CC BY
47
СЕМИНАР 1
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 98" МОСКВА, МГГУ, 2.02.98 - 6.02.98
И.А. Ощепков, КузГТУ
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ТВЕРДЕЮЩИЕ БЕСЦЕМЕНТНЫЕ СМЕСИ ДЛЯ ЗАКЛАДКИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК
На основе вторичного алюмо-силикатного сырья - отходов металлургической, энергетической, химической промышленности, а также природных материалов - нефелинового шлама, перлита разработаны составы сырьевых смесей, пригодных в качестве основы твердеющих закладок горных выработок. Для оценки пригодности применения вторичного алюмосиликатного сырья в качестве вяжущих компонентов в составе закладочных смесей применили критерии - "Модуль активности", используемые рядом зарубежных исследователей для предварительного обоснования применимости доменных шлаков в производстве шлакопортландцемен-тов. Критерии Паркера и Нерса -Мап.н.= (СаО+МgО + 1/3 Л^) / (5Ю2 + 2/3 АЬОз) > 1.0, Блондио -Маб,1 = СаО / SiО2 = 1.45... 1.54 и
Маб,2 = SiО2 / Л12О3 = 1,8__1,9, а
также принятый в Японии - МАя = (СаО+ MgO+Лl2Oз) / SiO2 > 1,4 оказались пригодными для предварительного обоснования применимости вторичного алюмосили-катного сырья в составе закладочных твердеющих смесей. Так, если гранулированный доменный шлак, сталеплавильный шлак, буроугольные золы-уноса, нефелиновый шлам, пыль-уноса производства кристаллического кремния, которая к тому же в присутствии гидрооксида натрия, образующегося, допустим, при наличии в смеси хлористого натрия, по реакциям: СаО + Н2О = Са(ОН)2; Са(ОН)2 + NaCl = СаСЬ + NaOH приводит к образованию жидкостекольных композитов, пригодных в качестве самостоятельных вяжущих компонентов, то каменноугольные золы как низкокальциевые вещества, а также перлитовая пыль-уноса почти на поря-
док имеют меньшие модули активности по сравнению с буроугольными золами и гранулированным доменным шлаком и поэтому могут применяться только совместно с сырьем с ярко выраженными вяжущими свойствами. Вторичное алюмосиликатное сырье, получаемое в результате высокотемпературных процессов, содержит остеклованные частицы, оболочка которых состоит, в основном, из кальциевого стекла, покрытые пленкой труднорастворимой кремниевой кислотой -Н2SiOз. Поэтому внутреннее содержимое частиц, состоящее из оксидов и минералов, недоступно для гидратации. Существуют различные приемы разрушения стек-лооболочек - сухой и мокрый помол в механических мельницах, помол в мельницах струйного типа. Наиболее приемлемо разрушение стеклооболочек с помощью химических реагентов. Например, кремниевая кислота при воздействии натриевой щелочи преобразуется в натриевую соль кремниевой кислоты: Н2SiОз + №ОН =
Na2SiOз + Н2О, которая в последующем участвует в кристаллохимических реакциях при образовании бесцементного камня.
В связи с изложенным, в основу создания бесцементных твердеющих закладок заложен принцип химической активизации вяжущих свойств вторичного алю-мосиликатного сырья в условиях гидравлического твердения. В качестве химических активизаторов гидравлического растворения и последующего твердения вторичных алюмосиликатов предложено использовать разработанные под руководством автора химические щелочесодержащие добавки на основе побочных продуктов производств капролактама -
«ЩСПК» (ТУ 113-03-488-84) и диафена «ФП» - «СОЛУТ - солевой ускоритель твердения» ТУ 113-03-18-88). Компоненты
ЩСПК - натриевые соли одно- и двухосновных карбоновых кислот и СОЛУТа - натриевые соли минеральных кислот - соляной, серной и тиосерной на стадии приготовления сырьевых смесей способствуют гидравлическому растворению минералов и оксидов алюмосиликатов и ускоряют этот процесс, а на стадии твердения ускоряют процессы формирования кристаллической структуры конгломератов закладочного материала. Хлористый кальций, образующийся в результате превращения хлористого натрия СОЛУТА, в обычном состоянии являющийся коррозионноактивным веществом, вступая в кристаллохимические реакции, приводит к образованию гидрохлора-люмината кальция, т.е. переходит в связанное состояние и становится не опасным с точки зрения коррозии. Сульфат и тиосульфат натрия в водных растворах проявляют свойства анионных возбудителей гидратаци-онного растворения кремнийсодержащих составляющих закладочной смеси и образования кремнийсодержащих минералов типа CSH ранней стадии структурообразова-ния искусственного камня.
