2. Мета та задачі досліджень.

Метою дослідження є встановлення послідовності складування СКК при формуванні техногенних родовищ з забезпеченням збереження їх технологічних властивостей.

Задачі досліджень:

1. З використанням методики моделювання впливу навколишнього середовища на СКК, яка розроблена на кафедрі відкритих гірничих робіт ДВНЗ «Національний гірничий університет», встановити зміну властивостей СКК в часі;

2. Встановити вплив тривалості експерименту на зміну фізико-механічних властивостей СКК родовищ України;

3. Розробити критерії кількісної оцінки сумісності різних типів СКК.

4. Встановити основні закономірності зміни властивостей СКК під впливом навколишнього середовища, та взаємозв’язок процесів вивітрювання зі зміною їх технологічних якостей;

5. Розробити рекомендації по послідовності складування СКК з метою збереження або поліпшення їх технологічних якостей.

3. Встановлення зміни властивостей скк під впливом навколишнього середовищ в часі.

При створенні ТР необхідно чітко уявляти яким чином змінюються різні СКК під впливом навколишнього середовища, так як при цьому вони суттєво змінюють мінералогічний і хімічний склад та фізичний стан, а отже і технологічні властивості, що необхідно враховувати при подальшому використанні їх в якості сировини для промисловості. У приконтактній зоні при зміні температурних, вологісних та фізико-хімічних умов вони підвергаються комплексу різноманітних впливів, які називаються вивітрюванням. Ще в більшому ступені підвергаються СКК, які вилучені з гірського масиву та за складовані в ТР. В процесі розробки і транспортуванні виникає значне змінення їх вихідного фізичного стану, що призводить до зменшення щільності і відповідно збільшенню пористості та фільтраційних властивостей в результаті чого збільшується поверхня контакту та глибина проникнення агентів вивітрювання.

До основних агентів вивітрювання відносять температуру, воду та водні розчини, вуглекислий газ та кисень повітря. В зв’язку з чим необхідно встановити взаємозв’язок змінення якостей СКК з інтенсивністю та тривалістю впливу навколишнього середовища та розробити на цій основі рекомендації, щодо їх складування з метою збереження або покращення технологічних властивостей. В зв’язку з цим у ДВНЗ «Національний гірничий університет» на кафедрі відкритих гірничих робіт (ВГР) розроблений експериментальний метод моделювання цих процесів [2]. Як вже відзначалося вище, вивітрювання являє собою складний багатоступеневий процес, який протікає протягом значного проміжку часу, і безпосереднє його дослідження на натурних об’єктах є надто важким, оскільки потребує тривалого моніторингу цих процесів.

Особливістю методики, що розроблена на кафедрі ВГР є необхідність дотримання наступних вимог: максимальна адекватність моделі та природних факторів, що обумовлюють процес вивітрювання СКК з порушеною структурою; максимальна інтенсифікація процесів в лабораторних умовах з метою встановлення достовірних даних про зміну властивостей СКК за більш короткий термін.

Для підвищення інтенсифікації процесів вивітрювання в умовах експериментального моделювання витримувалися наступні умови:

- моделювання проводилося при максимальних концентраціях агентів вивітрювання, оскільки швидкість хімічних реакцій прямо пропорційна концентрації реагуючих речовин;

- інтенсифікація вивітрювання досягалася шляхом посиленого масообміну речовин, що призводило до збільшення дифузії продуктів реакції в рідку фазу і швидке оновлення реагуючих поверхонь.

Нижче наведений порядок та деякі результати моделювання на прикладі СКК Самотканьського родовища Вільногірського гірничо-збагачувального комбінату.

4. Оцінка сумісності різних типів супутніх корисних копалин, встановлення закономірностей зміни їх властивостей під впливом навколишнього середовища, та розробка рекомендацій щодо формування техногенних родовищ України.

Для кількісної оцінки сумісності різних типів СКК при складуванні їх в одному ТР необхідно розробити критерії, використання яких дозволить встановити ієрархічну систему (ряд) їх сумісності.

Відомо, що при формуванні ТР для управління процесом їх створення, пропонується класифікація відповідно до основного призначення: мінерально-сировинне, ландшафтне, екологічне [2].

