25/09/2013

1- GIỚI THIỆU CHUNG
           Khai thác khoáng sản tại những độ sâu lớn luôn là thách thức trong ngành công nghiệp mỏ, đòi hỏi phải áp dụng các biện pháp thích hợp nhằm thỏa mãn các yêu cầu về môi trường trong xử lý đất đá thải khi khai thác cũng như sau khi đóng cửa mỏ. Chèn lò là biện pháp sử dụng vật liệu chèn lấp các chỗ trống được tạo ra trong quá trình khai thác hầm lò với ba mục tiêu chính là: (1) Nâng cao khả năng khai thác khoáng sản; (2) Nâng cao độ ổn định của mỏ và (3) Xử lý vật liệu thải. Nhìn chung, vật liệu chèn lò thường bao gồm quặng thải, chất dính kết và nước. Gelfill (GF) là một loại vật liệu chèn lò hiện đang được sử dụng rộng rãi mà trong chất kết dính có chứa chất kích hoạt kiềm như natri silicat. Từ lâu, natri silicat đã được sử dụng trong chế tạo bê tông nhưng việc sử dụng nó trong chất phụ gia của vật liệu chèn lò là điều tương đối mới. Những nghiên cứu mới đây tại trường Đại học McGill (Canada), thời gian pha trộn kéo dài có thể gây ra những tác động xấu đối với độ bền cơ học của GF. Ngoài ra, sử dụng chất phụ gia với tỷ trọng lớn cũng có khả năng gây suy giảm độ bền nén đơn trục của vật liệu chèn. Hơn nữa, phân tích kết cấu vi mô của GF cho thấy, việc sử dụng natri silicat có thể đẩy nhanh quá trình thủy hóa. Trong thời gian qua, người ta đã tiến hành một số nghiên cứu nhằm khẳng định những ưu điểm vượt trội của GF so với loại vật liệu chèn sử dụng xi măng thông thường CHF (cemented hydraulic fill). Mục tiêu của bài báo này là xác định các đặc tính lý học của GF trong phòng thí nghiệm khi sử dụng trong những điều kiện khác nhau như nhiệt độ lưu hóa, chất kết dính và nồng độ natri silicat.
2. VẬT LIỆU
2.1. Quặng thải
           Quặng thải là vật liệu thải từ các những máy chế biến quặng. Những đặc tính lý hóa của quặng thải có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất cơ học của vật liệu chèn lò. Trong nghiên cứu này, quặng thải được thu gom từ các mỏ thuộc khu vực Sudbury Ontario. Sự phân bố theo cỡ hạt được xác định nhờ việc sử dụng kết hợp phân tích qua sàng và các phương pháp nhiễu xạ laze (ASTM C136 – 96; 1996).
2.2. Chất kết dính
           Sử dụng chất kết dính nhằm tăng cường độ ổn định của vật liệu chèn. Tuy nhiên, chi phí cho chất kết dính lại rất cao, chiếm tới 75% tổng chi phí cho vật liệu chèn. Thông thường, người ta sử dụng xi măng Portland, tro bay và xỉ lò cao BFS (blast furnace slag). Trong nghiên cứu này, đã sử dụng 90% BFS và 10% xi măng Portland do Công ty Lafarge Canada cung cấp. Tỷ trọng lần lượt của xỉ và xi măng được sử dụng là 2,89 g/cm3 và 3,07 g/cm3. Diện tích bề mặt riêng (theo phương pháp Blaine) của xỉ và xi măng lần lượt là 5998 cm2/g và 3710 cm2/g. 
2.3. Natri silicat
          Trong kỹ thuật công trình và khai thác mỏ, natri silicat đã được sử dụng rộng rãi với những mục đích khác nhau như là chất kích hoạt kiềm cho xỉ và tro bay, vật liệu chống thấm, chất xúc tác thủy hóa. Nhiều loại natri silicat khác nhau được chế tạo theo tỷ lệ Na2CO3 và SiO2 khác nhau bằng cách nóng chảy oxit silic và natri cacbonat ở nhiệt độ 11000C – 12000C. Trong nghiên cứu này, người ta sử dụng loại natri silicat Nâ do Công ty PQ National Silicate cung cấp. 
