CC BY
7Сборно-разборная закладка вертикальных стволов цилиндрическими шлакобетонными блоками
О)
о
см
ш
О!
О Ш
т х
<
т о х
X
Угляница Андрей Владимирович
д.т.н., профессор, профессор Кузбасского государственного технического университета им. Т.Ф. Горбачева (КузГТУ), uav@Kuzstu.ru,
Ордин Александр Александрович
д.т.н., заместитель директора по научной работе ООО "Научно-проектный центр ВостНИИ", ordinaa@ngs.ru
Солонин Кирилл Дмитриевич
старший преподаватель Кузбасского государственного технического университета им. Т.Ф. Горбачева (КузГТУ), solonin_kirill@mail.ru,
Песиков Андрей Васильевич
главный инженер ООО "Научно-проектный центр ВостНИИ", pesikow@mail.ru
В статье предложена технология возведения в вертикальном стволе сборно-разборной шлакобетонной закладки из цилиндрических автоклавных шлакобетонных блоков, предварительно изготавливаемых на поверхности ствола, обоснованы оптимальные параметры сборно-разборной закладки. Данная закладка, в случае возникновения необходимости восстановления пространства вертикального ствола в будущем, может быть демонтирована. Технология закладки разработана в рамках выполнения НИР по гранту Российского фонда фундаментальных исследований РФФИ-Сибирь (договор № НК 13-05-98025/13) на тему: «Обоснование и разработка технологии экологической ликвидации вертикальных вскрывающих горных выработок шахт Кузбасса водоупорным и безусадочным закладочным материалом на основе шлаковых отходов топливно-энергетических предприятий». Разработанная технология закладки позволит обеспечить экологическую безопасность прилегающих к вертикальному стволу территорий и одновременно утилизировать техногенные шлаковые отходы топливно-энергетических предприятий.
Ключевые слова: закладка, вертикальный ствол, цилиндрический шлакобетонный блок, автоклавная обработка.
1. Введение
Согласно требованию нормативных документов вертикальные стволы и шурфы, с неудовлетворительной крепью, пройденные в неустойчивых породах, должны быть полностью заполнены водоупорным безусадочным материалом до уровня земной поверхности [1, 2, 3]. Основные требования, предъявляемые к водоупорному безусадочному закладочному массиву: коэффициент фильтрации массива менее 0,001 м/сут; отсутствие компрессионного сжатия закладочного массива в наиболее нагруженной нижней части ствола [4].
В РФ разработаны способы послойной закладки твердеющими смесями вертикальных стволов. Для создания закладочного водоупорного и безусадочного массива в данных способах применяются дорогие цементные бетоны или силикатные твердеющие закладочные смеси на основе тонкомолотых горелых пород, содержащие большое количество цементно-известкового вяжущего и специальных добавок [5]. Предложенные способы не нашли практического применения, вследствие высокой стоимости закладочных работ и исчерпания запасов горелых пород на угольных шахтах. Кроме этого, закладка вертикального ствола твердеющими бетонными смесями полностью ликвидирует ствол и исключает возможность его восстановления, и использования через определенный промежуток времени после прекращения его эксплуатации.
2 Теория и ранее полученные научные результаты
Эффективным закладочным материалом для ликвидации вертикальных выработок является силикатный шлакобетон автоклавного твердения, полученный на основе золошлаковых отходов топливно-энергетических предприятий и извести. Известно, что при автоклавной обработке шлако-известковой смеси в зависимости от параметров смеси и ее автоклавной обработки можно получить автоклавный шлакобетон с
низкой водопроницаемостью и компрессией [6]. Поэтому путем автоклавной обработки шлако-известковой смеси представляется возможным получить водоупорный и безусадочный автоклавный шлакобетон для закладки ликвидируемых вертикальных стволов на более дешевых, содержащих меньшее количество вяжущего и специальных добавок, закладочных смесях. Применение золошлаковых отходов для закладки вертикальных стволов позволит утилизировать эти отходы, что будет благотворно отражаться на экологическом состоянии территорий РФ [7, 8, 9, 10]. Технология строительства в стволе сборно-разборной шлакобетонной закладки из цилиндрических автоклавных шлакобетонных блоков позволит, в случае необходимости, восстанавливать вертикальный ствол после закладки в будущем, путем демонтажа сборно-разборной закладки из цилиндрических шлакобетонных блоков.
