Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Утилизация отходов горнодобывающих и перерабатывающих предприятий при возведении твердеющего закладочного массива

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Утилизация отходов горнодобывающих и перерабатывающих предприятий при возведении твердеющего закладочного массива"

На правах рукописи

УТИЛИЗАЦИЯ ОТХОДОВ ГОРНОДОБЫВАЮЩИХ И ПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ ПРИ ВОЗВЕДЕНИИ ТВЕРДЕЮЩЕГО ЗАКЛАДОЧНОГО МАССИВА

Специальность: 25.00.36 - «Геоэкология»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Кемерово 2006

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении «Новокузнецкий филиал - институт Кемеровского государственного

университета»

доктор технических наук, профессор Сенкус В.В.

доктор технических наук, профессор Лесин Ю.В.

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Каминский Д.А.

Ведущая организация: ОАО «Кузбассгипрошахт»

Защита диссертации состоится « 07 » апреля 2006 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.102.04 при Государственном учреждении «Кузбасский государственный технический университет» по адресу: 650026, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного учреждения «Кузбасский государственный технический университет»

Автореферат разослан « 06 » марта 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Sob7

1

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Функционирование предприятий угольной, металлургической, энергетической и других отраслей в промышленных регионах создают негативные техногенные воздействия на окружающую среду. Твердые минеральные отходы на горнодобывающих и перерабатывающих предприятиях составляют значительную часть общего количества образующихся отходов и наносят ущерб окружающей природной среде. Например, при добыче угля подземным способом масса попутно извлекаемых пород по Прокопьевско-Киселевскому промышленному району составляет до 3,0 млн. тонн в год. В целом по Кузбассу золошлаковые отходы при сжигании угля предприятий энергетики составляют 2,0 - 4,0 млн. тонн в год, а предприятий жилищно-коммунального сектора -1,1 млн. тонн в год.

Различные аспекты экологизации горнодобывающих комплексов рассматриваются в научных исследованиях ИПКОН РАН, ИГД им. A.A. Ско-чинского, МГГУ, СибГИУ, КузНИУИ, КузГТУ и Других университетов, научно-исследовательских и проектно-конструкторских институтов, развивались в трудах ученых Агошкова М.И., Барсукова И.И., Ефимова В.И., Кап-лунова Ю.В., Костовецкого В.П., Кравченко В.П., Красавина А.П., Лавце-вича В.П., Лесина Ю.В., Постникова В.И., Пучкова Л.А., Рыжкова Ю.А., Скрынника Л. С., Самохвалова Ю.И., Селегей Т.С., Сластунова C.B., Трубецкого К.Н., Худина Ю.Л. и многих других.

Одним из перспективных направлений утилизации твердых отходов является закладка выработанного пространства твердеющими смесями, которая долгие годы находится в стадии эксперимента, так как в качестве вяжущего материала применяется цемент, что ведет к повышению себестоимости добычи угля и сдерживает внедрение этих технологий.

Прокопьевско-Киселевский район относится к одному из экологически неблагополучных промышленно-технических комплексов Кузбасса, включающий городские, сельскохозяйственные территории, производства, ландшафты, под которыми ведутся горные работы, способствующие образованию провалов. На хозяйственно-бытовых и промышленных предприятиях района накоплено свыше 90 млн. тонн отходов, при этом на его территории расположены шахты, отрабатывающие мощные крутые пласты, для которых закладка выработанного пространства является одним из основных требований Правил безопасности ведения горных работ.

В настоящее время закладку выработанного пространства шахт в незначительных объемах ведут с применением дорогостоящих материалов (цемент, песок, гравий и др.). Снизить затраты на данной стадии добычи угля позволяет внедрение технологий утилизации отходов, где в качестве компонентов твердеющих смесей можно использовать отходы промышленных предприятий.

Для возведения искусственных массивов можно использовать отходы горнодобывающих и перерабатывающих предприятий, обладающие вяжу-

щими свойствами, а для проверки эффеф1^ц^однци(ЯШМт№Яфия требу-

БИБЛИОТЕКА

С ОЭ

цтмямимяфи

¡ЛИОТЕКА |

ется разработка методов и технических средств, позволяющих устанавливать прочностные характеристики массива в ходе проведения закладки. Поэтому исследования, направленные на утилизацию отходов промышленных предприятий для возведения искусственного закладочного массива, сохранение природно-технических комплексов угольных районов, а также обоснование рациональных составов и контроль качества закладки являются своевременными и актуальными.

