Влияние химических элементов твердой массы смесей при заполнении искусственных полостей в земной коре

Приведены результаты исследований влияний химических элементов твердой массы смесей на их прочностные характеристики и новообразования при заполнении искусственных полостей в земной коре. Предложен комплексный методический подход к исследованию, включающий химический и рентгенофазовый анализ минерал...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Published in:Геотехнічна механіка
Date:2018
Main Authors: Кузьменко, А.М., Петлёваный, М.В., Лозинский, В.Г.
Format: Article
Language:Russian
Published: Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України 2018
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/158713
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:Влияние химических элементов твердой массы смесей при заполнении искусственных полостей в земной коре / А.М. Кузьменко, М.В. Петлёваный, В.Г. Лозинский // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць. — Дніпро: ИГТМ НАНУ, 2018. — Вип. 142. — С. 33-44. — Бібліогр.: 19 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-158713
record_format dspace
spelling Кузьменко, А.М.
Петлёваный, М.В.
Лозинский, В.Г.
2019-09-12T06:00:49Z
2019-09-12T06:00:49Z
2018
Влияние химических элементов твердой массы смесей при заполнении искусственных полостей в земной коре / А.М. Кузьменко, М.В. Петлёваный, В.Г. Лозинский // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць. — Дніпро: ИГТМ НАНУ, 2018. — Вип. 142. — С. 33-44. — Бібліогр.: 19 назв. — рос.
1607-4556
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/158713
622.273.217.4
Приведены результаты исследований влияний химических элементов твердой массы смесей на их прочностные характеристики и новообразования при заполнении искусственных полостей в земной коре. Предложен комплексный методический подход к исследованию, включающий химический и рентгенофазовый анализ минерального состава компонентов закладочной смеси, метод растровой электронной микроскопии, микрорентгеноспектральный анализ, экспериментальные исследования по определению прочности на одноосное сжатие образцов.
Наведено результати досліджень впливів хімічних елементів твердіючої маси сумішей на їх міцнісні характеристики та новоутворення при заповненні штучних порожнин у земній корі. Запропоновано комплексний методичний підхід до дослідження, що включає хімічний і рентгенофазовий аналіз мінерального складу компонентів закладної суміші, метод растрової електронної мікроскопії, мікрорентгеноспектральний аналіз, експериментальні дослідження з визначення міцності на одноосьове стискання зразків.
In the paper, the investigation results of the effects of chemical elements of solid mass of mixtures on concrete block strength characteristic while filling technogeneous cavities in the earth crust are given. A compr ehensive methodological approach to the investigation is proposed. It includes chemical and X-ray phase analysis of the mineral composition of the filling mixture components, scanning microscopy method, X-ray microanalysis, and experimental studies on determining uniaxial compressive strength of the samples.
ru
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
Геотехнічна механіка
Влияние химических элементов твердой массы смесей при заполнении искусственных полостей в земной коре
Вплив хімічних елементів твердої маси сумішей при заповненні штучних порожнин у земній корі
Effect of chemical elements of solid mass of mixtures at filling technogeneous cavities in the Earth crust
Article
published earlier
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
title Влияние химических элементов твердой массы смесей при заполнении искусственных полостей в земной коре
spellingShingle Влияние химических элементов твердой массы смесей при заполнении искусственных полостей в земной коре
Кузьменко, А.М.
Петлёваный, М.В.
Лозинский, В.Г.
title_short Влияние химических элементов твердой массы смесей при заполнении искусственных полостей в земной коре
title_full Влияние химических элементов твердой массы смесей при заполнении искусственных полостей в земной коре
title_fullStr Влияние химических элементов твердой массы смесей при заполнении искусственных полостей в земной коре
title_full_unstemmed Влияние химических элементов твердой массы смесей при заполнении искусственных полостей в земной коре
title_sort влияние химических элементов твердой массы смесей при заполнении искусственных полостей в земной коре
author Кузьменко, А.М.
Петлёваный, М.В.
Лозинский, В.Г.
author_facet Кузьменко, А.М.
Петлёваный, М.В.
Лозинский, В.Г.
publishDate 2018
language Russian
container_title Геотехнічна механіка
publisher Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
format Article
title_alt Вплив хімічних елементів твердої маси сумішей при заповненні штучних порожнин у земній корі
Effect of chemical elements of solid mass of mixtures at filling technogeneous cavities in the Earth crust
description Приведены результаты исследований влияний химических элементов твердой массы смесей на их прочностные характеристики и новообразования при заполнении искусственных полостей в земной коре. Предложен комплексный методический подход к исследованию, включающий химический и рентгенофазовый анализ минерального состава компонентов закладочной смеси, метод растровой электронной микроскопии, микрорентгеноспектральный анализ, экспериментальные исследования по определению прочности на одноосное сжатие образцов. Наведено результати досліджень впливів хімічних елементів твердіючої маси сумішей на їх міцнісні характеристики та новоутворення при заповненні штучних порожнин у земній корі. Запропоновано комплексний методичний підхід до дослідження, що включає хімічний і рентгенофазовий аналіз мінерального складу компонентів закладної суміші, метод растрової електронної мікроскопії, мікрорентгеноспектральний аналіз, експериментальні дослідження з визначення міцності на одноосьове стискання зразків. In the paper, the investigation results of the effects of chemical elements of solid mass of mixtures on concrete block strength characteristic while filling technogeneous cavities in the earth crust are given. A compr ehensive methodological approach to the investigation is proposed. It includes chemical and X-ray phase analysis of the mineral composition of the filling mixture components, scanning microscopy method, X-ray microanalysis, and experimental studies on determining uniaxial compressive strength of the samples.
issn 1607-4556
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/158713
citation_txt Влияние химических элементов твердой массы смесей при заполнении искусственных полостей в земной коре / А.М. Кузьменко, М.В. Петлёваный, В.Г. Лозинский // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць. — Дніпро: ИГТМ НАНУ, 2018. — Вип. 142. — С. 33-44. — Бібліогр.: 19 назв. — рос.