Вищенаведене обумовило необхідність передбачення оцінки створення технологічних схем в залежності від призначення:

1) для збереження технологічних і промислових властивостей одного або декількох типів СКК;

2) для зменшення площ під ТР;

3) для збереження властивостей СКК.

Залежно від призначення розроблені відповідні критерії їх оцінки. При цьому запропонована трибальна оціночна таблиця сумісності різних типів СКК, у якій залежно від інтенсивності зміни хімічних і фізичних властивостей, кожному типу порід присвоєні такі оціночні бали:

1 - мінімальна інтенсивність зміни властивостей;

2 - середня інтенсивність;

3 - максимальна інтенсивність.

Аналогічно, в залежності від стійкого кута укосу порід ТР:

- мінімальний кут укосу (16÷24 °) - 1 бал;

- середній (25÷32 °) - 2 бали;

- максимальний (33÷39 °) - 3 бали.

Враховуючи труднощі оцінки фізико-механічних і хімічних змін СКК відразу по чотирьом параметрам (вивітрювання, вилуговування, карбонатізація та усадка) запропоновано проводити її за сумарним балом змін (ΣБ).

Як критерій при визначенні сумісності порід за хімічними та фізико-механічними властивостями прийнятий максимум співвідношення сумарних балів зміни властивостей досліджуваних СКК

, (1)

де К₁ - коефіцієнт фізико-механічної сумісності; ΣБ₁, ΣБ₂ - сумарний бал зміни властивостей спільно заскладованих СКК відповідно 1-го і 2-го типу.

Як критерій сумісності зі стійкого кута укосу при складуванні різних типів СКК в одному ТР прийнято співвідношення кутів укосів досліджуваних СКК виражене в балах

, (2)

де К₂ - коефіцієнт сумісності за кутом укосу; У₁, У₂ – бал кута укосу відповідно 1-го і 2-го типів складених СКК.

Запропоновані вище критерії дозволяють оцінити сумісність складування різних типів СКК або за фізико-хімічним зміни їх властивостей або по куту природного укосу.

В якості критерію при оцінюванні технологічних схем складування, призначених як для збереження технологічних і промислових властивостей одного або декількох типів СКК, так і для зменшення площі земель, що відчужуються під відвали, запропоновано взяти мінімальне співвідношення коефіцієнта сумісності за кутом укосу (К₂) і коефіцієнта фізико-хімічної сумісності (К₁), тобто

, (3)

де К₀ - оптимальний коефіцієнт сумісності для досліджуваних типів СКК.

Таким чином, обрані критерії дозволяють класифікувати родовища СКК за фізико-механічною і хімічною сумісністю, а також прогнозувати технологію формування, при якій зміна цих властивостей навіть при тривалому складуванні буде мінімальною.

Об’єктом досліджень закономірностей зміни властивостей супутніх корисних копалин Самотканьського родовища під впливом навколишнього середовища були вибрані червоно-бурі та сіро-зелені глини. Термін експериментів складав 1, 2, 3, 4, 5, та 10 годин.

При вивітрюванні червоно-бурої глини спостерігалися наступні закономірності продуктів розпаду в рідку фазу:

- значний винос іонів кальцію та магнію і накопичення гідрокарбонат – аніона;

- зниження виносу хлор-іонів і практично повністю придушувався перехід в розчин сульфат-аніона;

- найбільш суттєві зміни в складі рідкої фази виникають протягом 4-5 годин.

Деякі інші закономірності були виявлені при моделюванні вивітрювання сіро-зеленої глини:

- виникає винос катіонів лужноземельних металів – кальцію та магнію, лужні метали – калій та натрій, виносяться значно повільніше;

- з аніонів в розчин інтенсивно виноситься сульфат-аніон, а концентрація хлор-аніонів в рідкій фазі практично не змінюються;

- найбільш суттєві зміни в складі рідкої фази виникають протягом 4-5 годин.

Порівнюючи зміни хімічного складу червоно-бурих та сіро-зелених глин можна зробити висновок, що їх стійкість до впливу навколишнього середовища різна. Сіро-зелена глина суттєво змінює хімічний склад, а червоно-бура більш інертна.