Количествами добавки ЩСПК - 0,1... 1,5 % от масс потенциальных вяжущих материалов, натриевые соли карбоновых кислот которой. являясь поверхностноактивными веществами, пластифицируют сырьевую смесь, возможно регулировать продолжительность нахождения сырьевых закладочных смесей в пластическом состоянии для обеспечения их доставки к местам закладки в подземные выработки трубопроводным транспортом, а добавки СОЛУТа -
0,2...2 % от массы потенциальных вяжущих материалов возможно регулировать скорость схватывания и твердения закладочных смесей. В присутствии алюмосиликатов компоненты добавок ЩСПК и СОЛУТа выполняют роль вяжущих ингредиентов (а.с. №1754689).
Разработанные твердеющие смеси (бесцементные бетоны) на основе вяжущих материалов из вторичного местного сырья имели следующие прочностные показатели: 1) Компоненты смеси (здесь и далее) - нефелиновый шлам, инертные крупный и мелкий заполнители, ЩСПК, СОЛУТ, вода. Прочность «11 МПа; 2) Молотый электросталеплавильный шлак, мелкий инертный заполнитель, ЩСПК, СОЛУТ, вода. Проч-
ность «2,2 МПа; 3) Буроугольная зола-уноса, нефелиновый шлам, инертные крупный и мелкий заполнители, ЩСПК, СОЛУТ, вода, при различном соотношении золы и шлама. Прочность при увеличении доли золы с 30 до 70% возрастала с 13 до 20 МПа; 4) Добавка пыли-уноса производства кремния в присутствии ЩСПК и СОЛУТа повышала гидравлическую активность зол-уноса на « 10%; 5) Замена 5...10 % буроугольной золы-уноса перлитовой пылью-уноса практически не уменьшала прочности бетона; 6) Буроугольная зола-уноса, инертные крупный и мелкий заполнители, ЩСПК, СО-ЛУТ, вода. Прочность - до 40 МПа; 7) Зола-уноса буроугольная,
молотый горельник, ЩСПК, СОЛУТ, вода. Прочность - более 4 МПа; 8) Буроугольная зола-уноса, доменный молотый гран-шлак, СОЛУТ, вода. Прочность -более 10 МПа. Состав смеси (п.8) разработан совместно с сотрудниками ИГД им. А. А. Скочинского (а.с. № 1550178) и рекомендован к внедрению на комплексе упрочненной закладки "КУЗ-120" шахты "Коксовая" в Кузбассе.
Результаты выполненных работ показали перспективу и целесообразность применения твердеющих закладочных бесцемент-ных смесей на основе вторичного сырья различных отраслей промышленности.
© И.А. Ощепков
И.А. Ощепков, КузГТУ
ПЛАСТИФИЦИРОВАННЫЕ ЭКОНОМИЧНЫЕ БЕТОННЫЕ СМЕСИ НА НЕСТАНДАРТНЫХ ЗАЛОЛНИТЕЛЯХ ДЛЯ ШАХТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА
Качество бетонной крепи и ее долговечность связаны не только с технологией приготовления бетонных смесей, которая на бетонных заводах шахтостроительных организаций должна соответствовать современным требованиям, но и с условиями транспортирования бетонных смесей к стволу шахты, способами спуска бетона к месту укладки и уплотнения. Основными технологическими требованиями к бетонным смесям, укладываемым в крепь горных выработок, является ее удобоукладываемость, включая понятие стабильности или способности смеси сопротивляться расслоению и водоотделению, прочность особенно высокую для крепления горных выработок на больших глубинах, повышенную химическую стойкость и водонепроницаемость, требуемую деформа-тивность и т.д. Этими качествами характеризуются полимербетоны. Однако дефицитность смол, их высокая стоимость являются серьезными препятствиями для их широкого внедрения. В связи с
этим является естественным поиск возможности использования в качестве активных добавок в бетоны на цементной основе вторичных продуктов и отходов химических производств.
Специфической особенностью технологии возведения монолитной бетонной крепи горных выработок является, как правило, наличие стесненного запалубочного пространства, в котором нужно уложить, распределить, разровнять и уплотнить быстротвердею-щую бетонную смесь. Технологичность бетонной крепи - удобство ее возведения зависит от таких факторов, как наличие постоянных водопритоков в выработку, отрицательное влияние фильтрующей воды на свойства укладываемой бетонной смеси и бетона, неизбежное образование вертикальных и горизонтальных швов бетонирования, размеры и назначения выработок, глубина заложения, горно-геологические условия и т. д., но самое главное - от технологических свойств бетонной смеси.