work_keys_str_mv AT kuzʹmenkoam vliâniehimičeskihélementovtverdoimassysmeseiprizapolneniiiskusstvennyhpolosteivzemnoikore
AT petlevanyimv vliâniehimičeskihélementovtverdoimassysmeseiprizapolneniiiskusstvennyhpolosteivzemnoikore
AT lozinskiivg vliâniehimičeskihélementovtverdoimassysmeseiprizapolneniiiskusstvennyhpolosteivzemnoikore
AT kuzʹmenkoam vplivhímíčnihelementívtverdoímasisumíšeiprizapovnenníštučnihporožninuzemníikorí
AT petlevanyimv vplivhímíčnihelementívtverdoímasisumíšeiprizapovnenníštučnihporožninuzemníikorí
AT lozinskiivg vplivhímíčnihelementívtverdoímasisumíšeiprizapovnenníštučnihporožninuzemníikorí
AT kuzʹmenkoam effectofchemicalelementsofsolidmassofmixturesatfillingtechnogeneouscavitiesintheearthcrust
AT petlevanyimv effectofchemicalelementsofsolidmassofmixturesatfillingtechnogeneouscavitiesintheearthcrust
AT lozinskiivg effectofchemicalelementsofsolidmassofmixturesatfillingtechnogeneouscavitiesintheearthcrust
first_indexed 2025-11-24T15:50:03Z
last_indexed 2025-11-24T15:50:03Z
_version_ 1850849021904551936
fulltext ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2018. №142 33 УДК 622.273.217.4 ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ТВЕРДОЙ МАССЫ СМЕСЕЙ ПРИ ЗАПОЛНЕНИИ ИСКУССТВЕННЫХ ПОЛОСТЕЙ В ЗЕМНОЙ КОРЕ 1Кузьменко А.М., 1Петлѐваный М.В., 1Лозинский В.Г. 1 НТУ «Днепровская политехника» МОН Украины ВПЛИВ ХІМІЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ ТВЕРДОЇ МАСИ СУМІШЕЙ ПРИ ЗАПОВНЕННІ ШТУЧНИХ ПОРОЖНИН У ЗЕМНІЙ КОРІ 1Кузьменко О.М., 1Петльований М.В., 1Лозинський В.Г. 1 НТУ «Дніпровська політехніка» МОН України EFFECT OF CHEMICAL ELEMENTS OF SOLID MASS OF MIXTURES AT FILLING TECHNOGENEOUS CAVITIES IN THE EARTH CRUST 1Kuzmenko O.M., 1Petlovanyi M.V., 2Lozynskyi V.H. 1 Dnipro University of Technology MSE of Ukraine Аннотация. Приведены результаты исследований влияний химических элементов твердой массы смесей на их прочностные характеристики и новообразования при заполнении искусственных полостей в земной коре. Предложен комплексный методический подход к исследованию, включающий химический и рентгенофазовый анализ минерального состава компонентов закладочной смеси, метод растровой электронной микроскопии, мик- рорентгеноспектральный анализ, экспериментальные исследования по определению прочности на одноосное сжатие образцов. Исследован химический и минералогический состав компонентов закладочной смеси методом рентгенофа- зового анализа и выявлен их характер влияния на структуру цементного камня. Установлено влияние степени раскрытия сростков в компонентах закладочной смеси и удельной поверхности частиц, содержащих цементооб- разующие химические элементы на структуру новообразований и ее прочность. Дана количественная оценка изменения прочности искусственного камня в интервале удельной поверхности вяжущего материала 2000 – 6600 см2/г. Акцентировано внимание на важности перехода гелеобразного состояния новообразований цемент- ного камня к кристаллическому. Изучены аспекты взаимного влияния оксидов CaO, MgO в доменном гранулиро- ванном шлаке, флюсовых известняках и отвальных дробленных пород на прочность твердеющей смеси. Пока- зано, что степень измельчения компонентов в твердой фазе закладочной смеси существенно влияет на структу- ру образования твердой массы и ее прочность, но находится в определенном интервале раскрытия сростков, являющимися носителями химических элементов и их значения в формировании структуры цементного камня. При формировании искусственного массива в горном массиве необходимо учитывать химический состав геоло- гических образований, поскольку этот фактор может существенно влиять на прочностные характеристики вос- приятия внешних нагрузок. Затворение закладочной смеси растворами солей требует дополнительного изучения с учетом экономической целесообразности и экологической безопасности при охране недр. Ключевые слова: твердеющая смесь, искусственный массив, прочность, удельная поверхность частиц, вмещающие породы, рентгенофазовый анализ, растровая микроскопия. Введение. В земной коре возникает множество полостей, которые образу- ются в результате инженерной деятельности и представляют опасность обру- шения горных пород со временем. В большинстве случаев это относится к под- земной разработке месторождений полезных ископаемых, а также при размыве грунтов подземными водами при порыве коммуникаций. Нарушается земная поверхность, образуются провалы, воронки и другие образования, которые дос- тавляют проблемы при ведение хозяйственных работ, нарушают окружающую среду и требуют выполнения охранных мероприятий. Предотвращение подоб- ного рода последствий ведения инженерной деятельностей в земной коре пре- дусматривает выполнение работ по заполнению полостей закладочными сме- ________________________________________________________________________________ © А.М. Кузьменко, М.В. Петлеваный, В.Г. Лозинский, 2018 ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2018. №142 34 сями, состоящих из различных горных пород, отходов переработки промыш- ленности и бытового хозяйства, которые со временем превращаются в твердое состояние под действием различных факторов [1, 2]. Такими факторами могут быть силы гравитации, химические реакции между химическими элементами, внешние силы уплотнения и др. это зависит от функционального назначения искусственного создаваемого массива в момент заполнения полости в горных породах или после приобретения определенных прочностных характеристик. В этих условиях важным является состояние окружающей среды и температур- ный режим горных пород, и особенно, когда твердение искусственного массива образовывается в результате химической реакции. При подземной разработке выемка полезных ископаемых ведется различ- ными способами, таким как механическое, взрывное и гидравлическое отделе- ние частицы массива [3-5], а также химическое и термическое преобразование полезных ископаемых