Объект исследования: закладочный массив для заполнения выработанного пространства шахт, сформированный из отходов горнодобывающих и перерабатывающих предприятий.

Предмет исследования - свойства отходов горнодобывающих и перерабатывающих предприятий, применяемых в качестве компонентов для приготовления твердеющей смеси, определяющие количественный состав и время набора прочности закладки.

Целью диссертации является выявление факторов и закономерностей, определяющих характеристики искусственного закладочного массива для утилизации отходов горнодобывающих и перерабатывающих предприятий и сохранения природно-технических комплексов угледобывающих районов.

Идея работы заключается в использовании физико-химических свойств отходов горнодобывающих и перерабатывающих предприятий для формирования состава смесей и приготовления закладочных массивов выработанных пространств шахт.

Задачи исследования:

- изучить базу отходов горнодобывающих и перерабатывающих предприятий сибирского региона и характеристики компонентов, обладающих вяжущими свойствами, пригодных для производства бесцементных твердеющих смесей и закладки выработанного пространства угольных шахт;

- исследовать составы и установить зависимости физико-механических характеристик закладочного массива от количественного состава бесцементных смесей из отходов горнодобывающих и перерабатывающих предприятий, времени набора прочности и величины электрической проводимости закладки;

- разработать направление утилизации отходов горнодобывающих и перерабатывающих предприятий и метод подбора рационального состава компонентов твердеющей смеси на основе установленных зависимостей прочностных характеристик закладочного массива от количественного состава бесцементных смесей и времени набора прочности закладки;

- разработать методику контроля прочности литой твердеющей закладки с применением промышленных средств мониторинга на основе установленных зависимостей прочности закладочного массива и времени ее набора от электрической проводимости.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовался комплекс методов:

- анализ и обобщение результатов научных исследований для разработки принципов формирования литой твердеющей закладки, обеспечивающих заданные технологические параметры искусственного массива, а также выявления сырьевой базы отходов горнодобывающих и перерабатывающих предприятий сибирского региона и характеристик компонентов, обладающих вяжущими свойствами для производства бесцементных твердеющих смесей;

- лабораторно-стендовые и натурные экспериментальные исследования, обработка результатов методами графики и математической статистики для выявления закономерностей прочностных характеристик закладочного массива от количественного состава компонентов смеси и времени Набора прочности;

- графоаналитический метод для корректировки количественного состава компонентов литой твердеющей закладки;

- опытно-промышленные испытания и внедрение составов бесцементных твердеющих смесей в производственных условиях для обоснования их пригодности.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Прочностные характеристики закладочного массива определяются составом твердеющей смеси и нелинейно зависят от времени набора прочности.

2. Выбор рационального состава твердеющей смеси из отходов горнодобывающих и перерабатывающих предприятий обеспечивает выполнение технологических требований горного производства и минимизирует затраты на закладку выработанного пространства шахт и сохранение природ-но-технического комплекса.

3. Величина силы разрядного тока параболически зависит от времени набора прочности твердеющей смеси, что позволяет оценивать параметры качества закладочного массива и корректировать состав закладочной смеси в ходе производства работ.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы подтверждаются:

- сходимостью результатов лаборагорно - экспериментальных исследований различных составов бесцементных смесей из отходов промышленных предприятий с результатами шахтных инструментальных наблюдений за формированием литой твердеющей закладки в выработанном пространстве (расхождение не более 10%);

- представленным объемом результатов экспериментальных исследований различных составов бесцементных твердеющих смесей из отходов промышленных производств (произведено более 1200 испытаний экспресс - методом, испытано на прессе более 400 образцов);

- положительным опытом утилизации отходов промышленных производств для сохранения природно-технического комплекса шахты «Коксовая» УК «Прокопьевскуголь».