Выполненные в КузГТУ лабораторные экспериментальные исследования компрессионных и фильтрационных свойств автоклавного шлакобетона показали, что для закладки вертикальных стволов можно использовать молотые силикатные шлако-известковые смеси автоклавного типа твердения, однако получение водоупорного и безусадочного закладочного массива возможно только при определенных весовых соотношениях компонентов смеси, её химического состава и режимов автоклавной обработки [11,12]. В табл. 1 приведены установленные в результате данных исследований оптимальные составы силикатных шлако-известковых смесей и параметры их автоклавной обработки для получения водоупорного и безусадочного автоклавного шлакобетона.
Таблица 1
Параметры шлако-известковых смесей и их автоклавной обработки, при которых образцы не сжимались и являлись водоупорами _____
Коэф. Фракция Водо- Продол - Продол- Продол- Продол-
основ- шлака и вяжущее жи - жи- жи- жи-
но-сти извести отноше- тель- тель- тельность тель-
смеси, ние ВВО ность ность автоклав- ность
Косн предав- подъема ной обра- спуска
токлав- давле- ботки при давле-
ной ния, час. давлении ния, час
выдерж- 0,9 МПа,
ки, час час
0,3 0,08 0,5 4 0,75 6 5
0,5 0,08 0,5 4 0,75 6 5
0,7 0,08 0,5 4 0,75 6 5
0,7 0,16 0,5 4 0,75 6 5
3 Результаты
Для строительства сборно-разборной шлакобетонной закладки вертикальных стволов в Куз-ГТУ разработан способ закладки ствола цилиндрическими автоклавными шлакобетонными блоками, предварительно изготавливаемыми на поверхности шахты [13].
Цилиндрические автоклавные шлакобетонные блоки изготавливают согласно технологической схеме, представленной на рис. 1. Зо-лошлаковую смесь из отвала (шлак) ковшовым элеватором 1 подают в сушильный барабан 2, а их него в бункер с дозатором 3. Комовую негашёную известь со склада подают на щековую дробилку 6. Она предназначена для дробления извести до крупности 2 мм. Через ковшовый элеватор 1 дробленная известь поступает в бункер с дозатором 4. Центробежную мельницу 5 загружают шлаком и известью в необходимом соотношении через бункер-дозаторы 3 и 4 и производят их измельчение до необходимой фракции. Тонкость помола зерен шлака и извести в мельнице регулируется продолжительностью помола. Тонкомолотую шлако-известковую сухую смесь подают в загрузочный бункер-дозатор 8, а из него в турбулентный бетоносмеситель 9, в который также подают расчетное количество воды из бункер-дозатора 7. Производят приготовление шлако-известковой автоклавной смеси. Шлако-известковую автоклавную смесь из бетоносмесителя 9 укладывают в форму-автоклав 10. Автоклавную обработку шлако-известковой автоклавной смеси в форме-автоклаве 10 производят парогенератором 11 через пропарочные скважины по заданному режиму автоклавной обработки. При приготовлении шлако-известковой автоклавной смеси вначале в турбулентный смеситель загружается вода, а затем шлако-известковая сухая смесь.
1
Шлак
Рис. 1. Технологическая схема производства цилиндриче- ^
ских автоклавных шлакобетонных блоков на поверхности ствола .
ю
Для предотвращения расслаивания шлако-известковой автоклавной смеси в форме- 0
О)
о
2
ш
О!
О Ш
В
X
3
<
В
о
X X
автоклаве в процессе ее укладки продолжительность укладки смеси в форму-автоклав не должна превышать 30 мин. Цикл укладки включает три операции: загрузка турбулентного смесителя 9 водой и шлако-известковой сухой смесью из бункер-дозаторов 7 и 8, приготовление шлако-известковой автоклавной смеси в турбулентном смесителе 9, загрузка формы-автоклава 10 шлако-известковой автоклавной смесью из турбулентного смесителя. Размеры бункер-дозаторов 3, 4, 7 и 8 определяются из условия размещения в них шлака, извести, воды и шлако-известковой сухой смеси по массе, необходимых для приготовления одного цилиндрического автоклавного шлакобетонного блока.
