CC BY
0
ГЕОМЕХАНИКА
УДК 624.131.37:622.257.1
ИССЛЕДОВАНИЯ ТАМПОНАЖНО-ЗАКЛАДОЧНЫХ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ СМЕСЕЙ ДЛЯ ЛИКВИДАЦИИ ВЫРАБОТАННОГО ПРОСТРАНСТВА
П. Н. Должиков, Д. В. Пронский, Н.В. Пронская
Закрытие угольных шахт Донбасса обусловило гидроактивизацию породного массива по всей мощности, что вызывает деформации поверхности. На натурных образцах породы из террикона, горелых пород, золы уноса электростанций, металлургических шлаков и шламов обогатительных фабрик выполнены исследования физико-механических и реологических свойств стабильных и безусадочных тампонажно-закладочных смесей. По кинетике структурирования обоснованы оптимальные рецептуры смесей для тампонажа зон вторичной трещиноватости и разуплотнений в покровных отложениях, также рекомендованы закладочные смеси для ликвидации остаточной пустотности вскрывающих и очистных выработок. Применение данных смесей позволяет стабилизировать аварийные деформации поверхности.
Ключевые слова: закрытые шахты, породный массив, гидроактивизация, промышленные отходы, свойства, рецептуры смесей, тампонаж, закладка.
Введение
В связи с закрытием многочисленных шахт Донбасса методом «мокрой» консервации в породном массиве и на поверхности возникли новые геомеханические и гидродинамические процессы, приводящие к аварийным деформациям грунтов и, следовательно, зданий и сооружений. Для решения возникающих горно-экологических и инженерных проблем перспективно и в ряде случаев применяются технологии ликвидации выработанного пространства ресурсосберегающими вязкопластичными растворами и псевдопластичными смесями. Целесообразность применения названных смесей обусловлена следующими причинами: они безусадочные, водонепроницаемые, экологически чистые, доступные и дешевые. Та-
кие смеси во времени образуют в горных породах прочный, непроницаемый, долговременный монолитный массив. В качестве базовых суспензий могут использоваться отвальные породы, горелые породы, металлургические шлаки, зола уноса теплоэлектростанций (ТЭС), шламы обогатительных фабрик (ОФ) [1-3].
В настоящее время разработаны технологии проведения тампонаж-но-закладочных работ в районах закрытых шахт путем нагнетания стабильных суспензий в выработанное пространство через скважины, пробуренные с поверхности [4-6]. Однако решение такой инженерной задачи осложняется тем, что горно-геологическая среда выполнения работ мало-изучена, плохо доступна и обладает особенностями горного района, а там-понажно-закладочные материалы либо недоступны, либо не удовлетворяют требованиям применения по ряду показателей. Так, по некоторым материалам известно, что очистные выработки, как правило, обрушены и имеют полости раскрытия от 1 см до 20...30 см, а остаточная пустотность в них составляет 20.60 % от начальной. По предварительным оценкам объемы остаточных пустот для закрытой шахты составляют 1100.2000 тыс. м3 и зависят от размеров шахтного поля, мощности и количества пластов, крепости пород кровли. Изучение зон вторичной трещи-новатости и зон разуплотнения покровных отложений над выработками вообще не проводилось. Горнотехническое состояние вскрывающих выработок, как ликвидированных, так и неликвидированных, также требует дополнительного изучения [7, 8]. Поэтому на каждом конкретном объекте необходим обоснованный индивидуальный выбор закладочных псевдпла-стичных смесей и тампонажных вязкопластичных растворов. Цель работы - исследование реологических и структурно-механических свойств тампо-нажно-закладочных смесей на основе промышленных отходов.
Методика исследований
Изучение структурно-механических и реологических свойств там-понажно-закладочных смесей выполнялось поэтапно:
- исследование гранулометрического, химического, минералогического состава, водной вытяжки и состава основных обменных катионов исходного материала;
- оптимизация рецептуры тампонажно-закладочной смеси по ее свойствам;
- выбор рациональной области применения разработанных рецептур.