2.4. Chuẩn bị mẫu và lưu hóa
           Nhằm đánh giá hiệu quả của liều lượng chất dính kết và nồng độ natri silicat, người ta chuẩn bị 171 mẫu CHF và GF. Các mẫu CHF và GF được pha trộn với nước đã khử ion. Chất kết dính cho các mẫu CHF gồm xỉ lò cao BFS và xi măng Portland theo tỷ lệ 90/10. Chất kết dính cho các mẫu GF gồm BFS, xi măng Portland và natri silicat. Tỷ trọng bùn được giữ ổn định ở mức 70%. Các mẫu CHF và GF được pha trộn theo từng mẻ nhỏ, đựng trong bát bằng thép không gỉ có dung tích 5 lít. Mẫu được pha trộn trong 5 phút. Sau đó, sử dụng các khuôn hình trụ làm bằng polyvinyl, đường kính 5cm, cao 10cm để đúc mẫu. Các mẫu này được hóa cứng trong buồng bảo dưỡng có độ ẩm tương đối được giữ ở mức 90±2% và nhiệt độ được điều chỉnh ở mức 25±10C. Sau đó các mẫu được thử nghiệm trong 7, 14 và 28 ngày.
3. TIẾN HÀNH THỬ NGHIỆM
3.1. Thử nghiệm độ bền nén đơn trục UCS (uniaxial compressive strength)
            Thông qua việc thử nghiệm USC (ASTM D 2166-91), người ta có thể đo được độ bền cơ học của các mẫu đã hóa cứng. Thử nghiệm được tiến hành với thiết bị nén “Wykeham Farrance 100KN”  được trang bị với một cảm biến tải trọng 50KN. Người ta sử dụng một cảm biến biến áp vi sai biến đổi tuyến tính (LVDT – Linear Variable Diferential Transformer) để nhận biết biến dạng thẳng đứng của mẫu. Mẫu chỉ được lấy ra khỏi buồng bảo dưỡng trước khi tiến hành thử nghiệm UCS. Ba mẫu được tiến hành thử nghiệm và giá trị trung bình của chúng được xem là giá trị cuối của các thử nghiệm UCS.
3.2. Phương pháp đo độ xốp bằng xâm nhập thủy ngân (MIP – Mercury Intrusion Porosimetry)
           Việc đánh giá kết cấu vi mô của vật liệu chèn lò chứa xi măng có vai trò quan trọng nhằm hiểu biết các đặc tính cơ học  và độ bền của chúng. MIP là một phương pháp được sử dụng rộng rãi để khảo sát kết cấu vi mô của các vật liệu chèn lò hoặc bê tông. Phương pháp này có thể xác định chính xác sự phân bố kích thước lỗ hổng và số liệu cấu trúc lỗ hổng. Tổng cộng 12 mẫu lưu hóa trong 28 ngày là đối tượng của thử nghiệm MIP.
4. KẾT QUẢ 
4.1. Ảnh hưởng của nồng độ natri silicat tới độ bền của GF
           Các kết quả thu được từ những thử nghiệm UCS đối với các mẫu CHF và GF được lưu hóa trong 7, 14 và 28 ngày cho thấy, các giá trị UCS tăng dần theo thời gian xử lý (do quá trình thủy hóa của xi măng Portland và xỉ lò cao BFS). Các kết quả cho thấy, các giá trị UCS tăng khi nồng độ chất phụ gia natri silicat tăng dần đến 0,3% trong tổng trọng lượng (wt%). Tuy nhiên, khi vượt quá mức 0,3wt% này, giá trị UCS lại giảm. Hơn nữa, giá trị UCS giảm đáng kể khi nồng độ natri silicat vượt quá mức 05wt% và các mẫu có nồng độ natri silicat từ 0,7wt% đến 0,9wt% không đạt độ bền trong 14 ngày lưu hóa đầu tiên. Điều này là do sự gia tăng độ rỗng và lượng hơi ẩm có trong mẫu.
