Обґрунтування параметрів закладного масиву кар’єрних пустот на основі металургійних шлаків

Abstract

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою в галузі гірництва, в якій подане вирішення нового наукового завдання з обґрунтування техніко- економічних параметрів утилізації металургійних шлаків шляхом формування закладного масиву у виробленому просторі кар’єру на основі встановлених закономірностей зміни продуктів взаємодії металургійних шлаків як закладних матеріалів з кар’єрною водою і характеру зміни їх фізико-механічних характеристик під впливом механічного ущільнення. В результаті вирішення завдання досягається безпечність використання металургійних шлаків як закладних матеріалів, мінімізація деформацій при формуванні закладного масиву та ефективне відновлення територій під різноспрямоване використання в економіці. На основі проведеного аналізу встановлено, що близько 10% всіх щорічних накопичень промислових відходів складають відходи переробної промисловості, з яких домінуюче значення із показником 70% займають відходи металургійного виробництва. Визначено, що низький рівень утилізації металургійних шлаків в Україні обумовлений недосконалістю законодавчої бази, де шлаки фігурують як відходи, а не побічний продукт, що юридично обмежує їх використання з екологічної точки зору, та відсутністю дієвих механізмів для стимулювання цільового використання шлаків у різних галузях економіки. Рекомендовано в умовах логістичної ізоляції та відсутності суттєвого ринку збуту шлакової продукції дослідити напрям утилізації – закладання доступного виробленого простору кар’єрів шляхом доведення безпечності впливу на довкілля та визначення раціональних параметрів закладних сумішей. 3 Розроблено алгоритм і комплексний науково-методичний підхід до вирішення наукових завдань, що включає фундаментальні основи механіки сипучого середовища; аналіз якості води методом атомно-емісійної спектрометрії з iндуктивно зв’язаною плазмою; фізичне моделювання закладного масиву із дотриманням критеріїв подібності; лабораторні дослідження фізико-механічних та деформаційних характеристик; чисельне моделювання методом скінченних елементів; оцінку економічної ефективності запропонованих рішень. На основі проведення лабораторних досліджень встановлено, що при контакті кислих високомінералізованих природних кар’єрних вод із вмістом 33 – 67% сталеплавильних шлаків концентрації забруднюючих речовин змінюються за поліноміальними залежностями від часу їх взаємодії, зменшуючись на 30-ту добу, що усуває небезпеку для водоносного горизонту. При контакті кар’єрних вод із доменними відвальними шлаками спостерігається зростання концентрацій сульфідів та азоту амонійного. Це дало змогу визначити, що найбільш ефективне та безпечне формування донного закладного масиву у кар’єрних пустотах досягається розміщенням у днище закладного масиву саме сталеплавильних шлаків, що обумовлене наступним: більшою міцністю часток сталеплавильного шлаку та меншою пористістю, що створює жорстку основу закладному масиву; меншим коефіцієнтом фільтрації; відсутністю критичного забруднення підземних вод, що прибуватимуть у днище кар’єру. Фізичним моделюванням встановлено, що глибина проникнення води у закладний масив від дії атмосферних опадів зі сталеплавильними шлаками зменшується зі ступенем його ущільнення прикладеним навантаженням за поліноміальною залежністю 2-го порядку. Встановлено відсутність появи інфільтрату крізь закладний масив. Глибина проникнення води у закладний масив у певний проміжок часу пов’язана з коефіцієнтом фільтрації (kф ), який від ущільнення закладного масиву зменшиться у 1,4 – 2,0 рази. Отримано залежність зміни величини усадки суміші доменного відвального та сталеплавильного шлаків у співвідношенні 70:30, що 4 характеризується більш позитивною динамікою зміни усадки в контексті її зменшення, ніж використання однокомпонентного складу лише із доменних відвальних шлаків. Величина усадки дослідженої суміші доменного відвального та сталеплавильного шлаків у співвідношенні 70:30 поліноміально залежить від прикладеного навантаження. На основі чисельного моделювання виявлено, що формування у виробленому просторі кар’єру закладного масиву з ущільненням ефективніше за «звичайне відсипання», про що свідчить зниження величини деформацій денної поверхні на 28%. Виявлено, що величина осідань поверхні закладного масиву лінійно залежить від прикладеного навантаження Збіжність результатів лабораторних досліджень осідань закладного масиву з результатами чисельного моделювання склала 86 – 93%. Достовірність наукових результатів підтверджується використанням апробованих стандартних та нормативних методик визначення фізико-механічних властивостей матеріалів, дотриманням критеріїв подібності при фізичному моделюванні, проведенням чисельних експериментів на науково-обґрунтованих геомеханічних моделях, достатньою збіжністю результатів лабораторних досліджень із чисельним моделюванням (рівень розбіжності склав 15 – 18%) і порівнянням з науковими роботами багатьох авторів у досліджуваній галузі. На основі отриманих наукових результатів лабораторних досліджень, фізичного та чисельного моделювання обґрунтовано раціональні параметри формування закладного масиву у виробленому просторі кар’єру, а саме: черговість та етапи розміщення закладних матеріалів; вид шлакового матеріалу для формування елементів закладного масиву; компонентний склад основної наповнювальної суміші; висота закладних шарів із різними властивостями; щільність закладного матеріалу; об’єми та терміни закладання. Вперше розроблено нормативний документ, що пройшов державну експертизу ТУ У 08.1-00191158-002:2020 «Сумiшi закладнi iз металургійних шлакiв ПрАТ «МК «Азовсталь» та ПрАТ «ММК iм. Ілліча» для технічної рекультивації техногенно порушених земель», що регламентує використання 5 металургійних шлаків як закладних матеріалів при рекультивації виробленого простору кар’єрів. Встановлено, що економічна ефективність досягається при варіанті формування закладного масиву, який вигідніше на 7,27 грн/т (або на 8,2%), ніж варіант із розміщенням у новому місці видалення відходів. На реальному прикладі ПрАТ «Маріупольський металургійний комбінат ім. Ілліча» (ПрАТ «ММК ім. Ілліча») визначено, що формування закладного масиву у доступному виробленому просторі кар’єру дозволить наступне: відновити 50 га цінних земель; утилізувати 22 млн т металургійних шлаків протягом 11 років; використовувати відновлену площу земель для будівництва промислових і цивільних об’єктів або іншого господарського використання із дотриманням безпечних умов щодо критичних осідань денної поверхні.