Для повышения качества бето-
на для крепления горных выработок разработали химические добавки на основе побочных продуктов производств: тиокола - сырья для производства каучука. представляющих собой « 1О %-й водный раствор неорганических веществ - хлорида-, сульфида-, сульфата-, сульфита- и полисульфидов натрия, предварительно дезодорированный каталитическим окислением углеводородных примесей; диафена «ФП» - антистарителя резинотехнических изделий, состоящих из натриевых солей соляной, серной и тиосерной кислот, получаемых путем аэро-фонтанной сушки с последующей экструдерной грануляцией порошкообразных солей; циклогексанона и циклогексанола - полупродуктов синтеза капролактама как сырья для производства капрона, содержащих натриевые соли одно, и двухосновных карбоновых кислот в водном растворе до 50%-й концентрации. При использовании первых двух добавок к бетонным смесям в качестве антикоррозион-
ной присадки испытали циклогексан -2,3,5,6 -тетраметил - 4 - эфи-роимин.
Экспериментально установлено, что добавка отходов тиоколь-ного производства обладает пластифицирующими свойствами, причем, чем больше вводится добавки в бетонную смесь, тем большую пластичность она приобретает. Осадка конуса бетонной смеси с добавкой увеличивается в 2.-3 раза. В присутствии добавки увеличивается прочность бетона при сжатии и изгибе. Термообработка бетона несколько снижает эффект действия добавки очевидно потому, что происходит концентрирование растворенных солей добавки в жидкой фазе вследствие испарения излишней воды затворения, образования некоторого количества кристаллов, способных вследствие изменения объема нарушать структуру бетона. При твердении бетона в естественных условиях повышение прочности бетона от введенной в бетонную смесь добавки гораздо значительнее, составлявшее более 30%. Максимально допустимое количество добавки к бетонным смесям - до 25% от массы воды затворения, что обусловлено содержанием солей в водном растворе добавки.
Водонепроницаемость бетонов нормального твердения и пропаренного по режиму 4 + 6 (950С) + 4(ч.) соответствовала бетонам марки В4. При наличии в бетонах с добавками тиокольного и диафе-нового производств антикоррозионной присадки арматурная сталь находилась в пассивном состоянии, о чем свидетельствовали показатели электрохимического состояния стали в бетонах по ее поляризуемости - величина анодного тока не превышала 10 мкА/см2 при потенциале +300 мВ. У образцов, подвергнутых термообработке, величина анод-ного тока не превышала 28 мкА/см2, но все же была больше 25 мкА/см2, когда по Эвансу начинается активная коррозия стали в бетоне. Термообработка бетонов повышала актив-
ность анионов солей добавок в разрушении пассивирующей пленки циклогекса-2,3: 6,-тетраметил-4-эфиро-имина на поверхности арматурной стали. В этом случае рекомендуется применять более сильные пассиваторы коррозии арматурной стали, например, нитрит натрия, хромат калия и др. Однако, при введении добавок не более 4,2 х 10-4 % от массы воды затворения можно применять иминовую антикоррозионную присадку.
Для определения сроков схватывания и водоотделения цемента использовали цементное тесто нормальной густоты при В/Ц=26,5%. Количество добавки тиокольного производства в цементном тесте варьировали в пределах 0...25% от массы воды затворения. Дисперсионный анализ показал, что при 5%-м уровне значимости влияние добавки на сроки схватывания цементного теста в статическом состоянии существенно. Начало схватывания замедляется на 2 ч.; при количестве добавки менее 20% влияние ее на конец схватывания незначительно. Добавка несколько (на « 5%) снижала коэффициент водоотделения цементного теста на ШПЦ Яшкинского и ПЦ Топкинского цементных заводов.
