Brevet FR2589388A1 — publié le 19870507

La présente invention concerne des compositions durcissables, ainsi que des procédés pour leur préparation et leur utilisation. Plus particulièrement, l'invention con- cerne la préparation et l'utilisation de compositions dur- cissables comprenant un composant cimentaire, des déchets résiduels et une cendre, cette composition convenant parti- culièrement bien pour le remblayage de cavités souterraines. On sait remblayer des cavités, dans des mines sou- terraines, en utilisant un mélange durcissable comprenant du ciment, de la bentonite et de l'eau, afin de supporter le toit, de stabiliser les voies ou galeries souterraines, de rendre étanches des zones en vue de prévenir ou de maî- triser l'accès de l'air, etc. Il existe sur le marché un certain nombre de mélanges constituant des spécialités, sou- vent vendues sous marque commerciale, et dont les plus modernes ont des teneurs élevées de l'eau par rapport aux solides et incorporent du ciment à haute teneur en alumine. Les déchets résiduels, dans le contexte de l'exploi- tation des mines de charbon, sont les résidus très fins de la collecte et du traitement du charbon au sol, et ces déchets comprennent des particules de moins de 0,5 mm de diamètre, formées de saletés et d'une certaine proportion de charbon, ainsi que d'eau, la teneur en eau étant variable et se situant entre plus de 45 % et plus de 70 % en poids. Les techniques modernes d'exploitation des mines, qui impli- quent la mécanisation de l'extraction et du transport du charbon, produisent même de plus grandes quantités de fines, mais des considérations écologiques et de sécurité militent actuellement contre la méthode la plus économique pour se débarrasser des fines, par dépôt en bassin de remblaiement. On sait sécher des déchets résiduaires par divers procédés, et aussi stabiliser, au moins dans une certaine mesure, les déchets résiduaires en leur incorporant du ciment,-et utili- ser la matière stabilisée à titre de matière de faible qua- lité en génie civil, ou bien la matière stabilisée est tout simplement déversée pour former des terrils. La Demanderesse vient de trouver que l'on peut uti- liser des déchets résiduels dans des compositions durcis- sables, avec des matières cimentaires pour remblayer des cavités souterraines, par exemple dans des mines. On doit comprendre que d'autres matières constituant des déchets, comme des déchets grossiers de houillères (ayant généralement plus de 0,5 mm), qui sont normalement déversés en surface pour y former des terrils, peuvent être broyées jusqu'à former des particules de moins de 10 mm et être mélangées aux déchets résiduels de fines. L'invention propose donc un procédé pour former une matière durcie de support et/ou d'étanchement,comprenant la formation d'une première compo- sition par mélange de déchets résiduels,ayant une teneur en eau de 45 à 85 % en poids, avec une fine cendre pouzzo- lanique, la surveillance de la teneur en humidité de la première composition et l'addition d'eau quand cela est nécessaire pour produire une suspension pompable, le pompage _de ladite suspension pompable jusqu'à un point d'utilisation, le mélangeage à ladite suspension, au point d'utilisation, d'une seconde composition comprenant un composant de type ciment pour former une composition cimentaire durcissable, et le fait de laisser la composition durcissable faire prise et durcir en un endroit choisi pour donner une matière de support et/ou d'étanchement. Les première et/ou seconde composition(s) peut ou peuvent comprendre de façon souhaitable un agent de mise et maintien en suspension, catégorie dans laquelle on préfère la bentonite (largement disponible sous forme de bentonite sodique),en raison de sa disponibilité et de son prix. Les fins déchets résiduels contiennent habituellement de l'argile ou des matières analogues qui ont une action de mise et maintien en suspension dans des suspensions, mais la compo- sition des matières minérales présentes dans les fins déchets résiduels varie d'une houillère à l'autre, en fait même d'une veine à l'autre, et l'on préfère effectuer des essais de routine sur chaque source de fins déchets résiduels pour établir quelle sera une quantité optimale de bentonite. On peut s'attendre à ce que cette quantité optimale se situe entre 0,1 et 5 % du poids de la masse totale de la