на предприятии нормативно-техническим требованиям. Использование высушенных эксплуатационных хвостов в количестве до 950 кг/м3 обеспечивает высокие реологические показатели твердеющих закладочных смесей, без значительного снижения их прочности.
 В пастах с сгущенными хвостами, ввиду высокой плотности и вязкости материала, реологические свойства не удовлетворяют установленным для традиционной ТЗС нормативно-техническим требованиям, т.к. ее затруднительно подавать в выработанное пространство в самотечно-пневматическом режиме напрямую с поверхностных стационарных комплексов. Поэтому для транспортирования вязких паст по горизонтальным (до 2000 м) и вертикальным (до 1200 м, из которых порядка 400 м прямых участков) трубопроводам, требуется соответствующее оборудование (насосы высокого давления, ремонтнопригодная система доставки с соединениями и перепусками, способными выдержать такое давление и др.). Это повлечет за собой существенное увеличение капитальных и эксплуатационных затрат.
 В составах с кеком фильтрации хвостов, аналогично образцам с сухими хвостами, реологические параметры отвечают установленным для традиционной закладки нормативно-техническим требованиям. Использование хвостов в виде кека влажностью 20… 26% в количестве до 1250 кг/м3 обеспечивает высокие реологические показатели ТЗС, без значительного снижения прочности. Транспортировка таких составов в выработанное пространство может производиться по существующей технологии.
Анализ реологических характеристик показал снижение сопротивления сдвигу закладки при увеличении содержания в ней хвостов.
В результате исследований прочностных характеристик установлено, что по сравнению с традиционной закладкой стандартных рецептур при равных расходах цемента, прочность образцов с хвостами (высушенными и в виде кека фильтрации), в среднем ниже в 1,5… 2,5 раза. Увеличение расхода цемента на
20… 25% повышает прочность до нормативной. По критерию прочности определены два основных типа смесей с хвостами, возможных к применению в ПАО «ППГХО»:
 твердеющие смеси, обладающие прочностью 0,4… 12,5 МПа (в зависимости от расхода цемента 50… 500 кг/м3 и дозировки хвостов 250… 1250 кг/м3) в срок твердения 28 суток;
 бесцементные, не обладающие прочностью (состоящие из хвостов и инертных компонентов в различных соотношениях).
Анализ полученных результатов показал, что имеет место закономерное
снижение прочности твердеющей закладки с увеличением содержания гидрометаллургических хвостов в ее составе и повышение прочности с увеличением расхода цемента.
При исследовании радиационных параметров установлено, что Аэфф и α, β, γ – излучение опытных образцов закладки с хвостами за весь период наблюдений характеризуются стабильными уровнями с некоторыми пределами вариации измерений, не зависят от набора прочности образцов во времени и определяются лишь количеством хвостов в составах. Анализом показателей ППР установлено, что с увеличением содержания цемента в составах, эманация снижается незначительно, а с увеличением содержания хвостов – повышается. При этом со временем, в процессе твердения и набора прочности образцов, наблюдается тенденция роста ППР.
Таким образом, можно констатировать, что ТЗС с хвостами (высушенными и в виде кека фильтрации) соответствует по реологическим и прочностным параметрам, регламентируемым на предприятии нормативным требованиям и обладает радиационными свойствами на уровне забалансовой урановой руды. Однако при размещении хвостов в составе закладки в подземных камерах необходимо разработать меры по снижению эманации радона в горные выработки.
2. Снижение газопроницаемости искусственного массива, сформированного с использованием хвостов переработки урановых руд, и вентиляционных, капитальных перемычек в подходных выработках, достигается за счет применения различных типов материалов, которое определяется по установленным зависимостям от толщины интернирующего покрытия и требований радиационной безопасности.
При размещении хвостов в отработанных камерах, радон, распространяясь под действием потоков воздуха через трещины породного массива и зонам обрушения горных пород, будет попадать в атмосферу рудника и в легкие подземных рабочих. Поэтому при захоронении материала в камерах необходимо разработать меры по снижению эманации и подавлению фильтрации радона в горные выработки. Для решения поставленных задач были проведены опыты по нанесению на образцы с хвостами различных изолирующих покрытий:
 Из стандартной ТЗС (СТО 07621060-081), прочность 6,0 МПа в 28 суток.
 Пластичной твердеющей цементно-зольной смеси (в соотношении 1:1).
 Серобетона – композиционного материала, отличающегося от обычного бетона тем, что для его приготовления вместо цемента и воды используют расплав серы.
 Полимерных материалов: двухкомпонентного герметика «Мастерфлекс» («Шахтострой») и напыляемой мембраны «MasterRoc TSL 865» («BASF»). Суть проводимых исследований заключалась в измерении плотности потока
радона на поверхности сформированных образцов с хвостами до и после нанесения изолирующих покрытий при различной толщине слоя. Результаты замеров в период наблюдений до 60 суток отображены на графиках (рисунок 6).
