CC BY
3
щ
переработка угля • coal preparation
Оригинальная статья
УДК 622.273.218 © Ю.С. Тюляева1, А.М. ХайрутдиновН2, 2024
1 Международный университет Флориды, 11200, г. Майами, Флорида, США
2 НИТУ МИСИС, 119049, Москва, Россия
Н e-mail: [email protected]
Original Paper
UDC 622.273.218 © Yu.S. Tyulyaeva1, A.M. KhayrutdinovH2, 2024
1 Florida International University (FIU), Miami, Florida, 11200, United States 2 National University of Science and Technology MISIS (NUST MISIS), Moscow, 119049, Russian Federation H e-mail: [email protected]
Создание закладочного композита на основе отходов угольной промышленности
Creation of a backfill composite based on coal industry waste
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2024-10-24-27
ТЮЛЯЕВА Ю.С.
Аспирант Международного университета Флориды (FIU), 11200, г. Майами, Флорида, США, e-mail: [email protected]
ХАЙРУТДИНОВ А.М.
Аспирант Горного института
НИТУМИСИС,
119049, г. Москва, Россия,
e-mail: [email protected]
Отказ от традиционных способов подземной добычи угля в пользу технологии с закладкой позволит увеличить коэффициент извлечения, повысить безопасность ведения горных работ, а применение в закладочном композите техногенных отходов снизит нагрузку на окружающую среду. Выбор рецептуры закладочного композита на основе техногенных отходов является целью настоящего исследования. Установлено, что возможна полная замена традиционного цементного вяжущего композита на золу-уноса. Применение в составе закладочного композита наномодифицированного песка значительно повышает прочностные характеристики создаваемого искусственного массива.
Ключевые слова: добыча угля, технология с закладкой, искусственный массив, зола-уноса, прочностные характеристики, закладочный композит. Для цитирования:Тюляева Ю.С., Хайрутдинов А.М. Создание закладочного композита на основе отходов угольной промышленности // Уголь. 2024;(10): 24-27. DOI: 10.18796/0041-5790-2024-10-24-27.
Abstract
Transitioning from traditional methods of underground coal mining to technology with backfilling of mined space will increase the extraction coefficient and also improve the safety of mining activities. The use of man-made waste in the backfill composite will reduce environmental impact of mining enterprises. The objective of this study is to determine the composition of a backfill composite based on industrial waste. It has been established that it is possible to completely replace the traditional cement binder with fly ash. The inclusion of nanomodified sand in the backfill composite will significantly enhance the strength characteristics of the artificial massif Keywords
Coal mining; backfilling technology; artificial massif; fly ash; strength characteristics; backfill composite. For citation
Tyulyaeva Yu.S., Khayrutdinov A.M. Creation of a backfill composite based on coal industry waste. Ugol'. 2024;(10):24-27. (In Russ.). DOI: 10.18796/0041 -57902024-10-24-27.
ВВЕДЕНИЕ
Извлечение угля из недр вызывает формирование большого количества техногенных отходов [1], а также сопровождается образованием полостей и пустот в недрах [2], что в совокупности ведет к деградационным изменениям земной поверхности [3] и нарушает экологический баланс среды обитания человека [4]. Увеличение пустот в недрах [5] приводит к обрушениям кровли выработок и очистного пространства [6], распространению данного обрушения до выхода его на поверхность [7] и ведет к снижению безопасности труда рабочих [8]. Заполнение пустот, образующихся в ходе добычи угля, закладочным композитом позволит минимизировать вероятность обрушения кровли [9] и повысить безопасность ведения горных работ [10], а применение техногенных отходов в закладочном композите приведет к исключению влияния угледобывающего предприятия на окружающую среду [11]. Помимо этого, ликвидация пустот исключит возможность скопления метана в угольных шахтах [12], что повысит взрывобезо-пасность угледобывающего предприятия [13].
Высокая стоимость закладочных работ предопределила применение их при извлечении руд высокой ценности. Однако истощение запасов [14], повышенный потребительский спрос [15] определяют переход на технологию с закладкой при освоении геосырья малой и средней ценности [3, 10]. Одним из способов снижения стоимости закладочных работ является применение в составе закладочного композита техногенных отходов собственных или сопутствующих предприятий [16].
Таким образом, разработка рецептуры закладочного композита на основе региональных техногенных отходов с целью применения данного композита для укладки в отработанное пространство является целью настоящего исследования.
