Оценка физико-механических свойств материалов из отходов производства для укрепления пород в отвалах известняковых карьеров

УДК 622.02

ОЦЕНКА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ ИЗ ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА ДЛЯ УКРЕПЛЕНИЯ ПОРОД В ОТВАЛАХ ИЗВЕСТНЯКОВЫХ КАРЬЕРОВ

Н.М. Качурин, М.В. Хмелевский, Д. А. Волоков

При оценке прочности шлакощелочного вяжущего на основе отходов дробления выявлены рациональные пропорции компонентов. Установлено, что образцы обладают плотной и однородной структурой после твердения. Средняя прочность на сжатие достигает 41,2 МПа. Приведены результаты испытания образцов из сухой строительной смеси, включающей шлакощелочное вяжущее с кварцевым песком. Определены пределы прочности образцов на сжатие и изгиб. Приведены диаграммы изменения прочности в зависимости от состава смеси и изменения водовяжущего отношения.

Ключевые слова: породы, отвал, карьер, известняк, вяжущее, прочность, сжатие, изгиб, сухая смесь.

Горные работы по формированию отвалов являются на карьерах неотъемлемой частью технологии открытых горных работ. Интенсификация и концентрация горных работ на карьерах, увеличение мощности, металлоемкости и энергоемкости горного и транспортного оборудования предъявляют все более высокие требования к обеспечению безопасности работы, к созданию условий для безопасного и ритмичного проведения всех производственных процессов на карьерах, в том числе и отвалообра-зования - завершающего звена технологического цикла открытой разработки. Установление рациональных по технологическим и инженерно-геологическим условиям параметров карьерных отвалов является сложной задачей, для решения которой необходимо выполнение комплексных исследований. Большое значение для устойчивости слабосвязных породных масс отвалов и оснований имеет процесс их уплотнения, который тесно связан с параметрами и порядком производства отвальных работ, а также со схемами отвалообразования. В связи с этим рассмотрение данных вопросов и выработка технических решений являются весьма актуальной проблемой.

В качестве базового объекта исследований рассмотрены породы отвалов карьера ОАО «Гуров-Бетон». Геомеханическое состояние отвалов известнякового карьера ОАО «Гурово-Бетон» компании «HEIDELBERG-CEMENT» показано на рис. 1. Внутренние отвалы Гуровского карьера содержат большое количество глинистых пород, поэтому обладают ярко выраженными пластическими и тиксотропными свойствами. Воздействие поверхностных вод приводит к перемещению горной массы отвала под действием сил тяжести и фильтрационного давления воды в пористой структуре отвала. Таким образом, результаты исследований физико-

механических свойств внутренних отвалов являются основой для разработки эффективных практических рекомендаций по повышению устойчивости этих отвалов. В данном случае в основе технологических рекомендаций находится необходимость тампонажных работ.

Тампонажные работы целесообразно осуществлять с использованием отходов производства на основе шлакощелочного вяжущего. В качестве инертной составляющей целесообразно использовать известняковые высевки.

Технологически целесообразно использовать сухую смесь шлако-щелочного вяжущего на основе отходов дробления известняка для выполнения всего комплекса тампонажных работ. Разработан состав сухой строительной смеси на основе композиционного шлакощелочного вяжущего и проведены испытания образцов, изготовленных из сухой строительной смеси.

Негативное воздействие поверхностных вод

Рис. 1. Геомеханическое состояние отвалов известнякового карьера ОАО «Гурово-Бетон» компании «ИЕЮЕЬЕЕЯОСЕМЕ.Ш»

Алюмосиликатная составляющая шлакощелочного вяжущего была представлена гранулированным доменным шлаком компании «Тулачер-мет». В качестве активатора твердения использован плав кальцинирован-

ной щелочной соды (табл. 1-3). В зависимости от состава шлакощелочного вяжущего на основе отходов дробление известняка были получены образцы как с плотной и однородной структурой, так и с неоднородной и пористой структурой (рис. 2).

