Оценка влияния отходов углеобогащения на физико-механические свойства тампонажных растворов и параметры технологии цементации

© В.А. Хямяляйнсн, М.А. Баёв, 2014

УДК 622.257.1

В.А. Хямяляйнен, М.А. Баёв

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ОТХОДОВ УГЛЕОБОГАЩЕНИЯ НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТАМПОНАЖНЫХ РАСТВОРОВ И ПАРАМЕТРЫ ТЕХНОЛОГИИ ЦЕМЕНТАЦИИ *

Рассмотрены результаты экспериментальных исследований реологических свойств тампонажных растворов с добавлением отходов углеобогащения. Особое внимание уделено изучению влияния добавки жидкого стекла на вязкость таких растворов. Приведены результаты исследования свойств тампонажных камней, полученных из растворов с минеральными и химическими добавками.

Ключевые слова: тампонаж, реологические свойства, вязкость, прочность, цемент, зола, водоугольное топливо.

В практике строительства и поддержания капитальных горных выработок угольных шахт в сложных горно-геологических и гидрогеологических условиях нашел достаточно широкое применение тампонаж горных пород растворами на основе вяжущего в виде цемента [1]. Многочисленные попытки замены цемента на высокопроникающие химические растворы показали их высокую стоимость, что обусловило область их применения только в малопроницаемых и тонкотрещиноватых породах. Поэтому весьма актуальна задача дальнейшего снижения стоимости тампо-нажного раствора на основе цемента путем частичной его замены на отходы углеобогащения.

В качестве таких отходов может быть использована зола гидроотвалов или зола сжигания водоугольного топлива [2]. Целесообразность ее применения - получение раствора с необходимыми свойствами, экономия цемента, более полная утилизация отходов про-

изводства (сжигание отходов углеобогащения и использование продуктов сжигания - золы).

Введение золы в состав раствора оказывает влияние на реологические свойства раствора, физико-механические и фильтрационные свойства цементного камня и, как следствие, на параметры формирования цементационных завес. Для оценки этого влияния были проведены экспериментальные исследования реологических свойств тампонажных растворов и прочностных характеристик затвердевшего камня, а также выполнены численные расчеты радиуса цементации в трещиноватом горном массиве.

При исследовании реологических свойств за основу была принята разработанная нами методика экспериментальных исследований и учтены отдельные результаты предварительных измерений [3].

При этом экспериментальные исследования реологических характеристик проводили на ротационном вискозиметре ВгоокйеЫ модели ЬУЭУ-П+Рго.

*Работа выполнена при финансовой поддержке ФЦП Минобрнауки «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России», Соглашение №14.В37.21.0581 от 20.08.2012 г.

В опытах использовали адаптер для малых образцов 88Л (измерительная система типа коаксиальных цилиндров - шпиндель 8С4-18 (биконический), камера для образцов с температурным датчиком НТО 8С4-13НРУ).

Цементационные растворы приготавливали с использованием портландцемента ПЦ400 ГОСТ 31108-2003 Топкинского цементного завода. Испытывали растворы с водотвердым отношением Т:В=1:1. В качестве активных добавок-наполнителей использовали сухую золу-уноса (г.Иркутск, ТЭЦ-9, участок 1, Ла=99,4 %, 21.01.2013г.) и золу гидроотвала (г. Иркутск, Ad=99,9 %, 21.01.2013 г.), а также золу сжигания водоугольного топлива из пром-продукта (г. Мждуреченск, ДКВР-10-13, 26.11.2012 г.). Отношение количества золы к количеству цемента (по массе) принимали равным 0 % (без золы), 20 %, 50 %, 80 % и 100 % (без цемента). Также исследовали растворы с добавками хлористого кальция (СаС12) и жидкого стекла (Ыа20-п8Ю2). Хлористый кальций, растворенный в воде, и жидкое стекло добавляли в воду перед засыпкой цемента и перемешиванием раствора. Количество добавок принимали в соответствии с существующими рекомендациями: хлористый кальций -3 % массы цемента в пересчете на сухое вещество; жидкое стекло - 5 % массы цемента. Растворы для испытаний приготавливали на водопроводной питьевой воде. Продолжительность перемешивания раствора, принятая на основании опытных замесов, равнялась 1 мин. Температура во всех опытах фиксировалась температурным датчиком вискозиметра.

