6.3. Определение прочностных характеристик забоечных смесей

Образцы для испытаний изготавливались в виде кубиков с размерами сторон 4 см. После затвердевания они извлекались из формы и испытывались на почность на сжатие.

При этом фиксировалось максимальное значение давления, при котором начиналось разрушение образца. Для получения усредненных данных опыты дублировались. За истинное значение давления разрушения принималось среднее арифметическое от трех параллельных определений. Динамика затвердевания забоечной смеси определялась при выдержке образцов до 5 суток. При этом изучалось влияние различных факторов на прочностные свойства забойки.

Определяя оптимальное соотношение нефелин : золь с точки зрения прочности состава, нами установлены значения давления разрушения образцов, на основе которых была получена зависимость прочности отвердевшей смеси от соотношения нефелин : золь (рис. 40.). Опыты проводились с использованием золя, приготовленного на 15%-ной кислоте при 100%-ном ее расходе, рН золя составлял - 1,6. Испытания проводили через 2 суток после приготовления образцов. Как видно из данных этого рисунка, прочность забоечных составов

Рис. 40. Зависимость прочности состава от объемного соотношения нефелин/гель.

повышается при увеличении содержания в них нефелинового наполнителя. Однако оптимальным соотношением нефелин : гель можно считать 1,5:1, т.к. при дальнейшем увеличении содержания наполнителя ухудшаются реологические свойства смесей, что усложняет операции их приготовления и подачи в скважины.

Таким образом, прочность нефелинсодержащих забоечных составов увеличивается в процессе их выдержки и зависит от температуры, при которой происходит эта выдержка (рис. 41, 42), что позволяет рекомендовать при пониженных температурах готовить эти составы на более концентрированных по SiO₂ вяжущих растворах, приготовленных на более концентрированной кислоте.

Рис. 41. Зависимость прочности твердеющего состава от времени выдержки при 22оС.	Рис. 42. Зависимость прочности твердеющего состава от времени выдержки при 3оС.

6.4. Определение количественных соотношений компонентов в забоечной смеси

Для снижения стоимости, увеличения плотности и прочности твердеющих забоечных составов в них, как правило, вводят различные кусковые материалы – буровую мелочь, мелкий щебень и т.д. Применительно к рудникам ОАО “Апатит” наиболее перспективно использование для этих целей некондиционных отсевов щебеночных производств, сырьем для которых служат вскрышные уртитовые породы, содержащие > 50% нефелина.

С целью предотвращения возможного повреждения детонирующего шнура при загрузке забоечной смеси в снаряженные скважины размер кусков щебня не должен превышать 10 мм.

В общепринятой практике принято, что высота забойки в скважине должна составлять ~ 2м. Практически на всех открытых рудниках Кольского полуострова зарядные скважины бурятся с использованием буровых долот с диаметром 250 мм. Элементарные расчеты показывают, что для забойки таких скважин на высоту 2 м требуется ~ 100 л забоечного состава. Причем щебень для предотвращения его осаждения должен загружаться на всю высоту забойки, а тонкодисперсный заполнитель и гель должен вводиться в смесь в таком количестве, которое требуется для заполнения пустот между частицами щебня.

Нами в качестве заполнителя использовался щебень крупностью минус 10 мм. Для определения объема пустот щебень размещали в мерный цилиндр объемом 250 мл, а затем заливали воду до верхнего уровня слоя щебня. По объему израсходованной воды определяли объем пустот, который характерен для данной фракции. По результатам трех параллельных измерений он составил 53,5% насыпного объема щебня.

Полученные данные позволили рассчитать необходимое количество компонентов (кремнегель – нефелиновый концентрат или ХАФ – щебень) для забойки одной скважины.

При расчетах объем забоечной смеси принят равным 0,1 м³, а оптимальное количество геля за Х, объемное отношение ХАФ и геля равным 1,5:1. В соответствие с этим:

V_{нас. ХАФ} = m /ρ _{нас. ХАФ} ;

V_{физ. ХАФ} = m /ρ _{физ. ХАФ},

где: V_{нас. ХАФ} – насыпной объем ХАФ, дм³;

V_{физ. ХАФ} – физический объем, дм³;

m - масса ХАФ, кг;

ρ _{нас. ХАФ} - насыпная плотность ХАФ 1400 кг/м³ ;

ρ _{физ. ХАФ} - физическая плотность ХАФ 2700 кг/м³ ;

V_{нас. ХАФ}

V_{физ. ХАФ}

=

ρ _{физ. ХАФ}

ρ _{нас. ХАФ}

,

отсюда V_{физ. ХАФ} = V_{нас. ХАФ}  ρ _{нас. ХАФ}/ρ _{физ. ХАФ}, а так как V_{нас. ХАФ} должен составлять 1,5 объема геля, то, подставляя значение плотностей, получаем:

V_{физ. ХАФ} = 1,5X ^. 1400 / 2700 = 0,78X, т.е. объемное соотношение ХАФ и геля должно быть равным 0,78:1.