composi- tion durcissable. Les cendres que l'on ajoute comprennent, de façon souhaitable, de la cendre de combustible pulvérisée,qui est de préférence sous forme de très fines cendres volantes que l'on récupère des gaz de combustion des bouilleurs et chau- dières chauffés au charbon. Les cendres volantes constituent un produit résiduel qui soulève ses propres problèmes quand on souhaite se débarrasser de ces déchets. D'autres cendres ayant des propriétés pouzzolaniques ou n'exerçant au moins aucun effet désavantageux sur la suspension ou sur la compo- sition durcissable peuvent être présentes, et l'on peut éga- lement mentionner des cendres provenant d'incinérateurs de déchets et/ou des cendres provenant des chaufferies d'ins- tallations de chauffage urbain ou de district. Les cendres doivent présenter un diamètre particulaire permettant un pompage facile et conférant des propriétés convenables à la composition durcissable; les cendres volantes ont un diamètre particulaire tel que 80 % environ de leur poids ont moins de 75 micromitres de diamètre. En général, on peut améliorer, dans le cas des matières pouzzolaniques, les temps de prise en liaison avec les composants du type ciment en augmentant la proportion de la matière fine par rapport à la matière grossière, par broyage. N'importe quelle étape de broyage, cependant, augmente les frais de fonctionnement du procédé et d'utilisation des matières. Les cendres cons- tituent un composant efficace, non seulement en raison de ses propriétés pouzzolaniques mais aussi lorsqu'on souhaite maîtriser la teneur en eau des fins déchets résiduels. Comme indiqué ci-dessus, la teneur en humidité des fins déchets résiduels, même en cas d'épaississement à l'aide d'un épais- sissant classique, peut très fortement varier au cours d'une période. Il est excessivement compliqué de modifier le débit d'alimentation en les autres composants en fonction de la teneur en solides des fins déchets résiduels et, donc, il est souhaitable d'augmenter la teneur en des solides par l'addition des cendres à un débit donné d'alimentation et, selon la présente invention, de surveiller la teneur en humi- dité afin d'obtenir une suspension pompable convenable dont la teneur en des solides est sensiblement constante. On peut mélanger de n'importe quelle manière appropriée la suspension pompable avec les composants du type ciment. Par exemple, on peut préparer une suspension cimentaire,séparée,des composants de type ciment près du point d'utilisation, et l'on peut mélanger les deux suspen- sions de façon connue, par exemple en utilisant un mélangeur à tube en Y ou un mélangeage par choc des composants proje- tés mutuellement l'un vers l'autre. Un autre procédé implique le convoyage pneumatique des composants secs du type ciment vers le point d'utilisation o la suspension pompable et les composants secs du type ciment peuvent être mélangés immédiatement avant d'emplir le trou à remblayer, par exemple en utilisant un pistolet de projection d'une composition appelée "gunite". On peut préparer la composition durcissa- ble mélangée en opérant à l'endroit voulu,ou bien on peut la préparer au voisinage de l'endroit voulu et l'acheminer par pompage vers cet endroit. On envisage que l'utilisation majeure du procédé se situe dans la formation de remblais pompés pour garnir les côtés des voies, dans les mines sou- terraines, mais le procédé peut également servir dans n'importe quelle situation exigeant un remblayage ou pour réaliser des obturations étanches dans des travaux souter- rains. Un endroit voulu peut être défini par un sac ou autre récipient à emplir à la pompe pour servir de remblayage, ou il peut être défini par un coffrage perdu ou amovible, en utilisant peut-être une face d'une masse antérieure durcie de matière durcissable et/ou un tronçon de plancher et/ou un tronçon de toit d'une excavation de mine comme cons- tituant une partie des surfaces délimitant l'emplacement à traiter. Le composant du type ciment n'est pas décisif pour la présente invention, à la condition que la masse durcis- sable possède des propriétés adéquates pour le rôle à jouer, principalement dans le développement de la résistance à la compression et du module d'Young. Le ciment peut ainsi être, par exemple, un ciment à haute teneur en alumine, un mélange de ciment à haute teneur en alumine et de ciment Portland