Натурные образцы исследуемых промышленных отходов отбирались с площадок складирования в количестве не менее 6 штук. Горные породы и шламы отбирались в Должано-Ровенецком районе, зола уноса из Луганской ТЭС, а доменные шлаки из отвалов Алчевского металлургического комбината. Для лабораторных исследований применялись стандарт-
ные методики, результаты исследований статистически обрабатывались [6,
9].
Результаты исследований
Согласно физико-химической модели структурирования тампонаж-ных систем эффективность применения промышленных отходов будет определяться свойствами базовой суспензии и кинетикой твердения инъ-ектируемой смеси [3, 10]. При этом для снижения стоимости работ необходимо рациональное введение в инъекционный раствор отходов с соблюдением его необходимой стабильности и безусадочности. Факторы, влияющие на кинетику твердения раствора, подразделяются на группы:
- свойства базовой суспензии;
- количество и свойства цемента;
- количество и свойства активных добавок;
- технологическая схема инъекции.
Здесь следует в первую очередь отметить, что эффективность там-понажно-закладочных работ будет определяться величиной активной поверхности (тонкостью помола) как отходов, так и дозой вяжущего. С увеличением активной поверхности отходов и вяжущей добавки развивается суммарная скорость их растворения и взаимодействия кристаллизационных контактов, что приводит к увеличению пластической прочности там-понажно-закладочных смесей. Поэтому во всех исследованиях применялся портландцемент М400 и при необходимости в качестве активной добавки силикат натрия с М = 2,8.
Гранулометрический анализ промышленных отходов показал, что в исходном состоянии они не могут применяться в тампонажно-закладочных смесях (табл. 1). Поэтому порода с террикона, горелые породы и шламы измельчались и просеивались до фракции 1 мм, зола уноса преимущественно состоит из пылеватой фракции, так же металлургические шлаки отсеивались на 30 %. Глинистая фракция в пробах составляла преимущественно 4.. .6 %.
Таблица 1
Гранулометрический состав отходов производства (%)
№ п/п Вид отходов Песок Пыль Глина
> 1 мм 1.0,1 мм 0,1.0,05 мм 0,05.0,005 мм < 0,005 мм
1 Порода 41,10 21,00 14,90 18,50 4,50
2 Горелая порода 25,50 13,88 25,58 24,80 10,24
3 Зола уноса - 2,60 20,10 71,80 5,50
4 Шлак 32,00 12,0 37,60 13,50 4,90
5 Шлам 29,82 12,57 39,83 11,01 6,77
Химический анализ изучаемых материалов показал, что отобранные промышленные отходы представляют собой алюмосиликаты (табл. 2). Так, в пробах установлено содержание окиси кремния 40.57 %, окиси алюминия - 18.20 %. Содержание окиси железа во всех пробах составляло 8.10 %. В металлургических шлаках обнаружено содержание окиси кальция 45 % и окиси магния 5 %, что свидетельствует о высокой вяжущей активности. Повышенное содержание в пробах окиси алюминия указывает на активную метаморфизацию с образованием глинистых минералов, что положительно для стабилизации базовых суспензий. Также состав обменных катионов изучаемых материалов в основном представлен ионами кальция и магния, суммарная обменная емкость не превышала 500.700 мг на 100 г сухого вещества, что указывает на их невысокую химическую активность и безвредность.
Таблица 2
Химический состав промышленных отходов (%)
№ п/п Вид отходов Ппп БЮ2 БОэ Ге2О3 АЬО3 СаО М§О К2О+Ш2О
1 Порода 5,30 57,10 3,10 9,00 18,60 4,50 0,90 1,50
2 Горелая порода 8,50 55,80 2,80 8,40 19,00 3,10 1,00 1,40
3 Зола уноса 13,50 48,50 2,10 11,70 19,80 2,40 2,00 -
4 Шлак 0,56 40,10 0,50 0,34 7,20 45,40 5,10 0,80
5 Шлам 11,69 49,70 2,70 8,94 20,77 3,60 1,00 1,60
Эффективность ликвидации выработанного пространства, тампонажа трещиноватых зон и упрочнение зон разуплотнения будет определяться технологическими свойствами инъектируемых смесей, которые могут накапливаться в значительных объемах, имеют незначительные гидравлические потери в трубах, не седиментируют и растекаются на значительные расстояния, а затем активно упрочняются. В этой связи при всех исследованиях первостепенными были реологические свойства смесей и их длительная стабильность. Лабораторные исследования проводились в соответствии с матрицей полнофакторного эксперимента [11, 12].
