About problems and prospects of development of the coal mining enterprises of the Donetsk region

Alternatywna metodyka badania materiałów do podsadzki
hydraulicznej

W. Korzeniowski
Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków
Ł. Herezy
Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków
K. Skrzypkowski
Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków

STRESZCZENIE

W artykule przedstawiono wyniki badania materiałów do podsadzki hydraulicznej.

Przedmiotem badań był piasek podsadzkowy oraz odpad poflotacyjny z kopalni rud cynku i ołowiu
oraz mieszaniny tych materiałów. Zastosowano metodykę określania parametrów geotechnicznych
według normy, a następnie dla porównania zaproponowano wykorzystanie rurki Kamieńskiego do
badania wodoprzepuszczalności oraz miernika laserowego do pomiaru średnicy ziaren. Wskazano
na  niedoskonałości  stosowanych  obecnie  metod  powodujące  niejednoznaczność  otrzymywanych
wyników pomiarów i wyjaśniono przyczyny powstających rozbieżności.

Słowa kluczowe: podsadzka, badanie własności.

ALTERNATIVE METHODOLOGY ANALYSIS OF FILLING MATERIALS

ABSTRACT

In this paper has been presented results of tests of hydraulic filling materials. The objects of the

research work were sand and post-flotation waste from lead and zinc underground mine and their
mixtures.  It  has  been  used  a  standard  normative  method  for  identification  of  the  geotechnical
parameters,  and  afterwards  the  Kaminski  pipe  method  was  suggested  for  water  permeability
measuring  and  a  laser  device  to  determine  diameter  of  grains  to  compare  the  results  of  the
experiments.  It  has  been  pointed  out  some  disadvantages  of  the  used  methods  that  cause
ambiguous in obtained results and explained the most important reasons of the differences.

KEYWORDS: filling, geotechnical properties examination

1.  WSTĘP

Jednym ze sposobów likwidacji pustek poeksploatacyjnych w kopalniach podziemnych jest ich

szczelne lub częściowe wypełnianie materiałem podsadzkowym. Zastosowanie podsadzania ma na
celu  przede  wszystkim  ograniczenie  negatywnego  wpływu  eksploatacji  na  powierzchnie  terenu.
Zastosowanie  podsadzek  utwardzanych  umożliwia  ponadto  minimalizacje  strat  złożowych  i
zubożania  urobku.  Niekiedy  jest  ona  pożądana  ze  względów  wentylacyjnych  i  bezpieczeństwa
uniemożliwiając migrację powietrza przez zroby i ograniczając wydzielanie gazów z górotworu do
wyrobiska, [1,3,4,5,6].

Jako materiały podsadzkowe stosuje sie najczęściej piasek kwarcowy, niekiedy z domieszkami

materiałów odpadowych (poflotacyjnych, hutniczych, popiołów lotnych i innych).

Metoda transportu wodnych mieszanin podsadzek hydraulicznych poprzez system rurociągów z

powierzchni aż do odległych o kilka kilometrów przodków wymaga utrzymania granicznych

wartości geotechnicznych parametrów materiałów zastosowanych do podsadzania. Zgodnie z
normą PN-93/G-11010 w celu zakwalifikowania materiału, jako materiał podsadzkowy do
podsadzki hydraulicznej należy wykonać określone badania własności fizycznych:

Zawartość ziaren o wymiarach poniżej 0,1 mm,

Największy wymiar ziarna,

Ściśliwość przy obciążeniu 15 MPa,

Wodoprzepuszczalność,

Rozmywalność,

Gęstość nasypową,

Zawartość widocznych części roślinnych.