Принимаем значение физического объема уртитовых отсевов за Y Объем пор, между кусочками щебня, как было установлено ранее, составляет 53,5%. Отношение физического объема кусочков щебня к объему пор составит:

46,5/ 53,5 = 0,87

Значит, физический объем уртита будет равен 0,87 объема пустот, последние в забоечном составе заполняются тонкодисперсными ХАФ и гелем, общий объем которых составляет Х + 0,78Х.

Таким образом, забоечный объем скважин занимают гель (Х), ХАФ (0,78Х) и уртит (Y). Физический объем уртита (Y) составляет 87% объема пустот, т.е. Y = (Х + 0,78Х). Исходя из этого, составляем уравнение:

X + 0,78X + 0,87 (X + 0,78Х) = 0,1 ,

откуда X = 0,03 м³.

Таким образом, объем геля составит 0,03 м³.

Физический объем ХАФ составит:

V_{физ. ХАФ} = 0,78 ^. 0,03 = 0,0234 м³.

Насыпной объем ХАФ составит:

V_{нас. ХАФ} = V_{физ. ХАФ}  ρ _{физ. ХАФ} / ρ _{нас. ХАФ} = 0,0234  2700/1400 = 0,0451 м³.

Физический объем уртита (щебня) составит:

V_{физ.УРТ} = 0,87(0,03 + 0,78 ^. 0,03) = 0,0466 м³.

Насыпной объем щебня составит:

V_{нас. УРТ}= V_{физ. УРТ}  ρ _{физ. УРТ} / ρ _{нас. УРТ} ,

где : ρ _{физ. УРТ} - физическая плотность уртита 2700 кг/м³ ;

ρ _{нас. УРТ} - насыпная плотность уртита 1400 кг/м³ .

V_{нас. УРТ} = 0,0466  2700/1450 = 0,0868 м³.

Плотность забоечной смеси можно определять по формуле:

_з.с. = _геля  С_геля + _ХАФ С_ХАФ + _УРТ С_УРТ,

где: _з.с., _геля, _ХАФ, _УРТ – конечная плотность забоечной смеси и физические плотности геля, ХАФ, кг/м³;

С_геля, С_ХАФ, С_УРТ – объемные доли геля, ХАФ и уртитовых отсевов. При рассчитанных выше объемных соотношениях:

_з.с = 1150 ^. 0,300 + 2700 ^. 0,234 + 2700 ^. 0,466 = 2235 кг/м³,

где: 1150 – плотность геля, кг/м³, 2700 – физическая плотность ХАФ и уртитовых отсевов, кг/м³. Полученные данные сведены в таблицу 35.

Кислые компоненты, содержащиеся в забоечной смеси, вступают во взаимодействие с нефелином, содержащимся в стенках скважин, пробуренных в апатито-нефелиновых рудах, обеспечивая прочную связь между стенкой скважины и забоечной массы, что позволяет увеличивать коэффициент эффективности забойки.

Таблица 35.

На 100л забойки
Компонент	Требуемый насыпной объем, м3	Требуемая масса, т	Физический объем в скважине, V, м3 (%)
Гель	0,0300	0,0345	0,0300 (30,0)
ХАФ	0,0451	0,0631	0,0234 (23,4)
Уртит	0,0868	0,1259	0,0466 (46,6)

Для исследования этого свойства были поставлены специальные опыты, которые заключались в том, что в забоечный состав погружались шлифованные пластины, вырезанные из апатито-нефелиновой руды, размером 50х80х4 мм. Глубина погружения составляла 50 мм, т.е. общая площадь соприкосновения пластины с составом со всех сторон составила ~ 50 см². Для сравнения в ту же смесь погружались алюминиевые пластины тех же размеров. Принималось, что оксидная пленка, всегда покрывающая поверхность металлического алюминия, будет препятствовать химическому взаимодействию поверхности алюминия с забоечной смесью. По истечении определенного времени эти пластины с помощью динамометра извлекались из затвердевшей смеси. При этом фиксировалось усилие, при котором они извлекалась. Полученные данные приведены на рис. 43.

Как видно из данных рисунка, химическое взаимодействие смеси с поверхностью апатито-нефелиновой пластины в 2,5-4,5 раза увеличивает прочность сцепления смеси с активной поверхностью пластины по сравнению с инертной поверхностью алюминиевой пластины.

Поверхность извлеченных апатито-нефелиновых пластин была эродирована на глубину 0,5-1 мм. Достаточно высокая плотность забойки по сравнению с водоэмульсионными ВВ “Порэмит” вызывала опасения, что забоечный состав может проникать в верхнюю часть заряда. Однако исследования, проведенные в этом направлении, показали, что в силу высокой вязкости “Порэмита”, граница разделения ВВ и забоечной смеси была очень четкой и признаков смешения не наблюдалось.

Рис. 43. Зависимость усилия сдвига пластины от времени нахождения ее в контакте с составом.