Использование пород шахтных отвалов для устройства земляного полотна Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

СТРОИТЕЛЬСТВО

УДК 622.3.002.8:625.075

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОРОД ШАХТНЫХ ОТВАЛОВ ДЛЯ УСТРОЙСТВА ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА

© 2007 г. Н.И. Буравчук, О.В. Гурьянова, М.А. Айрапетьян

Современный научно-технический прогресс позволяет в широком масштабе утилизировать многочисленные отходы производства путем замены традиционных первичных видов сырья и материалов отходами и использовать их в строительстве при высоком экономическом эффекте.

Следует отметить, что на данный момент разработаны и опробованы на практике достаточно совершенные технологические и технические решения многостороннего использования отходов добычи и сжигания углей в дорожном строительстве, в технологии строительных материалов и бетонов [1, 2], что дает основание для распространения имеющегося опыта и технологий, ориентированных на местное сырье, на другие отрасли. Особенно это актуально, если объект строительства находится в непосредственной близости от местонахождения техногенного сырья. При использовании таких материалов, кроме экономии природного минерального сырья, сокращаются затраты на транспортные расходы по его доставке к месту потребления, решаются некоторые экологические задачи по снижению негативного воздействия породного отвала на окружающую среду вблизи его расположения.

Примером такого комплексного подхода к проблемам энерго-, ресурсосбережения и утилизации промышленных отходов является использование пород шахтных отвалов при строительстве подъездной железной дороги от шахты «Садкинская» до железно -дорожного пути общего пользования. Для устройства земляного полотна подъездного железнодорожного пути использованы породы шахтных отвалов.

В технологии возведения земляного полотна применяют грунты, а также отходы промышленного производства, которые по своим физико-механическим свойствам способны обеспечить прочность, устойчивость и долговечность земляного полотна, минимальные расходы на его возведение и содержание, перспективное развитие железнодорожной линии.

Исследования по оценке возможности использования шахтных пород для устройства земляного полотна железнодорожных путей выполнены на примере породных отвалов шахт № 17 и «Севрюговская», расположенных в пос. Синегорский Ростовской области.

Шахтные породы представлены осадочными породами, претерпевшими изменения при термическом воздействии, химическом и физическом выветривании. В отвале породная масса является многокомпо-

нентной системой и представлена смесью углистых алевролитов, аргиллитов, песчаников, известняков, соотношения между которыми изменяются в довольно широких пределах. В породной массе отвалов содержатся сильно и слабо измененные при обжиге породы. Цементирующая масса породы сложена бурым пелитовым материалом, обожженным и частично остеклованным. Стекловидная фаза представлена стеклом в основном мелилитового состава. Наличие в горелых породах обломочного материала, скрепленного пелитовым и кремнеземистым природным цементом до состояния конгломерата, обеспечивает их высокую водостойкость и механическую прочность, усиленную горным давлением и термической обработкой.

Несгоревшие частицы топлива, присутствующие в качестве примесей, в разной степени метаморфизова-ны, отличны от исходного состояния и находятся в виде кокса и полукокса и графитизированного углистого вещества. К вредным примесям относятся необожженные и малообожженные породы, несгорев-шие частицы угля, мелочь (пыль), соединения серы, непогасившиеся оксиды кальция и магния, образовавшиеся при обжиге карбонатных пород.

Состав пород и их свойства нестабильны. Это один из главных сдерживающих факторов широкомасштабного использования шахтных пород. Однако из шахтных пород можно получить кондиционное сырье и продукцию, соблюдая определенные технологические приемы при их подготовке и переработке.

Долговременная служба любой конструкции может быть обеспечена тогда, когда материал конструкции соответствует условиям ее эксплуатации. Для обеспечения надежной сопротивляемости конструкции возрастающим нагрузкам в течение всего срока службы необходимо, чтобы энергия структурных связей в материале конструкции постоянно увеличивалась. Это возможно при условии наличия в конструкции самоуплотняющейся системы. Создавать монолитную самоуплотняющуюся систему без введения связующего вещества могут материалы из горелых и перегоревших шахтных пород. Эта способность пород обусловлена их химическим и минеральным составом, структурными особенностями, крупностью. Материалы из шахтных пород определенного фракционного состава обладают способностью с течением временем образовывать монолит повышенной несущей способности. В этом случае омоноличивание материала про-

исходит за счет наличия в горелых и перегоревших породах активных компонентов, обладающих свободной энергией и способных проявлять вяжущие свойства. Немаловажную роль играет природа поверхности минеральных частиц, наличие активных поверхностных центров, отличающихся повышенным энергетическим потенциалом [3]. Появление таких центров на поверхности горелых и перегоревших шахтных пород обусловлено спецификой их происхождения и связано с наличием ряда структурных дефектов, возникающих при физико-химических процессах, происходящих при высокотемпературном обжиге углесодержащих шахтных пород. Наличие этих активных центров оказывает структурирующее действие при формировании массива насыпи.