А затем были проведены испытания на прочность. Результаты испытаний на прочность показали, что шлакощелочное вяжущее на основе отходов дробления известняка может эффективно использоваться для там-понажных работ (табл. 4).

Таблица 1

Химический состав гранулированного доменного шлака «Тулачермет»

Формула соединения СаО MgO БЮ2 ЛЬОз Т1О2 МпО

Содержание, % 43,30 6,17 41,60 6,32 0,24 0,049

Таблица 2

Гранулометрический состав гранулированного доменного шлака

Частный остаток на контрольных ситах, %

Насыпная

Влажность, % плотность в естественном состоянии, кг/м3 более 10 мм более 5 мм более 2,5 мм более1,25 мм более 0,63 мм мм более 0,315 мм более 0,16 мм менее 0,16 мм Модуль крупности

14,2 907 0 6,6 7,2 38,9 31,6 14,8 5,2 2,3 3,2

Таблица 3

Химический состав плава соды кальцинированной щелочной ТУ213-636-00209023-97 ОХК «Щекиноазот»

Химический соединение Массовая концентрация, %

Натриевая соль кислоты:

адипиновой 20...25

щавелевой 7,8... 8,2

янтарной 6,25.7,3

Циклогексанон 1,4.1,5

Циклогексанол 0,15.0,2

Гидроксид натрия 2,3.2,8

Образцы до разрушения Образцы после разрушения

а б

Рис. 2. Оценка прочности рациональных составов шлакощелочного вяжущего на основе отходов дробления: а, б - образцы с плотной и однородной структурой до и после разрушения; и, г - образцы с неоднородной и пористой структурой до и после разрушения

Таблица 4

Испытания на прочность композиционного шлакощелочного вяжущего

Номер состава Название компонентов Концентрация, % Прочность образцов на сжатие, (ест.тв.) МПа

Гранулированный шлак 57

1 Известняковые высевки 35 41,2

Сода калицинированная 8

Гранулированный шлак 51

2 Известняковые высевки 40 39,1

Сода калицинированная 9

Гранулированный шлак 47

3 Известняковые высевки 45 31,4

Сода калицинированная 8

4 Гранулированный шлак 52 28,4

Известняковые высевки 39

Сода калицинированная 9

Результаты испытания на прочность образцов из сухих строительных смесей через 28 сут твердения представлены в табл. 5-6 и на рис. 3-6. Исследования показали, что образцы обладают плотной и однородной

структурой после твердения. Средняя прочность на сжатие составляет 41,2 МПа.

Таблица 5

Состав сухой строительной смеси (ССС) на основе композиционного _шлакощелочного вяжущего_

Компоненты Концентрация, %

ССС-1 ССС-2 ССС-3

Гранулированный шлак 62,3 62,9 63,5

Известняковые высевки 29,6 29,9 28,8

Плав соды кальцинированной 8,1 7,2 7,7

Таблица 6

Прочностные характеристики образцов, изготовленных из сухой __строительной смеси_

Название состава Предел прочности на сжатие, МПа Предел прочности на изгиб, МПа

„28 ср .сж. „ТВО ср .сж. „с8сж. МПа „ТВО ср .сж.

ССС-1 36,3 28,4 2,9 2,2

ССС-2 33,6 25,7 2,4 2,0

ССС-3 34,8 26,7 2,6 2,1

IIЬII

ССС-1 ССС-2 ССС-3

Нормальные условия, 28сут  ТВО

Рис. 3. Диаграмма прочности на сжатие образцов из сухих строительных смесей через 28 сут твердения

II

ССС -1 ССС -2

Нормальные условия , 28 сут ТВО

Рис. 4. Диаграмма прочности на изгиб образцов из сухих строительных

смесей через 28 сут твердения

40

25

20

15

10

ССС -3

Нормальные условия, 28сут  ТВО

Рис. 5. Зависимость прочности на сжатие образцов из сухих строительных смесей от водовяжущего отношения через 28 сут твердения

Нормальные условия, 28сут  ТВО

Рис. 6. Зависимость прочности на изгиб образцов из сухих строительных смесей от водовяжущего отношения через 28 сут твердения

Из диаграмм прочностных характеристик опытных образцов сухих строительных смесей, изготавливаемых на основе предложенных составов шлакощелочного вяжущего, видно, что наименьшей водопотребностью (В/В ~ 0,23) обладает состав ССС-1, а его прочность на сжатие и изгиб как

при твердении в нормальных условиях в течении 28 суток, так и при теп-ловлажностной обработке выше по сравнению с составами ССС-2 и ССС-3. Следовательно, рациональным является состав ССС-1.

