Рациональные области использования сырья угольных разрезов

Ходыкин Е.И., канд. техн. наук, докторант, Фомина Е.В., канд. техн. наук, научный сотрудник, Николаенко М.А., асп., Лебедев М.С., студент Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова

РАЦИОНАЛЬНЫЕ ОБЛАСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СЫРЬЯ УГОЛЬНЫХ РАЗРЕЗОВ

mysha-nyk@yandex.ru

На основе обобщения достижений в области строительных композитов выявлена комплексная система управления рациональным использованием попутно-добываемого сырья угольных разрезов. Предложены некоторые пути решения проблемы использования многотоннажных объемов отходов добычи угля с расширением минерально-сырьевой базы стройиндустрии. Ключевые слова: угольные разрезы, строительные материалы, углеотходы

При современном уровне и масштабах потребления природных сырьевых материалов значение фактора полноты использования и вовлечения в производство техногенного сырья имеет первостепенное значение. Проблема отходов, создающих техногенные ландшафты, порождает, в свою очередь, проблему крупномасштабного экологического дисбаланса. В проблемах использования отходов наряду со всеми горнодобывающими гигантами не последнее место занимают месторождения добычи угля. Совершенствование структуры угледобычи осуществляется за счет опережающего развития открытого способа разработки.

Отходы добычи и обогащения углей в большинстве случаев не находят практического применения и являются многотоннажными техногенными

образованиями. В результате оказывается невостребованным большое количество природного минерального сырья. Наряду с этим происходит загрязнение прилегающих территорий и отчуждение полезных площадей.

В связи с этим актуальным является разработка технологий повышения

эффективности производства строительных композитов за счет рационального использования сырья угольных разрезов. Основным потребителем сформировавшегося объема отходов текущей добычи может стать отрасль по производству строительных материалов.

Анализ основных генетических типов разрабатываемых угольных месторождений на примере Коркинского угольного разреза, который является одним из самых крупнейшим в мире, позволил выявить рациональные области использования попутно-добываемых пород. Отходы Коркинского угольного месторождения характеризуются разнообразием в минералогическом и гранулометрическом составах и представлены крупными и мелкими обломками аргиллитов, алевролитов, песчаника, угля, глинистыми грунтами.

Положение в данной системе классификаций позволяет прогнозировать объем текущих расходов в зависимости от вида попутно-добываемой породы,

технологию производства и расширить области применения в различных строительных композитах с созданием безотходной технологии добычи угля (рис.1).

Кремнезем содержащий компонент ТМЦ и ВИВ

Компонент силикатного вяжущего

Заполнитель

для силикатного

кирпича и бетона

Композиционные вяжущие

Материалы автоклавного твердения

Активная минеральная добавка

\ Сульфоалюминатные добавки 1 Компонент сырьевой шихты

Цементная промышленность

Кристаллизационные добавки крентов

Пластическое сырье для стеновых материалов Отощители для стеновой керамики Сырье для

Керамические материалы

Дорожное строительство

Мелкозернистый заполнитель Крупнозернистый заполнитель Активный гранулированный заполнитель Рисунок 1 - Рациональные области использования сырья угольных разрезов

Минеральный порошок в асфальтобетон

Многокомпонентное вяжущее для укрепления конструктивных слоев автомобильных дорог

производства керамзита

Заполнитель для устройства дорожных одежд Грунт для отсыпки слоев насыпи

Весьма значительным и перспективным направлением использования отходов угледобычи является цементная

промышленность.

Промышленные испытания использования портландцементного шлама с углеотходами показали, что в процессе производства улучшается подготовка материала, повышается прочность гранул и спекаемость клинкера, увеличивается производительности

вращающейся печи. Характерной особенностью углеотходов является также повышенное содержание в них горючих органических облегчает подготовку и шихты, а благодаря энергетическому потенциалу сырьевой смеси с углеотходами, облегчает процессы клинкерообразования во

вращающейся печи. Уголь в сырьевой шихте, внесенный с углеотходами, способствует понижению расхода технологического топлива на обжиг и влияет на ускорение процессов минералообразования в клинкере. Таким образом, можно полагать, что применение углеотходов технически эффективно и экономически целесообразно.