по химическим соединениям в виде жидкостей и га- зов [6-8]. Создаваемые искусственные полости вследствие выемки полезного ископаемого заполняются закладочными смесями в том случае, когда необхо- димо полностью забрать полезное ископаемого из-за его ценности, а земную поверхность необходимо сохранить от деформации. В другом случае, когда сложные условия разработки при образовании большого объема полостей в горном массиве и последующая выемка осложнена из-за угрозы обрушения по- лезного ископаемого и его утери или горных пород, которые приведут к потери его природного качества. Создание полноценного прочного искусственного мас- сива, максимально приближенного к природным прочностным свойствам окру- жающих полость горных пород, возможно при помощи внутреннего химическо- го превращения закладочных смесей [9, 10]. Вопросу получения прочных хими- ческих соединений внутри искусственного массива уделено достаточно много научный работ, но без внимания остается взаимодействие этих соединений при различных нагрузках на контуре создаваемого объема, а также с химическими элементами, которые содержат окружающие горные породы. В работе авторы отмечают, что создание игольчато-древовидной структуры кристаллов является важной составляющей для комплекса физико-механических свойств искусствен- но создаваемого материала, а именно материал приобретает твердость и устой- чивость к ударным нагрузкам. Данный успех возможен при введении в состав закладочных смесей магнезиальных вяжущих, с помощью которых значительно сокращается время твердения: через сутки прочность магнезиального камня со- ставляет 35 – 50%, а через 7 суток – 60 – 90% от конечной прочности. Сроки схватывания магнезиального вяжущего несколько короче, чем у портландцемен- та: начало – не ранее 20 мин, конец – не позднее 6 ч от момента затворения [11]. Таким образом, размещение химических элементов и образование ими структурных связей в объеме искусственно создаваемого массива имеет важное значение для его устойчивости к обнажению горными работами при воздейст- вии на него импульсных нагрузок в виде взрывных работ или стационарной на- грузки силами гравитации от окружающего природного горного массива. Прочность внутренних связей связь искусственно создаваемого массива с ок- ружающими породами может иметь как положительное значение, так и отрица- ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2018. №142 35 тельное последствия. Последующая выемка полезного ископаемого на контакте с искусственным массивом приведет к внутреннему его разрушению, и, как следствие, к загрязнению отбитой горной массы химическими элементами, на- ходящимися в закладочной смеси. Методика исследований. Рентгенофазовый анализ компонентов закладоч- ной смеси проводили на установке ДРОН-2. Подготавливались тонкодисперс- ные пробы компонентов закладки крупностью менее 0,06 мм и фиксировались межплоскостные расстояния (d) при интенсивности отражения (I). По справоч- ным данным устанавливались химические вещества [12]. Исследование формирования структуры цементного камня проводилось на образцах при разной степени измельчения шлака металлургического производ- ства, а, следовательно, и увеличения разрыва сростков кристаллов и раскрытия поверхности минералов магния и кальция, как основных цементирующих хи- мических элементов. Остальные фрагментации, составляющие закладочную смесь, принимались без дополнительного дробления, т.е. содержащие вяжущие в горных породах не измельчались и не изменяли свои размеры. Рассев по фракциях соблюдался постоянным. Методика исследований формирования структуры и прочности цементного камня в закладочной смеси применялась стандартная и первые пробы были исследованы спустя один месяц после затво- рения водой серии образцов при разной степени измельчения металлургическо- го шлака [2]. Микроструктура образцов искусственного камня закладочной смеси изучалась при помощи растровой электронной микроскопии на микро- скопе-микроанализаторе РЕММА-102-02. Формы структур образцов имели увеличение 50 мкм, что позволяло получить качественные фотографии, а встроенный рентгеноспектральный микроанализатор – возможность произво- дить замеры химического состава структурных новообразований. Степень влияния мелкодисперсных частиц на структурные и прочностные особенности твердеющей закладки исследовались с пробами тонкоизмельченного доменного гранулированного шлака, отходов флюсового известняка со средним диамет- ром частиц 20 мкм, кварц-хлорит-серицитовых пород крупностью –1,25 мм, а также при изломах образцов цементного камня, сформированного при различ- ной удельной поверхности 2000, 2800, 4300 и 6600 см 2 /г. В каждом образце содержание оксидов CaO, SiO2, MgO, Al2O3 измерялось от 1 до 5 раз при помощи микрорентгеноспектрального анализатора. Методикой замеров химического состава предусматривалось исследование всего поля час- тиц на снимке для установления частиц вещества разного химического состава или содержанием оксидов. Полученные спектры оксидов обрабатывались про- граммным продуктом, находящимся в микроскопе, производился расчет дан- ных спектров и вывод на ПК содержания оксидов в процентном соотношении. Метод исследований основан на определении контрастов электронного изобра- жения дифракцией электронов. Результаты исследований. Большие объемы заполнения закладочными смесями искусственно созданных полостей приходится на разработку мощных рудных залежей с высоким содержанием полезных компонентов в ископаемых, ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2018. №142 36 при выемке которых, образуется выработанное пространство. При сложивших- ся схемах выемки полезного ископаемого закладочные смеси контактируют, как с рудным массивом, так и вмещающими породами [13, 14]. Так, на шахте «Эксплуатационная» ЗАО «ЗЖРК», разрабатывающей мощную рудную залежь Южно-Белозерского месторождения, представленную в основном, из