СОСТАВ ЗАКЛАДОЧНОЙ СМЕСИ
FILLING MIXTURE COMPOUND

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при ликвидации вертикальных вскрывающих горных выработок как на действующих, так и на ликвидируемых горных предприятиях.
При ликвидации шахт возникает ряд гидрогеологических и экологических проблем: оседание земной поверхности, подтопление территорий, возможность прорыва шахтных вод в соседние действующие шахты, выделение вредных газов и выход их на дневную поверхность и другие.
Согласно требованиям нормативных документов вертикальные вскрышные горные выработки (шахтные стволы и шурфы) с неудовлетворительной крепью должны быть полностью заполнены безусадочным водоупорным материалом до уровня земной поверхности для предотвращения гидравлической связи между водоносными горизонтами, выхода рудничных газов на земную поверхность и образования провалов на прилегающих к вертикальной вскрывающей горной выработке территориях [Инструкция о порядке ведения работ по ликвидации и консервации опасных производственных объектов, связанных с пользованием недрами. - М.: Госгортехнадзор РФ, 1999. - 25 с.].
Применяемый по настоящее время в качестве основного способ ликвидации вертикальных вскрывающих горных выработок путем их засыпки перегоревшей породой, как показывает практический опыт, не позволяет создавать в вертикальной вскрывающей горной выработке безусадочный и водоупорный закладочный массив и, как следствие, приводит к возникновению гидрогеологических и экологических проблем [Лудзиш B.C. Гидрогеологические проблемы ликвидации шахт Кузбасса и пути их решения / ЭКО-бюллетень ИнЭкА №6 (137), ноябрь 2009/январь 2010 г. - Новокузнецк: ООО «ИнЭкА-консалтинг». - С.44-47].
Наиболее эффективным способом ликвидации вертикальной вскрывающей горной выработки является ее закладка безусадочной и водоупорной твердеющей бетонной смесью.
Основные требования, предъявляемые к таким бетонным смесям: коэффициент фильтрации менее 0,001 м/сут и компрессия закладочного массива в наиболее нагруженной нижней части ствола 0,00% [Закладочные работы в шахтах /Д.М.Бронников и др., под ред. Д.М.Бронникова, М.Н.Цыгалова. - М.: Недра, 1989. - 400 с.]. Таким требованиям по компрессионным и фильтрационным свойствам соответствуют марочные бетоны на основе цемента, песка и щебня. Однако они имеют высокую стоимость и поэтому для закладки их применять экономически нецелесообразно.
На практике для закладки вертикальных вскрывающих горных выработок применяют значительно более дешевые бетонные смеси на основе отходов топливно-энергетической промышленности и альтернативного, например, известкового вяжущего. Однако известные составы таких закладочных смесей не позволяют создавать водоупорные и безусадочные закладочные массивы в вертикальных вскрывающих горных выработках, так как они были разработаны для закладки горизонтальных и наклонных горных выработок, а также выработанного пространства при отработке угольных пластов [Закладочные работы в шахтах / Д.М.Бронников и др., под ред. Д.М.Бронникова, М.Н.Цыгалова. - М.: Недра, 1989, - 400 с.].
Известна закладочная смесь (патент РФ № 22755051, МПК Е21F 15/00, опубл. 24.04.2006), включающая измельченное известьсодержащее вяжущее в виде активного алюмосиликатного материала и обожженных карбонатных пород, воду затворения, флегматизатор и заполнитель, при этом она содержит обожженные при 900-1200°С карбонатные породы с содержанием активных окисей кальция и магния CaO+MgO в них не менее 40% и не более 9,1% от массы указанной закладочной смеси, измельченной до тонкости помола, характеризующейся остатком на сите №008 не более 15%, в качестве активного алюмосиликатного материала обожженный мергель или обожженную глину, или обожженные хвосты обогащения кимберлитовых руд или гранулированный доменный шлак, соотношение компонентов в закладочной смеси следующее, мас.%:
активный алюмосиликатный материал
5,6-33,2
обожженные при температуре 900-1200°С
карбонатные породы с содержанием активных CaO+MgO
не менее 40%
1,0-16,7
вода затворения с флегматизатором
10,6-275
заполнитель
остальное
Недостатками известной смеси являются многокомпонентность и присутствие дорогостоящего алюмосиликатного материала, а также использование обожженных карбонатных пород с низким содержанием окисей кальция и магния, что приводит к существенному снижению физико-механических свойств закладочного материала и изменению этих свойств в широких пределах у смесей с одинаковым массовым составом. При этом данная смесь была разработана применительно к закладке горизонтальных и наклонных горных выработок и не позволяет создавать водоупорный и безусадочный закладочный массив в вертикальной вскрывающей горной выработке.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является состав закладочной смеси (патент РФ №2302531, МПК Е21F 15/00, опубл. 10.07.2007), включающий цемент, молотый гранулированный шлак, техническую серу, модифицированную йодом, и золу ТЭЦ (теплоэлектроцентрали), предварительно сплавленные друг с другом и размолотые в шаровой мельнице при следующем соотношении, мас.%:
цемент
4,2-7,0
сера
19,4-29,26
зола ТЭЦ
10,1-15,24
молотый гранулированный доменный шлак
26,7-39,6
йод
0,0038-0,0058
вода
остальное
Недостатками данной смеси являются: ее многокомпонентность, использование дорогого и дефицитного цемента, использование йода; применение в качестве основного компонента смеси - дорогого товарного продукта - серы; наличие дополнительного технологического этапа по сплавлению золы ТЭЦ с серой. При использовании йода из-за явления сублимации происходит его выделение в атмосферу и загрязнение окружающего воздуха.