Для принятия решения об утилизации шахтных пород в конструкции земляного полотна железнодорожного пути они должны быть подвергнуты определенной последовательности уровней оценки по различным критериям.

Первый уровень - химический состав. Химический состав пород представлен в основном оксидами кремния, алюминия, железа. Содержание кислотных оксидов составляет более 70 %, и породы можно характеризовать как кремнисто-глиноземистые. По модулю основности, учитывающему соотношение кислотных и основных оксидов, породы относятся к кислым. По значению глинитно-железистого модуля исследуемые породы принадлежат группе активных и высокоактивных аргиллитов

Второй уровень - экологические характеристики. По данным полуколичественного спектрального анализа, в породных массах изучаемого шахтного отвала содержание тяжелых металлов невелико и эти породы относятся к классу неопасных отходов; по величине эффективной удельной активности радионуклидов породы относятся к I классу материалов, на применение которых нет ограничений.

Третий уровень - минералого-петрографическая характеристика. По литологическому составу породной массы отвалы относятся к песчанисто-глинистым (содержание песчаников составляет до 30 %). Состав глинистой фракции - гидрослюдистый с примесью каолинита и хлорита. Глины в угольных пластах настолько уплотнились под влиянием горного давления, что утратили свою пластичность. Глинистое вещество уже обезвожено и сильно видоизменено в процессе самообжига.

Дериватографические исследования характеризуют исследуемые горелые породы как термически инертный материал, что свидетельствует об относительной полноте прошедшего в условиях отвала самообжига. При рентгенографическом исследовании пород выделены следующие основные кристаллические минералы: кварц и его модификации; железо в форме магнетита и гематита; глинистое вещество в виде корунда и муллита. В качестве второстепенных минералов присутствуют каолинит, полевые шпаты

Четвертый уровень - реакционная способность. Горелые породы способны проявлять физико-хими-

ческую и скрытую гидравлическую активность. В минеральной части горелых пород содержатся в значительном количестве глинистые, железистые и кремнеземистые гидравлические компоненты, наличие которых связано с нарушением кристаллической решетки глинистых минералов при обжиге пород и возникновением у продуктов обжига некоторого энергетического потенциала. Это новое состояние вещества и служит причиной способности горелых пород к гидратации и поглощению извести из раствора [3].

Пятый уровень - физико-механические свойства. Породные массы в отвале характеризуются значительным диапазоном изменения плотности, прочности, водопоглощения, гранулометрии. Прочность пород в отвале изменяется в пределах: от 10 до 100 МПа, водопоглощение не превышает 4,0 %, истинная плотность составляет 2,65-2,68 г/см3, насыпная плотность -1140-1470 кг/м3. Морозостойкость породы не менее 25 циклов попеременного замораживания и оттаивания. При испытании породы на истираемость потеря массы составляет от 21,6-24,5 %, что соответствует марке по истираемости И1.

Шестой уровень - объем образования. Запасы породных масс данных отвалов достаточно велики (более 800 тыс. м3), и скопления их в отвалах можно рассматривать как техногенные месторождения.

Седьмой уровень - технико-экономические показатели. При выборе технологических решений по возведению земляного полотна из шахтных пород необходимо учитывать:

- возможность замены дефицитного традиционного сырья;

- максимальное вовлечение в производство работ по возведению земляного полотна шахтных пород;

- высокие показатели физико-механических и эксплуатационно-технических свойств земляного полотна, изготовленного из пород исследуемых отвалов;

- невысокую стоимость шахтных пород;

- небольшой радиус перевозок шахтных пород к месту потребления, наличие транспортных коммуникаций.