Шлакощелочные цементы во многом отличаются от традиционных вяжущих химическим и минералогическим составами, структурой и характером новообразований. Главные отличия следующие: преобладание крип-токристаллической тоберморитовой структуры новообразований, отсутствие в последних свободной извести и высокоосновных гидроалюминатов кальция, наличие постоянной высокощелочной среды в теле затвердевшего камня, стойкость новообразований, малая их растворимость, стабильность структуры во времени, повышенная плотность затвердевшего камня, обилие гелевидных масс, преобладание гелевидных пор и микропор, замкнутая пористость, округлая форма пор. Эти особенности состава и структуры являются причиной особых свойств шлакощелочных цементов, благодаря чему последние можно использовать в качестве специальных цементов для получения растворов со специальными свойствами. Так, шлакощелочные цементы обладают высокой механической прочностью, высокими адгезионными свойствами по отношению к заполнителям, что делает их пригодными для получения специальных сухих растворных смесей.

Сроки схватывания шлакощелочных цементов несколько короче, чем у портландцемента, могут регулироваться водовяжущим отношением, содержанием щелочного компонента и др. Они характеризуются также высокой интенсивностью твердения в раннем возрасте, в связи с чем могут быть применены для получения быстротвердеющих растворов. Плотная структура растворов (мелкозернистых бетонов), малая растворимость новообразований, замкнутая пористость предопределяет их высокую водонепроницаемость, водостойкость и морозостойкость. Эти свойства, а также кавитационная и образивная стойкость, статическая и гидродинамическая прочность делают шлакощелочные растворы высокоэффективными в условиях гидротехнического водохозяйственного строительства. Высокая стойкость в ряде коррозионных сред, в первую очередь, в условиях магнезиальной и сульфатной агрессии, в водах с низкой гидрокарбонатной жесткостью делает растворы коррозионностойкими.

Увеличение содержания щелочного компонента сопровождается также изменением количества нерастворимой щелочи, связанной шлаком в продукты гидратации. При этом возрастает роль щелочи как активного компонента вяжущего. Оптимальное содержание плава соды кальцинированной зависит от условий твердения. Для пропаренного бетона оно составляет 7... 10 %. Большое количество плава вызывает стабилизацию прочности, что может быть связано с возникновением напряжений в результате кристаллизации натрийсодержащих соединений в порах уже достаточно хорошо сформировавшейся при пропаривании структуры бетона, что является одной из причин замедленного роста прочности при после-

дующем твердении. В нормальных условиях при увеличении добавки плава вплоть до 13 % наблюдается интенсивный рост прочности. Гидратация шлака и формирование структуры камня резко замедляются. Возможное выкристаллизование щелочного компонента не вызывает значительных напряжений, а способствует уплотнению камня и увеличению его прочности.

Как показали результаты проведенных исследований, при взаимодействии каолинита с карбонатом натрия основная масса новообразований представлена мелкими кристаллами в виде тесно сплетенных сферолитов, близкими по структуре к содалиту. Данные дифференциального термического анализа и ИК-спектрографические исследования позволили установить цеолитный характер возникающего вещества и наличие в нем в виде

межкаркасного аниона СО\~, вследствие чего его можно отнести к карбонат-содалиту. В составе новообразований зафиксирован также гидрат-нефелин II, который со временем переходит в гидрат-нефелин I.

Продукты взаимодействия каолинита с карбонатом калия по форме и структуре преимущественно аналогичны калиофилиту, содержащему це-олитную воду. Наряду с калиофилитовой фазой образуется мелкокристаллическое вещество, по структуре близкое к калиевому анальциту.