Кроме этого, в рецептуре смеси не учитывается химический состав золы ТЭЦ и молотого гранулированного доменного шлака, что приводит к изменению в широких пределах физико-механических свойств закладочного материала для смесей с одинаковым массовым составом. При этом прочность получаемого закладочного массива очень мала и достигается только через 180 суток. Данная смесь также разработана применительно к закладке горизонтальных и наклонных горных выработок и не позволяет создавать водоупорный и безусадочный закладочный массив в вертикальных вскрывающих горных выработках.
Поэтому для закладки вертикальных вскрывающих горных выработок актуальным является разработка дешевого закладочного водоупорного и безусадочного материала на основе отходов топливно-энергетической промышленности и нецементного вяжущего.
3
Золошлаковые смеси ТЭЦ являются трудно утилизируемым отходом. Гидроотвалы золошлаковых смесей ТЭЦ занимают очень значительные площади по всей территории РФ, только на территории Кемеровской области они составляют более 1200 гектар, а заполненный объем превышает 100 млн м. Так как золошлаковые смеси ТЭЦ практически не утилизируются, все эти гидроотвалы необходимо рекультивировать. Рекультивация больших территорий требует больших трудовых и материальных затрат, поэтому целесообразно использование золошлаковых смесей ТЭЦ в любых отраслях промышленности, в том числе для закладки вертикальных вскрывающих горных выработок. Утилизация золошлаковых смесей ТЭЦ будет благотворно отражаться на экологии многих территорий.
Известно, что при автоклавной обработке бетонных золошлакоизвестковых смесей значительно улучшаются физико-механические свойства бетона. При этом себестоимость автоклавных материалов оказывается на 15-35 % ниже цементного бетона обычного способа твердения с аналогичными физико-механическими свойствами [Боженов П.И. Технология автоклавных материалов. - Л.: Стройиздат, Ленингр. отд., 1978. - 368 с.].
Выполненные в ГУ КузГТУ лабораторные экспериментальные исследования показали, что для закладки вертикальных вскрывающих горных выработок бетонами на основе золошлаковых смесей ТЭЦ необходимо использовать молотые золошлакоизвестковые смеси автоклавного типа твердения, при этом получение водоупорного и безусадочного массива возможно только при определенных весовых соотношениях компонентов смеси и их химического состава [Исаенко А.В. Исследование зависимости компрессионных свойств автоклавных закладочных материалов на основе топливных шлаков от параметров закладочной смеси /А.В.Исаенко, А.В.Угляница // Вестн. КузГТУ. - Кемерово, КузГТУ, 2011. - №1. С.37-43].
Технический результат, достигаемый заявляемым техническим решением, заключается в сокращении трудовых и материальных затрат, улучшении экологической обстановки в зоне ликвидируемой шахты путем формирования в ликвидируемой вертикальной вскрывающей горной выработке водоупорного и безусадочного закладочного массива.
Указанный технический результат достигается тем, что состав закладочной смеси, содержащий золу ТЭЦ, шлак и воду, согласно изобретению, содержит в качестве шлака шлак ТЭЦ и дополнительно негашеную кальциевую известь первого сорта, причем указанные зола, шлак и известь - совместно молотые до максимальной крупности частиц 0,16 мм при следующем соотношении компонентов, мас.%:
зола ТЭЦ
4,32-14,32
шлак ТЭЦ
22,55-42,58
негашеная кальциевая известь первого сорта
18,92-29,29
вода
28,57-44,44
Или до максимальной крупности частиц 0,08 мм при следующем соотношении компонентов, мас.%:
зола ТЭЦ
5,99-16,13
шлак ТЭЦ
28,30-47,04
негашеная кальциевая известь первого сорта
12,99-23,67
вода
28,57-44,44
Химический состав золошлаковых смесей ТЭЦ некоторых электростанций Кузбасса представлен в таблице 1.