Работы по повышению качества бетона для крепления горных выработок проведены применительно к условиям Таштагольско-го рудника в Кузбассе. Заводами треста «Таштагол-шахторудстрой» объединения «Сибруда» в качестве заполнителей бетонов используется не фракционированная гравийно-песчаная смесь (ГПС) и песок (П) из русел рек и из карьеров Торьсминского и Ижморского и рудные «хвосты» (РХ). Прочность бетонов, получаемая на таких заполнителях, отличается большой неоднородностью с коэффициентами вариации более 40% и на порядок получается меньше проектных марок. Для преодоления этого явления бетоны производятся при значительном перерасходе цемента. Однако, даже при увеличении расхода цемента марки М 300 на
30...50% и марки М 400 на
20...25% на таких заполнителях обеспечить проектную марку бетона, а значит и качество бетонной крепи, не удавалось. Исследования влияния добавки тиокольного производства на прочность бетонных смесей при использовании заполнителей ГПС и П показали, что она приводит к повышению прочности пропаренных изделий на 30...40% относительно прочности бездобавочных бетонов, а при использовании заполнителей РХ с отметки минус 600м. рудника «Таштагол» на 30...35%, причем прочность бетонов естественного твердения превышала прочность пропаренных бетонов на 30...35% В промышленных условиях треста "Таштаголшахторудстрой" была изготовлена бетонная смесь с добавкой, позволившей повысить пластичность бетонной смеси с 4 до 10 см и прочность бетона на
25...50%. Новой бетонной смесью было забетонировано по 10 м. орта в районе камер ВДПУ в трех различных горно-геологических условиях с общим объемом бетонных работ 50 м3 с улучшенной обрабатываемостью бетонной смеси.
Лабораторными исследованиями установлена возможность уменьшения расхода цемента на приготовление бетонных смесей для крепления горных выработок на 10...40% при использовании в составах бетонных смесей добавок диафенового, циклогексанонового-, анолового производств. Вместо не-додозируемого цемента рекомендовано использовать тонкомолотые доменные или сталеплавильные шлаки, поддающиеся сульфатному возбудительному твердению, в особенности их силициум- содержащих ингредиентов. Побочные продукты циклогексанонового-, анолового производства обеспечивают пластичность бетонным смесям.
Для рудника «Таштагол» разработана схема укрепления бортов отрезной щели подземных выработок. Перед проведением взрывных работ по образующей отрезной щели горный массив вокруг нее разрушается от тектонических
напряжений. Для устранения этого явления в выбуренные скважины закачивается вода или кислотный раствор под давлением, обеспечивающим создание трещин гидроразмыва или выщелачивания известняка из массива руды. Продолжительность нагнетания воды или кислотного раствора - около 6 ч. После этого производится укрепление массива панели по контуру будущей щели инъекцией в него цементного раствора. Размеры инъекционной зоны определяются
на основе фактических данных о размерах самообрушения бортов щелей. В качестве твердеющего раствора были применены на руднике "Таштагол" цементные растворы с добавкой побочного продукта тиокольного производства и хорошо совмещающейся с ней добавкой побочного продукта циклогексаноного-, анолового производства - пластификатора цементного раствора и пассиватора коррозии металлов Побочный продукт тиокольного производства может быть заменен на по-
бочный продукт диафенового производства.
Таким образом, при производстве строительных работ в подземных условиях могут быть применены высокоэкономичные бетонные смеси с использованием вторичного сырья, улучшающего технологические свойства смесей и повышающие физико-механические характеристики бетонных крепей.
© И.А. Ощепков
И.А. Ощепков, 3.А. Худоносова, КузГТУ
ПРОФИЛАКТИКА ПРИМЕРЗАНИЯ ВСКРЫШНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД К СТЕНКАМ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ
Для профилактики примерзания вскрышных горных пород к стенкам транспортных средств разработана химическая добавка на основе вторичных продуктов производств капролактама и диафена «ФП» и технология ее применения для обработки думпкаров, занятых на вывозке вскрышных пород в отвалы. Добавка («ПРОСКАН» - ТУ 113-03-49886) состоит из смеси натриевых солей органических и минеральных кислот, обладающих поверх-ностно-ак-тивными свойствами. Добавка представляет собой водный раствор солей, не замерзающий до температур минус 35...40 оС и при применении не требуется их предварительного нагревания. Обработка внутренних поверхностей транспортных средств производится при помощи форсуночных
устройств. Расход средства составляет около 50 кг на один думпкар. Примерзание влажных глинистых вскрышных пород к поверхности думпкаров практически не происходит, что обеспечивает свободную разгрузку думпкаров.
Промышленные испытания по профилактике примерзания
вскрышных горных пород к поверхности думпкаров, осуществленные на одном из угольных разрезов в Кузбассе, в результате которых было обработано более 900 думпкаров, показали высокую эффективность химического профилактического средства. Следует отметить, что применение добавки «ПРОСКАН» эффективно также для профилактики прилипания влажных глинистых пород к поверхности транспортных средств в летний период.