На основе особенностей химико-минералогического состава отходов угледобычи и углеобогащения выявлено, что эти материалы могут использоваться как один из компонентов сырьевой шихты при производстве портландцемента и в ряде случаев заменить

веществ, что гомогенизацию повышенному

частично или полностью алюмосиликатные, кремнеземистые и железистые составляющие. Средний преобладающий диапазон колебаний химического состава углеотходов после добычи угля по разным пластам разреза следующий: 8102-40,87...61,27%, А120з-8,27... 19,23%, Ре20з-5,49...7,73%, Са0-2,54..4,77%, ^0-1,20...1,390% ППП-7,47...25,32%, летучие - 12,63...16,13%. Путем экспериментальной проверки

установлено, что предельное содержание углистых частиц в сырьевой шихте обеспечивает более равномерную грануляцию клинкера во вращающейся печи, снижается водопотребность и осаждаемость сырьевого шлама, растекаемость при хранении не изменяется. Помол данного клинкера проходит более интенсивно и позволяет повысить производительность мельниц на 5,2 %. Особенности химического состава углеотходов позволяют их использовать для получения добавок.

Вследствие высокого содержания кремнезема и глинозема отходы углеобогащения после удаления несгоревшего угля при прокаливании его при 600 оС в течение 30 минут, могут быть использованы в качестве активной минеральной добавки при помоле клинкера. Введение до 20% термообработанных углеотходов незначительно удлиняет сроки схватывания вяжущего. Испытания образцов цементного камня, твердеющего в воде при 20±2 оС, показали, что цементы с добавками

термообработанных углеотходов имеют молотого песка, или цемент без добавок (табл. показатели прочности выше, чем с добавками 1).

Таблица 1

Значение прочности цементного камня с добавками углеотходов

№ Вид добавки Количеств о добавки, % Прочность, МПа

при сжатии через при изгибе через

3 суток 7 суток 28 суток 3 мес. 3 суток 7 суток 28 суток 3 мес.

1 Без добавки - 34,8 64,0 15,4 97,3 9,33 11,58 14,61 16,72

2 Кварц 10 34,5 62,2 78,4 90,9 8,87 11,04 14,33 15,98

3 Кварц 20 32,1 54,8 76,5 90,1 8,64 10,61 13,92 15,96

4 Углеотход 5 34,7 70,3 82,3 104,6 9,35 11,81 14,78 17,03

5 Углеотход 10 35,1 66,1 83,4 101,1 9,31 12,38 14,92 17,21

6 Углеотход 20 33,9 63,6 81,1 98,6 9,12 11,22 15,01 16,14

По результатам дифференциально-термического анализа образцов цементного камня с активной минеральной добавкой из углеотходов количество портландита

существенно уменьшается, вследствие взаимодействия активной части минеральной добавки с Са(ОН)2, увеличивается содержание низкоосновных гидросиликатов кальция, а также гидроаллюминатов и

гидроалюмоферритов кальция, содержание высокоосновных гидросиликатов кальция при этом практически не меняется. Активизация процесса гидратации в результате применения термоактивированных углеотходов приводит к повышению прочности цемента при сжатии и изгибе, не снижая при этом интенсивности роста прочности при длительном твердении. Введение термоактивированных углеотходов в качестве активной минеральной добавки повышает содержание глинозёма в цементе, тем самым влияет на его сульфатостойкость. По результатам исследования сульфатостойкости и рентгенофазовому анализу удалось определить, что в результате образования низкоосновных гелеобразных гидросиликатов кальция и снижения содержания Са(ОН)2 увеличивает плотность цементного камня и повышается стойкость к гипсовой коррозии.

Установлена эффективность использования отходов углеобогащения в цементной сырьевой шихте для получения расширяющегося компонента, содержащего сульфоалюминат кальция. Разработаны оптимальные композиции сырьевой шихты расширяющего компонента на основе отходов углеобогащения, карбонатного компонента (мела или известняка) в соотношении 1:2,45 и 3-6% гипса в пересчёте на 803, при которых не снижается прочность и обеспечивается объемное расширение вяжущего при твердении в воде, или предотвращается

усадка при твердении на воздухе. Введение в цемент сульфоалюминатных добавок в количестве 10-20% позволяет значительно повысить прочность цементного камня при изгибе и сжатии. В результате статистической обработки испытаний прочностных

характеристик удалось выявить высокие значения коэффициентов корреляции (выше 71%), что свидетельствует о наличии устойчивой линейной зависимости между функциями и аргументами. В соответствии с результатами математического моделирования, связывающими прочностные свойства смешанного вяжущего и деформации расширения с составом сырьевой шихты для получения расширяющего компонента и его дозировкой в цементе выявлено, что максимальные относительные деформации расширения смешанного вяжущего достигают 0,32...0,34% при водном твердении цементного камня.