Проведенная оценка породных масс изучаемого отвала по всем указанным выше критериям позволяет рассматривать их как потенциальную сырьевую базу для стройиндустрии. Качество строительных материалов на основе техногенного сырья должно также определяться показателями однородности. По показателям физико-механических свойств и состава породы исследуемые отвалы неоднородны. Это нужно учитывать при подготовке пород, направленной на усреднение техногенного сырья по гранулометрическому составу, физико-механическим свойствам.

Испытание физико-механических свойств шахтной породы как грунта для земляного полотна, проводилось в соответствии с действующими нормативными документами на грунты для земляного полотна, а также технических условий на материалы из горелых пород шахтных терриконов, в которых изложены

требования, учитывающие специфические свойства пород. Результаты исследований физико-механических свойств материалов из шахтных пород исследуемых отвалов приводятся в табл. 1-3.

Полученные показатели качества шахтных пород отвалов соответствуют требованиям, предъявляемым к грунтам, используемым для возведения земляного полотна.

Таблица 1

Характеристика породной массы исследуемых отвалов

Основные показатели качества Значения показателей

Удельный вес, г/см3 2,57

Объемный вес, кг/м3 1450

Объемный вес скелета, г/см3 1,57

Марка щебеночной фракции по прочности при испытании на дробимость в сухом состоянии:

св. 5 до 10 мм от 10 до 20 мм 300 400

от 20 до 40 мм 600

Марка по водостойкости В1

Марка щебеночной фракции по морозостойкости

св. 5 до 10 мм F15

от 10 до 20 мм F25

от 20 до 40 мм F25

Содержание зерен слабых пород в щебне, % 9,8

Ситовый анализ, остатки на ситах, % по массе: частные полные

40 мм 21,28 21,28

20 мм 23,49 44,77

10 мм 17,21 61,98

5 мм 11,63 73,61

2,5 мм 11,20 84,81

1,25 мм 2,71 87,52

0,63 мм 4,27 91,79

0,315 мм 5,63 97,42

0,16 мм 2,31 99,73

< 0,16 мм 0,27 -

Стойкость щебеночной фракции против всех видов распада, потеря массы при распаде, % 1,78

Водопоглощение, % 2,13

Влажность на границе текучести, % 28,3

Влажность на границе раскатывания, % 26,0

Пластичность 2,3

Консистенция (показатель консистенции В) В = - 4,96

Группа по степени пучинистости I (непучинистые)

Коэффициент фильтрации, м/сут 5,88

Коэффициент пористости 0,81

Коэффициент уплотнения 0,98

Плотность сухого грунта при стандартном уплотнении, г/см3 2,08

Оптимальная влажность при стандартном уплотнении, % 18,8

Угол внутреннего трения, град. 38

Сцепление, МПа 0,02

Таблица 2

Характеристика дробленого щебня из шахтных пород

Основные показатели качества щебня Значения

1-е дробление 2-е дробление

Марка по прочности при испытании на дробимость

для фракций:

св. 5 до 10 мм 400 800

от 10 до 20 мм 800 1200

от 20 до 40 мм 800 1000

Марка по морозостойкости для фракций:

св. 5 до 10 мм F15 F25

от 10 до 20 мм F25 F50

от.20 до 40 мм F25 F50

Марка по истираемости И1 И1

Марка по водостойкости В1 В1

Насыпная плотность, кг/м3

для фракций:

св. 5 до 10 мм 1150 1080

от 10 до 20 мм 1130 1050

от 20 до 40 мм 1110 1040

Истинная плотность, г/см3 2,56-2,63

Содержание пылевидных и глинистых частиц, % 1,07-1,35

Содержание пластинчатых и игловатых зерен, % 6,15-21,4

Содержание зерен слабых пород, % 3,9-8,6

Содержание глины в комках, % нет

Стойкость против всех видов распада,

потеря массы при распаде, %, для фракций:

св. 5 до 10 мм 0,68 0,58

от 10 до 20 мм 1,02 0,47

от 20 до 40 мм 0,77 0,64

Водопоглощение, % 1,13-0,85

Таблица 3

Характеристика отсевов дробления из шахтных пород

Основные показатели качества отсевов дробления Значения

1-е дробление 2-е дробление

Модуль крупности 3,17 3,88

Насыпная плотность, кг/м3 1310 1240

Истинная плотность, г/см3 2,58

Содержание пылевидных и глинистых частиц, % 2,34 1,58

Содержание глины в комках, % нет

Коэффициент фильтрации, м/сут 5,75 7,30

Содержание щебеночной фракции, % 22-32

Марка по прочности щебеночной фракции 400; 600

Для устройства земляного полотна подъездного железнодорожного пути шахтные породы отвалов подвергались усреднению путем многократной перевалки бульдозером при отгрузке с отвала. Максимальная крупность кусков дробленой породы должна быть не более 70 мм. Схема конструкции земляного полотна подъездного железнодорожного пути приведена на рисунке.