По санитарно-гигиеническим
показателям «ПРОСКАН» имеет существенные преимущества перед такими средствами как «КОС», «КОР», «Северин», «Ниогрин». По коррозионной активности стали, чугуны, сплавы цветных металлов, резины в среде «ПРОСКАНА» стойкие или совершенно-стойкие. Применение «ПРОСКАНА» разрешено Минздравом Российской Федерации.
Применение «ПРОСКАНА» для профилактики примерзания вскрышных горных пород к поверхности транспортных средств позволит повысить производительность, улучшить условия труда и эксплуатации подвижного грузового транспорта при открытых горных работах в сложных горно-геологических и горнотехнических условиях.
© И.А. Ощепков, 3.А. Худоносова
И.А. Ощепков, 3.А. Худоносова
ПРОФИЛАКТИКА ВЫДУВАНИЯ, СМЕРЗАНИЯ И ПРИМЕРЗАНИЯ ТВЕРДЫХ ТОПЛИВ ПРИ ХРАНЕНИИ И ТРАНСПОРТИРОВАНИИ НОВЫМИ ХИМИЧЕСКИМИ СРЕДСТВАМИ
Для предотвращения выдувания, смерзания, примерзания рядовых, измельченных и обогащенных твердых топлив при хранении и
транспортировании разработана технология их обработки профилактическими средствами на основе побочных продуктов производств ка-
пролактама и диафена «ФП», представляющих собой смеси натриевых солей органических кислот -«ЩСПК» - щелочной сток произ-
водства капролактама «(ТУ 113-03488-84) и натриевых солей минеральных кислот - «Хлоридсульфат-тиосульфат натрия (ХСТН) - водный раствор» (ТУ 6-03-13-23-80), а также комплексное средство на их основе двух модификаций для применении в зимних и летних условиях -«ПРОСКАН» (ТУ 113-03-498-86).
Химические средства профилактики - это водные солевые растворы, не замерзающие до температур минус 35...40°С, и перед применением не требуется их предварительный разогрев, обладают хорошими адгезией к любым материалам внутренних поверхностей транспортных средств и адсорбцией к твердым топливам. Обработка материалов может производиться с помощью форсуночных устройств любого типа - щелевых, клапанных и др.
После обработки профилактическими средствами поверхности твердых топлив в открытых складах или в транспортных средствах образуется твердое корковое покрытие, выдерживающее значительные ветровые и вибрационные нагрузки, и предотвращающее пы-ление и выдувание твердых топлив. С помощью математического корреляционного анализа статистиче-
ских результатов обработки топлив в вагонах в 60 угольных железнодорожных маршрутах, транспортируемых на расстояния 2,5...4 тыс. км, установлено, что потери угля от выдувания при применении профилактических средств сокращаются на 0,7...1,0 т. на один вагон (а.с. №1113568, 1373713). Обработка
внутренних поверхностей вагонов, а также топлив с влажностью около 10 % при погрузке в вагоны, позволяет избежать примерзание и смерзание их при транспортировании на значительные расстояния при отрицательных температурах (а.с. №1680750).
Разработанные профилактические средства не оказывают отрицательного влияния практически на все стадии технологических переделов твердых топлив. Напротив, они улучшают размольные свойства топлив (а.с. № 1301491), активируют процессы горения и образования их минеральной зольной части, придавая ей гидравлические вяжущие свойства (а.с. № 1477708). Присутствующие в топливах химические добавки улучшают процессы гравитационного (тяжелосредного) и флотационного обогащения, уменьшая зольность концентратов и уве-
личивая скорость осветления сбросовой жидкости «хвостовых» продуктов. Добавки положительно влияют на процессы коксования угольных шихт, улучшают качество кокса и химических продуктов коксования. Добавки пригодны для обработки поверхности массивов-отвалов шламов углеобогащения против пыления. ЩСПК как добавка пригодна для применения в составе водно-угольной массы, транспортируемой по трубопроводам, обладая противоморозными, антиаб-разивными и антикоррозионными свойствами и увеличивая седимен-тационную устойчивость водноугольной суспензии.
Крупномасштабные промышленные испытания новых химических средств для борьбы с пыле-нием, выдуванием, примерзанием и смерзанием твердых топлив осуществлены на ряде угольных предприятий Кузбасса и Донбасса. При небольших затратах на сооружение и эксплуатацию установок по применению новых профилактических средств достигается значительная экономия топливных ресурсов, существенно сокращается загрязнение окружающей среды угольной пылью, улучшаются условия труда.
© И.А. Ощепков, 3.А. Худоносова