гематит- мартитовой, мартитовой руды, чередуясь по простиранию в различном сочета- нии (мартит-гематитовая) включая прослойки кварц-хлоритовых и кварц- гематит-хлоритовых сланцев, изменяясь от слоистой до массивной. Вмещаю- щими породами по контуру искусственной полости являются сланцы кварц- хлорит-серицитового, кварц-серицит-хлоритового и кварц-гематит-хлоритового состава [15]. Они также служат добавками к составу закладочной смеси, со- стоящей из флюсового доломита, дробленной породы и молотых шлаков ме- таллургического производства [16]. В их составе находятся следующие хими- ческие элементы, приведенные на рис. 1. а б в а – дроблення отвальная порода; б – флюсовый доломит; в – шлаки металлургического про- изводства Рисунок 1 – Усредненный химический состав закладочных материалов, %: Результаты рентгенофазового анализа минералов, входящих в состав закла- дочных материалов, приведены на рис. 2. Проведенными исследованиями уста- новлено, что доменный шлак (рис. 2а) содержит мелилит, близкий по составу к окерманиту, и псевдоволластонит. На рентгенограмме мелилиту принадлежат ди- фракционные пики (d/n = 4,25; 3,03; 2,8; 2,29; 1,7; 1,67; 1,37). Данный минерал яв- ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2018. №142 37 ляет собой твердые расплавы минералов окерманита и геленита, поэтому встреча- ются мелилиты с переменным содержанием Al2O3 и MgO. Псевдоволластониту со- ответствуют основные дифракционные максимумы (d/n=2,8; 1,96; 1,82; 1,47). а) б) в) а – доменный шлак; б – отходы флюса; в – горная порода Рисунок 2 – Рентгенограммы закладочных материалов Превосходство интенсивности дифракционных максимумов мелилита над псев- доволластонитом свидетельствует о большем его содержании в доменном шлаке. ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2018. №142 38 Результаты исследования отходов флюса (рис. 2б) показали, что в нем со- держится кальцит (d/n = 3,029; 1,912; 2,28), доломит (d/n = 2,65; 1,78; 1,54) и в качестве примеси – волластонит (d/n = 2,18; 1,76; 1,92). Исследования дробленных горных пород (рис. 2в) показали, что в них пре- обладают минералы класса слюд, которые представлены биотитом (d/n = 3,32; 2,33; 1,72), мусковитом (d/n = 3,32; 1,94; 1,72), хлоритом (d/n = 7,01; 2,12; 1,53) и гематитом (d/n = 2,43; 1,35; 1,31). В составе горных пород присутствуют химические элементы, которые при излечении могут вступать в химические реакции и способствовать образованию твердого камня. В качестве наполнителя в закладочную смесь добавляют вме- щающие породы, которые содержат мусковит (KAl2[AlSi3O10](OH)2) и хлоритом ((Mg, Fe)3(Si, Al)4O10(OH)2·(Mg, Fe)3(OH)6) и биотит (K(Mg, Fe)3[Si3AlO10]·[OH, F]2), а также кристаллизованною воду. В их составе находится магний и силиций в небольших пропорциях, что способствует твердению жидких закладочных сме- сей после заполнения искусственной полости. Аналогичные по химическому со- ставу горные породы находятся на контуре заполняемого объема. Поэтому мож- но утверждать, что процессы образования внутренних связей будут аналогичны- ми, происходящими в формировании твердой фазы искусственного массива. Создание более прочного искусственного массива, требует добавления портландцемента, который хорошо воспринимает сжимающие нагрузки, но не- прочен при возникновении растягивающих нагрузок. Обнажение затвердевшего искусственного массива очистными работами с отбойкой руды взрывными ра- ботами в местах концентрации напряжений приводит к обрушению, как верти- кальных, так боковых поверхностей. Иногда объемы обрушений приобретают значительные величины, что свидетельствует о недостаточной прочности мас- сива противостоять возникающим нагрузкам, как внутри его, так и на контуре обнажения, где отмечается концентрация растягивающих напряжений [17-19]. Для снижения загрязнения рудной массы составляющими компонентами закла- дочной смеси, на шахте «Эксплуатационная» ЗАО «ЗЖРК» применяют инерт- ный наполнитель, содержащий в химическом составе известняковые минералы – кальцит и доломит, положительно влияющие на процесс выплавки чугуна и стали. Для замены дорогостоящего портландцемента и снижения тепловыделе- ния при его гидратации применяют молотый доменный гранулированный шлак, содержащий мелилит, близкий по составу к окерманиту, и псевдоволластонит, которые проявляют способность гидратации при их измельчении. Результаты исследования структуры цементного камня в зависимости от удельной поверхности частиц вяжущих веществ – шлака и флюсового извест- няка – представлены на рис. 3. Образцы первой серии (Рис. 3а) содержали доменный шлак с удельной по- верхностью 2000 см 2 /г (степень измельчения, применяемая в промышленных условиях шахты «Эксплуатационная»). На образце четко выражены две крупные частицы заполнителя, соединяе- мые между собой слабозакристализованным новообразованиями гидросилика- та кальция, находящееся в гелеобразном состоянии. Кристаллические новооб- ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2018. №142 39 разования имеют плотные, округло-неопределенные формы частиц с высту- пающими неупорядоченными редкими одиночными иглами и пластинками. а б в г а, б, в, г – при измельчении 2000, 2800, 4300 и 6600 см 2 /г соответственно Рисунок 3 – Образцы формирования гелеобразной массы цементного камня в закладочной смеси в зависимости от измельчений металлургического шлака При данной структуре не может противостоять растягивающим напряже- ниям, которые возникают на контуре закладочного массива. Находясь в плот- ном контакте с горными породами или рудной залежью при ее разрушении взрывом искусственный массив будет разрушатся, что и происходит на прак- тике в условиях разработки рудных запасов Южно-Белозерского месторожде- ния. При затворении образцов второй серии с измельчѐнными доменным шлаком и отходами флюса до удельной поверхности 2800 см 2 /г (Рис. 3б) процесс твер- дения характеризуется структурными