Установлено, что при взаимодействии монтмориллонита, гидрослюды и палыгорскита с карбонатом натрия возникают новообразования, представленные во всех случаях, главным образом, стабильной фазой щелочного гидроалюмосиликатного состава, аналогичной природному аналь-циму.

Проведенные термодинамические расчеты реакций глинистых минералов с карбонатами натрия и калия позволили установить энергетическую возможность их протекания не только при автоклавной обработке, но и при пропаривании, а также в условиях естественного твердения с образованием стабильных продуктов типа анальцима и калиофилита.

Установлено, что составы с большим содержанием отходов из отвала (65.70 %) не пригодны в качестве композиционного шлакощелочного вяжущего, так как образцы изготовленные на их основе обладают низкими прочностными показателями и неоднородной структурой.

В целом, в состав разрабатанного композиционного шлакощелочно-го вяжущего входят легкодоступные и недорогостоящие материалы, один из которых, известняковые высевки, являющиеся в настоящее время техногенными отходами, требующими либо рационального применения, либо утилицзации. Гранулированный шлак и плав соды кальцинированной являются побочными продуктами промышленности Тульской области, также требующие наиболее эффективного применения. Затраты на сырье, входящее в состав шлакощелочного вяжущего, по отношению к цене на портландцемент отражены в табл. 7.

Таблица 7

Сравнение затрат на шлакощелочное вяжущее и на портландцемент

Материалы Цена за 1 т, руб. Расход на 1 т вяжущего, кг Затраты, руб. Итого, руб.

Портландцемент (ПЦ 400) 3450 1000 3450 3450

Шлакощелочное вяжущее: гранулированный шлак (ОАО «Тулачермет») 650 586 381 1303

плав соды кальцированной (ОАО «Щекиназот») 11200 89 907

известняковые высевки (ОАО «Гурово-Бетон») 50 325 15

Оценка стоимости шлакощелочного вяжущего показывает, что она на 62,2 % ниже, чем у портландцемента.

Таким образом, обоснованы методические принципы определения составов и свойств сухой строительной смеси специального назначения на основе шлакощелочного композиционного вяжущего, которые показывают, что основные породообразующие глинистые минералы, содержащиеся в заполнителях типа супесей и суглинков, при формировании строительных бетонных конструкций вступают во взаимодействие с карбонатами натрия и калия. В результате возникают цеолитоподобные щелочные гидроалюмосиликаты, обладающие вяжущими свойствами и способные служить структурообразующими элементами в материалах на основе широко распространенного местного сырья из отходов дробления известняковых пород. При оценке прочности шлакощелочного вяжущего на основе отходов дробления выявлены рациональные пропорции трех компонентов: известняковые высевки - 40 %, граншлак «Тулачермет» - 51 %, плав соды кальцированной - 9 %. Вода 28 % по общей массе. Образцы обладают плотной и однородной структурой после твердения. Средняя прочность на сжатие достигает 41,2 МПа.

Список литературы

1. Качурин Н.М., Рябов Р.Г. Комплексное использование отходов -эффективный способ охраны окружающей среды // Известия ТулГУ. Экология и безопасность жизнедеятельности. Тула, 1996. С. 173 - 174.

2. Качурин Н.М., Рябов Г.Г., Сычев А.И. Экологически рациональная технология производства бетонных изделий из отходов производства горно-металлургических и химических предприятий // Техника машиностроения. 1999. № 4. С. 100 - 102.

3. Качурин Н.М., Рябов Г.Г., Сычев А.И. Расчет валовых выбросов газообразных загрязнителей при ократировании бетона // Техника машиностроения. 1999. № 4. С. 103 - 105.

4. Качурин Н.М., Рябов Г.Г., Куприн Б.Н. Оценка техногенных месторождений топливно-энергетического комплекса на территориях угледобывающих регионов // Известия вузов. Горный журнал. 2009. № 8. С. 37 - 42.

