СОСТАВ ЗАКЛАДОЧНОЙ СМЕСИ Российский патент 2012 года по МПК E21F15/00 

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.

Никелевый шлам - отход химического производства, представляет собой тонкодисперсный порошок черного цвета с удельной поверхностью 3000-3500 см²/г, истинной плотностью 3,5-3,7 г/см³, средней плотностью 2,6-2,7 г/см³. Шлам содержит оксида никеля 92-93%, оксида алюминия 5-6%, нерастворимого остатка 2-3%, прокаленного остатка 85%, РН водной вытяжки 8-9.

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 [Al₂O₃] на [Ni₂О₃]. 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/м³ 1400-2500 насыпная плотность, кг/м³ 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.

Пример. Измельченный в шаровой мельнице до удельной поверхности S_уд=3500 см²/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.

Хемосорбционное взаимодействие горелой породы со шлакощелочным вяжущим обеспечивает водоупорность закладочного массива, при этом его коэффициент фильтрации не превышает К_ф≤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.

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при ликвидации вертикальных горных выработок как на действующих, так и на ликвидируемых горных предприятиях. Состав закладочной смеси включает, 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. Технический результат - повышение прочности, сокращение трудозатрат, снижение стоимости за счет использования вторичных ресурсов. 1 пр., 2 табл.

Состав закладочной смеси, содержащий молотый доменный гранулированный шлак и воду, отличающийся тем, что 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