1400 1200 1000
600
200
0 20±2 40±2 60±2
ТОЛЩИНА ПОКРЫТИЯ (H), мм
1000
600
200
0
y = 1405,1e-0,957x R2 = 0,8197
1000
600
200
0
y = 2349,9e-1,104x R2 = 0,961
y = 1062,3e-1,259x R2 = 0,8787
y = 1540,3e-0,263x
R2 = 0,9072
y = 1411,7e-0,601x R2 = 0,8426
0 10±1 20±2 30±2 ТОЛЩИНА ПОКРЫТИЯ (H), мм
2÷3 5÷6 7÷8
ТОЛЩИНА ПОКРЫТИЯ (H), мм
Рисунок 6 – Изменение плотности потока радона образцов гидрометаллургических хвостов в зависимости от толщины нанесенных на них покрытий:  – из твердеющей закладки; ■ – цементно-зольной смеси; ● – серобетона; полимерных материалов: х – герметика «Мастерфлекс»; ▲– напыляемой мембраны «MasterRoc TSL 865»
Зависимость плотности потока радона гидрометаллургических хвостов (PRn) от толщины слоя покрытий (H) для всех типов испытанных материалов определяется по формуле:
PRn = А*exp –В*H (6) где PRn – плотность потока радона, мБк/(м2с);
H – толщина слоя покрытия, мм;
А, В – коэффициенты, зависящие от материала. Полученная зависимость
носит экспоненциальный характер с коэффициентом аппроксимации – 0.82. Данные графиков (рисунок 6) свидетельствуют об уменьшении ППР исследуемых образцов материала при нанесении на них различных покрытий, с
увеличением толщины слоя которых, эманация радона снижается. При этом:
 ТЗС стандартной рецептуры (СТО 07621060-081), при толщине слоя покрытия
20… 60 мм, снижает интенсивность радоновыделения в 1,6… 2,4 раза.
 Пластичная твердеющая смесь цемента с золой, при той же толщине (20 ÷ 60
мм), сокращает эманацию в 3,6… 6,5 раз.
 Серобетон, при толщине покрытия 10… 30 мм, уменьшает интенсивность
выделения радона в 9,9… 22,6 раза.
 Полимеры, при толщине 2… 3 мм, снижают радоновыделение в 1,8… 5,1 раза,
при 5… 6 мм – в 12,3… 21,2 раза, при толщине 7… 8 мм – в 21,1… 24,4 раза.
ПЛОТНОСТЬ ПОТОКА РАДОНА (PRn), мБк/(м2с)
ПЛОТНОСТЬ ПОТОКА РАДОНА (PRn), мБк/(м2с)
ПЛОТНОСТЬ ПОТОКА РАДОНА (PRn), мБк/(м2с)
Таким образом, наибольшую эффективность показали полимеры («Мастерфлекс», «MasterRoc TSL 865») и композиционный серобетон. Первоначальные замеры, проведенные после нанесения серобетона, показали полное отсутствие радоновыделения. Однако, в силу ряда технологических особенностей его приготовления, предполагающих нагрев компонентов и поддержание температуры готовой смеси до определенной величины на стадии приготовления, применение серобетона в качестве изолирующего материала в реальных подземных условиях в настоящее время весьма затруднительно и требует дополнительных исследований. Поэтому опытные испытания в шахте проведены с полимерным материалом.
Опытные испытания полимерного материала:
Эксперименты проведены на руднике ПР-1 («Глубокий»), 6-ой горизонт, блок 4В-605. Исследуемый материал – двухкомпонентный герметик «Мастерфлекс». Основное его назначение – изоляция и гидроизоляция поверхности горных выработок. Объект испытаний – капитальная бетонная перемычка, сечением (S) 9,5 м2, расположена на сопряжении штрека 4В-605 с ортом 4Д-609А (рисунок 7). Состояние перемычки в целом удовлетворительное, но наблюдалась утечка загрязненного воздуха через трещины на локальном участке (S 1,6 м2). Нанесение герметика на повреждение перемычки осуществлялось малярной кистью, толщина слоя составила 1… 2 мм.
Р и с у н о к 7 – Капитальная бетонная перемычка до нанесения (слева) и после нанесения (справа) полимерного герметика «Мастерфлекс»
До начала испытаний были сделаны замеры газо-воздушной среды (альфа- радиометром аэрозольным «Альфа АЭРО»): объемной активности радона (ОА) и эквивалентной равновесной объемной активности дочерних продуктов радона (ЭРОА), которые составили: ОА 4,4… 4,9 кБк/м3; ЭРОА 5,1… 5,7 кБк/м3. Общее время работ по нанесению полимера – 30 минут, после отверждения состава, в течение 1 часа были проведены повторные замеры. При этом показания получены следующие: ОА 2,3… 2,7 кБк/м3; ЭРОА 2,9… 3,4 кБк/м3. Применение герметика на поврежденном участке позволило снизить ОА в 1,6… 2,1 раза, ЭРОА в 1,5… 2,0 раза. Достигнутые уровни снижения эманации радона согласуется с результатами, полученными при лабораторных исследованиях.