Закладку вертикального ствола цилиндрическими шлакобетонными блоками согласно разработанному способу осуществляют следующим образом (см. рис. 2). Производят закладку выработок шахтных горизонтов 1 на участках их сопряжений с вертикальным стволом 2 путем возведения изолирующих бетонных перемычек 3. Демонтируют в стволе расстрелы, проводники, трубы, кабели, нулевую раму и надшахтное здание. На поверхности у устья ствола складируют цилиндрические автоклавные шлакобетонные блоки.
Рис. 2. Схема закладки вертикального ствола крупногабаритными цилиндрическими автоклавными шлакобетонными блоками
Диаметр цилиндрического автоклавного шлакобетонного блока 4 принимают меньше внутреннего диаметра бетонной крепи ствола с учетом неровностей её стенок, из условия, чтобы цилиндрический блок при спуске в вертикальный ствол не заклинил. Закладку ствола цилиндрическими блоками осуществляют заходками,
опуская проектное количество шлакобетонных блоков 4 в ствол в пределах заходки. В ствол опускают тампонажную емкость 1 на тросе 2, оснащенную автоматическим затвором и манипулятором с бетонопроводом, подают расчетное количество тампонажной смеси в пространство 3 между бетонной крепью ствола 5 и цилиндрическими автоклавными шлакобетонными блоками 4 и тампонируют его (см. рис. 3). При этом тампонажный раствор также затампонирует и горизонтальные щели 6 между уложенными друг на друга цилиндрическими блоками 4. Переходят к закладке цилиндрическими шлакобетонными блоками вышележащей заходки. Тампонаж пространства между крепью ствола и цилиндрическими шлакобетонными блоками производят шлако-известковым раствором с тем же составом, что и для приготовления цилиндрических шлакобетонных блоков. При этом для улучшения проникающей способности шлако-известкового тампонажного раствора в него дополнительно добавляют 3% силиката натрия (жидкого стекла) от массы извести.
Рис. 3. Тампонаж пространства между крепью ствола и цилиндрическими шлакобетонными блоками
Спуск цилиндрических блоков в ствол и тампонажной емкости осуществляют стреловым самоходным или башенным, кранами. Процессом тампонажа управляют с помощью видиока-меры.
Удаление цилиндрических шлакобетонных блоков из стволового пространства, в случае возникновения необходимости демонтажа закладки вертикального ствола, производится подъемным краном, при этом крюки строп подъемного крана зацепляют за строповочные петли шлакобетонного блока и извлекают его на поверхность. Перед удалением цилиндрического
шлакобетонного блока из ствола производится механизированная выемка тампонажного слоя между бетонной крепью ствола и стенками цилиндрического блока на его высоту.
Для изготовления цилиндрических крупногабаритных автоклавных шлакобетонных блоков в КузГТУ разработан способ, согласно которому шлакобетонные блоки изготавливают в цилиндрической форме-автоклаве с применением пропарочных скважин [14]. При этом автоклавная обработка бетонной смеси в форме-автоклаве производится как через открытую поверхность бетонной смеси в форме, так и через пропарочные скважины, которые располагаются в бетонной смеси на заданном расстоянии друг от друга.Расстояние между пропарочными скважинами в форме принимают в зависимости от величины радиуса распространения автоклавной обработки от пропарочной скважины в шлако-известковую смесь.
Для выполнения исследований по установлению зависимости между радиусом распространения автоклавной обработки шлако-известковой автоклавной смеси от пропарочной скважины, параметрами шлако-известковой автоклавной смеси и ее автоклавной обработки была разработан экспериментальный лабораторный радиальный автоклав. На рис. 4 представлена конструкция экспериментального лабораторного радиального автоклава.
