1

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

2

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

3

,

A – pole powierzchni przekroju wewnętrznego cylindra, cm

2

,

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

o

C,

t – temperatura wody podczas badania,

o

C.

t)

+

7

(0

i

T

A

Q

=

k

,

[1]

3

Należy przyjąć:

C

t



1

,

10

1

03

,

0

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

o

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

3

,

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

o

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[%]

m

m

-

m

=

Z

0,1

0,1

2

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

4

m

0

,

1

– 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

o

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

3

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

1

2

1

15

m

m

m

M

,

3

%

100

1

'

2

'

1

'

30

m

m

m

M

,

4

gdzie:
m

1

– masa badanego materiału przed 15 min wstrząsaniem, g,

m

2

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

m

’

1

– masa badanego materiału przed 30 min wstrząsaniem, g,

m

’

2

– 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

5

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

15

i M

30

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:

s

m

h

s

t

l

k

,

1

ln

0

,

5

gdzie:

l – wysokość wypełnienia materiałem rurki, m,

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

S– wartość obniżenia zwierciadła wody, m.

h

o

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

PARAMETR

Wartość wskaźnika w kolejnych testach

1

2

3

4

5

6

Zawartość ziaren d|<0,1mm

52,3%

51,5%

51,5%

47,5%

51,0%

50,4%

Rozmywalność M

15

50,0%

49,0%

45,0%

47,5%

49,0%

49,0%

Rozmywalność M

30

51,0%

54,0%

50,0%

50,5%

54,0%

49,5%

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

6

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

w

zrobach.

W

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

o

C.

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%

7

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:

0

84

,

1

R

f

D

6

gdzie:
R

o

– 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

8

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

1.

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.

2.

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.

3.

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.

4.

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

9

[3] Mazurkiewicz M. 1999: Metody lokowania odpadów w wyrobiskach podziemnych. Instytut

Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN, Szkoła Gospodarki Odpadami, str. 245-
250.

[4] Ochab B., i inni. 2001: Eksploatacja złóż rud Zn-Pb "Olkusz" w warunkach zalegania w filarze

ochronnym toru PKP i rzeki Baby. Konferencja Naukowo-Techniczna, VI Dni Miernictwa
Górniczego i Ochrony Terenów Górniczych, str. 327-334.

[5] Piotrowski Z., Łukowicz K. 2007: Stosowanie popiołów lotnych dla celów profilaktyki

pożarowej i metanowej na przykładzie KWK "Brzeszcze". Górnictwo i Geoinżynieria, str. 53-
71.

[6] Plewa F., Mysałek Z., Strozik G. 2008: Ocena parametrów doszczelniania zrobów zawałowych

odpadami drobnoziarnistymi w kopalniach węgla kamiennego. V Warsztaty - Popioły i Spoiwa
Mineralne w Technologiach Górniczych, str. 5-11.