СОСТАВ ЗАКЛАДОЧНОЙ СМЕСИ
COMPOSITION OF STOWING MIXTURE

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при ликвидации вертикальных горных выработок как на действующих, так и на ликвидируемых горных предприятиях.
При ликвидации шахт возникает ряд геологических 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. В РФ разрабатывать проект ликвидации шахт разрешено только проектным организациям, имеющим лицензию Ростехнадзора. Ликвидация шахт требует обязательного выполнения следующих работ: заполнение породой провалов, воронок, выемок, промоин, траншей, других углублений, связанных с деятельностью шахты.
Вертикальные шахтные стволы, а также стволы и шурфы с углом наклона более 45° с неудовлетворительной крепью должны быть полностью заполнены безусадочным водонепроницаемым материалом до уровня земной поверхности. Полученный закладочный массив должен предотвратить гидравлическую связь между водоносными горизонтами, выход рудничных газов на дневную поверхность и образование провалов на прилегающих к выработке территориях.
Принятый в настоящее время в качестве основного способ ликвидации вертикальных и наклонных стволов, сбоек, шурфов и других выработок путем простой засыпки перегоревшей породой, как показывает опыт, отличается ненадежной их ликвидацией, что в дальнейшем приводит к значительной деформации поверхности, образованию провалов, а также возникновению экологических проблем.
Наиболее реальным и доступным способом ликвидации вертикальных горных выработок является их закладка твердеющими смесями.
В случае закладки вертикальных горных выработок происходит компрессионное сжатие закладочного массива, т.е. его уплотнение под нагрузкой без возможности бокового расширения, поэтому прочностные и другие механические свойства закладочного материала являются очень важными.
Основные требования, предъявляемые к твердеющим смесям, - минимальная средняя плотность материала, высокая водонепроницаемость, т.е. коэффициент фильтрации менее 0,001 м/сут, минимальная величина компрессии, что достигается высокой прочностью закладочной смеси [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 №2270921, МПК E21F 15/00, опубл. 27.02.2006), включающая цемент, молотый доменный гранулированный шлак, молотый диабаз, измельченную солому, взятые в следующем соотношении компонентов, мас.%:
цемент
2,9-5,07
молотый гранулированный доменный шлак
15,21-16,914
молотый диабаз
52,24-53,22
измельченная солома
0,02-0,076
вода
остальное
Недостатком известной смеси является низкая прочность, многокомпонентность и присутствие дорогостоящего и дефицитного цемента.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является состав закладочной смеси (патент РФ №2186989, МПК E21F 15/00, опубл. 10.08.2002), включающий цемент, молотый доменный гранулированный шлак, аморфные осадки нейтрализации серной кислоты известняком, гидроксосульфат железа (III), воду, взятые в следующем соотношении компонентов, мас.%:
цемент
4,0-6,8
молотый гранулированный доменный шлак
9,7-16,5
аморфные осадки нейтрализации серной
кислоты известняком
31,7-40,8
вода
остальное
Недостатком данной смеси является низкая механическая прочность, дополнительная предварительная обработка аморфных осадков водным раствором гидроксосульфатом железа (III), что повышает трудозатраты при закладке вертикальных стволов, многокомпонентность смеси, а также использование дорогостоящего и дефицитного цемента.
Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в повышении прочности закладочной смеси, сокращении трудозатрат при закладке вертикальных стволов и снижении стоимости за счет использования вторичных материальных ресурсов - гидроксида натрия, никелевого шлама, горелых пород.
Указанный технический результат достигается тем, что состав закладочной смеси, содержащий молотый доменный гранулированный шлак и воду, согласно изобретению дополнительно содержит отходы химических производств - гидроксид натрия, никелевый шлам и горелые породы, используемые в качестве заполнителя, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
молотый доменный гранулированный шлак
10,20-12,70
гидроксид натрия
1,10-1,35
никелевый шлам
0,1-0,5
горелые породы
72,91-75,01
вода
остальное
Смешивая молотый доменный гранулированный шлак с гидроксидом натрия получают шлакощелочное вяжущее марки М400 и выше.
