CC BY
111
--------------------------------------- © Ю.И. Кураков, А.А. Алаторцев,
Е.И. Головина, 2009
УДК 662.622
Ю.И. Кураков, А.А. Алаторцев, Е.И. Головина
ГОРЕЛЫЕ ПОРОДЫ АНТРАЦИТОВЫХ ШАХТ В КОМПОЗИЦИОННЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛАХ
Описан новый композиционный материал на основе горелых пород для использования в качестве гидроизоляционных и антикоррозионных покрытий.
Ключевые слова: отходы угледобывающей промышленности, отвалы шахт, горелые породы, композиционные материалы.
Семинар № 1
J.I. Kurakov, A.A. Alatortsev,
E.I. Golovina
BURNT ROCKS OF ANTHRACITIC MINES IN COMPOSITE BUILDING MATERIALS
The new composite material on the basis of burnt rocks for waterproofing and anticorrosive coverings usage is described
Key words: coal-mining industry waste, mine dumps, burnt rocks, composite materials.
Т^оссийский Донбасс расположен в Р Ростовской области - одной из наиболее крупных и развитых районов юга России. Область является крупным поставщиком промышленных отходов. Ведущая роль в формировании отходов принадлежит предприятиям угледобывающей промышленности (шахты, обогатительные фабрики) и углепотребляющим (котельные, ТЭЦ, ТЭС, ГРЭС и др.). Отходы горного производства в значительной части могут быть использованы как вторичное минеральное сырье для различных отраслей промышленности.
Первые шахтные отвалы (терриконы) на территории Ростовской области были заложены в XIX веке. За более чем столетний период угледобычи сформировано 452 отвала шахт и обогатительных
фабрик. В том числе - 91 отвал по объединению «Ростовуголь». Только по этому объединению породными отвалами занято 821,9 гектаров земель, объем породы в отвалах - 125 млн. 995 тыс. м3. Преобладающие формы породных отвалов шахт - коническая (террикон) и хребтовая, характерные для старых шахт.
Плоские породные отвалы начали формировать в конце 60-х годов XX века с целью борьбы с самовозгоранием отвалов. На территории объединения «Ростовуголь» имеется 22 перегоревших породных отвала, в которых сосредоточено 22 млн. 69,8 тыс. м3 массы. Наиболее крупный породный отвал расположен вблизи ЦОФ «Несветай», г. Ново-шахтинск, объем отвала 4 млн. 881,8 тыс. м3. Самый мелкий имеет объем 5,6 тыс. м3- это отвал шахты «Синегорская» Белокалитвенского района.
Горящих породных отвалов имеется 12, самый крупный - групповой отвал г. Новошахтинска содержит 18 млн. 427,9 тыс. м горной массы, самый мелкий отвал шахты 17 Белокалитвенского района содержит 388 тыс. м3 горной массы.
Литологический состав пород, слагающих отвалы шахт и обогатительных фабрик, определяется составом вскры-
ваемых угленосных свит. Это свиты
С3 ^4 ^5 ^6 ^7 г
2,С,С,С,С среднего карбоната. В разрезе этих свит выделяется четыре ведущих литологических типов углевмещающих пород. Это песчаники различного состава и зернистости, алевролиты и песчано-глинистые сланцы, аргиллиты и глинистые сланцы, и карбонаты. Формирование фактического соотношения литологических типов пород в шахтных отвалах зависит от многих факторов. Это и исходный состав вскрываемых отложений, и способы вскрытия пластов и другие техногенные факторы. Сочетание генетических и техногенных факторов в конечном счете и определяет фактический литологический состав отвалов шахт и обогатительных фабрик. Особенности вещественного состава и физико-химических свойств породных отвалов позволяет рассматривать эти углепромышленные отходы как вторичное минеральное сырье. Горелые породы в зависимости от их литологического состава и степени термической обработки могут быть с уг-лепеком применяться в строительной индустрии в качестве одного из компонентов при производстве: бетонов, бетонных изделий (фундаментные блоки, перекрытия, тротуарная плитка, бардюр-ный камень и.т.д.), отощающих добавок при производстве кирпича, наполнителя пластмасс, наполнителя композиционных материалов на основе синтетических кау-чуков и т.д.
Отвальные горелые породы - продукт окислительного самообжига пустых пород, извлеченных вместе с углем на поверхность, содержат органическую часть (несгоревшие углистые примеси) и минеральную (обожженную в той или ной степени глинисто-песчанистую часть). Под действием кислорода воздуха уголь и сера окисляются и самовозгораются, породы подвергаются естест-
венному обжигу, в результате чего каолиниты, входящие в состав глинистых частиц обезвоживаются и приобретают свойства гидравлической добавки. Органические примеси при этом частично выгорают. По данным П.В. Богоявленского и других авторов [1], изучавших физико-химические свойства горелых пород Донецкого бассейна установлено, что температура самообжига шахтных пород и, в частности, террикона шахты им. Петровского достигает 1000°С. Несмотря на длительность и относительную равномерность обжига шахтных пород в терриконе имеются породы разной степени обожженности, о чем можно судить по окраске: серо-стальной, иногда черной, темно-красной и яркой красно-кирпичной. Подобная окраска свидетельствует о наличии областей различной степени окисления окислов железа, титана и др. наружная часть, где имеется постоянный приток кислорода и происходит полное выгорание углерода, содержит окисные формы железа. В следующей зоне железо присутствует в
виде Ре2 О3 и ¥въО4 и в центре находится форма, где железо иногда восстанавливается до металлического, обусловливая в изломе породы серостальной с металлическим блеском цвет.