Таблица 1
Химический состав золошлаковых смесей ТЭЦ Кузбасса
Наименование
Химический состав золошлаковых смесей ТЭЦ, %
Томусинская ГРЭС
Беловская ГРЭС
Южно-Кузбасская ГРЭС
Западно-Сибирская ТЭЦ
Кузнецкая ТЭЦ
Кемеровская ГРЭС
Новокемеровская ТЭЦ
Кемеровская ТЭЦ
SiO<sub>2</sub>
57,40
55,90
59,30
59,90
54,50
49,10
58,40
55,80
Аl<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
22,10
20,00
22,10
23,00
24,60
18,60
20,90
18,10
Fе<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
5,40
5,60
7,80
4,90
4,60
12,80
8,00
15,00
СаО
4,30
4,50
2,70
4,40
4,00
5,70
3,30
3,00
FeO
3,40
3,10
1,70
0,70
0,20
1,50
0,89
1,40
MgO
2,60
2,90
2,00
1,90
2,90
2,80
0,40
1,30
К<sub>2</sub>О
2,60
2,80
0,30
2,30
0,00
0,20
0,00
0,00
SO<sub>3</sub>
1,03
0,89
0,44
0,62
2,06
1,05
1,56
1,05
Сумма
98,83
95,69
96,34
97,72
92,86
91,75
93,45
95,65
Из таблицы 1 следует, что химический состав золошлаковых смесей ТЭЦ может существенно отличаться в зависимости от места их получения. Соответственно, при составлении рецептуры закладочной смеси нельзя оперировать абсолютными весовыми или объемными компонентами закладочной смеси, а надо учитывать и их химический состав.
осн
Для учета химического состава закладочной смеси необходимо использовать коэффициент основности К, который характеризует способность закладочной смеси связываться в моносиликат кальция и рассчитывается по формуле [Боженов П.И. Технология автоклавных материалов. - Л.: Стройиздат, Ленингр. отд., 1978. - 368 с.]
осн
где K - коэффициент основности закладочной смеси;
2
(CaO+0,93MgO+0,6RO) - общее (валовое) содержание «условной» СаО, %;
2
3
2
3
3
(0,55АlO+0,35FеO+0,7SO) - количество СаО, связываемой соответствующими окислами и не участвующей в образовании силикатов, %;
2
2
0,93SiO - количество СаО для связывания SiO в моносиликат кальция, %.
2
3
Гранулометрический состав зол ТЭЦ колеблется в широких пределах: размеры зерен 1-200 мкм. В золах ТЭЦ содержание фракции более 85 мкм обычно не превышает 20%. Около 50% частиц золы ТЭЦ имеют обычно размеры 30-40 мкм. Более крупные золы ТЭЦ образуются при повышенном содержании в минеральной части топлива оксидов-плавней СаО и FеO.
Для получения закладочной смеси необходимо использовать негашеную известь первого сорта с суммарным содержанием условных CaO+MgO не менее 90%. Негашеная известь является более активной по сравнению с гашеной, к тому же в процессе твердения происходит реакция гашения с выделением тепла, что снижает затраты на разогрев золошлакоизвесткового автоклавного материала. Известно, чем больше в извести свободной СаО, тем энергичнее идет процесс синтеза новообразований [Боженов П.И. Технология автоклавных материалов. - Л.: Стройиздат, Ленингр. отд-ние, 1978. - 368 с.].
Лабораторные исследования, выполненные в ГУ КузГТУ, показали, что использование негашеной кальциевой извести второго и третьего сортов не обеспечивает необходимых компрессионных и фильтрационных свойств золошлакоизвесткового автоклавного материала, к тому же компрессионные и фильтрационные свойства золошлакоизвесткового автоклавного материала с одинаковыми параметрами изменялись в значительных пределах, а также, что при использовании гашеной извести и молотого шлака ТЭЦ невозможно получить водоупорный материал, так как гашеная известь обладает меньшей активностью, поскольку химически связанная вода значительно снижает физико-механические свойства материала [Исаенко А.В. Исследование зависимости компрессионных свойств автоклавных закладочных материалов на основе топливных шлаков от параметров закладочной смеси /А.В.Исаенко, А.В.Угляница // Вестн. КузГТУ. - Кемерово, КузГТУ, 2011. - №1. С.37-43].
Максимальное давление водяного пара при автоклавной обработке принимаем равным 0,9 МПа, поскольку известно, что при меньшем давлении автоклавный синтез практически не происходит [Боженов П.И. Технология автоклавных материалов. - Л.: Стройиздат, Ленингр. отд-ние, 1978. - 368 с.], а создание более высокого давления в вертикальной вскрывающей горной выработке затруднительно.