This Dissertation is a completed scientific research work in mining that expounds solution to a new scientific problem of efficient backfill parameters justification for open pit mines based on figured pattern change of ferrous slags backfill materials and quarry water interaction products, figured pattern change of physical and mechanical characteristics due to mechanical compaction. Environmental safety proof of ferrous slags as backfill material, declining of backfill layers deformation, and effective rehabilitation of lands disturbed by mining for new economic land use is an outcome of scientific problem solution. Based on statistical analysis, about 10% of annually deposited industrial waste is accounted for processing industry. While 70% of processing industry waste is accounted for ferrous metallurgy. In fact, low level of ferrous slags utilization in Ukraine is attributed to inefficient regulation that identifies ferrous slags as waste (not as byproduct). This poses a legal barrier on slag market from environmental perspective. In addition, there are no effective incentives for slag use in various branches of economy. Therefore, in case of logistics failure and unfavorable ferrous slag market demand, a rational option to pursue is to backfill available open pit mines with ferrous slags taking into account environmental safety issues and efficient parameters of backfill mixtures. This work integrates developed algorithm and complex methodological approach to solving scientific problems, including fundamentals of bulk mechanics; water quality analysis by atomic emission spectrometry (inductively coupled plasma method); physical modelling of backfill space with similarity criteria compliance; laboratory research of mechanical and deformation parameters; numeric modelling with finite elements method; assessment of economic efficiency of proposed solutions. Laboratory research demonstrates that in case of acidic and highly mineralized quarry water and basic oxygen furnace (BOF) slag (33 – 67% of volume) contact, the concentrations of pollutants follow polynomic dependency on contacting time with concentrations declining after 30 days. Using this fact will allow to reduce significantly safety risk to the aquifer. In case when the quarry water contacts blast furnace (BF) slag, it causes raising of sulfates and nitrogen ammonia concentrations. The above- mentioned facts allowed identifying that BOF slag is more effective and safe material for the bottom backfill layer for open pit mines. BOF slag particles hardness and low porosity create a hard basis for the subsequent backfill layers, possess lower filtration coefficient, and eliminate critical ground water pollution from the underground inflows to the open pit bottom level. Physical modelling demonstrates that water penetration depth via BOF backfill layer from atmospheric precipitation reduces with higher compaction rate by loading according to 2-nd order polynomial dependency. No infiltration through BOF backfill layer occurs. The depth of water penetration through backfill layer during a certain time period depends on filtration coefficient (k f ), which can be reduced by 1.4 – 2.0 times via backfill layer compaction. BF and BOF slag mix (70:30) possesses a lower shrinkage value than BF slag as mono-component backfill layer. The shrinkage value of BF and BOF slag mix with 70:30 ratio will have polynomial dependence on the loading applied. According to numerical modelling, the construction of backfill layers at the open pit with compaction is more efficient than just backfilling with no compaction. Compaction provides lower surface deformation value by 28%. Shrinking value of backfill layers has a linear dependency on the loading applied. Convergence of laboratory experimental data and numerical modelling of backfill layers shrinkage is in the rage 86 – 93%. The use of recognized standard and normative methodologies for physical and mechanical material properties identification; compliance with similarity criteria for physical modelling; conduction of numerous scientifically based experiments on geo- mechanical models; convergence of laboratory analysis results and numerical modelling (15 – 18% divergence range); and comparison with similar researches of the number of authors, confirms the reliability of scientific results presented in this manuscript. This work identifies the following efficient open pit backfill layers parameters based on achieved scientific results from laboratory research of physical and numerical modelling: the sequence and stages of backfill material placing, component composition of main backfill mixtures, height of the backfill layers with various properties, backfill material density, backfill volumes and terms. For the first time, a regulatory document has been developed that has passed the state examination, TU U 08.1-00191158-002: 2020 «Embedded mixtures from metallurgical slags of PJSC MK Azovstal and PJSC Mariupol Metallurgical Plant named after Ilyich for the technical reclamation of technologically disturbed lands», which regulates the use of metallurgical slags as embedded materials in the reclamation of the mined-out area of open pits. Economic efficiency analysis demonstrates that open pit mine backfilling with ferrous slags option is 7.27 UAH/ton (or 8,2%) more advantageous than ferrous slags depositing at newly created waste disposal site. The real case of Mariupol Metallurgical Plant named after Ilyich proves that an open pit backfill option at available barren quarry will allow saving 50 hectares of agricultural lands and utilizing 22 million tons of ferrous slags during 11 years. The rehabilitated open pit mine lands will be usable for industrial or civil construction, or any other land use activity tolerable to surface subsidence.