Таким образом, проведенные лабораторные исследования и опытные испытания в условиях рудника показали, что эманацию искусственного массива можно снизить при помощи интернирующих покрытий. Для различных типов таких покрытий в зависимости от их толщины определена интенсивность снижения выделения радона.
3. Предлагаемая для различных горнотехнических условий технология закладки выработанного пространства, включающая приготовление смесей с использованием хвостов переработки урановых руд, их транспортирование по выработкам, формирование массива и его изоляцию полимерами, обеспечивает сохранность вмещающих пород от разрушения, безопасный уровень радоновыделения и экономичность ведения горных работ.
В результате выполненных исследований предложена технология формирования разнопрочного искусственного массива в полностью отработанной камере, сочетающая твердеющую и бесцементную закладку. Заключается в последовательном заполнении объема камеры послойно, с созданием несущего (нижнего) и изолирующего (верхнего) слоя из традиционной твердеющей закладки, а основного заполняющего слоя – предложенным составом с хвостами.
Порядок погашения пустот отработанной камеры с применением хвостов рассмотрен на примере блока 4В-715 рудника ПР-1 («Глубокий», участок «Восточный»). Блок расположен в этаже VI – VII горизонтов (-60 м), отработан этажно-камерной системой со скважинной отбойкой и временным магазинированием руды и характеризуется следующими параметрами: глубина разработки – 760 м; выемочная мощность рудного тела – 30 м; угол падения рудного тела – 80… 850; максимальная высота камеры – 66 м; средняя ширина – 30 м; длина по простиранию – 120 м; объем пустот камеры – 237,6 тыс. м3. Вмещающие породы представлены трещиноватыми флюидальными трахидацитами нижнего покрова. Мощность рудных тел 0,5… 30 м. Коэффициенты крепости по М.М. Протодьяконову: трахидациты вне зон нарушений f = 12… 14, руда f = 8… 12. Породы и руды среднеустойчивые. Принципиальная схема формирования искусственного массива предложенным способом представлена на рисунке 8.
Рисунок 8 – Принципиальная схема закладки пустот камеры с использованием хвостов: 1 – стандартная твердеющая закладка; 2 – состав с хвостами (бесцементный либо твердеющий); 3 – перемычки

1. 2.
3.

По разработанной технологии производятся следующие виды работ:
Перед погашением камеры во всех горизонтальных выработках, имеющих к
ней непосредственный доступ (подэтажных, вентиляционных, доставочных и др.)
устанавливаются прочные стандартные перемычки.
Закладочные перемычки для повышения устойчивости и обеспечения
безопасности рабочих, находящихся на уровне почвы камеры, подэтажных и других выработок, а также предотвращения прорывов, выноса и фильтрации хвостов тщательно торкретируют набрызг-бетонной смесью (толщиной слоя до
100 мм). После чего, с целью изоляции
эманации
формируемого массива, дополнительно наносят на них испытанный
полимерный материал (толщиной слоя до 6 мм). Изолирующий полимер без какой-либо специальной подготовки можно наносить на установленные перемычки при помощи эксплуатируемых в настоящее время на рудниках торкрет установок типа «Aliva 246» и «Meyco Piccola» (сухой способ нанесения) сразу по
окончании торкретирования.
Далее, в подготовленной камере формируется разнопрочный массив по
предложенной технологической схеме:
В первую очередь создается нижняя его часть из традиционной твердеющей
смеси, с нормативной прочностью 5,0 МПа в возрасте 28 суток. Подача
твердеющих растворов для формирования несущего слоя м
производится на находящуюся на уровне основания камеры обрушенную породу.
Несущий слой будет препятствовать фильтрации и распространению хвостов в горные выработки. При этом сцементированная закладка с относительно плотной структурой в небольшом количестве пропускает воду, поэтому вынос химических элементов из материала незначителен.
 
поверхности и обеспечения барьера от
ощностью 3,5… 4,0 м
Затем, после отверждения подошвы из ТЗС (не ранее чем через трое суток –
для набора прочности 1,0 МПа), основной объем камеры (до 90%) заполняется
рекомендуемым составом с хвостами.
По окончанию усадки раствора с хвостами, создается верхний слой путем
заполнения оставшегося свободного объема камеры традиционной ТЗС. При этом изолирующий слой может быть менее прочным, чем основание (прочность 1,0 МПа в возрасте 28 суток), мощность 1,5… 2,0 м. Покрытие из закладки будет препятствовать эманации радона с поверхности сформированного по
предложенной технологии массива.