МЕТОДЫ И МАТЕРИАЛЫ
В настоящем экспериментальном исследовании в качестве инертного заполнителя использовали пустую породу от вскрышных и проходческих работ. В качестве вяжущего использовали цемент марки М500, производимый АО «Подольск-Цемент». Для затворения применяли простую водопроводную воду. Помимо этого, с целью снижения количества цемента в качестве добавки применяли золу-уноса. Также для повышения прочностных характеристик создаваемого искусственного массива применяли наномодифицированный песок (табл. 7) и добавку-ингибитор - стекловолокно (табл. 2).
Исследование закладочного композита производили в соответствии с методикой, описанной в работе [3]. Оборудование, приготовление, порядок и время смешивания подробно описаны в работе [11], поэтому в настоящем исследовании не повторяли.
Был приготовлен контрольный состав, где в качестве вяжущего использовался цемент. Затем цементное вяжущее заменили на золу-уноса. Программа выбора рецептуры представлена в таблице 3.
Приготовленная смесь закладочного композита размещалась в цилиндрические формы высотой 100 мм и диаметром 50 мм. С целью получения достоверных результатов для каждого состава было приготовлено по 12 образцов. В ходе отверждения образцы исследовались на одноосное сжатие в динамике набора прочности на 7-е, 28-е, 60-е, 90-е и 120-е сутки. Для конечного результата принимали среднее значение по 12 образцам.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Динамика набора прочностных характеристик отвер-жденных образцов на одноосное сжатие размещена на рисунке.
Таблица 1
Характеристика наномодифицированного песка
Characteristics of nano-modified sand
Тип Удельная поверхность Насыпная плотность Плотность Кристаллический тип Цвет Чистота
Nano-SiO2 240 м2/г 0,06 г/см3 2,2~2,6 г/см3 Форма шара Белый > 99,99%
Characteristics of glass fibre used as reinforcing material
Тип Диаметр (мк) Длина (мм) Предел прочности (МПа) Модуль упругости (ГПа) Плотность (г/м3) Скорость удлинения(%)
с/в 19 6 369 4,8 0,99 36,5
Таблица 3
Рецептура исследуемого закладочного композита
Composition of the studied stowage composite material
№ Компонент Пустая порода Цемент Зола-уноса Стекловолокно Nano-SiO2
1 % 98 2 0 0 0
2 % 65 0 34,7 0,3 0
3 % 60 0 39,7 0,3 0
4 % 59 0 39,7 0,3 1
Таблица 2
Характеристика стекловолокна, применяемого в качестве армирующего материала
■
переработка угля • coal preparation
о ср m
В сравнении с контрольным составом (№ 1) составы, где вяжущее было заменено на золу-уноса (№ 2 и № 3), продемонстрировали худшие значения прочностных характеристик. Однако динамика набора прочности в составах № 1, № 2, № 3 прослеживается одинаковой, что подтверждается равной кривизной графиков, уравнением аппроксимации для каждого состава, степенью аппроксимации R2. Увеличение срока отверждения для всех данных составов не изменяет кривизну графика.
При этом необходимо обратить внимание, что введение в состав (№ 4) нанаомодифицированного песка показало резкое увеличение прочностных характеристик не только в сравнении с исследуемыми составами (№ 2 и № 3), но и в сравнении с контрольным (№ 1). Помимо этого, в образцах состава № 4 наблюдается увеличение скорости набора прочностных характеристик в ходе отверждения, что подтверждается изменением кривизны графика, то есть значительный переход экспоненциально возрастающей зависимости.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На основе проведенного исследования можно сделать следующие выводы:
- зола-уноса обладает вяжущими свойствами, что позволяет создать бесцементный закладочный композит с целью применения его при отработке угольных пластов;
- создаваемой закладочный массив с применением золы-уноса в качестве вяжущего не в полной мере удовлетворяет нормативным прочностным характеристикам;
- несмотря на меньшие прочностные характеристики композита на основе золы-уноса в сравнении с цементным, их динамика набора прочности одинакова;
- добавление в состав закладочного композита на-номодифицированного песка значительно повышает прочностные характеристики закладочного композита после его отверждения, а также ускоряет динамику их набора.
Список литературы • References
1. К проблеме минимизации объемов мобильной пыли при разработке карьеров / В.И. Голик, З.А. Гашимова, М.Ю. Лискова и др. // Безопасность труда в промышленности. 2021. № 11. С. 28-33. DOI: 10.24000/0409-2961-2021-11-28-33.