изменениями, что выражается в появле- нии сростков игольчатой формы и присутствием гидросиликатного геля округ- лой, пирамидальной и многогранной форм. Прочность образца закладочной смеси на одностороннее сжатие увеличивается в 1,8 – 2,5 раза в сравнении с об- ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2018. №142 40 разцами первой серии, где удельной поверхность измельчения доменного шла- ка становила 2000 см 2 /г. В третьей серии образцов доменный шлак и отходы флюса имели удельную поверхность 4300 см 2 /г, что кардинально повлияло на формирование структуры новообразования (Рис. 3в). Гидросиликаты кальция имеют игольчато-волок- нистую и остроугольную форму, частиц распределены плотно в отношении друг к другу, уменьшилась пористость, зерна инертного заполнителя гидратны- ми образованиями полностью покрыты. Происходит армировка кристалличе- скими новообразованиями искусственного камня, увеличиваются силы сцепле- ния и повышается сопротивляемость нагрузкам внутренних связей. Структура новообразований приобретает остроугольную форму, заменяя округлую форму, свойственную образцам первой и второй серии. Прочностные свойства образца закладочной смеси на одностороннее сжатие увеличивается в 3,1 – 3,5 раза в сравнении с образцами первой серии, что явно демонстрирует доминирующее влияние степени раскрытия сростков магния и кальция на структурные измене- ния за одинаковый период времени твердения цементного камня. Влияние тонкости измельчения доменного шлака и отходов флюса на струк- туру новообразований изучались в четвертой серии образцов при удельной по- верхности частиц 6600 см 2 /г. Исследованиями структуры новообразования ус- тановлено, что они имеют мелкокристаллическую и слоисто-пластинчатую форму, частицы плотно прилегают друг к другу, а пористость практически от- сутствует (Рис. 4 г). Вследствие этого, игольчатая форма гидросиликатов каль- ция не формируется из-за отсутствия пор в структуре, необходимых для роста кристаллов. Прочность образца закладочной смеси на одностороннее сжатие увеличивается в 3,1 – 4,5 раза в сравнении с образцами первой серии. Следует отметить, что на образцах четвертой серии наблюдается значитель- ный разброс прочности на одноосное сжатие и практически находится в одном числовом интервале с прочностью образцов третьей серии. Это можно объяс- нить тем, что в качестве наполнителя применяются вмещающие породы с раз- ным содержанием химических элементов CaO, SiO2, MgO, Al2O3, участвующих в образовании цементного камня (закладочный массив). Вмещающие породы представлены широким спектром минералогических разновидностей, где содержание CaO, SiO2, MgO и Al2O3 изменяется на поря- док по отношению к другим породам. В горных породах магнит- сидероплазитовых образований содержание MgO = 2,76% и CaO = 2,76 %, то- гда как в хлорит-сидероплазитовых образованиях содержание MgO = 3,06 % и CaO = 0,15 %, а магнетит-карбонат-хлоритовых образований – MgO = 5,3 %, CaO = 2,08 % и Al2O3 = 4,77 %. Наименьшее содержание полезных химиче- ских элементов содержится в породных сидероплазит-магнетитовых образо- ваниях MgO = 1,08 %, CaO = 0,12 % и Al2O3 = 0,77 %, что имеет значение для образования цементного камня. Образование гелеобразного состояния в образцах можно объяснить большей инертностью при взаимодействии МgO с водой Н2О по сравнению CaO. Реак- ция начинается не мгновенно, а только спустя некоторое время. Вокруг ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2018. №142 41 Mg(OH)2 образуется пленка, которая препятствует проникновению воды внутрь зерен. Дальнейшее измельчение гранулированного шлака и флюсов увеличива- ет удельные поверхности CaO и МgO, способствуя вступать в реакцию большее число частиц. В закладочной смеси основное содержание CaO = 47,4 – 49,4 % находится в гранулированном шлаке, отходах флюсового производства CaO = 51,66 % и только до 1 % в дробленных породах. В этих компонентах смеси окислы МgO составляют 3,75 – 5,00, 1,97 и 2,16 % соответственно Общее число раскрытых сростков МgO в смеси увеличивается, с учетом его содержа- ния в дробленных породах и при соответственных условиях гидратации (38 до 42 кДж/кг) находится в стабильной форме кристаллизации. При меньшей сте- пени раскрытия сростков МgO (образцы первой серии) образование Mg(OH)2 имеет метастабильную форму, представленную гелем. Это происходит по при- чине увеличения температуры воды до кипения, и гидратация прекращается. Как отмечалось авторами в работе [11] игольчато-древовидной структуры кристаллов является важной составляющей для комплекса физико- механических свойств искусственно создаваемого материала и магнезиальные вяжущие повышают прочность за короткий промежуток времени. Авторы ут- верждают, что затворение MgO растворами солей, повышает прочность на рас- тяжение затвердевшего камня до 10 МПа и более. В производственных услови- ях это возможно, при затворении закладочной смеси шахтными водами без очистки, так как подземные воды содержат много различных солей. Но при этом образуются слабые кислоты, которые влияют на процесс гидратации. При наличии хлора на первоначально произойдет образование гидроксихлорида магния MgCl2·5Mg(OH)2·7H2O, который со временем распадется на MgCl2·3Mg(OH)2·7H2O и Mg(OH)2. Последний кристаллизуется в виде волокон, которые будут работать на растяжение. Этот вопрос требует дальнейшего изучения, так как выполнение работ по заполнению подземных пустот предусматривает транспортирование закладоч- ной смеси к месту ее укладки, а это время, при котором смесь находится в за- творенном состоянии. Жидкость является рабочим телом при транспортирова- нии закладочной смеси и ее загустение приведет к остановке процесса и ава- рийной ситуации. В дальнейшем это является вопросом технологии выполне- ния того или иного выполнения работ. Так же это касается вопросов заполне- ния полостей при подземном сжигании угольных пластов, где температура го- рения становит 1200 – 1500°С, что безусловно повлияет на процесс гидратации. Выводы. В результате выполненных исследований установлено, что обра- зование твердой массы при заполнении искусственных полостей в земной коре зависит от состава химических элементов в новообразовании и воды, а также от функционального назначения цементного камня по восприятию нагрузок от внешнего воздействия. Степень измельчения компонентов в твердой фазе за- кладочной смеси существенно влияет на структуру образования твердой массы и ее прочность, но находится в определенном интервале раскрытия сростков, являющимися носителями химических элементов и их значения в формирова- нии структуры цементного камня. ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2018. №142 42 При формировании искусственного массива в горном массиве необходимо учитывать химический состав геологических образований, так это фактор мо- жет существенно влиять на прочностные характеристики восприятия внешних нагрузок. Применение растворов солей для затворения закладочной смеси в горном производстве требует технологических решений по выполнению этого вида работ с учетом экономической целесообразности и экологической безо- пасности при охране недр. ––––––––––––––––––––––––––––––– СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Битимбаев М.Ж., Крупник Л.А., Шапошник Ю.Н. Теория и практика закладочных работ при разработке месторожде- ний полезных ископаемых. -Алматы: Издательство Ассоциации ВУЗов РК, 2012. 624 с. 2. Кузьменко А.М., Петлѐваный М.В., Усатый В.Ю. Твердеющая закладка при отработке рудных крутых залежей в сложных горно-геологических условиях. -Днепропетровск: Национальный горный университет, 2015. 139 с. 3. Ступник Н.И., Письменный С.В. Перспективные технологические варианты дальнейшей отработки железорудных ме- сторождений системами с массовым обрушением руды / Вісник Криворізького національного університету. 2012. №1(30). С.3-7. 4. Шрайбер А.А., Редькин В.Б. Современные и перспективные технологии добычи угля / Проблеми загальної енергети- ки. 2008. №17. С. 7-13. 5. Bondarenko V., Russkikh V., Malashkevich D., Sotskov V. Technological scheme and equipment for selective extraction of coal with long clearing faces / Journal of Donetsk Mining Institute. 2017. No. (2). P. 19-24. https://doi.org/10.31474/1999-981x-2017-2-19-24 6. Lozynskyi V., Saik P., Petlovanyi M., Sai K., Malanchuk Ye. Analytical research of the stress-deformed state in the rock massif around faulting / International Journal of Engineering Research in Africa. 2018. No. 35. P. 77-88. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/JERA.35.77 7. Falshtynskyi V., Saik P., Lozynskyi V., Dychkovskyi R., Petlovanyi M. Innovative aspects of underground coal gasification technology in mine conditions / Mining of Mineral Deposits. 2018. No. 12(2). P. 68-75. https://doi.org/10.15407/mining12.02.068 8. Bondarenko V., Svietkina O., Sai K. Study of the formation mechanism of gas hydrates of methane in the presence of surface-active substances / Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2017. No. 5/6(89). P. 48-55. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2017.112313 9. Кузьменко А.М., Петлѐваный М.В. Формирование закладочного массива на основе тонкодисперсных частиц вяжущих материалов при подземной разработке рудных месторождений / Металлургическая и горнорудная промышленность. 2013. №2. С. 70-73. 10. Ghirian A., Fall M. Properties of cemented paste backfill / Paste Tailings Management. Bern: Springer, 2017. P. 59-109. https://doi.org/10.1007/978-3-319-39682-8_4 11. Иванков С.И., Иванова В.В., Петкевич Д.Г. Магнезиальные вяжущие как современный, экологически безопасный строительный материал / Научные и технические аспекты охраны окружающей среды. 2014. №1. С. 49-65. 12. Горшков В.С., Тимашев В.В., Савельев В.Г. Методы физико-химического анализа вяжущих веществ. -Москва: Выс- шая школа, 1981. 335 с. 13. Кузьменко А.М., Петлѐваный М.В. Влияние структуры горного массива и порядка отработки камерных запасов на разубоживание руды / Геотехнічна механіка. Дніпропетровськ: ІГТМ НАНУ, 2014. №118. С. 37-45. 14. Khomenko O., Kononenko M., Petlyovanyy M. Investigation of stress-strain state of rock massif around the secondary chambers / Progressive Technologies of Coal, Coalbed Methane, and Ores Mining. London: CRC Press, Taylor & Francis Group, 2014. P. 241-245. https://doi.org/10.1201/b17547-43 15. Kuzmenko O., Petlovanyi M. Interrelation of structural changes of the enclosing massif with sustainability of extraction chamber during iron ore deposit development / Journal of Donetsk Mining Institute. 2017. No. 2. P. 56-61. https://doi.org/10.31474/1999-981x-2017-2-56-61 16. Kuzmenko O., Petlyovanyy M., Stupnik M. The influence of fine particles of binding materials on the strength properties of hardening backfill / Mining of Mineral Deposits. London: CRC Press, Taylor & Francis Group, 2013. P. 45-48. https://doi.org/10.1201/b16354-10 17. Zhu P., Song W., Cao S. Tensile mechanical response mechanism of cemented backfills under blasting load / Journal of Mining and Safety Engineering. 2018. No. 35(3). P. 605-611. https://doi.org/10.13545/j.cnki.jmse.2018.03.022 18. Cao S., Song W., Yilmaz E. Influence of structural factors on uniaxial compressive strength of cemented tailings backfill / Construction and Building Materials. 2018. No. 174. P. 190-201. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.04.126 19. Кузьменко А.М., Петлѐваный М.В. Разрушение закладочного массива в зависимости от технологии его возведения / Збір- ник наукових праць Національного гірничого університету. Дніпро: Національний гірничий університет, 2017. №52. С. 159-166. REFERENCES 1. Bitimbaev, M.Zh., Krupnik, L.A. and Shaposhnik, Yu.N. (2012), Teoriya i praktika zakladochnykh rabot pri razrabotke mesto- rozhdeniy poleznykh iskopaemykh [Theory and practice of backfilling during the mining of mineral deposits], Izdatelstvo Assotsiatsii VUZov RK, Almaty, Kazakhstan. 