Научная новизна работы:

- обосновано направление утилизации отходов промышленных производств, обладающих вяжущими свойствами, для замены цемента, отвечающее требованиям промышленной безопасности ведения горных работ и снижения уровня негативного воздействия предприятий на окружающую среду;

- разработана методика подбора компонентов и рационального состава закладочной смеси, основанная на технологических требованиях горного производства и физико-химических свойствах компонентов смеси;

- впервые установлены зависимости физико-механических характеристик закладочного массива из отходов горнодобывающих и перерабатывающих предприятий для различных составов закладки от времени набора прочности массива;

- впервые установлена зависимость величины силы разрядного тока от времени набора прочности твердеющей смеси;

- предложено научно-обоснованное направление утилизации отходов горнодобывающих и перерабатывающих предприятий, отличающееся тем, что для приготовления твердеющей смеси заданных свойств вяжущий материал дробится до тонкодисперсного состояния и дозируется в смесь в соответствии с технологическими требованиями к закладочному массиву.

Личный вклад автора состоит:

- в изучении базы отходов горнодобывающих и перерабатывающих предприятий пригодных для производства твердеющих смесей;

- в установлении зависимостей прочностных характеристик закладочного массива для различных составов смесей из отходов промышленных производств от времени набора прочности;

- в разработке методики формирования составов смесей из отходов промышленных производств на основе графоаналитического метода и принципа минимизации затрат на закладку;

- в разработке научно-обоснованного направления утилизации отходов горнодобывающих и перерабатывающих предприятий для сохранения при-родно-технических комплексов угледобывающих районов;

- в разработке методики контроля прочности возводимого искусственного сооружения на основе промышленных средств мониторинга.

Научное значение заключается:

- в выявлении влияния состава и времени набора прочности закладки из отходов производств на прочностные свойства искусственного твердеющего массива, обеспечивающего безопасность горных работ, утилизацию отходов, сохранение природно-технического комплекса, защиту окружающей среды и позволяющего расширять номенклатуру утилизируемых отходов;

- в оценке состояния твердеющего массива в выработанном пространстве на основе установленных зависимостей прочностных параметров закладки от её электрической проводимости.

Практическая ценность работы заключается в утилизации отходов промышленных производств, используемых в качестве вяжущих и наполнителей при формировании закладочного массива, обеспечивающей повышение эффективности работы шахт, снижение уровня загрязнения окружающей среды и сохранение природно-технологических комплексов в горнодобывающих регионах.

Реализация работы. Научные результаты и рекомендации, разработанные в диссертации, прошли практическую апробацию в ходе опытно-промышленных испытаний составов бесцементных твердеющих смесей на • основе отходов промышленных предприятий для сохранения природно-

технического комплекса шахты «Коксовая» УК «Прокопьевскуголь» при отработке пластов Горелый и I Внутренний. [ Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты

исследований докладывались и получили одобрение на Региональной конференции «Перспективы развития технологии переработки вторичных ресурсов в Кузбассе. Экологические, экономические и социальные аспекты» (Новокузнецк, 2003), научно-техническом совете КузНИУИ (Прокопьевск, 2002), ученых советах и научных семинарах кафедры экологии и естествознания Новокузнецкого филиала-института Кемеровского государственного университета (Новокузнецк, 2002-2004).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 9 научных статей.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, содержит 159 страниц машинописного текста, в том числе 28 таблиц, 28 рисунков и список использованной литературы из 81 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В ходе перестройки экологические императивы предприятий и государства изменились. Переход к устойчивому развитию отраслей промышленности России предполагает осуществление рациональной экологической политики, базирующейся на использовании финансово-экономических возможностей субъектов природопользования при эффективном государственном регулировании. Специфика решения экологических задач заключается в том, что улучшение состояния природной среды возможно за счет снижения негативных воздействий от деятельности человека, которые могут угрожать развитию человеческого общества.

Основные направления комплексного использования месторождений полезных ископаемых предусматривают вовлечение в производство отходов горного производства, загрязняющих природную среду. Однако эффективность природоохранной деятельности в настоящее время остается недостаточной, что обуславливает необходимость разработки стратегии экологического развития угольной промышленности, предусматривающей комплексное решение проблем рационального природопользования.