Лабораторный экспериментальный радиальный автоклав представляет собой сборную металлическую конструкцию, выполненную в виде сектора с углом при вершине 30° (см. рис. 4), состоящую из рамы 1, двух крышек из листового проката 2, толщиной 8 мм каждая. В целом рама 1 и две ее крышки 2 образуют радиальную автоклавную камеру, которая заполняется шлако-известковой автоклавной смесью 3. Нижняя крышка является несъемной, соединена с рамой сварным соединением по внутреннему контуру. Верхняя крышка выполнена съёмной для непосредственной укладки закладочного материала в радиальную автоклавную камеру. Для обеспечения герметичности автоклавной камеры в рабочем состоянии верхняя крышка соединяется с рамой болтовыми соединениями 4. Между рамой и крышкой укладывается паронитовая прокладка на высокотемпературный герметик 5. В верхней крышке расположены одиннадцать колодцев 6 для размещения термометров. Расстояние между термометрами - 100 мм. Перед установкой в колодцы спиртовых термометров в них заливали глицерин.
Рис. 4. Лабораторный экспериментальный радиальный автоклав
Пропарочная скважина 7 диаметром 76 мм выполнена в виде сектора с углом при вершине 300. Радиальная стенка пропарочной скважины изготовлена из стальной сетки 8. Удаление па-роконденсата (воды) из пропарочной скважины 7 в процессе автоклавной обработки производится самотеком в емкость сбора пароконденса-та 9, оборудованную сливным краном 10.
Результаты экспериментальных исследований представлены в табл. 2. (жирным шрифтов выделены эксперименты, в которых при заданных составах шлако-известковой смеси и ее автоклавной обработки формировался водоупорный и безусадочный автоклавный шлакобетон для закладки вертикальных стволов).
Таблица 2.
Радиусы распространения автоклавной обработки от пропарочной скважины в зависимости от составов смеси и параметров автоклавной обработки
Радиус Коэффициент Фракция Водовяжу- Режим автоклав-
автоклав- основности шлака и щее отно- ной обработки
ной обра- смеси, Косн извести шение «средний», час
ботки, м ВВО
0,61 0,3 (-0,16) 0,5 4+0,75+6+5
0,53 0,3 (-0,08) 0,5 4+0,75+6+5
0,49 0,5 (-0,16) 0,5 4+0,75+6+5
0,34 0,5 (-0,08) 0,5 4+0,75+6+5
0,42 0,7 (-0,16) 0,5 4+0,75+6+5
0,21 0,7 (-0,08) 0,5 4+0,75+6+5
В результате выполненных исследований установлены соотношения значений радиуса распространения эффективной автоклавной обработки закладочной смеси от пропарочной скважины в зависимости от параметров шлако-известковой смеси и её автоклавной обработки. Как следует из табл. 2 максимальный радиус автоклавной обработки шлако-известковой сме-
X X
о
го А с.
X
го т
о
ю 5
М О
О)
о
сч
m
OI
О Ш
m х
<
m о х
X
си, равный R = 0,53 м, при котором получается водоупорный и безусадочный автоклавный шлакобетон для закладки вертикальных стволов, достигается при Косн = 0,3, фракции шлака и извести «-0,08», водовяжущем отношении смеси ВВО=0,5 и режиме автоклавной обработки «средний».
Заключение
На основе результатов выполненных исследований и предложенных технологических и технических решений разработаны «Рекомендации по закладке ликвидируемых вертикальных стволов автоклавными шлакобетонными блоками» [15].
Разработанные технологические и технические решения по строительству сборно-разборной закладки вертикальных стволов водоупорным и безусадочным автоклавным шлакобетоном, позволяет обеспечить экологическую безопасность прилегающих к ликвидируемому стволу территорий, утилизировать шлаковые отвалы и обеспечить возможность восстановления ствола в случае необходимости при минимальных трудовых и материальных затратах.
Литература
1. Инструкция о порядке ведения работ по ликвидации и консервации опасных производственных объектов, связанных с пользованием недрами. РД 07-291-99 / Федеральный горный и промышленный надзор России. - М. : ГУП "НТЦ "Промышленная безопасность", 2002. - 17 с.