ordinaire, du ciment Portland ordinaire, du ciment Portland à durcissement rapide ou un ciment spécial. Dans chaque cas, des additifs au ciment disponible dans le commerce peuvent s'avérer souhaitables, ce qui comprend de la chaux, des formes de sulfate de calcium, des retardateurs de la prise et des accélérateurs du durcissement. Un composant préféré de type ciment est constitué par du ciment Portland ordi- naire comportant un accélérateur comprenant du carbonate de sodium, du carbonate de potassium et de la triéthanol- amine, qui s'est avéré présenter un bon comportement à un prix bien inférieur à celui des ciments à base de ciment à haute teneur en alumine. Il peut s'avérer souhaitable dans certains cas que la suspension pompable contienne un accé- lérateur du ciment ou contienne un composant qui, avec le composant générateur de ciment dans la seconde composition, ou constituant la seconde composition,forme un ciment conve- nable, mais ne provoque pas la prise ou le dépôt de préci- pitation de la suspension pompable. On comprendra que la présente invention propose un procédé de remblayage à la pompe,qui non seulement a un faible coût en des matières sur la base d'un volume unitaire de remblayage, mais diminue également pour une houillère les frais d'élimination des fins déchets résiduels. L'inven- tion peut donc s'appliquer en général dans des mines sou- terraines pour maîtriser des couches, éviter des affaisse- ments et réaliser des obturations étanches pour lutter con- tre une combustion spontanée (échauffements et incendies). Lorsqu'on souhaite éviter des affaissements, quand la matière exige une charge relativement faible pour faire prise, on peut injecter cette matière dans les déchets résiduels et laisser la composition se solidifier. La présente invention sera maintenant décrite plus en détail en se référant à la figure unique d'accompagnement qui est un dessin schématique (absolument pas exécuté à l'échelle). Le puits et une voie principale de transport ou de desserte (représentés en coupe) d'une mine souterraine sont représentés en 1 et 2, respectivement. Une face d'exploitation du charbon par grand front de taille aligné (représentée en plan), 3, est éloignée du fond du puits, et comporte une voie ou porte principale 4 et une voie ou porte de sortie 5. Pour la simplicité de la représentation, on ne montre pas la machine haveuse et les supports destinés à étayer le toit et qui se trouvent sur la face ou front de taille. Des murs latéraux 6 en pierre sont disposés sur les côtés de la voie ou porte principale et de la voie ou porte de sortie, et l'on voit sur la figure unique des sacs 7 non garnis, à remplir à la pompe. Un point de mélangeage des fins déchets résiduels et des cendres de combustible pulvérisé (CCP) est indiqué en 8 et un appareil 9 de surveillance de la teneur en humi- dité a pour rôle de surveiller l'humidité et de régler l'addition d'eau si une variation de la teneur en eau des fins déchets résiduels (de charbon) fait que le mélange s'écarte d'une spécification déterminée au préalable. Le mélange est pompé par un conduit 10 vers deux stations 11 de pompage, que l'on déplace avec le front de taille. Un mélange sec ciment/bentonite est pneumatiquement transporté par un conduit 12 vers les stations de pompage. Chaque sta- tion de pompage comporte une unité 13 de mélangeage et une unité 14 de pompage, et le mélange résultant est pompé sur une courte distance en empruntant un tuyau souple 15 pour parvenir dans les sacs 7 à remplir par la pompe. En variante, l'unité de mélangeage et l'unité de pompage (13,14) peuvent être remplacées, sur les stations mobiles de pompage, par un agencement avec compresseur ali- mentant en un mélange sec ciment/bentonite sous pression un pistolet de projetion de gunitequi est également alimenté en le mélange pompable fins déchets résiduels/cendres de combustible pulvérisé (CCP). La zone des déchets entre les voies de transport, 16, qu'on laisse s'ébouler dans une exploitation classique par grand front de taille aligné, peut être remblayée selon la présente invention à l'aide d'une composition durcissable semblable ou identique à celle utilisée pour former des murs latéraux de garnissage de voie. Pour éviter un affaissement dans la zone des déchets, on peut économiquement s'adapter à la moindre charge de prise en diminuant la proportion de ciment