Первый раздел посвящен обзору состояния рационального природопользования и охраны окружающей среды на горнодобывающих и перерабатывающих предприятиях. Выполнен анализ антропогенного воздействия отходов на окружающую среду и способы их снижения. Установлено, что исследователями разрабатывались различные технологии утилизации отходов с применением дорогостоящих вяжущих материалов, но не применялись составы бесцементных твердеющих закладочных смесей из отходов промышленных предприятий и не рассматривались вопросы рационального подбора их составов.

Анализ состояния охраны окружающей среды на горнодобывающих и перерабатывающих предприятиях России показывает, что за последние 10 лет в угольной промышленности в результате экономических преобразований происходят изменения, которые отрицательно отражаются на экологи- 1 ческой безопасности угольного производства и устойчиво проявляются следующие негативные тенденции:

- моральное старение и физический износ основного технологического оборудования и природоохранных объектов действующих угольных шахт, разрезов, обогатительных фабрик, медленное их обновление;

- низкий уровень инвестиций на строительство природоохранных объектов, малые объемы строительства водоочистных сооружений, пылегазо-улавливающих установок и других природоохранных объектов;

- снижение внимания к охране окружающей среды со стороны руководителей и служб охраны природы предприятий;

- невостребованность научно-технических разработок, отсутствие стимулов внедрения на производстве и др.

Нерациональное использование и потери при добыче природных ресурсов приводят к возрастанию объемов отходов и ущерба окружающей среде в угледобывающих регионах.

Большинство отходов обладает полезными свойствами и может быть использовано на горных предприятиях и в других отраслях. Перевод отходов в категорию вторичных ресурсов позволяет снизить затраты на добычу полезных ископаемых и ущерб от ее воздействия на окружающую среду.

Основным направлением использования шахтных пород и отходов углеобогащения и энергетики является применение их в качестве закладочного материала.

Во втором разделе исследуется положительный опыт отработки запасов угля, расположенных под городскими сооружениями, с полной закладкой выработанного пространства и сырьевая база недефицитных материалов из отходов промышленных производств, которые предполагается использовать как компоненты для приготовления бесцементных твердеющих смесей.

При изучении сырьевой базы недефицитных материалов, которые предполагается использовать как компоненты для приготовления бесцементных твердеющих закладочных смесей, рассматривался: вид отходов; удаленность промышленного предприятия; годовой объем выработки отхо-

дов и их количество в отвалах; характеристики отходов (таблица 1) и их химические свойства.

Материалы, применяемые в качестве компонентов твердеющих смесей, классифицируются по назначению: вяжущее, активизатор или ускоритель твердения, заполнитель и реагент процесса твердения (вода). В качестве вяжущего, в основном, применяется цемент различных марок. Для замены цемента предлагается использовать отходы промышленных производств, обладающие вяжущими свойствами.

Для закладки выработанного пространства угольных шахт в качестве I вяжущего перспективными являются отходы Ачинского глиноземного ком-

бината (АГК) - нефелиновые шламы. Нефелиновый шлам АГК - это песок 1 с насыпной плотностью (в сухом виде) 1050 кг/м3; максимальная водоудер-

с живающая способность 29%. Сухой шлам на воздухе приобретает влаж-

ность 4 - 5%, по минералогическому составу состоит на 80 - 85% из двух-кальцевого силиката. Гидравлическая активность шлама обусловлена высоким содержанием окиси кальция (до 59%), что проявляется после тонкого измельчения.

Таблица 1 - Характеристики отходов промышленных предприятий

Вид материала Гранулометрический состав Плотность, г/см3 Насыпная плотность, г/см3