2. OCENA

METODYKI OKREŚLANIA PARAMETRÓW JAKOŚCI MATERIAŁU

PODSADZKOWEGO

a. Badanie wodoprzepuszczalności

Zgodnie z normą PN-93/G-11010 wodoprzepuszczalność materiału podsadzkowego określa się

w urządzeniu przedstawionym na rys. 1. Badaną próbkę materiału podsadzkowego należy starannie
wymieszać  i  wlać  do  cylindra  wewnętrznego  porcjami  po  około  1000  g  w  odstępach,  co  3  min.
Mieszanina  powinna  zapełnić  cylinder  wewnętrzny  w  taki  sposób,  aby  tworzyła  ona  płaską
powierzchnię. Na cylinder wewnętrzny położona powinna zostać siatka o oczkach kwadratowych o
boku  0,5  mm.  Pomiędzy  płaszczyzną  badanego  materiału  podsadzkowego  a  siatką  nie  należy
pozostawiać  szczeliny.  Na  siatkę  należy  położyć  obciążnik  o  masie,  co  najmniej  5000  g.  Tak
przygotowaną  próbkę  należy  pozostawić  na  1  godzinę.  Po  odczekaniu  założonego  czasu  należy
doprowadzić do urządzenia  wodę  w taki sposób, aby  w cylindrze zewnętrznym jej poziom był o
200  mm  wyższy  od  powierzchni  mieszaniny  podsadzkowej,  a  nadmiar  wody  odprowadzany  był
poprzez  otwór  przelewowy.  Pomiaru  należy  dokonywać  w  odstępach  10-cio  minutowych  za
pomocą  cylindra  pomiarowego  umieszczonego  pod  otworem,  z  którego  wypływa  ciecz
przesączona przez badany materiał podsadzkowy. W trakcie pomiaru należy mierzyć temperaturę
wody  przepływającej  przez  materiał  podsadzkowy.  Pomiar  należy  zakończyć  po  60  min.
Współczynnik wodoprzepuszczalności określa się według wzoru 1.

Jeżeli w trakcie oznaczenia okaże się, że któryś z pomiarów różni się od innych o ponad 10%,

to oznaczenie należy uznać za niewłaściwe i powtórzyć je.

gdzie:

Q – objętość wody, która przesączyła się przez badany materiał w ciągu całego okresu
pomiarowego,cm

A – pole powierzchni przekroju wewnętrznego cylindra, cm

T – czas pomiaru, s,
i – spadek hydrauliczny, [-],
α – zmiana lepkości wody przy zmianie temperatury o 1

t – temperatura wody podczas badania,

[1]

Należy przyjąć:



Opisana powyżej metodyka badawcza zakłada badanie wodoprzepuszczalności materiału

podsadzkowego  przy  przepływie  wody  w  kierunku  odwrotnym  aniżeli  mamy  do  czynienie  w
masywie  podsadzkowym  w  kopalni.  Taki  układ  powoduje  podnoszenie  ziaren  i  w  konsekwencji
„rozluzowanie”  ich  i  zmniejszenie  gęstości  objętościowej  materiału  umieszczonego  w  cylindrze
pomiarowym.  W  praktyce  badań  laboratoryjnych,  szczególnie  w  przypadku  materiałów
zawierających  duże  ilości  frakcji  pylastej,  jest  bardzo  trudno  uzyskać  wyniki  w  granicach  błędu
określonego  w  normie  i  wynoszącego  10%.  Różnice  pomiędzy  kolejnymi  pomiarami  dla  tego
samego materiału sięgają nawet kilkudziesięciu procent.

b.  Oznaczenie zawartości ziaren o wymiarach poniżej 0,1 mm

Oznaczenie frakcji pylastej (-0,1 mm) wg PN-93/G-11010 polega na przesianiu badanego

materiału przez sito o oczkach kwadratowych 0,1×0,1 mm, zważeniu pozostałości na sicie oraz
obliczeniu procentowego udziału ziaren o średnicy mniejszej niż 0,1 mm.