2. Kuzmenko, A.M., Petlevanyy, M.V. and Usatyy, V.Yu. (2015), Tverdeyushchaya zakladka pri otrabotke rudnykh krutykh za- https://doi.org/10.31474/1999-981x-2017-2-19-24 https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/JERA.35.77 https://doi.org/10.15407/mining12.02.068 https://doi.org/10.15587/1729-4061.2017.112313 https://doi.org/10.1007/978-3-319-39682-8_4 https://doi.org/10.1201/b17547-43 https://doi.org/10.31474/1999-981x-2017-2-56-61 https://doi.org/10.1201/b16354-10 https://doi.org/10.13545/j.cnki.jmse.2018.03.022 https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.04.126 ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2018. №142 43 lezhey v slozhnykh gorno-geologicheskikh usloviyakh [Hardening backfilling during mining ore steep deposits in difficult geological conditions], Natsionalnyy gornyy universitet, Dnipro, Ukraine. 3. Stupnik, N.I. and Pismennyy, S.V. (2012), “Perspective technological options for further mining of iron ore deposits with sys- tems with massive ore destruction”, Journal of Kryvyi Rih National University, vol. 1, no. 30, pp. 3-7. 4. Shrayber, A.A. and Redkin, V.B. (2008), “Modern and advanced coal mining technologies”, Problems of General Energy, no. 17, pp. 7-13. 5. Bondarenko, V., Russkikh, V., Malashkevich, D. and Sotskov, V. (2017), “Technological scheme and equipment for selective extraction of coal with long clearing faces”, Journal of Donetsk Mining Institute, no. 2, pp. 19-24. https://doi.org/10.31474/1999-981x- 2017-2-19-24 6. Lozynskyi, V., Saik, P., Petlovanyi, M., Sai, K. and Malanchuk, Ye. (2018), “Analytical research of the stress-deformed state in the rock massif around faulting”, International Journal of Engineering Research in Africa, no. 35, pp. 77-88. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/JERA.35.77 7. Falshtynskyi, V., Saik, P., Lozynskyi, V., Dychkovskyi, R. and Petlovanyi, M. (2018), “Innovative aspects of underground coal gasification technology in mine conditions”, Mining of Mineral Deposits, vol. 12, no. 2, pp. 68-75. https://doi.org/10.15407/mining12.02.068 8. Bondarenko, V., Svietkina, O. and Sai, K. (2017), “Study of the formation mechanism of gas hydrates of methane in the presence of surface-active substances”, Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, vol. 5/6, no. 89, pp. 48-55. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2017.112313 9. Kuzmenko, A.M. and Petlevanyy, M.V. (2013), “Formation of an array on the basis of finely divided particles of binder mate- rials under underground mining of ore deposits”, Metallurgical and Mining Industry, no. 2, pp. 70-73. 10. Ghirian, A. and Fall, M. (2017), “Properties of cemented paste backfill”, Paste Tailings Management, pp. 59-109. https://doi.org/10.1007/978-3-319-39682-8_4 11. Ivankov, S.I., Ivanova, V.V. and Petkevich, D.G. (2014), “Magnesian binders as a modern, environmentally friendly building material”, Scientific and Technical Aspects of Environmental Protection, no. 1, pp. 49-65. 12. Gorshkov, V.S., Timashev, V.V. and Savelyev, V.G. (1981), Metody fiziko-khimicheskogo analiza vyazhushchikh vesh- chestv [Methods of physicochemical analysis of binder materials], Vysshaya shkola, Moscow, Russia. 13. Kuzmenko, A.M. and Petlyovany, M.V. (2014), “Influence of rock massif structure and sequence of chamber reserves mining on ore dilution”, Geo-Technical Mechanics, no. 118, pp. 37-45. 14. Khomenko, O., Kononenko, M. and Petlyovanyy, M. (2014), “Investigation of stress-strain state of rock massif around the secondary chambers”, Progressive Technologies of Coal, Coalbed Methane, and Ores Mining, pp. 241-245. https://doi.org/10.1201/b17547-43 15. Kuzmenko, O. and Petlovanyi, M. (2017), “Interrelation of structural changes of the enclosing massif with sustainability of extraction chamber during iron ore deposit development”, Journal of Donetsk Mining Institute, no. 2, pp. 56-61. https://doi.org/10.31474/1999-981x-2017-2-56-61 16. Kuzmenko, O., Petlyovanyy, M. and Stupnik, M. (2013), “The influence of fine particles of binding materials on the strength properties of hardening backfill”, Mining of Mineral Deposits, pp. 45-48. https://doi.org/10.1201/b16354-10 17. Zhu, P., Song, W. and Cao, S. (2018), “Tensile mechanical response mechanism of cemented backfills under blasting load”, Journal of Mining and Safety Engineering, vol. 35, no. 3, pp. 605-611. https://doi.org/10.13545/j.cnki.jmse.2018.03.022 18. Cao, S., Song, W. and Yilmaz, E. (2018), “Influence of structural factors on uniaxial compressive strength of cemented tail- ings backfill”, Construction and Building Materials, no. 174, pp. 190-201. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.04.126 19. Kuzmenko, A.M. and Petlovanyi, M.V. (2017), “Backfilling massif failure depending on construction technology”, Collection of research papers of National Mining University, no. 52, pp. 159-166. ––––––––––––––––––––––––––––––– Об авторах Кузьменко Александр Михайлович, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры подземной разработки месторождений, Национальный технический университет «Днепровская политехника» МОН Украины (НТУ «ДП» МОН Ук- раины), Днепр, Украина, kuzmalexx@gmail.com Петлѐваный Михаил Владимирович, кандидат технических наук, доцент кафедры подземной разработки месторож- дений, Национальный технический университет «Днепровская политехника» МОН Украины (НТУ «ДП» МОН Украины), Днепр, Украина, petlyovany@ukr.net Лозинский Василий Григорьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры подземной разработки месторожде- ний, Национальный технический университет «Днепровская политехника» МОН Украины (НТУ «ДП» МОН Украины), Днепр, Украина, lvg.nmu@gmail.com About the authors Kuzmenko