Класс, мм

10 10-5 5-2,5 2,51,2 1,20,6 0,60,3 0,30,15 0,15

Выход, %

Шахтовые породы 70,2 11,6 6,5 2,3 менее 1,2 мм - 9,4 2,7 1,4

Горелые породы терриконов 76,3 10,0 4,8 1,6 менее 1,2 мм - 7,3 2,5 1,4

Нефелиновый шлам АГК - - - 2,9 17,6 52,9 20,6 6,0 - 1,05

Фторогипс АГК 9,8 3,9 5,9 13,7 37,3 21,5 5,9 2,0 - 1,7

Топливный шлак котельных 3,9 11,8 29,4 7,8 23,5 17,6 3,9 2,1 н.д. 1,4

Гранулированный шлак (ЗСМК) 3,3 6,0 27,0 14,0 31,2 12,0 4,3 2,0 2,9 1Д

Золошлаковые отходы Беловской ГРЭС - 10,0 15,0 26,0 16,0 8,0 15,0 10,0 2,4 1,4

Золошлаковые отходы Южно-Кузбасской ГРЭС - - - - 0,8 1,2 2,0 96,0 2Л 1,1

Золошлаковые отходы Томусинской ГРЭС - 12,4 40,4 14,4 12,3 4,0 5,3 11,2 2,5 1,4

Зола уноса ЮжноКузбасской ГРЭС - - - - 0,1 0,4 1,9 97,6 2,8 1,5

В качестве активизатора используются золошлаковые отходы электростанций, шлак коммунальных и промышленных котельных, а также отходы Ачинского глиноземного комбината - фторогипс.

Третий раздел посвящен разработке методик контроля прочности возводимого искусственного сооружения на основе промышленных средств мониторинга за формированием литой твердеющей закладки и на основе

формирования составов бесцементных твердеющих смесей из отходов промышленных производств, также приведены результаты лабораторно - экспериментальных исследований по определению оптимального соотношения компонентов и влияния качества заполнителей на свойства твердеющих смесей.

При выборе заполнителя для твердеющих смесей учитывается возможность обеспечения объемов закладки запасами сырья, их стоимость, возможность транспорта и получения закладочного массива требуемой прочности. В качестве заполнителя в составах были исследованы горелые породы шахтных отвалов, породы шахт и отходы углеобогащения предприятий г. Прокопьевска, отходы Абагурской аглофабрики (г. Новокузнецк) и гранулированный шлак Западно-Сибирского металлургического комбината (ЗСМК). Анализ результатов исследований сырьевой базы и физико-механических свойств отходов промышленных производств показал возможность их использования как инертных заполнителей бесцементных твердеющих смесей.

Твердеющие смеси с заполнителем из гранулированного шлака ЗСМК готовились в соотношении (вяжущее: заполнитель) 1:6, 1:4, 1:3, при этом расход вяжущего (нефелинового шлама) составляет соответственно 250, 350, 450 кг/м3. Анализ результатов исследований показал, что при расходе вяжущего от 250 до 450 кг/м3 с добавлением активизатора твердения от 5 до 20 % от веса вяжущего происходит увеличение прочности твердеющих смесей после трехсуточного режима твердения. Нормативная прочность твердеющей смеси (4 МПа и более) достигается в 7-ми суточном режиме затвердения при вводе 10% добавки фторогипса.

Анализ прочностных характеристик составов показывает, что добавка фторогипса является ускорителем твердения и позволяет увеличить прочность в трехсуточном режиме затвердения с 0 до 1,5 МПа; аналогичная зависимость наблюдается при различных сроках твердения. Максимальная прочность твердеющих смесей с заполнителем из граншлака при нормальных условиях твердения составляет 32,0 МПа.

Исследуемые смеси отвечали условиям транспортабельности (Кр <1,0), не расслаивались и представляли текучую однородную массу.

Лабораторные исследования прочностных свойств твердеющих смесей на основе нефелинового шлама с активизатором затвердения - фторо-гипсом и заполнителями из золошлаковых отходов Томусинской ГРЭС показали, что рациональный расход вяжущего составляет 330 кг/м3 (рисунок 1). Следует отметить, что скорость твердения составов до 14 - ти суток незначительна (по сравнению с цементными составами), а активный набор прочности наблюдается с 28 до 90 сут. На основании анализа результатов проведенных исследований, для испытаний в промышленных условиях могут быть рекомендованы составы с расходом вяжущего 330 кг/м3, активизатора твердения 210 кг/м3, заполнителя 890 кг/м3, воды 520 л/м5, обеспечивающие прочность не менее 4 МПа при 28-ми суточном режиме затвердения.