Przed przystąpieniem do oznaczenia należy próbkę o masie 3000g wysuszyć w suszarce

laboratoryjnej w temperaturze 105

C, przez co najmniej 180 min, a następnie z wysuszonej próbki

odważyć 2000 g badanego materiału podsadzkowego i wsypać do sita o pojemności 4 dm

dolewając do pełna wody. Całość należy wymieszać na sicie, a następnie odsączyć wodę.
Czynność tę powtarza się kilkakrotnie dolewając wodę porcjami. Pozostałą część badanego
materiału na sicie należy wysuszyć w temperaturze 105

C i po wysuszeniu zważyć z dokładnością

do 0,1 g. Procentową zawartość ziaren o średnicy poniżej 0,1 mm oblicza się wg wzoru:

gdzie:

m – masa przesiewanej próbki, g,

100[%]

0,1

Rys. 1. Urządzenie do oznaczenia wodoprzepuszczalności wg PN-93/G-11010
Figure 1. Water-permeability according to PN-93/G-11010

– masa pozostałości na sicie [g].

Metodyka oznaczenia zawartości ziaren o średnicach poniżej 0,1 mm jest wystarczająco

dokładna  w  przypadku  piasku  kwarcowego.  Problem  powstaje  kiedy  tę  samą  metodykę  chcemy
skutecznie zastosować do zbadania odpadu poflotacyjnego. Po zmieszaniu odpadu poflotacyjnego
z  wodą  następuje  intensywne  wchłanianie  wody.  Żeby  można  było  przepłukać  materiał  i
jednocześnie przesiać go przez sito wymagane jest intensywne mieszanie. Proces mieszania wiąże
się ze ścieraniem poszczególnych cząstek i powstawaniem coraz to większej ilości frakcji pylastej.
Bez  tej  czynności  badanie  przypominałoby  raczej  test  wodoprzepuszczalności.  Niedoskonałość
niniejszej  metody  najlepiej  zauważalna  jest  podczas  badania  rozmywalności  odpadu
poflotacyjnego.

c. Badanie rozmywalności materiału

Rozmywalność materiału podsadzkowego według wyżej przywołanej normy bada się na

próbkach o masie 2000 g, które powinny pozostać przed oznaczeniem wysuszone w temperaturze
105

C. Po procesie rozmywania, w urządzeniu symulującym przepływ mieszaniny podsadzkowej

przez rurociąg (rys. 2), mieszaninę przelewa się przez sito o oczkach o wymiarach 0,1×0,1 mm i
przepłukuje 10 dm

wody. Z uwagi na właściwości odpadu poflotacyjnego (wchłanianie wody)

przelanie przez materiał wody w praktyce nie powoduje wypłukiwania ziaren frakcji pylastej (-
0,1mm). Pozostałość na sicie suszy się i waży. Oznaczenie rozmywalności wykonuje się dla dwóch
czasów badania: 15 min i 30 min, obliczając odpowiednie parametry wg wzorów:

100

gdzie:
m

– masa badanego materiału przed 15 min wstrząsaniem, g,

– masa pozostałości na sicie po 15 min wstrząsaniu, g,

’

– masa badanego materiału przed 30 min wstrząsaniem, g,

’

– masa pozostałości na sicie po 30 min wstrząsaniu, g.

Zarówno przy oznaczeniu zawartości ziaren o średnicy poniżej 0,1 mm jak i dla testu

rozmywalności wynik oznaczenia zależy od ilości materiału pozostałego na sicie po przemywaniu.

Rysunek 2. Urządzenia do rozmywalności wg PN-93/G-11010

Przykładowe wyniki zestawiono w tabeli 1.

Tabela 1. Wyniki oznaczenia rozmywalności odpadu poflotacyjnego

Porównując zawartości frakcji ziaren o średnicy poniżej 0,1 mm z wartościami parametrów M

i M

można zauważyć, iż zjawisko rozmywania praktycznie nie miało miejsca. W niektórych

przypadkach zawartości ziaren frakcji poniżej 0,1mm stwierdzone przy rozmywalności są mniejsze
niż wynika to z oznaczeń materiału nie poddanego rozmywaniu. Początkowo sądzono, że może to
być spowodowane nieprawidłową pracą urządzenia do rozmywalności, jednak po wnikliwych
obserwacjach wykluczono tę ewentualność. Najbardziej prawdopodobną przyczyną takiej sytuacji
jest metodyka wykonywanych oznaczeń.