4.2. Ảnh hưởng của nồng độ chất kết dính tới độ bền cơ học của CHF và GF
            Nhằm đánh giá ảnh hưởng của nồng độ chất kết dính tới độ bền cơ học của CHF và GF, người ta đã chuẩn bị 162 mẫu theo sáu (06) kiểu pha trộn khác nhau (bảng 3). Liều lượng chất dính kết được thay đổi từ 5wt% đến 9wt% (mức gia tăng 2wt%) và nồng độ natri silicat được giữ nguyên ở mức 0,3wt%. Các kết quả thu được trong quá trình thử nghiệm các mẫu trong các khoảng thời gian 7, 14 và 28 ngày cho thấy, các giá trị UCS của CHF và GF tăng khi gia tăng liều lượng chất kết dính do liên kết canxi – silicat – hyđrat (C – S – H) tăng. Các kết quả cũng cho thấy, với cùng một nồng độ chất dính kết, giá trị UCS của các mẫu GF cao hơn các mẫu CHF. Như vậy, có thể kết luận rằng, việc gia tăng thích hợp một lượng phụ gia natri silicat trong CHF có thể làm tăng độ bền cơ học của vật liệu chèn lò. Hơn nữa, độ bền của vật liệu chèn có thể nhanh chóng đạt mức UCS yêu cầu 1MPa, vẫn được xem là yêu cầu độ bền tối thiểu đối với loại vật liệu chèn có chất liệu xi măng sử dụng trong khai thác hầm lò (Brakebusch, 1994). Điều này cho thấy, nhờ phụ gia natri silicat, các loại vật liệu chèn lò có khả năng nâng cao chu trình khai thác mỏ, cải thiện và nâng cao hoạt động sản xuất khoáng sản.
4.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ lưu hóa đến độ bền của CHF và GF
           Nhiệt độ trong thời gian lưu hóa vẫn được xem là nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến các tính chất cơ học của vật liệu chứa xi măng như bê tông và vật liệu chèn lò. Nhằm đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ bền cơ học của CHF và GF, người ta đã tiến hành lưu hóa 90 mẫu tại 5 mức nhiệt độ là 50C, 150C, 250C, 350C và 500C. Nồng độ chất dính kết và tỷ trọng bùn được giữ ở mức là 5wt% và 70%. Đối với mẫu GF, người ta còn bổ sung 0,3wt% phụ gia natri silicat.
            Các kết quả thử nghiệm UCS trên các mẫu CHF và GF cho thấy, trong khoảng thời gian 14 ngày, khi nhiệt độ tăng, giá trị UCS cũng  tăng theo. Tuy nhiên, các giá trị này không đổi khi nhiệt độ tăng từ 350C lên 500C. Điều này có thể là do sự hình thành một liên kết rắn C – S – H và các lớp gen (keo) với thành phần là portlandite và ettrengite quanh các hạt chất dính kết. Lớp kéo này ngăn cản không cho hơi ẩm dễ dàng thâm nhập vào bên trong các hạt chất dính kết. Vì vậy mà tốc độ thủy hóa của chất dính kết giảm xuống và cuối cùng thì dừng lại. Ngoài ra, cũng có thể do những vết nứt do ứng suất nhiệt gây lên. Tại mức nhiệt độ 50C, giá trị UCS của mẫu rất thấp do tốc độ thủy hóa xi măng và xỉ tại nhiệt độ này thấp.
            Các kết quả cũng chỉ ra rằng, sau 14 ngày lưu hóa ở nhiệt độ 250C, độ bền của CHF và GF tăng nhanh hơn nhiều so với ở nhiệt độ 350C và 500C. Vì vậy. sau 28 ngày lưu hóa ở nhiệt độ 250C, độ bền của các mẫu cao hơn từ 35-90% so với các mẫu khác. Nguyên nhân khiến cho giá trị UCS các mẫu không tăng sau 14 ngày lưu hóa ở nhiệt độ 500C là do hơi ẩm được giải phóng làm chậm quá trình thủy hóa xỉ và xi măng trong CHF và GF.