dans la composition durcissable. L'invention peut également être appliquée aux mêmes fins à une exploitation par rabattage. En outre, l'invention peut servir à assurer le soutènement de voies de transport dans le cas de l'exploitation par rabattage, cette technique étant utilisée avec des matières actuelles pour remblayage à la pompe à la houillère d'Abernant Colliery, Galles du Sud (Grande-Bretagne). Exemples On a préparé au laboratoire des mélanges durcissa- bles selon l'invention et l'on a soumis des échantillons et éprouvettes de ces mélanges à des essais destinés à éta- blir la résistance moyenne à une compression uniaxe après 24 heures et 48 heures de temps de durcissement. Le tableau suivant indique les composants, en poids, des mélanges A à F énumérés ci-après,ainsi que les résultats obtenus lors des essais de détermination de la résistance à la compres- sion. Les fins déchets résiduels étaient des échantillons provenant de la houillère Hucknall Colliery, Angleterre, et, dans chaque cas, ces déchets présentaient une teneur en humidité de 70 %. On peut voir que la proportion de ciment nécessaire doit être égale ou supérieure à 17,5 % pour que l'on obtienne une résistance moyenne à la compression supé- rieure à 0,4 MN/m2 au bout de 48 heures et pour que les compositions présentent un développement satisfaisant de leur résistance mécanique. D'autres essais, effectués avec de fins déchets résiduels ayant une teneur en humidité de 58 %, ont donné des résultats satisfaisants quand la teneur en ciment a été égale ou supérieure à 10 %. Des comparaisons entre le prix de revient et la qualité du comportement, effectuées avec les deux principales méthodes de remblayage à la pompe utilisées au Royaume-Uni, indiquent que, même sans tenir compte des frais pour se débarrasser des fins déchets résiduels, l'invention propose le moyen de remblayage présentant le meilleur rapport résultat/ prix de revient. TABLEAU * TEA = triéthanolamine ** CCP = cendres de combustible pulvérisé un c.i Lq O9 Co Mélange Résidus CCP** Ciment Bentonite Accélérateur Résistance moyenne à la solides eau Portland sodique Carbonate Carbonate TEA* compression uniaxe (MN/m2) de sodium de potas- 24 h 48 h sium A 18,88 40,0 26,98 7,5 2 0,375 0,07 0,11 0,05 0,16 B 18,30 42,75 26,17 10 2 0,5 0,1 0,15 0,038 0,'07 C 17,76 41,43 25,36 12,5 2 0,62 0,12 0,18 0,07 0,13 D 17,2 40,12 24,56 15 2 0,75 0,15 0,22 0,15 0,15 E 16,63 38,80 23,75 17,5 2 0,87 0,17 0,26 0,29 0,87 F 16,06 37,48 22,95 20 2 1,0 0,2 0,3 0,46 1,95 REVENDICATIONS 1.Procédé pour former une matière durcie à rôle de support d'étayage ou d'obturation d'étanchement, ou des- tinée à jouer les deux rôles, selon lequel on mélange en un point d'utilisation une composition contenant un composant générateur de ciment avec une suspension de façon à former une composition cimentaire durcissable et on laisse la com- position durcissable faire prise et durcir en un endroit voulu pour donner une matière à rôle de support d'étayage ou d'obturation étanche ou destinée à jouer les deux rôles, procédé caractérisé en ce qu'on forme la suspension en mélangeant de fins déchets résiduels de l'exploitation du charbon, ayant une teneur en eau de 45 à 85 % en poids, avec une fine cendre pouzzolanique, en surveillant la teneur en eau du mélange résultant des fins déchets de charbon et de cendres et en ajoutant de l'eau selon les nécessités pour former une suspension pompable ou ayant une teneur voulue en des matières solides, et en ce qu'on pompe la suspension vers son point d'utilisation. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on inclut dans la suspension, ou dans la suspension pompable, un agent de mise et maintien en suspension. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caracté- risé en ce que la fine cendre pouzzolanique est ou comprend de la cendre de combustible pulvérisé. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la cendre de combustible pulvérisé est une cendre volante dont au moins 80 % en poids des particules ont un diamètre inférieur à 75 micromètres. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 4, caractérisé en ce que le composant générateur de ciment est ou comprend du ciment Portland ordinaire, et en ce qu'on incorpore à la suspension pompable un accéléra- teur, qui comporte du carbonate de sodium, du carbonate de potassium et de la triéthanolamine.