На основе углеотходов разработаны условия получения кристаллизационных добавок-крентов. Углеотходы с удельной поверхностью 300 м2/кг, подвергались термообработке при температуре 800± 10оС в течение 30 мин. В результате обжига происходит выгорание углистых включений в углеотходах, кварц претерпевает полиморфные превращения из в формы в более активный а кварц. Глинистые минералы высыхают и дегидратируют, происходит их аморфизация, что также повышает их активность. Происходят полиморфные превращения полевых шпатов, выделяется кремнезем в виде кристобалита. После обжига материалы активизировались в результате обработки концентрированной серной кислотой до состояния пластичности, соответствующего вязкости теста при стандартной величине, равной водопотребности

цемента. В результате обработки серной кислотой образуются сульфаты алюминия, кальция и железа, которые взаимодействуя с минералами цементного камня ускоряя их гидратацию и твердение.

Добавки крентов при дозировках 1...3% активизируют процессы гидратации цемента с получением высокой марочной прочности цементного камня. Экспериментальным путем установлено, что введение крентов повышает прочность цементного камня до 35%, особенно в ранние сроки твердения. Образование при гидратации дополнительного количества эттрингита позволяет получить безусадочный и даже расширяющийся цементы.

Выделяются и другие перспективные направления использования техногенного сырья. Разработаны составы активного

гранулированного заполнителя, полученного на опоке Коркинского месторождения для получения конструкционно-теплоизоляционных бетонов [1]. Получаемые бетонные изделия, включающие гранулированный

композиционный заполнитель, прошедшие тепловлажностную обработку при атмосферном давлении отличаются пониженной

теплопроводностью и водонепроницаемостью.

Наряду с этим, как показывает практика, термоактивированные кремнеземсодержащие материалы могут быть сырьем для производства композиционных вяжущих, использование которых позволит сократить расход цемента в составе вяжущего и сократить энергоемкость при помоле сырьевых материалов [2].

Возвращаясь к рациональной области использования, следует отметить, что отходы углеобогащения могут использоваться как выгорающие добавки и отощители в производстве керамических материалов [3], эффективны при производстве материалов автоклавного твердения.

Кроме того, была доказана экономическая эффективность внедрения разработанных составов грунтобетона на основе техногенного глинистого сырья, укрепленного известью при устройстве дорожных одежд. Анализ

прочностных характеристик вяжущего показал, что наиболее высокую прочность на 90-е сутки твердения равную 8,37 МПа имеет состав, содержащий техногенный компонент глину опоковидную с удельной поверхностью 650м2/кг, с содержанием извести 20% и воды -20% от массы смеси [4]. Укрепленные комплексным вяжущим материалы могут быть использованы при устройстве конструктивных слоев автомобильных дорог - верхних и нижних слоев оснований на дорогах облегченного и переходного типа покрытий, а также нижних слоев оснований на дорогах более высоких категорий.

Все или часть этих достоинств могут быть реализованы при одновременном повышении качественных показателей получаемых изделий. Применение углеотходов в производстве различных классов строительных материалов целесообразно технологически, технически и экономически.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Мосьпан, В.И. Перспективы использования кремнеземсодержащего сырья для получения гранулированного заполнителя легких бетонов / В.И. Мосьпан, Е.И. Ходыкин, Л.Н. Соловьёва // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова - Белгород: Изд-во БГТУ, 2008. - № 1. - С. 9-11.

2. Лесовик, В. С. Разработка композиционного вяжущего на основе кремнеземистых пород / В. С. Лесовик, В.В. Строкова, Е.И. Ходыкин, А.Н. Кривенкова // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова -Белгород: Изд-во БГТУ, 2009. - № 1. - С. 25-28.

3. Евтушенко, Е.И. Искусственные керамические вяжущие суспензии на основе кремнеземсодержащих материалов / Е.И. Евтушенко, Е.И. Ходыкин, И.Ю. Морева, В. А. Дороганов, М.С. Агеева // Строительные материалы, 2008. - №8. - С. 78-79.

4. Лютенко, А. О. Композиционное вяжущее на основе отходов Коркинского угольного месторождения / А.О. Лютенко, М.А. Николаенко, М.С. Лебедев // «Строительство - 2009»: Материалы юбилейной международной научно-практической конференции. Ростов-на-Дону: РГСУ, 2009. - С. 123 - 124.