Химический анализ 7 проб, взятых в разных точках террикона шахты им. Петровского, показал, что состав горелых пород данного террикона псевдоод-нороден и представлен следующими окислами (вес, %)
В связи со сложным полиминераль-ным составом горелых пород и вторичными изменениями, вызванными пиропроцессами, применялось комплексное минералого-метрогра-фическое исследование, включающее световую микроскопию, термический и рентгенографический анализы. В шлифе порода имеет разнозернистую структуру и сланцевую
Химический анализ проб горелой породы бывшей шахты им. Петровского
№ пробы Потери при прокал. 8іС2 ^2°3 ^2° CaO MgO Na.fi K 2O Влага гигроск.
1 0,88 65,9 7,2 19,0 2,1 0,3 0,81 0,26
2 0,85 62,8 11,7 18,6 2,1 0,5 0,74 0,38
3 0,96 65,8 8,8 18,8 1,4 0,5 0,94 0,47
4 2,64 65,3 6,9 18,7 1,7 2,7 0,10 0,60
5 0,30 67,1 10,0 16,7 2,8 0,4 0,15 0,13
6 0,30 69,9 6,1 18,6 1,7 0,5 0,17 0,15
7 0,81 67,7 6,6 19,4 2,1 0,3 0,60 0,33
Результаты анализа даны в % на воздушно-сухое вещество.
текстуру. Обломочный материал в породе представлен остроугольными обломками кварца и его модификациями. Основные минеральные разности пород
- это пластогенные минералы (кварц, полевые шпаты, слюда, аргиллит, глинистые минералы - каолинит, углистое вещество) и обожженный, частично остеклованный пелитовый материал. Эти разности являются цементирующей составляющей породы и определяют физико-химические особенности породы как сырья. Железистые примеси - пирит, сидерит придают породе окраски оранжевого, красного и бурого тонов. Углистые примеси находятся в измененной форме в виде полукоксовых и коксовых остатков и имеют строение, близкое к графиту.
Реакционная способность горелых пород определяется их химикоминералогическим составом и наличием в них активных модификаций окислов кремния, железа, алюминия. Получение этих веществ обусловлено нарушением молекулярных связей глинистых минералов при их дегидратации и дисперга-ции в процессе самообжига. Та активность, которой обладают горелые породы в естественном виде, недостаточна для получения строительных материалов. Необходима дополнительная активация: во-первых, механическая - из-
мельчение горелой породы до тонкости помола цемента. Необходимая и достаточная тонина помола до величины удельной поверхности 3000-3500 см2/г. Во-вторых, химическая активация -введение добавок. В качестве добавки нами предложено низкомодульное жидкое стекло (модуль 0,8-1,5; плотность 1,4-1,45 г/мс3). Молотая горелая порода с удельной поверхностью 3000-3500 см2/г в комплексе с низкомодульным жидким стеклом представляет собой двухкомпонентное минеральное вяжущее воздушного твердения.
Наполнение горелой породой обеспечивает более высокие физикомеханические показатели. Прочность и твердость, например, наполненных горелой породой композитов выше, чем у образцов аналогичного состава без горелой породы. Совместное использование в композите горелой породы и резиновой крошки также позволяет получить образцы покрытий с удовлетворительными механическими свойствами. Аналогичная закономерность наблюдается и в композитах, содержащих 4 массовых части глицерина.
Композиционные материалы на основе синтетического каучука СКДП-Н и отсева горелой породы были использованы в качестве гидроизоляционных покрытий плоских крыш, полов и др.,
промышленных и гражданских сооружений. Покрытие наносятся на бетонное, асфальтобетонное, деревянное основание при температуре окружающего воздуха от -10 до +40 °С. Оно обладает высокой адгезионной прочностью к основаниям, при укладке не требует специального дренирующего основания. Покрытие рекомендуется для эксплуатации в климатических зонах с температурой от -40 до +40 °С. Покрытие обладает стойкостью к тепловому и атмосферному старению, не нуждается в спецуходе и не требует дополнительных расходов на содержание.
Кроме того разработанный композиционный материал может быть использован в качестве гидроизоляционных и антикоррозионных покрытий:
- для работающей на «прижим» гидроизоляции подземных частей зда-
ний и сооружений, в том числе брыз-гальных бассейнов, бассейнов градирен ТЭС и АЭС, а также накопителей нейтральных, кислых и щелочных промстоков;
- для гидроизоляции и антикоррозийной защиты кирпичных, железобетонных, металлических конструкций, а также технологического оборудования, в том числе при газовой коррозии, при обливах кислыми и щелочными растворами;
- для защиты деревянных конструкций, железобетонных и металлических трубопроводов от воздействия грунтовых вод, в том числе с катодной защитой;
- для кровельных покрытий во всех климатических районах страны.
--------------------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Лапин А.А., Меркулова А.П., Посыльный В.Я. Причины самовозгорания породных отвалов в антрацитовых районах Восточного Донбасса. // Тр. ШахтНИУИ. - 1963. Т. 3. - С. 86-105.1ВШ
— Коротко об авторах
Кураков Ю.И., Алаторцев А.А., Головина Е.И. - Южно-Российский государственный технический университет, (Новочеркасский политехнический институт) Шахтинский институт ЮРГТУ (НПИ), Шахты, phisycs@yandex.ru