Установлено, что наиболее стабильные суспензии с использованием промышленных отходов образуются при плотности 1400.1700 кг/м3 [3]. При этом вязкость, статическое и динамическое напряжения сдвига соответствуют псевдопластичным и вязкопластичным жидкостям. Содержание промышленных отходов в суспензиях должно быть 800.1100 кг на 1 м3 смеси. Важно отметить, что различные материалы в связи с их свойствами имеют индивидуальное содержание отходов, обеспечивающее их стабильность и безусадочность. Обработанные средние результаты исследований базовых суспензий приведены в табл. 3.
Таблица 3
Свойства суспензий на основе промышленных отходов
№ п/п Вид отходов Плотность, кг/м3 Вязкость, сПз Содержание в 1 м3 раствора, кг Статическое напряжение сдвига, Па Динамическое напряжение сдвига, Па Усадка, %
1 Порода 1550 26,1 795 11,0 33,1 8
2 Горелая порода 1650 46,2 1042 2,8 26,5 7
3 Зола уноса 1700 90,1 1100 5,2 15,1 3
4 Шлак 1435 82,0 800 18,0 75,1 1
5 Шлам 1500 32,6 916 11,0 15,5 4
Оптимизация рецептур тампонажно-закладочных смесей выполнялась по значениям пластической прочности суспензии и закономерности кинетики ее структурирования. Для этого в базовые суспензии вводился цемент в дозировке 1.. .3 % от исходного объема смеси и при необходимости - силиката натрия. 1 %. Исходя из оптимальности составов тампонажно-закладочных смесей, наиболее характерные кривые их структурирования во времени приведены на рисунке.
Кинетика структурирования тамонажно-закладочных суспензий на базе отходов промышленности: 1 - отвальных пород; 2 - горелых пород; 3 - золы уноса ТЭС; 4 - металлургического шлака; 5 - шлама ОФ
Анализ полученных результатов показал, что смеси на основе пород из терриконов, горелой породы и шламов обогатительных фабрик достигают пластической прочности 200... 320 кПа и могут быть рекомендованы для закладки выработанного пространства в безнапорном режиме; смеси на базе золы уноса и доменных шлаков набирают пластическую прочность 550. 650 кПа и могут успешно применяться при тампонаже трещиноватых и разуплотненных зон в горных породах. Следует отметить, что основной процесс структурирования всех смесей происходит в первые 10 суток, они стабильные и безусадочные. Также для улучшения седиментационных и прочностных свойств смесей возможно введение в их состав незначительной добавки бентонита марки Б (1 %).
Таким образом, на основе многочисленных лабораторных исследований для стабилизации деформаций поверхности над затопленными горными выработками обоснованы рецептуры тампонажно-закладочных смесей на базе отходов промышленности, которые приведены в табл. 4.
Таблица 4
Рецептуры тампонажно-закладочных смесей
№ п/п Вид отходов Плотность суспензии, кг/м3 Содержание отходов на 1 м3 Цемент М400, кг Вода, л
1 Порода 1500.1600 780.790 30 480
2 Горелая порода 1450.1650 790.800 30 475
3 Зола уноса 1650.1700 1100.1150 20 470
4 Шлак 1400.1500 800.820 20 490
5 Шлам 1450.1500 900.950 20 500
В соответствии с индивидуальностью горно-геологических условий применения приведенных рецептур для дополнительной стабилизации суспензий возможно введение в них бентонита марки Б - 25.30 кг или каолинит-гидрослюдистой глины - 100.150 кг, что гарантированно обеспечит стабильность и безусадочность смесей.