2. «Эталона проекта ликвидации шахты» утвержденного приказом Министерства энергетики Российской федерации от 01.11.2001 г.
3. Отраслевая инструкция о порядке ликвидации и консервации предприятий по добыче угля (сланца) / И. Ф. Петров, В. С. Зимич, А. М. Навитний и др. - М. : ИПКОН РАН, 1997. - 27 с.
4. Закладочные работы в шахтах : справочник / Д.М. Броников [ и др.]; под редакцией Д.М. Броникова, М.Н. Цигалова.- М.: Недра, 1989.400 с.
5. Корнеева Е. В. Композиционное бесцементное вяжущее из промышленных отходов и закладочная смесь на его основе / Е. В. Корнее-ва, С. И. Павленко. - М. : Издательство Ассоциации строительных вузов, 2009. - 139 с.
6. Uglyanitsa A.V., Khmelenko T.I., Solonin K.D. Slag-alkaline concrete - efficient building material: International journal of applied engineering research (IJAER), India, - Volume 9, Number 22 (2014) - pp. 16837-16842.
7. Боженов П. И. Технология автоклавных материалов. - Л. : Стройиздат, Ленингр. отд-ние, 1978. - 368 с.
8. Dolzhikov P., Kiriyak K., Ivlieva E. Research of deformations of the base-fundaments system on underworked and hydroactivated territories by finite elements method. Progressive Technologies of Coal, Coalbed Methane and Ores Mining, CRC Press / Balkema. Leiden the Netherlandes, 2014, pp. 217-222.
9. Liu Hongjun, Yuan Feng, Yang Donghai. The strenghth varieties of the seibsurface made of lime and fine coal ash of the Hingwaj from Changba to Baichengt. Dongbei linye daxue xuehao = J. Nort-East Forest. Univ. 2000. 28, N1.
10. Chen Xiaotong, Shao Jiexicn, Zhang Jun, Chen Rongsheng, Don Younian, Zhang Fan. Dongnan daxue xuebao. Ziran kexue ban. = J. Southeast Univ. Natur. Sci. Ed. 2001.31. N 3.
11. Tuhkat huotykayttoon. Lahtinen P. Kuntatekn. - kommun-tekn. [Kunnallisteknukka]. 1997.-52, N5
12. Uglyanitsa A.V., Solonin K.D., Strukova E.A. Charcterization of autoclaved slag concrete for stowing the vertical mine workings under liquidation: «Research Journal of Applied Sciences» , 2015, 10 (2) - pp. 84-91
13. Uglyanitsa , A.V., Solonin K.D. Filling of the vertical mine workings with the autoclave slag-concrete: Atlantis press: «The 8th Russian-Chinese Symposium. Coal in 21st Century: Mining. Processing and Safety», 2016, №16-05-20506 -pp. 66-71.
14. Способ закладки вертикальной выработки. Патент № 2449129. Опубл. 27.04. 2012. Бюл. №12. Авторы: Исаенко А.В., Угляница А.В., Хме-ленко Т.В, Гладких Л.Н.
15. Способ производства крупногабаритных бетонных блоков в форме-автоклаве. Патент № 2562307. Опубл. 10.09.2015. Бюл. №25. Авторы: Угляница А.В., Солонин К.Д., Струкова Е.А
16. Рекомендации по закладке ликвидируемых вертикальных стволов автоклавными шлакобетонными блоками / Сост.: А.В. Угляница, К.Д. Солонин; ГБОУ ВО КузГТУ. - Кемерово, 2017. - 49 с.
Collapsible filling of vertical mine shafts with cylindrical
slag concrete block Uglyanitsa A.V., Ordin A.A., Solonin K.D., Pesikov A.V.
