05.01.2021

Использование вторичных ресурсов и местных материалов для инъекционных растворов


Одним из направлений ресурсосбережения является максимальное использование отходов производства и местных материалов. При этом решается целый комплекс технических, экономических и социально-экологических вопросов: экономятся дефицитные сырье и готовая продукция, создаются предпосылки к переходу на безотходную технологию, сводятся к минимуму пли вообще ликвидируются затраты на складирование и хранение отходов, высвобождается территория (использовавшаяся для складирования отходов), снижаются транспортные расходы, уменьшается загрязнение окружающей среды.

В подземном строительстве наиболее перспективным является применение вторичного сырья при креплении выработок, и в первую очередь для приготовления инъекционных и тампонажных растворов. При этом отходы производства и местные материалы используются в растворах в качестве активных добавок и заполнителей, снижающих расход цемента, а также в качестве компонентов новых вяжущих, позволяющих вообще отказаться от дефицитных строительных цементов или полимерных соединений.

В табл. 4.1 приведены сведения об отходах производства и местных материалах, применяемых для приготовления тампонажных и инъекционных растворов.

В качестве активных добавок и заменителей цемента, обладающих пуццолановыми свойствами, в тампонажных растворах и закладочных смесях эффективно используются зола-унос, улавливаемая при сжигании каменных углей на тепловых электростанциях, пыль уноса, образующаяся при производстве цементного клинкера, измельченные доменные шлаки. На основе вышеуказанных компонентов в зависимости от назначения и предъявляемых требований разработаны различные композиции, позволяющие заменить в растворах от 30 до 100% цемента. Так, например, бесцементное вяжущее для твердеющей закладки на базе гранулированных шлаков и пыли электрофильтров цементных заводов позволяет получить образцы с прочностью в 3-месячном возрасте до 5 МПа.

Зола-унос является смесью негорючих веществ, которые остаются после сгорания пылевидного топлива в топках котлов теплоэлектростанций. Состав золы характеризуется наличием в количестве 75—90% частиц сферической, игольчатой, пластинчатой и губчатой форм размером менее 60 мкм.

Зола-унос обладает рядом преимуществ по сравнению с другими инертными добавками. Во-первых, она обладает некоторым вяжущим эффектом. Во-вторых, малые размеры (близки к крупности частиц цемента или меньше) и окатанная форма частиц золы способствуют повышению подвижности и перекачиваемости растворов.

Исследованиями ВНИИОМШС установлено, что в тех случаях, когда высокая прочность тампонажного камня не требуется, возможна замена значительной части цемента более дешевым материалом — золой-уносом. Степень влияния добавки золы-уноса на прочность тампонажного камня при использовании в качестве вяжущего портландцемента марки 400 показана на рис. 4.3.

В зависимости от гидравлической активности зола-унос может применяться в составе тампонажного раствора в качестве:

- пластификаторов и регуляторов выхода камня (5—10% массы цемента);

- активной минеральной добавки или инертного наполнителя (10—40% массы цемента);

- заменителя части вяжущего (30—60% в пересчете на массу твердой фазы).

Введение в цементный раствор золы делает его экономичным, так как данный продукт отхода дешевый, имеется в больших количествах на тепловых электростанциях и может использоваться в качестве местного тампонажного материала. Так, ежегодный выход золошлаковых отходов, большую часть которых представляет зола-унос, на предприятиях теплоэнергетики только Донецкой области составляет несколько миллионов тонн.

В качестве вяжущего для тампонажных и инъекционных растворов могут использоваться составы на основе золошлаковых отходов тепловых электростанций и цементной пыли. Затворяется вяжущее водой, потребность в которой повышается с увеличением содержания в смеси шлака. Сроки схватывания и прочность образующегося тампонажного камня зависят от количества добавляемой цементной пыли. Так, увеличение содержания последней с 20 до 50% ведет к увеличению прочности камня от 2,7 до 9 МПа.

Следует отметить, что из перечисленных выше отходов тепловых электростанций и цементных заводов только зола-унос пока используется как вторичное сырье в ограниченных объемах. Это объясняется значительными колебаниями ее химического и гранулометрического составов и сложностью отбора и транспортирования. Остальные отходы широко используются в различных отраслях народного хозяйства и в определенной мере являются дефицитными.