Выводы
1. Отходы промышленного производства могут успешно применяться при производстве тампонажно-закладочных работ на территориях закрытых шахт, так как они широкодоступны и экологичны.
2. Тампонажно-закладочные смеси на базе промышленных отходов образуют стабильные суспензии, имеют хорошие реологические свойства при плотности 1400. 1700 кг/м3, обладают безусадочностью.
3. Для тампонажа зон трещиноватости и разуплотнения рекомендованы суспензии на основе золы уноса ТЭС и доменных шлаков, нагнетаемых в напорном режиме; для ликвидации остаточной пустотности вскрывающих и очистных выработок целесообразно применение суспензий на
базе пород из терриконов, горелых пород и шламов обогатительных фабрик в безнапорном режиме.
4. Применение тампонажно-закладочных смесей на базе суспензий из промышленных отходов решает задачи: по стабилизации поверхности над затопленными выработками путем послойного воздействия на породный массив, утилизации отходов, сбережению строительных материалов.
Список литературы
1. Должиков П. Н., Пронский Д. В., Легостаев С. О. Тампонажно-закладочные работы в регионах закрытия шахт: монография. Ростов-на-Дону: ООО «ДГТУ-Принт», 2020. 290 с.
2. Проблемы развития горнодобывающего комплекса Восточного Донбасса и пути их решения: монография / под ред. С. Г. Страданченко. Новочеркасск: Лик, 2009. 198 с.
3. Глиноцементные тампонажные растворы в горном деле: монография / Н. А. Дудля, Н. Н. Тельних, А. В. Попов, Е. Г. Цаплин. Днепропетровск: Национальный горный университет, 2004. 191 с.
4. Комплексный метод тампонажа при строительстве шахт : учебное пособие / Э. Я. Кипко [и др.]. Днепропетровск: Национальный горный университет, 2004. 367 с.
5. Кипко Э. Я., Должиков П. Н., Рябичев В. Д. Комплексная технология ликвидации наклонных горных выработок: монография. Донецк: Норд-Пресс, 2005. 220 с.
6. Должиков П. Н., Фурдей П. Г. Бесцементные тампонажно-закладочные смеси на основе шлаковых отходов: монография. Дюссельдорф: LAPLAMBERT. Academic Publishing, 2018. 173 с.
7. Dolzhikov P. N., Belodedov A. A., Legostaev S. O. Research into Dangerous surfase deformations over inclined shafts af Abandoned Coalmines // Scientific Reports on Resource Issues. Freiberg, Germany: TU Bergakademie, 2016. V. 1. P. 159-165.
8. Должиков П. Н., Легостаев С. О. Повторная ликвидация наклонных горных выработок закрытых шахт: монография. Ростов-на-Дону: ООО «ДГТУ-Принт», 2018. 148 с.
9. Должиков П. Н., Акопян А. Ф., Акопян В. Ф. Математическая обработка результатов экспериментальных исследований. Ростов-на-Дону: ООО «ДГТУ-Принт», 2017. 194 с.
10. Investigations of the regularity of the formation of a dip over the mine / P. Dolzhikov, A. Prokopov, M. Prokopova, N. Hamidullina // MATEC Web of Conferences. 2018. Vol. 196. Article 03008. (XXVII R-S-P Seminar, Theoretical Foundation of Civil Engineering).
11. Dolzhikov P., Prokopov A., Akopyan V. Foundation Deformations Modeling in Underworking and Hidroaktivted Rocks // International Scientific
Conference Energy Managmentof Municipal Transportation Facilities and Transport. 2017. Vol 692. Р. 647-654.
12. Dolzhikov P., Semiriagin S. Investigation and technical decisions of the mining and ecological problems while closing coal mining // Progressive Technologies of Coal, Coalbed Methane and Ores Mining. Leiden, Netherlandes: CRS Press / Balkema, 2014. Р. 147-151.