Golik V.l., Gashimova Z.A., Liskova M.Yu., Kongar-Syuryun Ch.B. To the problem of minimizing the volume of mobile dust in the development of pits. Bezopasnost'Truda v Promyshlennosti. 2021 ;(11 ):28-33. (In Russ.). DOI: 10.24000/0409-2961-2021-11-28-33.
2. Korshak A.A., Vykhodtseva N.A., Gaysin M.T., Pshenin V.V. Influence of Operating Factors on the Performance of Oil Vapor Recovery Adsorption Plants. Science and Technologies: Oil and Oil Products
Состав 1 Состав 3
Состав 2 Состав 4
у = 0,181 + 3.518? 1 - exp(—x/7,355)) + 3,518? 1 R2 = 0,998 - exp(—x/7,355))
у = 5,475? R2 = 0,902 1 - 0,81лх)
- -
у = —199"+3,152? 1 - exp(—x/4,086)) + 3,153? R2 = 0,997 1 - exp(—x/4,085)) « —*
л m
-- ^ • = -10,143 + 6,871? 1 - exp(-x/2,572)) + 6,87? 1 - exp(-x/2,579)) R2 = 0,998 »■l.l.l
40
80
120 (сутки)
Динамика набора прочности исследуемых составов Strength gain dynamics of the studied compositions
Pipeline Transportation. 2019;(9):550-557. DOI: 10.28999/2541 -95952019-9-5-550-557.
Конгар-Сюрюн Ч.Б., Ковальский Е.Р. Твердеющие закладочные смеси на калийных рудниках: перспективные материалы, регулирующие напряженно-деформированное состояние массива // Геология и геофизика Юга России. 2023. № 13(4). С. 177-187. DOI: 10.46698/VNC.2023.34.99.014.
Kongar-Syuryun Ch.B., Kovalski E.R. Hardening backfill at potash mines: promising materials regulating stress-strain behavior of rock mass. Geologiya igeofizika Yuga Rossii. 2023. № 13(4):177-187. (In Russ.). DOI: 10.46698/VNC.2023.34.99.014. Pshenin V., Zaripova N., Zaynetdinov K. Modeling of the Crude Oil (or Petroleum Products) Vapor Displacement During Rail Tanks Loading. Petroleum Science and Technology. 2019;(37):2435-2440. DOI: 10.1080/10916466.2019.1655442.
Brigida V., Golik V.I., Voitovich E.V., Kukartsev V.V., Gozbenko V.E., Konyukhov V.Y., Oparina T.A. Technogenic Reservoirs Resources of Mine Methane When Implementing the Circular Waste Management Concept. Resources. 2024;(13):33. DOI: 10.3390/ resources13020033.
Korshak A.A., Nikolaeva A.V., Nagatkina A.S., Gaysin M.T., Korshak A.A., Pshenin V.V. Method for predicting the degree of hydrocarbon vapor recovery at absorption. Science and Technologies: Oil and Oil Products Pipeline Transportation. 2020;10(2):202-209. DOI:10.28999/2541-9595-2020-10-2-202-209.
Fetisov V., Mohammadi A.H., Pshenin V., Kupavykh K., Artyukh D. Improving the Economic Efficiency of Vapor Recovery Units at Hydrocarbon Loading Terminals. Oil and Gas Science and Technology. 2021;(76):38. DOI: 10.2516/ogst/2021022. Вовлечение техногенных отходов в переработку - парадигма ресурсного обеспечения устойчивого развития / П.А. Каунг, А.А. Се-микин, А.М. Хайрутдинов и др. // Устойчивое развитие горных территорий. 2023. Т. 15. № 2. С. 385-397. DOI: 10.21177/1998-45022023-15-2-385-397.
3.
5
Kaung P.A., Semikin A.A., Khayrutdinov A.M., Dekhtyarenko A.A. Recycling of industrial waste is a paradigm of resource provision for sustainable development. Ustojchivoe razvitie gornykh territorij. 2023;15(2):385-397. (In Russ.). DOI: 10.21177/1998-4502-2023-15-2385-397.
9. Brigida V.S., Golik V.l., Klyuev R.V., Sabirova L.B., Mambetalieva A.R., Karlina Yu.l. Efficiency Gains When Using Activated Mill Tailings in Underground Mining. Metallurgist. 2023;(67):398-408. DOI: 10.1007/ s11015-023-01526-z.