5. Качурин Н.М., Рябов Г.Г., Куприн Б.Н. Динамика распределения физико-химических свойств отходов на полигонах и в отвалах топливно-энергетического комплекса // Известия вузов. Горный журнал. 2010. №2. С. 38 - 43.

6. Качурин Н. М., Ефимов В. И., Воробьев С. А. Методика прогнозирования экологических последствий подземной добычи угля в России // Горный журнал. 2014. №9. С. 138-142.

7. Scientific and practical results of monitoring of anthropogenic influence on mining-industrial territories environment / N.M.Kachurin [et al.] // Eurasian Mining. 2014. №2. P. 44-48.

8. Nikolai Kachurin, Vitaly Kоmashchenko, Vladimir Morkun. Environmental monitoring atmosphere of mining territories // Metallurgical and Mining Industry. 2015. № 6. P. 595-598.

Качурин Николай Михайлович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, ecology@ tsu.tula.ru , Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Хмелевский Максим Викторович, асп., galina_stas@,mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Волков Дмитрий Александрович, асп., galina_stas@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

EVALUATING PHYSICAL-MECHANICAL PROPERTIES OF MATERIALS

FROM INDUSTRIAL WASTES FOR STRENGTHENING ROCKS IN DUMPS

OF LIMESTONE OPEN PITS

N.M. Kachurin, M.V. Hmelevsky, D.A. Volkov

Rational proportions of components were defined for slag-alkaline astringent by evaluating their strength. It's proved that samples have compact and homogeneous structure after hardening. Average strength for pressing is equal to 41,2 MPa. Results of testing samples from construction dry mix from slag-alkaline astringent with high-silica sand were submitted. Ultimate stress limits for pressing and bending were defined. Diagrams of changing strength from admixture composition and water-alkaline ratio were submitted.

Key words: rocks, dump, open pit, limestone, alkaline astringent, strength, pressing, bending, dry mix.

Kachurin Nikolai Mihalovich, Doctor of Sciences, Full Professor, Chief of a Chair, ecology @tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Hmelevsky Maxim Victorovich, postgraduate, galina_stas@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Volkov Dmitryi A., postgraduate, galina_stas@,mail.ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 662.341.012

ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТЬ

УТИЛИЗАЦИИ ГОРНОПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ С ЦЕЛЬЮ ИХ ПЕРЕРАБОТКИ

В. И. Комащенко

Охарактеризована роль горного производства в деградации экосистем окружающей среды. Произведена систематизация и типизация факторов влияния горных технологий на окружающую среду и мер по его предупреждению. На основании анализа причин накопления на земной поверхности отходов горного производства сделан вывод о необходимости корректировки технологий добычи полезных ископаемых в направлении уменьшения разубоживания руд породами. Предложена типизация методов уменьшения разубоживания на всех этапах эксплуатации месторождений. Рекомендованы направления выхода из экологического кризиса путем использования инновационных технологий разработки месторождений, оптимизированных по признаку минимизации разубоживания. Приведена схема определения эколого-экономической эффективности утилизации отходов с помощью инновационных технологий. Сформулировано направление выхода из эколого-технологического кризиса современности.

Ключевые слова: руда, месторождение, экология, экономика, окружающая среда, комбинирование технологий, разработка, земная поверхность, напряжения, деформации, твердеющие смеси, прочность, отходы, управление, массив, хвосты, металлы.

Проблема и ее связь с научными и практическими заданиями.

Важнейшим условием развития государств является состояние их минерально-сырьевого комплекса. От уровня рациональности использования богатств недр зависит состояние материально-технической базы производства продукции, обеспечение населения продовольствием, решение многих социальных проблем. Поэтому земные недра рассматриваются как комплексный природный ресурс жизнеобеспечения общества, изменяемый в зависимости от уровня развития государства. Основные закономерности развития сырьевой базы - рост объемов добычи и снижение содержания металлов в рудах [1-4].

Господствующая с первых шагов человека до настоящего времени антропоцентрическая стратегия преобразования природы все более радикально изменяет биогенные факторы существования людского сообщества.