Использование в качестве вяжущего вещества молотого доменного гранулированного шлака с гидроксидом натрия становится возможным потому, что молотые доменные гранулированные шлаки имеют химический состав, подобный цементу. Затворение молотого доменного гранулированного шлака гидроксидом натрия приводит к образованию малорастворимых природных минералов смешанных натриево-кальциевых алюмосиликатов, гидрогранатов, цеолитов, тоберморитоподобных гидросиликатов [В.Д.Глуховский Грунтосиликаты. - Киев: Госстройиздат УССР. - 98 с.].
Химический состав молотых доменных гранулированных шлаков Кузбасса приведен в таблице 1.
Основная масса молотого доменного гранулированного шлака представляет собой изотропное пористое стекло, которое определяет гидравлическую активность шлака. Содержание стекла в исследуемом шлаке находится в пределах 88,0-95,0%.
Второй компонент шлакощелочного вяжущего представляет собой гидроксид натрия (едкий натр, каустическая сода), который получают на Кемеровском производственном объединении «Химпром» в качестве вторичного материального ресурса.
2
3
3
Никелевый шлам - отход химического производства, представляет собой тонкодисперсный порошок черного цвета с удельной поверхностью 3000-3500 см/г, истинной плотностью 3,5-3,7 г/см, средней плотностью 2,6-2,7 г/см. Шлам содержит оксида никеля 92-93%, оксида алюминия 5-6%, нерастворимого остатка 2-3%, прокаленного остатка 85%, РН водной вытяжки 8-9.
2
3
2
3
Введение никелевого шлама способствует интенсивному процессу гидратации шлакощелочного вяжущего, особенно в начальные сроки твердения, при этом период формирования структуры материала ускоряется на 30-36%. Высокая удельная поверхность никелевого шлама позволяет ему распределяться по поверхности зерен молотого доменного гранулированного шлака тонким мономолекулярным слоем и вступать в хемосорбционное взаимодействие с ним с образованием новых сложных гидратных соединений - водных щелочных алюмосиликатов и щелочных гидросиликатов с замещением [AlO] на [NiО]. Эти процессы способствуют быстрому нарастанию кристаллических образований, что ускоряет процесс гидратации, количество гидратных соединений увеличивается и повышается прочность твердеющей закладочной смеси.
В качестве заполнителя для закладки вертикальных горных выработок использовали горелые породы рационального зернового состава [Исаенко А.В. Обоснование и разработка технологии закладки вертикальных горных выработок горелыми породами, упрочненными вяжущими: автореф. дис. канд. техн. наук: 25.00.22 / Кузбасский государственный технический университет. - Кемерово, 2006. - 22 с.].
Характеристики физико-механических свойств используемых горелых пород Кузбасса имеют следующие значения [Исаенко А.В. Обоснование и разработка технологии закладки вертикальных горных выработок горелыми породами, упрочненными вяжущими: автореф. дис. канд. техн. наук: 25.00.22 / Кузбасский государственный технический университет. - Кемерово, 2006. - 22 с.]:
средняя плотность, кг/м<sup>3</sup>
1400-2500
насыпная плотность, кг/м<sup>3</sup>
1050-1400
пористость, %
3,6-32,1
водопоглощение по массе, % по массе
12,0-23,1
пустотность, %
22,0-44,0
предел прочности при сжатии, МПа
10,0-88,0 и более
морозостойкость, циклы
10-1000
Все горелые породы обладают высокой гидравлической активностью и не подвергаются ни одному из видов распада - железистому, известковому, силикатному.
Высокая щелочность среды шлакощелочного вяжущего активизирует зерна горелой породы с поверхности и они вступают в хемосорбционное взаимодействие со шлакощелочным вяжущим. На поверхности зерен горелой породы образуются низкоосновные гидросиликаты, обладающие высокой адгезией и к зернам горелой породы, и к щелочному вяжущему, в результате чего прочность и компрессионные свойства твердеющей закладочной смеси значительно повышаются.