3. ALTERNATYWNE METODY BADANIA MATERIAŁU PODSADZKOWEGO

a. Oznaczenie wodoprzepuszczalności materiału podsadzkowego za pomocą rurki Kamińskiego

Jako alternatywną metodę badań do oznaczenia wodoprzepuszczalności wybrano metodę

według  normy  PN-G-11011:1998.  Oznaczenie  polega  na  zmierzeniu  ilości  przesączonej  wody
przez  badany  materiał  podsadzkowy  w  określonym  czasie.  Do  pomiaru  wykorzystywane  jest
urządzenie wykonane z rurki szklanej (rys. 3) o średnicy około 40 mm i długości 250 mm. Rurka
powinna  być  wyskalowana  w  taki  sposób,  aby  można  było  łatwo  odczytać  zarówno  wysokość
próbki jak i zmiany położenia zwierciadła wody nad jej powierzchnią. Badaną mieszaninę należy
przelać do rurki na wysokość od 100 mm do 150 mm od jej dna zakończonego siatką o oczkach
0,5×0,5 mm. Następnie tak  wypełnioną rurkę zalewa  się  wodą i obserwuje obniżenie zwierciadła
wody  w  kolejnych  pomiarach  od  20  mm  do  50  mm  rejestrując  czas.  Wodoprzepuszczalność
oblicza się wg wzoru:

gdzie:

l – wysokość wypełnienia materiałem rurki, m,

t – czas, po którym zwierciadło obniży się o wartość S, s,

S– wartość obniżenia zwierciadła wody, m.

– początkowa wysokość hydrauliczna mierzona od poziomu założonej siatki, m.

PARAMETR

Wartość wskaźnika w kolejnych testach

Zawartość ziaren d|<0,1mm

52,3%

51,5%

47,5%

51,0%

50,4%

Rozmywalność M

50,0%

49,0%

45,0%

47,5%

49,0%

Rozmywalność M

51,0%

54,0%

50,0%

50,5%

54,0%

49,5%

Rys. 3. Urządzenie do oznaczenia wodoprzepuszczalności wg PN-G-11011 "rurka Kamińskiego.

Przedstawione metody badania wodoprzepuszczalności (PN-93/G-11010, PN-G-11011:1998)

różnią się między sobą przede wszystkim kierunkiem przepływu wody. W proponowanej metodzie
alternatywnej woda przepływa z góry do dołu, co jest zgodne z kierunkiem przepływu wody w
mieszaninie

podsadzkowej

ulokowanej

zrobach.

badaniach

laboratoryjnych

przeprowadzonych na materiale podsadzkowym oznaczenia wodoprzepuszczalności od 1 do 7 było
trzykrotnie powtarzane, a wartości średnie oznaczeń przedstawiono na rysunkach 4 i 5. Wartości
graniczne oraz średnie zestawiono w tabeli 2. Badania zostały przeprowadzone na tym samym
materiale podsadzkowym przy temperaturze wody wynoszącej 6,5

Tabela 2. Analiza oznaczeń wodoprzepuszczalności

Norma

Materiał

Maks.
[cm/s]

Min.
[cm/s]

Średnio
[cm/s]

Odchylenie
Standardowe

PN-93/G-11010

Piasek

0,0259

0,0210

0,0259

0,0034

Mieszanina Piasek90%-Odpad10%

0,0183

0,0157

0,0147

0,0012

PN-G-11011

Piasek

0,0244

0,0207

0,0220

0,0014

Mieszanina Piasek90%-Odpad10%

0,0138

0,0125

0,0110

0,0004

b. Oznaczenie zawartości ziaren o średnicy poniżej 0,1 mm i wyznaczenie krzywych składu
ziarnowego