T.F. Gorbachev Kuzbass State Technical University, Vostochniy
Research Institute for Mining Safety, The article proposes the technology for construction of a collapsible slag-concrete fill made of cylindrical autoclave slag-concrete blocks, pre-made at grass, in a vertical shaft; the optimal parameters of a collapsible fill being calculated. This fill, in case of the need to restore the space of the vertical shaft in the future, can be dismantled. The filling technology was developed within the framework of the research under the grant of the Russian Foundation for Basic Research-Siberia (Contract No. НК 13-05-98025/13) on the topic: "Rationale and development of the technology for the environmentally friendly filling of vertical workings in Kuzbass mines with waterproof and non-shrink backfill material on the basis of slag waste of fuel and energy enterprises". The developed filling technology will allow ensuring the environmental safety
of the territories adjacent to the vertical mine and at the same time utilizing anthropogenic slag wastes of fuel and energy enterprises. Keywords: fill, vertical shaft, cylindrical slag concrete block,
autoclave treatment. References
1. Instruction on the procedure for the liquidation and conservation of hazardous production facilities associated with the use of subsoil. RD 07-291-99 / Federal Mining and Industrial Supervision of Russia. - M.: GUP "NTC" Industrial Safety ", 2002. - 17 p.
2. "The benchmark of the mine liquidation project" approved by
the order of the Ministry of Energy of the Russian Federation dated 11/01/2001
3. Sectoral instruction on the procedure for the liquidation and
conservation of coal mining enterprises (oil shale) / I. P. Petrov, V. S. Zimich, A. M. Navitniy, and others. - M.: IPOCH RAS, 1997. - 27 p.
4. Laying work in the mines: a reference book / D.M. Bronikov
[and others]; edited by D.M. Bronikova, M.N. Tsigalova.- M .: Nedra, 1989.- 400 p.
5. Korneeva, Ye.V. Compositionless cementless binder from industrial waste and backfill mixture based on it / E.V. Korneyev, S.I. Pavlenko. - M.: Publishing house of the Association of construction universities, 2009. - 139 p.
6. Uglyanitsa A.V., Khmelenko T.I., Solonin K.D. Slag-alkaline
concrete - I9, Number 9, Number 22 (2014) - pp. 1683716842.
7. Bozhenov P.I. Technology of autoclave materials. - L.: Stroyizdat, Leningrad. Separation, 1978. - 368 p.
8. Dolzhikov, P., Kiriyak, K., Ivlieva, E. Coalbed Methane and
Ores Mining, CRC Press / Balkema. Leiden the Netherlandes, 2014, pp. 217-222.
9. Liu Hongjun, Yuan Feng, Yang Donghai. Hingwaj from Changba to Baichengt. Dongbei linye daxue xuehao = J. Nort-East Forest. Univ. 2000. 28, N1.
10. Chen Xiaotong, Shao Jiexicn, Zhang Jun, Chen Rongsheng, Don Younian, Zhang Fan. Dongnan daxue xuebao. Ziran kexue ban. = J. Southeast Univ. Natur. Sci. Ed. 2001.31. N 3.
11. Tuhkat huotykayttoon. Lahtinen P. Kuntatekn. - Kommun-tekn. [Kunnallisteknukka]. 1997.-52, N5
12. Uglyanitsa A.V., Solonin K.D., Strukova E.A. Liquidation of autoclaved slag concrete for liquidity: "Research Journal of Applied Sciences", 2015, 10 (2) - pp. 84-91
13. Uglyanitsa, A.V., Solonin K.D. The autoclave slag-concrete: Atlantis press: "The 8th Russian-Chinese Symposium. Coal in 21st Century: Mining. Processing and Safety », 2016, №16-05-20506 - pp. 66-71.
14. The way bookmarks vertical development. Patent number 2449129. Publ. 27.04. 2012. Bull. №12. Authors: Isaenko A.V., Uglyanitsa A.V., Khmelenko T.V., Gladkikh L.N.
15. Method for the production of large-sized concrete blocks in the form of an autoclave. Patent number 2562307. Publ. 09/10/2015. Bul №25. Authors: Uglyanitsa AV, Solonin KD, Strukova E.A.
O
16. Recommendations for the installation of liquidated vertical Oj
shafts by autoclave cinder blocks / Comp.: A.V. Uglyanitsa, >
KD Corned beef; GBOU IN KUZGTU. - Kemerovo, 2017. - E
49 p.
io 5
M О
to
