Фильтрационные свойства горелых пород, активизированных известью Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 622.257.1

А.В. Угляница, А.В. Исаенко

ФИЛЬТРАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ГОРЕЛЫХ ПОРОД, АКТИВИЗИРОВАННЫХ ИЗВЕСТЬЮ

Закрытие шахты — очень сложный, комплексный процесс, при котором возникает множество геоэкологических проблем. К таким проблемам относятся: оседание земной поверхности, вследствие оставления выработанного пространства, подтопление территорий, возможность прорыва шахтных вод в соседние, действующие шахты, наличие гидравлической связи между водоносными горизонтами, выделение вредных газов и выход их на дневную поверхность, возможность возникновения эндогенных пожаров, терриконики из горелых пород, которые необходимо рекультивировать и др. Кроме этого, закрытие шахты сопряжено с социальными последствиями, такими как снос, реконструкция, замена социальной инфраструктуры и жилищного фонда, социальные выплаты и многими другими. Вследствие выше перечисленного, закрытие шахты в денежном отношении сопоставимо с ее строительством. При закрытии шахты необходимо при минимальных материальных затратах нанести наименьший урон экосистеме региона.

В Кузбассе при ликвидации вертикальных стволов шахт, в соответствии с требованиями инструкции [1], стволы засыпают пустыми породами из шахтных отвалов.

Выполненные в КузГТУ исследования фильтрационных свойств горелых пород позволили установить, что их песчаная фракция («—5» мм) обладает значительной проницаемостью и, следовательно, горелые породы шахтных отвалов без проведения специальных мероприятий по уменьшению их проницаемости не могут служить закладочным материалом для вертикальных вскрываю-

щих выработок [2, 3].

Как известно, горелые породы при активизации их вяжущим становятся достаточно прочным материалом [4]. В этой связи в КузГТУбыли выполнены исследования по определению фильтрационных свойств горелых пород, консолидированных известью и цементом.

При этом определяли зависимость водонепроницаемости горелых пород, консолидированных вяжущим от степени заполнения пустот, сроков

твердения и гранулометрического состава. Водонепроницаемость определяли по коэффициенту фильтрации в соответствии с ГОСТом — 12730.5 — 84 «Бетоны. Методы определения водонепроницаемости» [5].

Для определения зависимости коэффициента фильтрации от гранулометрического состава были выполнены предварительные исследования по определению зависимости фильтрационных свойств горелых пород консолидированных вяжущим от гранулометрического состава. Для испытаний применяли отсев горелой породы (фракции «—5» мм), более крупную фракцию не использовали, рассматривая ее как водонепроницаемый заполнитель. Было испытано 120 образцов с различным гранулометрическим составом. Испытания производили в течение 12 месяцев.

Шаг заполнения пустот принимали равным 25 %, модуля крупности — 1 и остатка на сите — 20 %. Было испытано 4 группы образцов с заполнением пустот без виброперемешивания на 100, 75, 50 и 25 %.

Для испытания применяли бетонные образцы-цилиндры с Б = 150 мм, и высотой Н = 150 мм. Отклонения для всех образцов не превышали ± 0,5 мм.

Для изготовления образцов

использовали отсев горелой породы (фракции «—5» мм), известь, цемент и воду. Образцы изготавливали следующим образом: горелую породу тщательно перемешивали с расчетным количеством извести и цемента, приготовленную смесь помещали в цилиндрические металлические разъемные формы и проливали расчетным количеством воды. Поверхность свежеприготовленных образцов выравнивали.

Предварительные исследования показали, что фильтрационные свойства горелых пород консолидированных вяжущими не зависят от гранулометрического состава, а зависят от степени заполнения пустот и сроков твердения.

Для определения влияния степени заполнения пустот и сроков твердения на коэффициент фильтрации горелых пород, консолидированных вяжущим, использовали отсев горелых пород с Мк = 3 и А0,63 = 60 % (естественный состав отобранный на терриконике ш. Ягунов-ская).