Do oznaczenia zawartości ziaren o średnicy poniżej 0,1 mm wykorzystano dwie metody –

analizę  sitową  i  metodę  laserową  pomiaru  wielkości  ziarna.  Badania  wykonywane  były  na
odpadzie  poflotacyjnym.  Z  praktyki  kopalnianej  wynika,  że  oznaczenie  składu  ziarnowego,  a  w
szczególności  zawartości  ziaren  -0,1  jest  najważniejszym  parametrem  materiału  podsadzkowego
decydującym o jego pozostałych cechach opisanych powyżej.

Wyniki analizy sitowej składu ziarnowego odpadu poflotacyjnego

Analiza sitowa wysuszonych próbek materiału o masie 2000g została wykonana na wstrząsarce

laboratoryjnej wyposażonej w sita o oczkach kwadratowych o bokach: 0,5 mm, 0,4 mm; 0,2 mm;
0,16 mm; 0,125 mm; 0,1 mm. Porcja materiału każda o masie 1000 g przesiewana była w czasie 20

Rys. 6. Wyniki oznaczenia zawartości ziaren o średnicy poniżej 0,1 mm –
analiza sitowa

Rys. 4. Wodoprzepuszczalność piasku

Rys. 5. Wodoprzepuszczalność mieszaniny piasek 90%
- odpad poflotacyjny 10%

min, po czym ważono masę materiału pozostałą na poszczególnych sitach. Wyniki zawartości
poszczególnych frakcji ziaren zamieszczono na rys. 6. Średnia zawartość frakcji -0,1 mm wynosi
10,1%.

Analiza składu ziarnowego metodą laserową odpadu poflotacyjnego

Analiza składu ziarnowego metodą laserową wykonana została na Laserowym Mierniku

Cząsteczek (Fritch GmbH Laborgerätebau) wyposażonym w laser helowo-neonowy, system
optyczny, przepływową celę pomiarową dla zawiesin oraz jednostki dyspergującą i sterującą.

Zasada pomiaru polega na dyfrakcji strumienia światła laserowego na mierzonych cząstkach.

W analizatorze laserowym strumień światła laserowego prześwietlając celę pomiarową ulega

dyfrakcji na cząstkach proporcjonalnie do ich wielkości. W momencie, gdy światło lasera napotyka
na  populację  ziaren,  rozkład  objętościowy  ich  wielkości  wyrażony  jest  intensywnością  rozkładu
rozproszonego  na  nich  światła.  Rozproszenie  powstaje  na  krawędziach  rozgraniczających  dwa
media o różnych współczynnikach załamania światła, które to krawędzie są nowym źródłem fali.
Dzięki  występującej  przy  tym  interferencji  powstają  dyfraktogramy  –  naprzemianległe  jasne  i
ciemne,  kuliste  pierścienie.  Zgodnie  z  zasadą  dyfrakcji,  małe  cząstki  załamują  światło  wiązki
laserowej pod większymi kątami, a większe cząstki są źródłem mniejszych kątów odchyleń od osi
strumienia  światła,  natomiast  natężenie  strumienia  światła  jest  proporcjonalne  do  zawartości
(ilości)  poszczególnych  cząstek.  Powstały  obraz  dyfrakcyjny  identyfikowany  jest  przez  układ
światłoczułych  detektorów,  a  otrzymywane  sygnały  są  wykorzystywane  do  obliczenia  rozkładu
wielkości ziaren. W tym celu stosuje się transformację Fraunhofera, opisującą zjawisko dyfrakcji
światła  przechodzącego  przez  siatkę  dyfrakcyjną  (badaną  próbkę),  pozwalająca  na  ścisłe
przeliczenie  zależności  między  stałą  siatki  dyfrakcyjnej,  parametrami  geometrycznymi  układu
pomiarowego,  długością  fali  światła  a  efektem  dyfrakcji  rejestrowanym  w  detektorze.  Średnica
cząstki D obliczana jest wg wzoru:

gdzie:
R

– promień pierścieni dyfrakcyjnych,

f – długość ogniskowej obiektywu,
λ - długość fali.