Эффективным заменителем цементных и цементно-песчаных растворов при тампонаже закрепного пространства и инъекционном упрочнении пород в определенных условиях зарекомендовали себя растворы на основе фосфогипса, представляющие собой двухкомпонентную смесь фосфогипса (74%) и воды (26%). Раствор быстросхватывающийся, поэтому для замедления сроков схватывания применяется триполифосфат натрия (0,1—0,12% массы вяжущего). Преимуществом фосфогипсового вяжущего является быстрый набор прочности (через 20 мин — 8—10% от конечной прочности, через сутки — 45—57%). При оптимальном содержании воды прочность фосфогипсового камня через 24 сут достигает 40 МПа, однако увеличение водосодержания раствора существенно снижает эту величину (увеличение содержания воды на 10% снижает прочность в 1,5—2 раза). Основными недостатками фосфогипсового вяжущего являются его низкая водостойкость и высокая стоимость (стоимость 1 т составляет 19,4 руб.).

С целью снижения стоимости фосфогипсового раствора и регулирования его сроков схватывания применяются различные минеральные добавки: песок, горелая порода, зола-унос и др. Однако все они снижают прочностные свойства тампонажного Камня. Так, при добавлении песка (состав — фосфогипс : песок : вода = 1:1:0,4) прочность камня на сжатие через 28 сут снижается до 12—21 МПа. Для повышения водостойкости фосфогипсового камня применяется состав: фосфогипс (50%), тонкомолотый доменный шлак (33%), портландцемент (10%) и известь (7%). Однако и он не обладает достаточной водостойкостью при использовании в обводненных выработках.

Значительный интерес с точки зрения получения высокопрочного тампонажного камня представляют растворы на основе шлако-щелочных вяжущих. Шлако-щелочной цемент получают путем совместного, измельчения гранулированного шлака с соединениями щелочных металлов или затворения молотого гранулированного шлака растворами этих соединений.

Щелочной компонент чаще всего применяется в виде растворов, которые вводятся непосредственно в бетономешалку вместо воды затворения. Сода и водощелочной плав используются в виде 15%-ного раствора плотностью 1,14—1,16% г/см3; жидкое стекло — в виде раствора плотностью 1,20—1,25 г/см3. Шлак должен иметь удельную поверхность не ниже 3000 см2.

Образующийся камень обладает высокой водопроницаемостью и имеет прочность на сжатие при естественном твердении до 50 МПа. В качестве наполнителя могут применяться мелкозернистые пески с модулем крупности до 0,9, содержащие большое количество глинистых (до 5%) и пылевых примесей (до 20%).

ВНИИОМШСом разработана расширяющаяся шлако-щелочная смесь для закрепления анкеров и закладки закрепного пространства, состоящая из молотого граншлака, портландцемента, жидкого стекла, алюминиевого порошка ПАК-4. Начало схватывания смеси 2 мин, предел прочности на сжатие через 1 и 28 сут равен соответственно 37,3 и 53,0 МПа. Расширение смеси при твердении составляет 25%.

Недостатком шлако-щелочиых вяжущих является их многокомпонентное и сложность приготовления, требующие точной дозировки п применения специальных смесительных установок.

Менее прочный камень дают растворы на основе гипсо-шлакового вяжущего. Последнее представляет собой смесь строительного гипса (53—75%), тонкомолотого доменного шлака (23—45%) и портландцемента (2%). При твердении образуется водостойкий тампонажный камень с прочностью на сжатие: через 2 ч — 3 МПа, через 28 сут — 9 МПа. Недостатком вышеприведенных растворов является использование в больших количествах дефицитного гипса.

Исследования показали возможность использования для тампонажа закрепного пространства цементных растворов с добавкой до 60% измельченной горелой породы. Прочность получаемого тампонажного камня доходит до 4 МПа, однако применение таких растворов сдерживается из-за необходимости создания специальных комплексов для измельчения породы.