Рисунок 1 - Зависимость прочности закладки с заполнителем из золошлаковых отходов Томусинской ГРЭС от времени твердения: 1,2,3,4- при расходе нефелинового шлама 290, 330,390,430 кг/м3 соответственно

При исследованиях составов с заполнителем из шлаков котельных промышленных предприятий расход вяжущего принимался 400-5-600 кг/м3, активизатора 60+190 кг/м3 или 5-5-15% от веса смеси. Анализ результатов (рисунок 2) показал, что для промышленной проверки могут быть рекомендованы составы с расходом вяжущего 600 кг/м3, активизатора 60 кг/м3, заполнителя 640 кг/м3, воды 570 л/м3.

7 14 21 28 35 42 49 63 70 77 «4

Время твердения, сут

Рисунок 2 - Зависимость прочности закладки с заполнителем из шлаков котельных от времени твердения:

1, 2, 3 - при расходе нефелинового шлама 400, 500, 600 кг/м3 соответственно

Исследования бесцементных твердеющих смесей с заполнителем из пород кровли (песчаник) были проведены для пласта Характерного шахты «Коксовая» УК «Прокопьевскуголь», которые показали, что при расходе нефелинового шлама АГК 600 кг/м3 и активизатора 60 кг/м3 может бьггь получена прочность не менее нормативной, т.е. 4+6 МПа при 28-ми суточном режиме затвердения.

Получение литой твердеющей закладки сопряжено с решением комплексной задачи, включающей изучение сырьевой базы компонентов, разра-

ботку составов, способов их приготовления и транспортирования в выработанное пространство. Анализ результатов исследований по разработке бесцементных литых твердеющих смесей с учетом сырьевой базы и технологических требований по приготовлению и применению их в качестве закладочного материала позволил выбрать их рациональные составы (таблица 2).

Для промышленной проверки выбраны следующие составы бесцементных твердеющих смесей (таблица 3), в которых в качестве вяжущего использовались нефелиновые шламы Ачинского глиноземного комбината (АГК).

По результатам исследований сформулировано следующее научное положение: прочностные характеристики закладочного массива определяются составом твердеющей смеси и нелинейно зависят от времени набора прочности.

Таблица 2 - Результаты исследований составов литых твердеющих смесей

Расход компонентов, кг/м3 Предел прочности на одноосное сжатие, МПа, при времени твердения, сут

нефелиновый шлам фто-ро- ГИПС гран-шлак породы шахт шлаки котель ных золошпа-ковые отходы ГРЭС вода 3 7 14 28 90

250 25 1500 - - - 500 0,3 4,4 7,8 11,7

350 35 1400 - - - 475 1,0 5,5 11,5 14,3

450 45 1300 - - - 500 1,5 8,6 12,8 20,5

500 130 670 610 0 0 0,2 5,9 9,3 11,3

600 60 640 570 0 0,3 4,4 6,0

600 60 - 550 - - 650 0,5 1,5 3,2 5,7

330 210 - - - 890 520 0 0,1 0,9 6,7 18,0

390 210 - - - 830 520 0 0,1 0,5 4,0 17,6

Таблица 3 - Рекомендуемые составы бесцементных твердеющих смесей

Компоненты Расход, кг/м"1

Вяжущее - нефелиновый шлам АГК 600

Заполнитель - шахтовые породы 550

Ускоритель твердения - фторогипс АГК 60

Вода 650

Вяжущее - нефелиновый шлам АГК 250

Заполнитель - гранулированный шлак ЗСМК 1500

Ускоритель твердения - фторогипс АГК 25

Вода 500

Вяжущее - нефелиновый шлам АГК 330

Заполнитель - золошлаковые отходы Томусинской ГРЭС 890

Ускоритель твердения - фторогипс АГК 210

Вода 520

Вяжущее - нефелиновый шлам АГК 600

Заполнитель - шлаки бытовых и промышленных котельных 640

Ускоритель твердения - фторогипс АГК 60

Вода 570

В настоящее время реально существует ряд способов и технологий возведения искусственного закладочного массива: механический - с подачей сыпучих и кусковатых материалов специальными транспортными средствами; пневматический - с подачей сыпучих компонентов воздухом; гидравлический с подачей смеси водой, а также комбинированные, которые характеризуются использованием дорогостоящих материалов для закладки.