Rys. 7. Wyniki oznaczenia zawartości ziaren o średnicy poniżej 0,1 mm w odpadzie
poflotacyjnym – Laserowy Miernik Cząsteczek

Uśrednione wyniki pomiarów metodą laserową przedstawiono na rys. 7. Średnia zawartość

frakcji ziaren o średnicy -0,1 mm w odpadzie poflotacyjnym wyniosła odpowiednio 8% dla
metody laserowej i 10,1% dla analizy sitowej.

Według badań przeprowadzonych wg PN-93/G-11010 zawartość ziaren -0,1 mm wyniosła

średnio  48,7%,  tabela  3.  Tak  duże  zróżnicowanie  otrzymanych  zawartości  wynika  z
niedoskonałości  metody normowej zalecanej do badania  materiałów podsadzkowych,  w której to
metodzie  następuje  zjawisko  bieżącego  tworzenia  się  frakcji  pylastej  wskutek  przecierania
materiału przez sito.

Tab. 3. Porównanie wyników oznaczenia ziaren poniżej 0,1mm

dla odpadu poflotacyjnego

Zawartość ziaren poniżej 0,1 mm

PN-93/G-11010 (na mokro)

48,67%

Analiza sitowa (na sucho)

10,1%

Laserowy miernik cząsteczek

8,0%

3. PODSUMOWANIE

Wartości wodoprzepuszczalności „k” dla piasku określone wg PN-93/G-11010

mieszczą się w granicach od 9,3% do 32,5%, natomiast zmierzone przy pomocy rurki
Kamińskiego wahają się od 4,9% do 13,9%. W przypadku mieszaniny zawierającej 10%
piasku i 90% odpadu poflotacyjnego odpowiednie wartości wynoszą od 12% do 19,7%
według PN-93/G-11010 oraz od 2,2% do 9,4% przy pomiarze rurką Kamińskiego.

Rozmywalność odpadu poflotacyjnego określona wg PN-93/G – 11010 nie

odzwierciedla  rzeczywistego  procesu,  który  zachodzi  w  rurociągu  w  czasie  transportu
mieszaniny  podsadzkowej.  Frakcje  pylaste  uwidaczniają  się  dopiero  podczas
przemywania  i  przecierania  materiału  po  teście  rozmywalności  poprzez  sito  o  oczkach
kwadratowych o boku 0,1 mm.

Metodyka określenia frakcji ziaren o średnicy poniżej 0,1 mm wg PN-93/G-

11010 określa zawartość ziaren, które powstały w wyniku przesiewania, a nie tych które
są zawarte w materiale pierwotnym. Można stwierdzić, że podczas przemywania
materiału na sicie i jego przemywania powstaje frakcja pylasta.

Przeprowadzone badania i wyniki wykazały wady i niedoskonałości dotychczas

stosowanej metodyki badania materiałów podsadzkowych, szczególnie odpadów
poflotacyjnych. Jako alternatywną metodę sugeruje się zastosowanie rurki Kamińskiego
do badania wodoprzepuszczalności i laserowego urządzenia do pomiaru średnic ziaren w
materiale pierwotnym oraz w materiale po teście rozmywalności.

Praca wykonana w ramach badań statutowych 11.11.100.27

4. LITERATURA

[1] Herezy Ł. 2008: Wpływ eksploatacji górniczej na powierzchnię terenu na przykładzie kopalni

rud cynku i ołowiu "Olkusz-Pomorzany". Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i
Energią PAN, III Krakowska Konferencja Młodych Uczonych, str. 115-127.

[2] Instrukcja obsługi laserowego miernika cząstek „Analisette 22”, materiały firmy „Silesia

Projekt”, Katowice 1994