При исследовании свойств тампо-нажных камней, за основу была принята методика определения прочности цементного камня по ГОСТ 307442001 «Цементы. Методы испытаний с использованием полифракционного

песка». Для определения прочности образцов из растворов заливались кубики размерами 70х70х70 мм. Кубики извлекались из форм через 5 сут, и оставшееся время хранились в помещении с температурой (20 ± 3) °С и относительной влажностью (65 ± 10) %. Испытание образцов на прочность осуществляли в возрасте 28 сут путем раздавливания кубиков на прессе.

Результаты экспериментальной оценки влияния золы на реологические свойства тампонажного раствора приведены на рис. 1.

Эксперименты показали, что для растворов с концентрацией сухой золы-уноса от 0 до 50 % (рис. 1, кривые 2, 3) реологические характеристики определяются главным образом цементом - значения эффективной вязкости этих растворов практически совпадают. Однако растворы с концентрацией золы 80 % и более приобретают псевдопластичный характер течения и имеют в несколько раз большие значения коэффициента эффективной вязкости, что свидетельствует о значительном влиянии золы на реологическое поведение растворов данного состава. На графике видно, что зола гидроотвала уменьшает эффективную вязкость раствора, как бы «разжижая» его (рис. 1, кривые 4, 5). Такое влияние обусловлено высокой влажностью золы (20-30 % от массы). Наибольшее влияние на реологические свойства растворов оказывает зола сжигания водоуголь-ного топлива, приготовленного из промпродукта (рис. 1, кривые 6, 7). Общая закономерность для таких растворов - резкое возрастание эффективной вязкости (рис. 1, кривая 6). Из-за этой особенности данной золы эксперименты для концентраций 50 % и более проводили с растворами с Т:В=1:2. Следует отметить, что у раствора с концентрацией золы 50 % (рис. 1, кривая 7) наблюдается отлич-

-— ч

у

:

к ,

- 7

' ч^к [вдапп 1С

Рис. 1. Зависимость напряжения сдвига т от скорости

сдвига у для раствора концентрации Т:В=1:1 при

различном количестве золы: 1 - без золы; 2 - 20 % сухой золы-уноса; 3 - 50 % сухой золы-уноса; 4 - 20 % золы гидроотвала; 5 - 50 % золы гидроотвала; 6 - 20 % золы сжигания водоугольного топлива из промпродукта; 7 - 50 % золы сжигания водоугольного топлива из промпродукта (Т:В=1:2).

ный от остальных дилатантный характер течения - рост вязкости при увеличении скорости сдвига.

Результаты экспериментальной оценки влияния добавок хлористого кальция и жидкого стекла на реологические свойства тампонажного раствора на основе цемента приведены на рис. 2.

Из графиков видно, что для раствора без добавок (рис. 2, кривая 1) зависимость напряжения сдвига от скорости сдвига близка к линейной. Добавка хлористого кальция незначительно влияет на величину вязкости, однако у такого раствора проявляется дилатант-ный характер течения (рис. 2, кривая 3). Раствор с добавкой жидкого стекла имеет выраженные псевдопластичные свойства (рис. 2, кривая 2) и гораздо более высокое значение коэффициента эффективной вязкости. При скорости сдвига выше 39,6 с-1 измерить вязкость данного раствора оказалось технически невозможно (данной измерительной системой при данных условиях) и на графике аппроксимирующая кривая в этом диапазоне показана тонкой пунктирной линией. Как видно из графиков

(рис. 2, кривые 4, 5) жидкое стекло слабо реагирует с сухой золой-уноса и реологические свойства растворов с концентрацией золы 50 % и более практически не отличаются от свойств этих же растворов без добавки жидкого стекла и близки со свойствами «чистого» цементного раствора. Зола гидроотвала так же слабо реагирует с жидким стеклом (рис. 2, кривые 6, 7). Его добавление в растворы с концентрацией золы 50 % и более приводит к незначительному увеличению вязкости в сравнении с теми же растворами без жидкого стекла. При этом значения коэффициента эффективной вязкости остаются ниже аналогичных значений для растворов на основе цемента без добавок.