На рисунках 9 и 10 представлены соответственно принципиальная
технологическая схема приготовления закладочных смесей с использованием хвостов на примере действующего гидрометаллургического передела и
технологическая схема закладочных работ.

Рисунок 9 – Принципиальная технологическая схема приготовления закладочных смесей с использованием хвостов: 1 – получение кека фильтрации гидрометаллургических хвостов; 2 – разгрузка, складирование, временное хранение и транспортировка хвостов на закладочный комплекс; 3 – выгрузка хвостов на закладочном комплексе и приготовление закладочных смесей; 4 – закладка выработанного
пространства
Рисунок 10 – Технологическая схема закладочных работ с использованием гидрометаллургических хвостов переработки урановых руд
22
Выполненные исследования позволили установить, что подземный блок, сформированный по предложенной технологии с использованием хвостов переработки урановых руд, представляющий крупное искусственное структурное образование в массиве горных пород, не будет являться источником дополнительного радиационного загрязнения рудничной атмосферы. В результате конечно-элементного моделирования напряженно-деформированного состояния вмещающих пород, по сертифицированному программному комплексу FEM, разработанному д.т.н., профессором О.В. Зотеевым, установлено, что заполненная составом с хвостами камера находится в устойчивом состоянии, растягивающих напряжений в приконтурном массиве не фиксируется, а сжимающие не превышают предельных допустимых. При этом коэффициент запаса прочности вмещающих пород повышается в 1,8… 2,7 раза, что значительно выше критерия устойчивости, равного единице.
Предложенную технологию рекомендуется применять на действующих эксплуатируемых рудниках, преимущественно ПР-1, законсервированных рудниках No2 и No4 при выводе их из эксплуатации и строящемся руднике No6 в качестве перспективного направления закладочных работ.
При внедрении рассмотренной технологии, в выработанном пространстве эксплуатируемых рудников, исходя из горно-геологических условий и наличия пустот, можно разместить порядка 1-го годового объема образующихся гидрометаллургических хвостов. При этом, с учетом перспективы развития минерально-сырьевой базы, в обозримые десятилетия будут образовываться дополнительные объемы для закладки. В имеющихся подземных выработках законсервированных рудников в случае их ликвидации возможно утилизировать до 2-х годовых объемов образующихся отходов. На строящемся руднике No6 с выходом на проектную производительность возможно ежегодно размещать до 30% от годового объема образующихся хвостов производства.
Годовой экономический эффект от внедрения предложенной технологии, рассчитанный по прибыли предприятия с 1 тонны погашенных балансовых запасов урановой руды, при формировании в камерах разнопрочной структуры массивов (см. рисунок 8), составит 353,1 млн. руб., а при закладке пустот камер равнопрочными твердеющими составами – 212,9 млн. руб.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой на основании выполненных автором теоретических, экспериментальных исследований и опытно-промышленных испытаний изложены новые научно- обоснованные технологические решения по закладке выработанного пространства с использованием хвостов гидрометаллургической переработки урановых руд, позволяющие сократить затраты на закладочные работы, улучшить условия захоронения отходов производства и имеющие существенное значение для развития горно-промышленного комплекса страны.
Основные результаты выполненных исследований состоят в следующем:
1. Проведен анализ мирового опыта применения отходов добычи и
переработки руд в качестве закладочного материала, использования хвостов обогащения в составах закладочных смесей. Проанализирована теория и практика использования систем с закладкой.
2. Составлена методика и алгоритм проведения исследований, подобраны опытным путем ТЗС с использованием продуктов переработки урановых руд. Проведены лабораторные исследования, выполнена оценка реологических, прочностных и радиационных свойств экспериментальных составов закладки в зависимости от содержания хвостов.
3. Проведены исследования с различными изолирующими материалами для снижения эманации радона. Разработаны способы подавления радоновыделения искусственного массива, сформированного с использованием хвостов уранового производства, обеспечивающие безопасность ведения горных работ.
4. Предложен способ формирования разнопрочного массива в камере отработанного блока с использованием гидрометаллургических хвостов.
5. Выполнена геомеханическая оценка напряженно-деформированного состояния массива, сформированного по разработанной технологии с хвостами.
6. Предложены различные варианты технологии закладки выработанного пространства и рассмотрена область их применения.
7. Проведена оценка соответствия технологии размещения отходов переработки урановых руд в подземных выработках требованиям федеральных норм и правил в области использования атомной энергии.
8. Выполнены технико-экономические расчеты эффективности предложенной технологии. Проведены вычисления при различных вариантах закладки выработанного пространства камер, рассчитан экономический эффект, представлено технико-экономическое обоснование разработанной технологии.