Каждая группа образцов, с одинаковым гранулометрическим составом, с учетом возможной отбраковки, состояла из 10 образцов. Если на поверхности образцов имелись трещины шириной более 0,1 мм, раковины размером более 5 мм или другие дефекты, связанные с плохим уплотнением бетонной смеси, эти образцы испытаниям не подвергали. Если число образцов, признанных негодными, составляло более двух, браковали всю группу. Образцы хранили в камере нормального твердения при температуре (20±2) °С и относительной влажности более 95 %. Перед испытанием образцы выдерживали в помещении лаборатории до момента, пока изменение массы образца

34

А.В. Угляница, А.В. Исаенко

Результаты исследования фильтрационных свойств бетонов на основе горелых пород (фрагмент)

Возраст АР, Кф, м/ сут Кфср, м/

образцов МПа Образец 1 | Образец 2 | Образец 3 | Образец 4 | Образец 5 | Образец 6 сут

Пустоты заполнены на 100 %

0,647 0,590 0,632 0,599 0,580 0,600

0,598 0,592 0,609 0,603 0,590 0,623

1 мес 0,1 0,598 0,600 0,590 0,599 0,592 0,632 0,6028

0,620 0,600 0,597 0,600 0,590 0,615

0,600 0,603 0,599 0,601 0,589 0,619

0,596 0,605 0,598 0,610 0,590 0,620

8 мес. 1,35 0,0008 0,0008 0,0008 0,0008 0,0008 0,0008 0,0008

9 мес. 1,35 0,0005 0,0005 0,0005 0,0005 0,0005 0,0005 0,0005

10 мес. 1,35 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001

11 мес. 1,35 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,00

( 0,00 )

12 мес. 1,35 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,00

Пустоты заполнены на 75 %

1,000 0,970 1,001 0,990 0,980 0,980

1,002 0,980 1,002 1,000 0,980 0,990

1 мес. 0,1 1,003 0,980 1,002 1,000 0,970 1,000 0,9924

1,002 0,990 1,001 1,000 1,002 1,001

1,002 0,990 1,000 0,980 1,002 0,980

1,002 1,000 0,980 1,001 1,003 1,000

0,024 0,022 0,023 0,021 0,025 0,024

0,024 0,023 0,023 0,021 0,024 0,025

12 мес. 0,6 0,024 0,024 0,22 0,020 0,024 0,024 0,02321

0,023 0,025 0,024 0,020 0,024 0,025

0,023 0,024 0,023 0,019 0,024 0,024

0,022 0,023 0,022 0,021 0,024 0,024

Пустоты заполнены на 50 %

1,583 1,583 1,571 1,561 1,574 1,570

1,585 1,580 1,573 1,560 1,573 1,568

1 мес. 0,1 1,601 1,580 1,574 1,560 1,571 1,566 1,5732

1,593 1,575 1,573 1,562 1,570 1,567

1,592 1,573 1,575 1,561 1,571 1,567

1,595 1,574 1,576 1,560 1,570 1,566

0,093 0,097 0,100 0,103 0,102 0,101

0,094 0,096 0,099 0,102 0,0101 0,100

12 мес. 0,2 0,092 0,093 0,098 0,100 0,101 0,098 0,0971

0,095 0,098 0,098 0,099 0,100 0,099

0,096 0,096 0,097 0,099 0,099 0,098

0,095 0,098 0,096 0,098 0,099 0,097

Пустоты заполнены на 25 %

5,365 5,352 5,356 5,361 5,339 5,360

5,360 5,351 5,357 5,362 5,342 5,359

1 мес. 0,1 5,359 5,359 5,355 5,359 5,344 5,360 5,3553

5,358 5,362 5,357 5,358 5,340 5,359

5,359 5,360 5,359 5,357 5,339 5,358

5,360 5,359 5,355 5,357 5,341 5,358

1,925 1,926 1,925 1,924 1,926 1,924

1,926 1,925 1,925 1,925 1,925 1,925

12 мес. 0,1 1,927 1,924 1,923 1,925 1,926 1,926 1,9244

1,926 1,925 1,924 1,924 1,924 1,924

1,926 1,924 1,925 1,924 1,922 1,924

1,927 1,923 1,925 1,925 1,921 1,925

за сутки составляло < 0,1 %. таллическими обоймами зали- Перед началом испытаний

Зазор между приготовленными вали расплавленным битумом. проверяли образцы на надеж-

к испытаниям образцами и ме- ность герметизации и дефек-

тивность путем оценки характера фильтрации инертного газа, подаваемого при избыточном давлении 0,1 — 0,3 МПа к нижнему торцу образца, на верхний торец которого был налит слой воды. При удовлетворительной герметизации боковой поверхности образцов в обойме и отсутствии в нем дефектов фильтрация газа наблюдалась в виде равномерно распределенных пузырьков, проходящих через слой воды. При неудовлетворительной герметизации боковой поверхности образцов в обойме или при наличии в образцах крупных дефектов фильтрация газа наблюдалась в виде обильного местного выделения в дефектных местах. Дефекты герметизации боковой поверхности устраняли повторной герметизацией образцов. При наличии в образце отдельных крупных фильтрующих каналов образцы заменяли другими.