Одним из основных параметров формирования цементационной завесы является размер зоны цементации, определяемый радиусом распространения раствора от скважины. В работе [1] получено выражение для определения предельного радиуса цементации для нестабильных растворов в зависимости от их вязкости. На основе представленных выше результатов выполнены численные расчеты радиуса цементации тампонажными растворами на основе цемента с различными добавками в трещиноватом горном массиве. Результаты расчета представлены в табл. 1.

Полученные данные свидетельствуют о целесообразности применения растворов без добавки жидкого стекла при тампонаже массива горных пород с относительно небольшим раскрытием трещин, что связано с достаточной проникающей способностью таких растворов. Растворы с добавкой жидкого стекла напротив - следует использовать при большом раскрытии трещин или,

<i *

6 s

г/ i s

/ ^ К к- —- ' "¡ __________t

7

Q 30 41} ¡B so №0 11Q UO 160

Скорость сдвига. I

Рис. 2. Зависимость напряжения сдвига т от скорости сдвига Y для раствора концентрации Т:В=1:1 с различными добавками: 1 - без добавок; 2 - 5 % жидкого стекла (без золы); 3 - 3 % CaCl2 (без золы); 4 - 20 % сухой золы-уноса + 5 % жидкого стекла; 5 - 50 % сухой золы-уноса + 5 % жидкого стекла; 6 - 20 % золы гидроотвала + 5 % жидкого стекла; 7 - 50 % золы гидроотвала + 5 % жидкого стекла

например, для ограничения зоны тампонирования.

Известно, что прочность горных пород в массиве в 1,5-2 раза ниже, чем в образце [1]. Для условий Кузбасса прочность горных пород в зонах геологических нарушений в 2-5 раз ниже, чем вне их. Учитывая эти данные и результаты наших экспериментов можно сделать вывод о возможности применения тампонажных растворов с различными добавками в цементации трещиноватого породного массива.

Результаты испытаний позволяют сделать следующие обобщения.

Для раствора без добавок зависимость напряжения сдвига от скорости сдвига близка к линейной. Добавка хлористого кальция незначительно влияет на величину вязкости. Раствор с добавкой жидкого стекла имеет выраженные псевдопластичные свойства. Введение в тампонажные растворы на основе цемента золы сжигания отходов углеобогащения оказывает различное влияние на его реологические свойства. Основными факторами при этом являются тип

и количество добавляемой золы. Максимальный эффект оказывает зола сжигания водоугольного топлива. Наименьшее влияние на реологические свойства оказывает сухая зола-уноса. Жидкое стекло увеличивает вязкость растворов, причем степень влияния различна и зависит от вида и количества добавленной золы.

Добавление золы в тампонажный раствор приводит к снижению прочности цементного камня, полученного из такого раствора. Помимо этого сухая зола-уноса увеличивает выход тампонажного камня. Добавка хлористого кальция к цементному раствору без золы увеличивает прочность на 30 %. С увеличением содержания золы эффект снижается. Добавка жидкого стекла наиболее эффективно действует на повышение стабильности растворов. Но при этом происходит значительное снижение прочности тампонажного камня.

Результаты исследования свойств тампонажных камней с золошлаковыми отходами, приведены в табл. 2.

В целом, результаты выполненных исследований реологических характеристик и прочности тампонажного камня растворов с добавлением сухой золы уноса, золы гидроотвала и золы сжигания водоугольного топлива с введением химических добавок в виде жидкого стекла и хлористого кальция показывают, что такие растворы удовлетворяют требованиям, предъявляемым к тампонажным растворам. Учитывая также экономичность замены цемента золой можно сделать вывод о перспективности применения таких растворов.