Oleksandr Mykhailovych, Doctor of Technical Sciences (D.Sc.), Professor, Professor of the Underground Mining Department, Dnipro University of Technology MSE of Ukraine, Dnipro, Ukraine, kuzmalexx@gmail.com Petlovanyi Mykhailo Volodymyrovych, Candidate of Technical Sciences (Ph.D.), Associate Professor of the Underground Mining Department, Dnipro University of Technology MSE of Ukraine, Dnipro, Ukraine, petlyovany@ukr.net Lozynskyi Vasyl Hryhorovych, Candidate of Technical Sciences (Ph.D.), Associate Professor of the Underground Mining Department, Dnipro University of Technology MSE of Ukraine, Dnipro, Ukraine, lvg.nmu@gmail.com https://doi.org/10.31474/1999-981x-2017-2-19-24 https://doi.org/10.31474/1999-981x-2017-2-19-24 https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/JERA.35.77 https://doi.org/10.15407/mining12.02.068 https://doi.org/10.15587/1729-4061.2017.112313 https://doi.org/10.1007/978-3-319-39682-8_4 https://doi.org/10.1201/b17547-43 https://doi.org/10.31474/1999-981x-2017-2-56-61 https://doi.org/10.1201/b16354-10 https://doi.org/10.13545/j.cnki.jmse.2018.03.022 https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.04.126 mailto:kuzmalexx@gmail.com mailto:petlyovany@ukr.net mailto:lvg.nmu@gmail.com mailto:kuzmalexx@gmail.com mailto:petlyovany@ukr.net mailto:lvg.nmu@gmail.com ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2018. №142 44 Анотація. Наведено результати досліджень впливів хімічних елементів твердіючої маси сумішей на їх міцні- сні характеристики та новоутворення при заповненні штучних порожнин у земній корі. Запропоновано комплекс- ний методичний підхід до дослідження, що включає хімічний і рентгенофазовий аналіз мінерального складу ком- понентів закладної суміші, метод растрової електронної мікроскопії, мікрорентгеноспектральний аналіз, експери- ментальні дослідження з визначення міцності на одноосьове стискання зразків. Досліджено хімічний і мінералогі- чний склад компонентів закладної суміші методом рентгенофазового аналізу та виявлено їх характер впливу на структуру цементного каменю. Встановлено вплив ступеня розкриття зростків у компонентах закладної суміші й питомої поверхні часток, що містять цементоутворюючі хімічні елементи на структуру новоутворень та її міцність. Надана кількісна оцінка зміни міцності штучного каменю в інтервалі питомої поверхні в’яжучого матеріалу 2000 – 6600 см2/г. Акцентовано увагу на важливості переходу гелеподібного стану новоутворень цементного ка- меню до кристалічного. Вивчено аспекти взаємовпливу оксидів CaO, MgO в доменному гранульованому шлаку, флюсових вапняках і відвальних подрібнених породах на міцність твердіючої суміші. Показано, що ступінь подрі- бнення компонентів у твердій фазі закладної суміші істотно впливає на структуру утворення твердої маси і її міц- ність, але знаходиться в певному інтервалі розкриття зростків, які є носіями хімічних елементів і їх значення у формуванні структури цементного каменю. При формуванні штучного масиву в гірському масиві необхідно вра- ховувати хімічний склад геологічних утворень, оскільки цей фактор може суттєво впливати на міцнісні характери- стики сприйняття зовнішніх навантажень. Затворіння закладної суміші розчинами солей вимагає додаткового вивчення з урахуванням економічної доцільності та екологічної безпеки при охороні надр. Ключові слова: твердіюча суміш, штучний масив, міцність, питома поверхня часток, вміщуючі породи, рент- генофазовий аналіз, растрова мікроскопія. Annotation. In the paper, the investigation results of the effects of chemical elements of solid mass of mixtures on concrete block strength characteristic while filling technogeneous cavities in the earth crust are given. A compre- hensive methodological approach to the investigation is proposed. It includes chemical and X-ray phase analysis of the mineral composition of the filling mixture components, scanning microscopy method, X-ray microanalysis, and experimental studies on determining uniaxial compressive strength of the samples. Chemical and mineralogical com- position of the filling mixture components was studied by X-ray phase analysis, and influence on concrete block struc- ture was determined. Influence of mineral grain release in components of the filling mixture and specific surface of particles containing cement-forming chemical elements on the concrete block structure and its strength is established. A quantitative estimation of the change of concrete block strength in the range of the specific surface of binder material 2000 – 6600 cm2/g is given. Attention is focused on importance of new concrete block transition from gel state to the crystalline one. Aspects of mutual influence of CaO and MgO oxides in the granulated blast-furnace slag, fluxing limes- tones and crushed dump rocks on the strength of the hardening mixture were studied. It is shown that the degree of grinding of components in the solid phase of the filling mixture significantly affects the structure of formation of solid mass and its strength, but is within a certain interval of disclosure of intergrowths that are carriers of chemical elements and their value in the formation of the structure of cement stone. It is recommended to consider the chemical composi- tion of geological formations when forming an artificial concrete block in the rock massif because this factor can signifi- cantly affect the strength characteristics for accepting external loads. Tempering of filling mixture with salt solutions re- quires additional study with considering economic feasibility and environmental safety for conservation of mineral re- sources. Keywords: hardening mixture, concrete block, strength, specific grain surface, enclosing rocks, X-ray phase analy- sis, scanning microscopy. Стаття надійшла до редакції 10.11.2018 Рекомендовано до друку д-ром техн. наук, проф. Четвериком М.С.