4.4. Kết quả đo độ xốp bằng xâm nhập thủy ngân (MIP – Mercury Intrusion Porosimetry)
          Nhằm đánh giá kết cấu vi mô và giải thích các kết quả thử nghiệm UCS, các thử nghiệm MIP được tiến hành với các mẫu CHF và GF đã được lưu hóa sau 28 ngày. Kết quả cho thấy, tổng độ xốp của các mẫu CHF đạt 38,93%, cao hơn so với mẫu GF (34,11%). Ngoài ra, cả hai mẫu đều có tập hợp kích thước lỗ hổng trội hơn so với phân bố kích thước lỗ hổng. Kích thước của các lỗ hổng ghi được trong các mẫu GF (20 đến 0,1mm) nhỏ hơn so với lố hổng của các mẫu CHF (100 đến 1mm). Hai khác biệt này đã cho thấy giá trị UCS và đặc tính cơ học của GF cao hơn so với CHF. 
4.5. Ảnh hưởng của nồng độ natri silicat đến sự thoát nước của GF và CHF
          Một trong những nhược điểm của phương pháp chèn lò thủy lực là việc đưa thêm vào mỏ một lượng nước có thể gây ra nhiều vấn đề trong khai thác. Việc bơm lượng nước này ra khỏi mỏ cần thêm thời gian và chi phí.
         Để nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ natri silicat đến quá trình thoát nước của GF, người ta chuẩn bị 5 mẫu với những thiết kế pha trộn khác nhau. Thiết kế pha trộn này tương ứng với thiết kế pha trộn đã sử dụng trong nghiên cứu độ bền cơ học của GF và CHF (bảng 3). Nước thoát ra dưới đáy mẫu được thu gom và đo đạc trong khoảng thời gian thoát nước 22 giờ. Có thể thấy rằng, lượng nước thu gom và tốc độ thoát nước giảm khi gia tăng nồng độ natri silicat. Để so sánh, lượng nước tối đa thu gom được sau quá trình thoát nước là 539,80cm3 đối với mẫu CHF và 481,85cm3 đối với mẫu GF có pha trộn 0,3wt% natri silicat.
4.6. Ảnh hưởng của tỷ trọng bùn đến sự thoát nước của GF và CHF
              Để đánh giá ảnh hượng của tỷ trọng bùn đến sự thoát nước của GF và CHF, các mẫu được được chuẩn bị theo thiết kế pha trộn. Trong loạt mẫu này, liều lượng chất kết dính được giữ ở mức không đổi 5wt%, trong khi tỷ trọng bùn thay đổi theo các mức 70, 74 và 78%. Chất dính kết dùng cho các mẫu CHF được pha trộn xỉ lò cao BFS và xi măng Portland theo tỷ lệ 90/10, với mẫu GF, có bổ sung 0,3wt% phụ gia natri silicat. Nước thoát ra từ dưới đáy các mẫu được thu gom và đo đạc cho tới khi kết thúc quá trình thoát nước. Kết quả cho thấy, lượng nước thoát giảm nếu tăng tỷ trọng bùn do giảm được nước trong vật liệu chèn. Có thể thấy rằng, lượng nước thoát từ các mẫu GF thấp hơn 10-15% so với mẫu CHF, không tính đến tỷ trọng bùn. Có thể kết luận rằng, sử dụng phụ gia natri silicat có ưu điểm là giảm được lượng nước thoát, từ đó, giảm được chi phí bơm nước ra khỏi mỏ.
5. KẾT LUẬN
             Các kết quả thử nghiệm trong phòng thí nghiệm tại trường Đại học McGill (Canada) cho thấy, khi thêm vào một lượng phụ gia natri silicat, tính chất cơ học của các vật liệu chèn lò được cải tiến, tăng cường độ ổn định và an toàn mỏ hầm lò. Ngoài ra, việc sử dụng GF còn giúp hạn chế thời gian ngừng sản xuất trong chu trình khai thác, nâng cao hiệu quả sản xuất. Các thử nghiệm cũng cho thấy các ảnh hưởng của nhiệt độ, thời gian hóa cứng cũng như nồng độ chất phụ gia, chất dính kết đến độ bền của vật liệu chèn lò./.      

     Quốc Trung (biên dịch)