О i-1 СП о О i-1 о о СП о о к-' о о к-' о Коэф. проницаемости горного массива, Дар-си

СП о о СП о о СП о о СП о о о СП Коэф. трешиноватости горного массива

1—' 1—' 1—' 1—' 1—' 1—' 1—' 1—' 1—' 1—' Т:В

СП о о СП о о СП о о СП о о СП о о Перепад давления по длине потока, кПа

00 2,72 1,65 0,53 0,06 Немент 100 % (без добавок) Предельный радиус цементации, м, при различном составе раствора

4,54 3,36 2,03 0,64 0,06 N5 О ч9 u If

3,40 2,53 1,53 0,49 0,06 сл О ч9 § В о 8)

13,2 9,76 5,85 1,78 0,08 N5 О ч9 Зола гидроотвала

I'll 8,20 4,92 1,50 0,08 СЛ О ч9

1,17 0,88 0,55 0,20 0,05 N5 О ч9 Зола сжигания ВУГ

18,5 13,7 8,19 2,48 0,10 СЛ О ч9

1,88 к-' О 0,86 0,29 0,05 Цемент 100 % + 3 % Саа2

0,33 0,26 0,17 0,09 0,05 Цемент 100 % + 5 % жидк. ст.

0,35 0,27 0,18 0,09 0,05 20% золы + 5 % жидк. ст. 1 !?

0,75 0,57 0,36 0,14 0,05 50% золы + 5% жидк. ст. ! в s

0,43 0,33 0,22 OI'O 0,05 20% золы + 5% жидк. ст. Зола гидроотвала

1,77 1,32 0,81 0,28 0,05 • Й + a w n S ¡5 5 О 3i£

Таблица 2

Характеристика тампоиажиых растворов с различными добавками

№ опыта Т:В Состав раствора, % Плотность раствора, кг/м3 Выкод камня,% Предел прочности образца при сжатии в возрасте 28 сут, МПа

Цемент Зола СаС12 Жидкое стекло

Портландцемент без золы

1. 1:1 100 - - - 1629 80 7,18

2. 1:1 100 - 3 - - - 9,19

3. 1:1 100 - - 5 - 96 2,43

С добавкой сухой золы-уноса

4. 1:1 80 20 - - 1433 86 5,84

5. 1:1 50 50 - - 1378 87 3,54

6. 1:1 80 20 3 - - - 8,49

7. 1:1 50 50 3 - - - 3,18

8. 1:1 80 20 - 5 - 97 2,10

9. 1:1 50 50 - 5 - 96 1,43

С добавкой золы гидроотвала

10. 1:1 80 20 - - 1465 64 3,55

11. 1:1 50 50 - - 1413 70 3,13

12. 1:1 80 20 3 - - - 7,74

13. 1:1 50 50 3 - - - 4,32

14. 1:1 80 20 - 5 - 93 1,74

15. 1:1 50 50 - 5 - 90 1,10

С добавкой золы сжигания водоугольного топлива из промпродукта

16. 1:1 50 50 - - 1378 79 2,94

При этом особое внимание следует обратить на перспективность безотходной технологии приготовления и сжигания водоугольного топлива из отхо-

дов углеобогащения с последующим использованием отходов сжигания при приготовлении тампонажных растворов.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Хямяляйнен, В.А. Формирование цементационных завес вокруг капитальных горнык выработок / В.А. Хямяляйнен, Ю.В. Бурков, П.С. Сыркин. - М.: Недра, 1994. -400 с.