Концепция утилизации отходов для сохранения природно-технических комплексов базируется на использовании отходов горнодобывающих и перерабатывающих предприятий, обладающих вяжущими и необходимыми физико-химическими свойствами. При этом период набора прочности закладочного массива и состав компонентов смеси выбирается исходя из технологических требований ведения горных работ, полученных зависимостей с использованием графоаналитического метода и принципа минимизации стоимости закладки.

В основе механизма твердения смесей из отходов производств лежат кристаллизационная теория Ле Шателье и коллоидная теория В. Михаэлиса. При подборе составов твердеющих смесей измельченные вяжущие вещества дозируются в определенных пропорциях, исходя из их физико-химических свойств, что позволяет получить твердеющую закладку с заданными параметрами.

Анализ сырьевой базы показал целесообразность применения в качестве компонентов твердеющих смесей отходы промышленных производств. В задачу исследований входило определение оптимального соотношения компонентов, а также влияние качества заполнителей на свойства твердеющих смесей.

Сущность графоаналитического метода заключается в графическом построении зависимостей прочности твердеющей смеси от времени твердения при различных видах наполнителей и вяжущих материалов, по которым определяется оптимальное время твердения смеси, при котором прочность твердеющего массива достигает величины не менее нормативной, т.е > 4,0 МПа. По данному показателю определяются соотношения объемов составов твердеющих смесей, из которых, на основе принципа «минимизации стоимости закладочного массива», устанавливаются оптимальные соотношения компонентов.

В соответствии с методикой в ходе экспериментальных исследований определялось соотношение компонентов бесцементных твердеющих смесей с различными заполнителями, а также влияние качества заполнителей на свойства твердеющих смесей.

По результатам исследований сформулировано следующее научное положение: выбор рационального состава твердеющей смеси из отходов горнодобывающих и перерабатывающих предприятий обеспечивает выполнение технологических требований горного производства и минимизирует затраты на закладку выработанного пространства шахт и сохранение природно-технического комплекса.

Исследования при формировании бесцементной твердеющей закладки связаны с установлением взаимосвязей электрохимических свойств бесцементных твердеющих смесей от структурно-прочностных свойств закладочного массива.

Электродная пара и конфигурация электродов выбрана на основе исследований информативности электрохимических датчиков для конкретных пар и физического моделирования - распределения силовых линий в исследуемой среде.

Измерение электрических параметров с электрохимических преобразователей осуществлялась прибором ИИД конструкции ИУУ СО РАН (г. Кемерово). После размещения в трубе электрохимических преобразователей в нее через специальные окна заливается закладочная смесь и снимаются характеристики с помощью измерительной аппаратуры, включающей прибор для измерения электрохимических параметров закладочной смеси, коммутатор и соединительные провода.

Для получения зависимостей электрических параметров от структурно-прочностных свойств твердеющей закладки в широком диапазоне изменения прочности, при приготовлении смесей варьировали содержание заполнителя, вяжущего и воды.

В каждой серии по принятой методике изготавливались контрольные образцы, которые твердели в формах, покрытых влажной тканью. После разборки форм образцы маркировались и хранились в нормально-влажностных условиях. Испытания образцов закладки на прочность и измерение электрических параметров производили в различные сроки твердения на гидравлическом прессе. Для получения однозначной взаимосвязи электрических параметров смеси и структурно-прочностных свойств закладки, а также возможности воспроизводства полученных результатов, была проведена тарировка измерительного прибора, при которой на прибор подавалось напряжение от стандартного источника питания. Показания снимались измерительным прибором ИИД, шкала которого градуировалась в единицах прочности относительно силы разрядного тока, протекающего по электрохимическому преобразователю. Графики влияния времени твердения смесей для различных расходов вяжущего вещества на начальное значение величины силы разрядного тока, протекающего через электрохимическую ячейку, представлены на рисунке 3, максимумы которых показывают переход воды из свободного в связанное состояний.

Прочность закладки в течение времени растет по экспоненциальной зависимости, представленной на рисунке 4, где устойчивая взаимосвязь между прочностью и временем твердения наблюдается после 4-8 суток твердения.