Для решения рецептурно-технологических задач получения состава закладочной смеси использовали вероятностно-статистические, в том числе математические, методы планирования и обработки экспериментов.
уд
2
Пример. Измельченный в шаровой мельнице до удельной поверхности S=3500 см/г молотый доменный гранулированный шлак смешали с горелой породой, добавили никелевый шлам и затворили гидроксидом натрия, смесь тщательно перемешали. Из полученной смеси заформовали образцы-кубы размером 70×70×70 мм. Одни сутки образцы твердели в формах, затем их распалубили и хранили под слоем влажных опилок в течение 90 суток, после чего определили механическую прочность с использованием гидравлического пресса. Аналогично готовили и испытывали различные составы закладочных смесей. В таблице 2 приведены исходные составы закладочных смесей и результаты испытаний механической прочности образцов, приготовленных из этих смесей.
Таблица 2
Результаты изучения влияния составов закладочных смесей на прочность испытываемых образцов
№№ опытов
Расход при изготовлении закладочных смесей,мас.%
Прочность образцов на сжатие, МПа
молотый доменный гранулированный шлак
цемент
горелые породы
гидроксид натрия
вода
никелевый шлам
1
11,23
0
74,45
1,10
13,12
0,10
6,75
2
11,79
0
74,50
1,10
12,50
0,11
6,80
3
12,36
0
75,01
1,12
11,26
0,25
7,42
4
12,68
0
74,62
1,16
11,24
0,30
7,54
5
12,69
0
73,41
1,32
12,44
0,14
6,93
6
12,70
0
72,91
1,33
12,90
0,16
6,98
7
10,20
0
73,92
1,35
14,31
0,22
7,20
8
10,63
0
74,43
1,26
13,27
0,41
7,60
9
11,14
0
74,93
1,21
12,27
0,45
7,68
10
11,64
0
75,00
1,30
11,58
0,48
7,80
11
12,15
0
74,67
1,31
11,38
0,49
7,83
12
12,66
0
74,78
1,24
10,82
0,50
7,90
Прототип
16,37
6,73
31,7*
2,0**
43,20
0,00
4,35
* - аморфные осадки нейтрализации серной кислоты известняком;
** - гидроксосульфат железа (III).
Из таблицы 2 следует, что заявляемый технический результат увеличения механической прочности закладочных смесей достигается заменой дорогостоящего и дефицитного цемента, а также отсутствием дополнительной операции по обработке аморфных осадков раствором гидроксосульфата железа (III).
Как показали эксперименты, используя в качестве вяжущего вещества закладочной смеси шлакощелочное вяжущее с добавкой никелевого шлама получают закладочный массив с более высокой прочностью, не применяя дорогой и дефицитный в настоящее время цемент. Применение в качестве заполнителя горелых пород позволяет создать структурный каркас из прочных зерен горелой породы, который воспринимает на себя все внешние нагрузки, предотвращая боковое расширение. В результате применения горелых пород компрессия закладочного материала отсутствует, что является обязательным условием при закладке вертикальных стволов шахт (компрессия закладочного материала - его уплотнение под нагрузкой без возможности бокового расширения).
Высокая щелочность среды шлакощелочного вяжущего переводит никелевый шлам в активное состояние. Катионы никеля вступают в окислительно-восстановительные процессы гидратации вяжущего, в результате чего происходит ускорение образования новых гидратных соединений в кристаллической форме, что приводит к росту прочности вяжущего и всей закладочной смеси.
ф
Хемосорбционное взаимодействие горелой породы со шлакощелочным вяжущим обеспечивает водоупорность закладочного массива, при этом его коэффициент фильтрации не превышает К≤0,001 м/сут.
Применение горелой породы, никелевого шлама и гидроксида натрия позволит утилизировать материалы шахтовых террикоников и отходы химических производств, что значительно улучшит экологическую обстановку шахтовых городов.