Результати зміни гранулометричного складу, пластичності та питомої ваги червоно-бурої та сіро-зеленої глин в процесі моделювання вивітрювання в залежності від часу наведені в табл. 1.

Аналіз впливу тривалості експерименту на зміну фізико-механічних властивостей досліджуваних порід СКК показує, що гранулометричний склад червоно-бурих глин при різній тривалості експерименту змінюється незначно, а пластичність при збільшенні тривалості експерименту значно зменшується. Також зменшується і питома вага – з 2,84 до 2,69 г/см³ при чому появляється це протягом першого часу експерименту. Гранулометричний склад сіро-зеленої глини навпаки значно змінюється. Так, частки фракції з розміром 1,0÷0,5 мм зникають вже після трьох годин експерименту. Таким чином виникає порушення крупних фракцій та накопичується мілка глиниста фракція. По іншому змінюється в сіро-зеленій глині – протягом 10 годин число пластичності збільшується майже на 20 одиниць – з 14,28 до 34,08 при чому найбільш інтенсивне збільшення спостерігається в перші 3 години. Питома вага сіро-зеленої глини зменшується незначно – з 2,7 до 2,65 г/см³ и появляється це в перші 3 години.

Таблиця 1

Вплив тривалості експерименту на зміну фізико-механічних властивостей досліджуваних порід

Назва породи	Тер-мін дослі-ду, ч	Гранулометричний склад, %							Пластичність			Питома вага, г/см3
		1,0-0,5	0,5-0,25	0,25-0,10	0,10-0,05	0,05-0,01	0,01-0,005	0,005	межа текучості	межа пластичності	число пластичності
Глина червоно-бура - // - - // - - // - - // - - // - - // -	початк. 1 2 3 4 5 10			0,19 0,15 0,26 0,19 0,37 0,22 0,18	2,07 3,38 3,85 1,35 8,65 4,78 6,99	22,48 30,05 26,71 21,08 32,40 26,91 22,25	19,07 11,37 16,32 14,41 16,89 11,82 16,72	56,18 55,05 52,86 62,97 41,69 56,27 53,84	81,32 53,17 60,82 62,10 55,80 55,68 48,94	34,67 25,13 27,53 28,74 24,93 27,50 22,20	46,65 28,04 33,29 33,36 30,87 28,18 26,74	2,84 2,67 2,65 2,68 2,67 2,69 2,79
Глина сіро-зелена - // - - // - - // - - // - - // - - // -	початк. 1 2 3 4 5 10	1,09 1,06 1,04 0,21	13,79 4,69 5,45 5,94 5,40 6,52 5,78	19,06 20,34 13,89 13,33 16,94 14,00 19,64	17,53 12,56 21,89 8,29 12,87 12,63 12,91	16,97 13,04 19,16 22,41 21,51 20,83 16,28	12,26 10,35 3,90 9,55 8,85 8,97 8,32	20,30 37,96 34,67 40,27 34,43 36,99 37,07	32,01 38,34 40,70 52,24 55,50 55,76 55,69	17,19 17,97 21,22 21,57 19,86 22,20 21,61	14,82 20,37 19,48 30,67 35,64 33,56 34,08	2,70 2,59 2,63 2,67 2,63 2,65 2,65

На основі експериментального моделювання встановлено взаємозв’язок процесів вивітрювання СКК та зміна їх технологічних властивостей [3].

Для глини червоно-бурої переважаючим процесом при вивітрюванні є порушення монтмориланіта, що погіршує його властивості, а для глини сіро-зеленої переважаючим процесом при вивітрюванні є порушення польових шпатів, що поліпшує її властивості.

З урахуванням виявлених закономірностей, були розроблені попередні рекомендації двох варіантів складування СКК Самотканьського родовища Верхньодніпровського ГМК.

1. Глини червоно-бура та сіро-зелена ізолюються від впливу навколишнього середовища за допомогою суглинку бурого.

2. Червоно-бура глина консервується за допомогою суглинку бурого, а сіро-зелена складується окремо.