2. Мурко, В. И. Физико-технические основы водоугольного топлива / В.И. Мурко, В.И. Федяев, В.А. Хямяляйнен; под общ. Ред. В.И. Мурко; РАЕН; ГУ КузГТУ. -Кемерово: Кузбассвузиздат, 2009. - 195 с.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

3. Влияние золы сжигания отходов углеобогащения на реологические свойства тампонажных растворов / М.А. Баёв, К.Г. Дятлов, А.Г. Шевцов, В.А. Хямяляйнен // Сборник материалов V Всероссийской, 58 научно-практической конференции молодых ученых «РОССИЯ МОЛОДАЯ», 16-19 апреля 2013 г. В 2 т. Т. 1 / Редкол.: В.Ю. Блю-менштейн (отв. редактор) [и др.]. - Кемерово: КузГТУ, 2013. - С. 96-99.ЕШ

Хямяляйнен Вениамин Анатольевич - доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, заведующий кафедрой теоретической и геотехнической механики, Баёв Михаил Алексеевич - ассистент кафедры теоретической и геотехнической механики е-шаП: bma.gdk@gmail.com.

Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачёва.

UDC 622.257.1

ESTIMATION OF INFLUENCE OF WASTE COAL ON PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF PLUGGING SOLUTIONS AND TECHNOLOGY PARAMETERS CEMENTATION

Khyamyalyaynen V.A., Doctor of Technical Sciences, Professor, E-mail: vah@kuzstu.ru Bayov M.A., Assistant, e-mail: bma.gdk@gmail.com. T.F. Gorbachev Kuzbass State Technical University.

The results of experimental studies of the rheological properties of cement slurries with the addition of waste coal. Special attention is paid to the effect of additives on the viscosity of the liquid glass such solutions. The results of studying the properties of cement stones obtained from solutions with mineral and chemical additives.

Key words: plugging, rheological properties, viscosity, strength, cement, ash, hydrocarbon fuel. REFERENCES

1. Khyamyalyainen V.A., Burkov Yu.V., Syrkin P.S. Formirovanie tsementatsionnykh zaves vokrug kapi-tal'nykh gornykh vyrabotok (Formation of cement-grout curtains around permanent roadways). Moscow, Nedra, 1994. 400 p.

2. Murko V.I., Fedyaev V.I., Khyamyalyainen V.A. Fiziko-tekhnicheskie osnovy vodougolnogo topliva (Physico-technical basics of coal-water fuel) pod obshch. Red. V.I. Murko; RAEN; GU KuzGTU. Kemerovo: Kuzbassvuzizdat, 2009. 195 p.

3. Baev M.A., Dyatlov K.G., Shevtsov A.G., Khyamyalyainen V.A. Vliyanie zoly szhiganiya otkhodov ugleobogashcheniya na reologicheskie svoistva tamponazhnykh rastvorov (Influence of waste coal burning ash on rheological properties of grouting mortar). Sbornik materialov V Vserossiiskoi, 58 nauchno-prakticheskoi konferentsii molodykh uchenykh «ROSSlYa MOLODAYa», 16-19 aprelya 2013 g. V 2 t. T. 1. Kemerovo: KuzGTU, 2013. P. 96-99.

A

Горный информационно-аналитический бюллетень. Отдельный выпуск № 1. Труды научного симпозиума «Неделя горняка-2014»

2014 г. 592с.

ISBN: 0236-1493 UDK: 622

В сборник вошли статьи по проблемам горного недропользования, горнопромышленной геологии, геофизики, маркшейдерского дела и геометрии недр, геомеханики, разрушения горных пород, рудничной аэрогазодинамики, горной теплофизики, экономики природопользования, геоэкологии, геоинформатики, геотехнологии (подземной, открытой, строительной), горных машин, электротехнических систем и комплексов, обогащения полезных ископаемых. Сборник включает в себя ключевые доклады 28 семинаров и 2 круглых столов международного научного симпозиума. Для специалистов горнодобывающих отраслей.

ГОРНАЯ КНИГА

ГОРНЫЙ

ИИЛОРМЧЩЮЛНО-

АНАМИТМЧЕСНИЙ

БйЛЛПЕнь

3014

труды

плеУдунАродкого НАУЧНОГО OWnajHWl НЕДЕЛЯ ГйРНЯКЛ-ЗОЩ..