козема (фракции менее 2 мм). Это играет положительную роль в обеспечении плотной упаковки породы в теле насыпи. Кроме того, горелые шахтные породы имеют одну особенность. Мелкодисперсная фракция горелых и перегоревших пород обладает пуццолановыми свойствами, т. е. способна проявлять скрытую физико-химическую и гидравлическую активность.

b

777-

ö/?i>o(]o' о ^ о

q<.Qq ¿^¿э ^ и о

1 к^Г?^ г.Ь Л ь er--. Р

• , г.

SSS SSS-777

-77?-777-TT"?-->>/ 777 7

2

1

Конструкция земляного полотна: 1 - подстилающий слой из суглинка; 2 - фракционированная горелая шахтная порода; 3 - изолирующий слой из глины; 4 - песок; 5 - щебень из природного камня; 6 - изолирующий слой из суглинка; 7 - плодородный грунт; Ь - ширина основной площадки; Н - высота насыпи

Технология устройства земляного полотна из шахтных пород аналогична послойному возведению насыпи из традиционного используемого грунта. Требуемую плотность шахтных отвальных пород в теле насыпи следует применять согласно СН 449-72 [4]. Оптимальную влажность и максимальную плотность определять по методу стандартного уплотнения. Количество воды, необходимое для увлажнения шахтной породной массы до оптимальной влажности, определяют по формуле

е = [р^0 - we) х 0,01] + с,

где Р - вес шахтной породы, подлежащей уплотнению, т;

- оптимальная влажность шахтной породы, % по весу; - естественная влажность шахтной породы в отвале, % по весу; С - коэффициент, учитывающий потери воды на испарение, равный 1,2 при отсыпке насыпи в летний и 1,1 - в весенне-осенний периоды.

Породу транспортируют к месту сооружения полотна, укладывают послойно. Наибольшая допустимая крупность кусков шахтной породы из отвала не должна превышать 70 мм. Отсыпанный слой разравнивается бульдозером. Породу увлажняют до оптимальной степени. После планировки поверхности породу уплотняют средними или тяжелыми катками с металлическими вальцами. Отвальные шахтные породы хорошо уплотняются. Наиболее эффективно при уплотнении таких пород применять виброкатки в сочетании с тяжелыми катками на пневматических шинах при 2-4 проходах по одному следу. При уплотнении катками часть породы разрушается с образованием мел-

Благодаря этому с течением времени происходит самоупрочнение породного массива, что создает дополнительную прочность и устойчивость насыпи из шахтных пород.

Зольность породной массы высокая (99,0 %). Но в связи с тем, что в отвалах присутствуют примеси негорелых пород и не всегда можно достичь надлежащего усреднения породы, проектом предусмотрен вариант укладки отвальной породы с защитным и изолирующим экраном из глинистого грунта или суглинка. Кроме того, необходимо производить укрепление обочин в соответствии с требованиями СНиП [5], т.е. укрепление обочин из связных грунтов. При планировке откосов нанести слой плодородной почвы и произвести на откосах посев многолетних трав.

Литература

1. Буравчук Н.И., Рутьков К.И. Переработка и использование отходов добычи и сжигания углей. Ростов н/Д., 1997.

2. Буравчук Н.И., Будницкий В.М., Бражников В.Ф., Мелен-тьев С.А. Ресурсосбережение в технологии вяжущих и бетонов. Ростов н/Д., 1999.

3. Будницкий В.М., Бражников В.Ф., Мелентьев С.А., Буравчук Н.И., Курочка П.Н. Минеральные добавки из горелых пород и зол для вяжущих и бетонов // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 1998. № 4. С. 70-74.

4. СН 449-72. Указания по проектированию земляного полотна железнодорожных и автомобильных дорог. М., 1973.

5. СНиП Ш-38-75. Правила производства и приемки работ. Железные дороги. М., 1976.

Южный федеральный университет;

НИИ механики и прикладной математики им. И.И. Воровича, г. Ростов-на-Дону 17 сентября 2007 г.