Для получения дешевых твердеющих закладочных смесей и утилизации отходов обогатительных фабрик используются хвосты обогащения металлосодержащих руд. Рекомендуемый состав смеси: тонкозернистые обожженные хвосты — 30%, необожженные — 70%, при соотношении твердой и жидкой фаз Т:Ж=1,8:1. Затвердевший материал имеет невысокую прочность 1,2—1,4 МПа.

Бесцементные закладочные смеси невысокой прочности (прочность па сжатие 2,1—2,5 МПа) получены на основе сухого осадка дистиллированной жидкости, образующейся при производстве кальцинированной соды. Более прочные твердеющие смеси (прочность на сжатие до 30 МПа) образуются при использовании фторангидритового вяжущего (отход производства плавиковой кислоты) и углеотходов обогатительных фабрик. Эти смеси отличаются низкой стоимостью, однако имеют один крупный недостаток — область их применения ограничивается сухими условиями (влажность не должна превышать 65%).

В последние годы в угольной промышленности получает распространение твердеющий материал на основе природного ангидрита. Этот материал успешно применяется при заполнении пустот закрепного пространства капитальных и подготовительных выработок, вывалов пород в кровле лав и штреков.

Интерес к ангидритовому вяжущему вызван его дешевизной и возможностью механизировать процессы, связанные с его применением.

Ангидрит — это прочная и плотная порода, которая сопутствует залежам гипса. При получении ангидритового вяжущего породу подвергают помолу с введением различных добавок-катализаторов. Наряду с природным ангидритом широкое распространение получил искусственный ангидрит, который представляет собой побочный продукт производства плавиковой лоты из флюорита, подвергаемого, воздействию серной кислоты. Этим материалам присущи практически одинаковые свойства, а различие заключается в форме и размерах кристаллов Твердение раствора зависит от химического состава ангидрита, степени его измельчения, формы и пористости частиц свойств вводимого катализатора. На прочность затвердевшего материала оказывают влияние тонкость помола ангидрита и количество воды, взятое на затворение вяжущего. Причем водо-аигидритовое отношение существенно влияет на конечную прочность материала. Оптимальным отношением считается от 0,1 до 0,12, при котором достигается максимальная прочность. В зависимости от применяемых добавок-катализаторов прочность на сжатие затвердевшего камня в возрасте 28 сут составляет 10—45 МПа. В качестве добавок используются известь, обожженный доломит, доменные шлаки, сульфатные катализаторы и т. п. Загустевание смеси начинается через несколько минут после затворения водой. Большое значение для твердения имеют температура и относительная влажность окружающей среды, с увеличением которых снижается прочность ангидритового камня.

Достоинством ангидрита по сравнению с другими гипсовыми вяжущими являются:

- высокая прочность, которая постепенно нарастает при твердении без увеличения в объеме;

- возможность длительного хранения измельченного ангидрита без добавок с сохранением неизменными его физико-механических свойств;

- технология изготовления проста, а стоимость меньше, чем у извести и портландцемента.

Экономическая оценка эффективности использования ангидритового вяжущего при заполнении пустот закрепного пространства показала, что стоимость заполнения данным материалом дешевле более чем в 2 раза тампонажа цементно-песчаными растворами. Это достигается, прежде всего, за счет меньшей стоимости заполнительного материала, отсутствия работ по герметизации крепи и перерасхода смеси, связанного с изливанием тампонажного раствора. Однако, в отличие от цементнопесчаных растворов, ангидритовое вяжущее имеет большую вязкость и малую проникающую способность, что не позволяет в достаточной степени скреплять разрушенные породы приконтурного массива. Кроме того, в присутствии воды ангидритовый камень неустойчив и склонен к размоканию.

Эффективные растворы на базе отходов заводов, производящих металлургический доломит (доломитовая пыль), и магнезиальных вяжущих разработаны в МакИСИ.

Растворы на основе доломитовой пыли успешно заменяют цементные и цементно-песчаные при тампонаже закрепкою пространства и инъекционном упрочнении пород. Магнезиальные составы позволяют получить высокомарочные скрепляющие растворы, которые могут конкурировать по техническим характеристикам с химическими, а по стоимости намного дешевле последних.





Яндекс.Метрика