Состав закладочной смеси
Владельцы патента RU 2563902:
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева" (КузГТУ) (RU)
Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при ликвидации вертикальных горных выработок как на действующих, так и на ликвидируемых горных предприятиях. Технический результат заключается в повышении прочности закладочной смеси, сокращении трудозатрат при закладке вертикальных стволов и снижении стоимости. Состав закладочной смеси включает компоненты при следующем соотношении, мас. %: молотый гранулированный отвальный 10,20-12,70; фьюминговый шлак оловопроизводства гидроксида натрия 1,10-1,35; горелые породы 72,91-75,01; вода остальное. 2 табл.
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, не гарантирует надежной их ликвидации, 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 Ε21F 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 Ε21F 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 |
| гидроксосульфат железа (III) | 1,2-2,0 |
| вода | остальное |
Недостатком данной смеси является низкая механическая прочность, дополнительная предварительная обработка аморфных осадков водным раствором гидроксосульфата железа (III), что повышает трудозатраты при закладке вертикальных стволов, многокомпонентность смеси, а также использование дорогостоящего цемента.
Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в повышении прочности закладочной смеси, сокращении трудозатрат при закладке вертикальных стволов и снижении стоимости за счет исключения цемента и доменного гранулированного шлака, а использования вторичных материальных ресурсов - гранулированного отвального фьюмингового шлака оловопроизводства, гидроксида натрия, горелых пород.
Указанный технический результат достигается тем, что состав закладочной смеси содержит гидроксид натрия, горелые породы в качестве заполнителя и воду, согласно изобретению дополнительно содержит молотый гранулированный отвальный фьюминговый шлак оловопроизводства при следующем соотношении компонентов, мас. %.
| молотый гранулированный отвальный фьюминговый | |
| шлак оловопроизводства | 10,20-12,70 |
| гидроксид натрия | 1,10-1,35 |
| горелые породы | 72,91-75,01 |
| вода | остальное |
Смешивая молотый гранулированный отвальный фьюминговый шлак оловопроизводства с гидроксидом натрия, получают шлакощелочное вяжущее марки М400 и выше.
Использование в качестве вяжущего вещества молотого гранулированного отвального фьюмингового шлака оловопроизводства с гидроксидом натрия становится возможным потому, что молотый гранулированный отвальный фьюминговый шлак оловопроизводства имеет химический состав, подобный цементу. Затворение молотого гранулированного отвального фьюмингового шлака оловопроизводства гидроксидом натрия приводит к образованию малорастворимых природных минералов смешанных натриево-кальциевых алюмосиликатов, гидрогранатов, цеолитов, тоберморитоподобных гидросиликатов.
Химический состав молотого гранулированного отвального фьюмингового шлака оловопроизводства приведен в таблице 1.
Основная масса молотого гранулированного отвального фьюмингового шлака оловопроизводства представляет собой изотропное пористое стекло, которое определяет гидравлическую активность шлака. Содержание стекла в исследуемом шлаке находится в пределах 95,0-98,0%.
Второй компонент шлакощелочного вяжущего представляет собой гидроксид натрия (едкий натр, каустическая сода), который получается в качестве вторичного материального ресурса на предприятиях химической промышленности.
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. Авторефер. дис. канд. техн. наук: 25.00.22 /Кузбасский государственный технический университет.- Кемерово, 2006. - 22 с.].
| средняя плотность, кг/м3 | 1400-2500 |
| насыпная плотность, кг/м3 | 1050-1400 |
| пористость, % | 3,6-32,1 |
| водопоглощение по массе, мас.% | 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.
Пример. Измельченный в шаровой мельнице до удельной поверхности Sуд=3500 см /г молотый гранулированный отвальный фьюминговый шлак оловопроизводства смешали с горелой породой и затворили гидроксидом натрия, смесь тщательно перемешали. Из полученной смеси формовали 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 смесей и результаты испытаний механической прочности образцов, приготовленных из этих смесей.
Из таблицы 2 следует, что заявляемый технический результат увеличения механической прочности закладочных смесей достигается заменой дорогостоящего и дефицитного цемента, а также по сравнению с прототипом отсутствием дополнительной операции по обработке аморфных осадков раствором гидроксосульфата железа (III).
Как показали эксперименты, используя в качестве вяжущего вещества закладочной смеси молотый гранулированный отвальный фьюминговый шлак оловопроизводства, получается более высокая прочность закладочной смеси, 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 принимает на себя все внешние нагрузки, включая и боковое расширение. В результате применения горелых пород компрессия закладочного материала отсутствует, что является важным условием при закладке вертикальных стволов шахт (компрессия закладочного материала - его уплотнение под нагрузкой без возможности бокового расширения).
Анализ полученных результатов показал, что, используя в качестве алюмосиликатного компонента вяжущего молотый гранулированный отвальный фьюминговый шлак оловопроизводства, можно получить активное вяжущее для закладочной смеси. Это объясняется присутствием в составе гранулированного отвального фьюмингового шлака оловопроизводства многовалентных переходных металлов с переменной валентностью железа, олова, ванадия в суммарном количестве от 22 до 24%. Повышенное содержание названных катионов в щелочной среде способствует протеканию в алюмосиликатной щелочной системе процессов с переносом зарядов. Ионы черырехвалентного олова являются хорошими акцепторами электронов в щелочной среде, они принимают электроны на 4 д- и 5 д-подуровни, способствуют протеканию окислительно-восстановительных процессов в твердеющей системе вяжущего в закладочной смеси.
Хемосорбционное взаимодействие горелой породы со шлакощелочным вяжущим из молотого гранулированного отвального фьюмингового шлака оловопроизводства повышает и водонепроницаемость закладочной смеси, при этом коэффициент фильтрации закладочного массива не превышает Кф≤0,001 м/сут.
Применение горелой породы, гранулированного отвального фьюмингового шлака оловопроизводства и гидроксида натрия позволит утилизировать материалы шахтовых терриконников, отходы химических производств, отходов оловопроизводства, что значительно улучшит экологическую обстановку шахтовых городов и всего Кузбасса.
Состав закладочной смеси, содержащий гидроксид натрия, горелые породы в качестве заполнителя и воду, отличается тем, что дополнительно содержит молотый гранулированный отвальный фьюминговый шлак оловопроизводства, при следующем соотношении компонентов, масс. %.
| молотый гранулированный отвальный | |
| фьюминговый шлак оловопроизводства | 10,20-12,70 |
| гидроксид натрия | 1,10-1,35 |
| горелые породы | 72,91-75,01 |
| вода | остальное |