10. Golik V.l., Mitsik M.F., Aleksakhina Y.V., Alenina E.E., Ruban-Lazareva N.V., Kruzhkova G.V., Kondratyeva O.A., Trushina E.V., Skryabin O.O., Khayrutdinov M.M. Comprehensive Recovery of Metals in Tailings Utilization with Mechanochemical Activation. Resources. 2023;(12): 113. https://doi.org/10.3390/resources12100113.
11. Babyr N.V. Topical Themes and New Trends in Mining Industry: Scientometric Analysis and Research Visualization. International Journal of Engineering, Transactions. A: Basics. 2024;37(2):439-451. DOI: 10.5829/ije.2024.37.02b.18.
12. Korshak A.A., Pshenin V.V. Modeling of Water Slug Removal from Oil Pipelines by Methods of Computational Fluid Dynamics. Neftyanoe Khozyaystvo - Oil Industry. 2023;(10):117-122. DOI: 10.24887/00282448-2023-10-117-122.
13. Инновационный способ утилизации отходов монолитных строительных конструкций / С.В. Репин, А.С. Афанасьев, В.Н. Доброми-ров и др. // Устойчивое развитие горных территорий. 2023. Т. 15. № 3. С. 771 -783. DOI: 10.21177/1998-4502-2023-15-3-771 -783. Repin S.V., Afanasyev A.S., Dobromirov V.N., Barsukov V.O. Innovative method for disposal of waste of monolithic building structures. Ustojchivoe razvitie gornykh territorij. 2023;15(3):771-783. (In Russ.). DOI: 10.21177/1998-4502-2023-15-3-771 -783.
14. Gabov V.V., Babyr N.V., Zadkov D.A. Mathematical modelling of operation of the hydraulic support system of the powered support sections with impulse-free continuous regulation of its resistance to the roof rock lowering. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2021 ;1064(1 ). DOI: 10.1088/1757-899X/1064/1 /012045.
15. Korshak A.A., Gaisin M.T., Pshenin V.V. Method of Structural Minimization of the Average Risk for Identification of Mass Transfer of Evaporating Oil at Tanker Loading. Neftyanoe Khozyaystvo - Oil Industry. 2019;(10):108-111. DOI: 10.24887/0028-2448-2019-10-108-111.
16. Afanasyev A., Safiullin R., Kuznetsova E., Podoprigora N., Vaga V. Conceptual approaches to traffic monitoring design under varying conditions of vehicle traffic. Paper presented at the 2022 International Conference on Engineering Management of Communication and Technology, EMCTECH 2022, Proceedings. DOI: 10.1109/ EMCTECH55220.2022.9934067.
Authors Information
Tyulyaeva Yu.S. - Postgraduate student, Florida International University (FIU), Miami, Florida, 11200, United States, e-mail: [email protected]
Khayrutdinov A.M. - Postgraduate student, Mining Institute, National University of Science and Technology MISIS (NUST MISIS), Moscow, 119049, Russian Federation, e-mail: [email protected]
Информация о статье
Поступила в редакцию: 5.08.2024 Поступила после рецензирования: 16.09.2024 Принята к публикации: 26.09.2024
Paper info
Received August 5,2024 Reviewed September 16,2024 Accepted September 26,2024
Церемония вручения премии «Глобальная энергия» состоялась на РЭН-2024
Заместитель председателя Правительства Российской Федерации Александр Новак26 сентября вручил премию «Глобальная энергия» лауреатам 2024 г. Ими стали уроженец Китая, профессор Шеффилдского университета (Великобритания) Цзы-Цян Чжу, пуэрториканец, профессор химии Корнеллского университета (США) Эктор Абрунья и профессор Университета Цинхуа (КНР) Мингао Оуян.
Цзы-Цян Чжу стал победителем в номинации «Традиционная энергетика» за выдающийся вклад в развитие электрифицированного транспорта, повышение энергоэффективности бытовой техники и снижение выбросов при выработке и использовании электроэнергии, а также производство энергии из возобновляемых источников.
Эктор Абрунья был выбран в номинации «Нетрадиционная энергетика» за фундаментальный вклад в области электрохимии, аккумуляторов, топливных элементов и молекулярной электроники.
Мингао Оуян стал лауреатом в номинации «Новые способы применения энергии» за техническое лидерство в стра-
тегическом планировании, исследованиях, демонстрации и коммерциализации новых энергетических транспортных средств и, в частности, за решение технических проблем, связанных с долговечностью водородных топливных элементов, безопасностью литий-ионных батарей и взаимодействием транспортных средств с сетями.
Ассоциация по развитию международных исследований и проектов в области энергетики «Глобальная энергия» Источник фото - Росконгресс