Образцы в обоймах крепили в поворотных гнездах экспериментальной установки и к их торцевой поверхности подавали воду. Установка позволяла собирать фильтрующуюся через образец воду, не допуская ее испарения. Вода по ГОСТ 23732

— 79, применяемая для испытаний, была предварительно деза-эрирована кипячением более 1часа и не содержала агрессивных и кольматирующих частиц.

Давление воды увеличивали ступенями по 0,1 МПа с выдержкой на каждой ступени 1 ч. Подъем давления прекращали при появлении фильтрата, и определяли коэффициент

фильтрации.

Для каждого образца измеряли количество профильтровавшейся воды 6 раз. Первое измерение проводили через 1 час после начала фильтрации, при этом прирост количества профильтровавшейся воды при трех последовательных измерениях с интервалом 30 мин не должен был превышать 20 %. Дальнейшие замеры производили каждые 30 мин.

Если при максимальном давлении 1,3 МПа не наблюдалась фильтрация в течение 96 ч, испытания прекращали.

Измерение количества фильтрата проводили объемным методом, собирая воду, прошедшую через образец.

Коэффициент фильтрации

Кф = Л~— к, см/с ф 8тЛР

где 8 — толщина образца, см (8 = 15 см); £ — площадь образца, см2 (£ = 177 см2);

т — время, в течение которого измеряется объем фильтрата, с; АР = Р1 - Р2 — перепад давления на входе Р\ и выходе Р2 из образца (Р\ принимали равным избыточному давлению в системе установки, а Р2 = 0 при

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

условии свободного истечения фильтрата с поверхности образца); п — коэффициент, учитывающий вязкость воды при различной температуре (т. к. температура воды составляла 20оС принимали п = 1,0); к — коэффициент, учитывающий влияние диаметра образца (т. к. диаметр образцов составляет Б = 15 см принимали к = 1).

Вычисленные значения Кф для серии образцов выписывали в возрастающем порядке, после чего вычисляли среднее значение Кф как среднеарифметическое результатов определения для третьего и четвертого образцов [6].

Как известно, коэффициент фильтрации в бетонных образцах значительно сокращается в течение времени (может

уменьшиться в 500 раз в течение года). Нами проводились испытания на протяжении года с интервалом 1 месяц (таблица).

Как следует из таблицы, в возрасте 8 месяцев образцы с заполнением пустот на 100 % по коэффициенту фильтрации

можно отнести к водоупорам [7]. Таким образом, в результате выполненных исследований

установлено, что консолидированные вяжущим горелые породы вполне пригодны для закладки вертикальных вскрывающих выработок.

1. Инструкция о порядке ведения работ по консервации опасных производственных объектов, связанных с пользованием недрами. - М.: Госгортехнадзор РФ, 1999.

2. Исследование фильтрационных свойств горелых пород шахтных отвалов / Угляница А.В., Исаен-ко А.В.//Вестн.КузГТУ. 2001. № 4. С. 51 - 54.

3. Исследование компрессионных свойств горелых пород шахтных отвалов / Угляница А.В., Исаен-ко А.В.//Вестн.КузГТУ. 2002. № 1. С. 49 - 50.

4. КнигинаГ.И. Строительные материалы из горелых пород. — М.: Стройиздат, 1966. - 205с.

5. ГОСТ — 12730.5 — 84 «Бетоны. Методы определения водонепроницаемости». — М.: Издательство стандартов, 1984. - 10 с.

6. ЛещинскийМ.Ю. Испытание бетона: Справ. пособие. — М.: Стройиздат, 1980. - 360 с.

7. Справочное руководство гидрогеолога. 3-е изд., перераб. и доп. Т. 1 / В.М. Максимов, В.Д. Бабушкин, Н.Н. Веригин и др. Под ред. В.М. Максимова. — Л., Недра, 1979. - 512 с.

□ Авторы статьи:

Угляница Исаенко

Андрей Владимирович Алексей Владимирович

- докт.техн.наук, проф.,зав. каф. «Тех- - ст.преп.каф.«Технология строи-

нология строительного производства» тельного производства»