Должиков Петр Николаевич, д-р техн. наук, проф., [email protected], Россия, Ростов-на-Дону, Донской государственный технический университет,
Пронский Дмитрий Владимирович, канд. техн. наук, доц., dmtproarambier.ru, Россия, Алчевск, Донбасский государственный технический университет,
Пронская Наталья Викторовна, ассист., [email protected], Россия, Алчевск, Донбасский государственный технический университет
STUDIES OF GROUTING-LAYING RESOURCE-SAVING MIXTURES FOR THE ELIMINATION OF THE DEVELOPED SPACE
P. N. Dolzhikov, D. V. Pronsky, N. V. Pronskaya
The closure of the Donbass coal mines caused the hydroactivation of the rock mass over the entire capacity, which causes surface deformations. Studies of physico-mechanical and rheological properties of stable and non-shrinkable grouting-laying mixtures were carried out on full-scale samples of rock from a waste heap, burnt rocks, fly ash from power plants, metallurgical slags and sludge from processing plants. According to the kinetics of structuring, optimal formulations of mixtures for grouting zones of secondary fracturing and decompression in blood deposits are justified, and laying mixtures are also recommended to eliminate the residual voidness of opening and stope workings. The use of these mixtures makes it possible to stabilize emergency surface deformations.
Key words: closed mines, rock mass, hydroactivation, industrial waste, properties, formulations of mixtures, grouting, laying.
Dolzhikov Petr Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Rostov-on-Don, Don State Technical University,
Pronsky Dmitry Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Alchevsk, Donbass State Technical University,
Pronskaya Natalya Viktorovna, assistant, doctressa@,mail.ru, Russia, Alchevsk, Donbass State Technical University
Reference
1. Dolzhikov P. N., Pronsky D. V., Legostaev S. O. Grouting and laying works in the regions of mine closure: monograph. Rostov-on-Don: LLC "DSTU-Print", 2020. 290 p.
2. Problems of development of the mining complex of the Eastern Donbass and ways to solve them: monograph / edited by S. G. Stradanchenko. Novocherkassk: Lik, 2009. 198 p.
3. Clay cement grouting solutions in mining: mono-graphy / N. A. Dudlya, N. N. Telnikh, A.V. Popov, E. G. Tsaplin. Dne-propetrovsk: National Mining University, 2004. 191 p.
4. Complex method of grouting in the construction of mines: textbook / E. Y. Kipko [et al.]. Dnepropetrovsk: National Mining University, 2004. 367 p.
5. Kipko E. Ya., Dolzhikov P. N., Ryabichev V. D. Complex technology of elimination of inclined mine workings: monograph. Do-netsk: Nord-Press, 2005. 220 p.
6. Dolzhikov P. N., Furday P. G. Cement-free grouting-laying mixtures based on slag waste: monograph. Dessel-dor: LA LAMBERT. Academic Publishing House, 2018. 173 p.
7. Dolzhikov P. N., Belodedov A. A., Legostaev S. O. Investigation of dangerous surface deformations over inclined shafts of abandoned coal mines // Scientific reports on resource problems. Freiberg, Germany: TU Bergakademiya, 2016. Vol. 1. pp. 159-165.
8. Dolzhikov P. N., Legostaev S. O. Repeated liquidation of inclined mine workings of closed mines: monograph. Rostov-on-Don: LLC "DSTU-Print", 2018. 148 p.
9. Dolzhikov P. N., Akopyan A. F., Akopyan V. F. Mathematical processing of experimental research results. Rostov-on-Don: LLC "DSTU-Print", 2017. 194 p.
10. Studies of the regularity of the formation of a sinkhole over a mine / P. Dolzhikov, A. Prokopov, M. Prokopova, N. Khamidullina // Web-conference MATEC. 2018. Volume 196. Article 03008. (XXVII scientific and practical seminar "Theoretical foundations of civil engineering").
11. Dolzhikov P., Prokopov A., Akopyan V. Modeling of foundation deformations in worked-up and hydroactivated rocks // International scientific conference "Energy management of urban transport facilities". 2017. Volume 692. p. 647-654.
12. Dolzhikov P., Semiryagin S. Research and technical solutions of mining and environmental problems at the closure of coal mining // Progressive technologies of coal mining, methane of coal seams and ores. Leiden, The Netherlands: CRS Press / Balkema, 2014. pp. 147-151.