Режимы автоклавной обработки определены на основе испытаний физико-механических свойств указанной закладочной смеси после ее обработки в лабораторной автоклавной камере при следующих параметрах: выдержка закладочной смеси перед автоклавной обработкой - 2-10 часов; подъем температуры до +176°С - 0,75-4,5 часа; выдержка при максимальных температуре и давлении - 6-8 часов; снижение температуры и давления - 4-5 часов [Исаенко А.В. Исследование зависимости компрессионных свойств автоклавных закладочных материалов на основе топливных шлаков от параметров закладочной смеси /А.В.Исаенко, А.В.Угляница // Вестн. КузГТУ. - Кемерово, КузГТУ, 2011. - №1. - С.37-43].
2
2
3
2
3
3
Пример. Золошлаковую смесь ТЭЦ из гидроотвала Кемеровской ТЭЦ и негашеную кальциевую известь первого сорта измельчают в шаровой мельнице, чтобы крупность частиц не превышала 0,16 или 0,08 мм. Химический состав золошлаковой смеси ТЭЦ принимаем согласно таблице 1. Химический состав используемой извести: СаО - 94,00%, MgO - 1,99%, SiO - 1,00%, АlO - 1,05%, FeO - 1,07%, SO - 0,5%. Максимальную крупность частиц золы ТЭЦ принимали равной максимальной крупности частиц молотого шлака ТЭЦ.
При проведении лабораторных испытаний образцы изготавливают в лабораторном автоклаве (АЛ), предназначенном для проведения физико-химических обработок различных веществ и материалов нейтральными, кислыми и щелочными растворами при повышенной температуре и под давлением.
Обработку ведут по заданному температурному графику. Подъем и спуск температуры регулируют с помощью реостата. Давление контролируют с помощью манометра, установленного на автоклаве.
Режим автоклавной обработки принимают следующим: выдержка закладочной смеси перед автоклавной обработкой - 2 часа; подъем до температуры +176°С - 0,75 часа; выдержка при максимальных температуре и давлении - 6 часов; снижение температуры и давления - 5 часов.
В таблице 2 приведены исходные составы закладочных смесей (молотый шлак ТЭЦ указан как шлак, молотая негашеная кальциевая известь первого сорта - как известь, зола ТЭЦ - как зола). Изготавливают закладочную смесь с составом, соответствующим опыту №1 из таблицы 2, формуют образцы-цилиндры диаметром 71 мм и высотой - 20 мм; образцы-цилиндры диаметром и высотой 150 мм. Помещают их в автоклав, производят автоклавную обработку и остужают до комнатной температуры. Аналогично изготавливают различные составы закладочных смесей, указанные в таблице 2.
Испытывают образцы-цилиндры диаметром 71 мм и высотой - 20 мм и определяют относительную деформацию золошлакоизвесткового автоклавного материала методом компрессионного сжатия в соответствии с ГОСТ 12248-96 [ГОСТ 12248-96. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости. - Взамен ГОСТ 12248-78, ГОСТ 17245-79, ГОСТ 23908-79, ГОСТ 24586-90, ГОСТ 25585-83, ГОСТ 26518-85; введ. 1991-01-01. - М.: Стройиздат, 1996. - 64 с.]. Эту характеристику определяли по результатам испытаний образцов в компрессионном приборе (одометре), исключающем возможность бокового расширения образца при его нагружении вертикальной нагрузкой.
3
Предварительные испытания показали, что средняя плотность золошлакоизвестковых автоклавных материалов не превышает 1250 кг/м. При глубине стволов до 1000 м максимальное давление для определения компрессионных свойств золошлакоизвестковых автоклавных материалов 12,5 МПа, такой негативный вариант возможен при отсутствии сцепления закладочного массива с крепью ствола. Компрессия всех образцов, приведенных в таблице 2, при давлении 12,5 МПа составляет 0,00%.
Образцы-цилиндры диаметром и высотой 150 мм испытывают в соответствии с ГОСТ 12730.5-84 [ГОСТ 12730.5-84. Бетоны. Методы определения водонепроницаемости. - Взамен ГОСТ 12730.5-78, ГОСТ 19426-74; введ. 1985-01-07. - М.: Стандартинформ, 2007. - 12 с.] и определяют коэффициент фильтрации. Результаты испытаний образцов представлены в таблице 2.
Из таблицы 2 следует, что заявляемый технический результат, т.е. сокращение трудовых и материальных затрат, улучшение экологической обстановки в зоне ликвидируемой шахты достигается путем использования закладочной смеси, не применяя дорогие марочные бетоны на основе цемента, щебня и песка.