12 16 20 Время -леденил, сут

Рисунок 3 - Изменение величины силы разрядного тока в процессе твердения закладки при различных расходах золы

К 12 16 20 Время ткряеиия, сут

Рисунок 4 - Кинетика твердения закладки На рисунке 5 представлены зависимости между прочностью твердеющей закладки и начальным значением величины силы разрядного тока при различных периодах твердения, которая установлена для состава, где в качестве заполнителя использовалась золошлаковые отходы Томусинской ГРЭС, которые показывают, что величина силы разрядного тока параболически зависит от времени набора прочности твердеющей смеси.

В результате проведенных исследований установлена принципиальная возможность контроля структурно-прочностных свойств закладочного массива посредством измерения электрических параметров закладочной смеси в выработанном пространстве шахт.

12,0

s

10,0

1

I 8,0 t

6.0 г 4,о

0,0 -1-1-—1-1-.-1-i-1-

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 Сила разрядного тока мЛ

Рисунок 5 - График изменения прочности твердеющей закладки от начального значения величины силы разрядного тока при различных периодах твердения

По результатам исследований сформулировано следующее научное положение: величина силы разрядного тока параболически зависит от времени набора прочности твердеющей смеси, что позволяет оценивать параметры качества закладочного массива и корректировать состав закладочной смеси в ходе производства работ.

В четвертом разделе приведены и обобщены основные результаты промышленных экспериментальных исследований утилизации отходов горнодобывающих и перерабатывающих предприятий для сохранения природ-но-технических комплексов угольных районов в условиях пластов I Внутренний и Горелый шахты «Коксовая» УК «Прокопьевскуголь», отличительной особенностью которой является тонкодисперсное дробление вяжущих отходов и их дозировка в соответствии с физико-химическими свойствами и требованиями ведения горных работ.

Закладка производилась с помощью комплекса КУЗ-120, разработанного институтами Сибгипрошахт, КузНИУИ, ИГД им. A.A. Скочинского.

В выработанное пространство полос II и III горизонтальных слоев пласта I Внутренний за 35 подач было подано свыше 16 тыс. м3 бесцементной твердеющей закладки, в том числе: 14 940 м3 (91% от общего объема) смеси состава № 4, 1 150 м3 (7%) смеси состава № 2 и 240 м3 (1,5%) смеси № 1. Всего за период опытно-промышленной проверки бесцементной твердеющей закладки было произведено более 1 200 испытаний экспресс - методом, выбурено кернов и взято более 200 образцов неправильной формы, испытано более 400 образцов.

За период опытно-промышленных испытаний бесцементных твердеющих смесей при отработке пласта Горелого произведена выемка угля в монтажном слое и в выработанное пространство подано около 10 000 м3 твердеющих закладочных смесей № 1 и № 3. Было произведено 27 подач закладочной смеси. Максимальная производительность закладочного ком-

плекса составила 140 м3/час смеси. Было произведено более 700 испытаний экспресс - методом, испытано 350 кубиков, выбурено 250 кернов.

Основные результаты опытно-промышленных испытаний следующие:

- закладочный массив по истечении 7 суток набирает прочность, достаточную для обнажения его боковой стенки. Основную прочность массив набирает в первые 14 суток (не менее 4 МПа). При соблюдении рекомендуемого рецепта приготовления смеси, прочность образцов на одноосное сжатие в 28 дневном возрасте выше нормативной (более 4 МПа);

- прочность на разрыв при исследованиях адгезии между слоями закладочного массива составляет 87-135 кПа при сроке твердения закладочного массива 10-14 суток, что свидетельствует о хорошем качестве закладочного материала;

- величины смещения потолочины с пролетом 4+6 м по сравнению с пролетом потолочины 9+10 м ниже в 7+10 раз, при этом максимальные смещения в первом случае не превышали 7-5-8 мм. При пролете обнажения 9+10 м максимальные смещения составили 31,2 мм. Интенсивность смешений при подходе линии забоя к контурной реперной станции незначительна, затем при переходе ее линией забоя на 2-5 м за период 4+8 суток резко возрастает. В период с 8 до 15 суток (расстояние 5-7 м) интенсивность смещений падает, а в период с 15 до 62 суток стабилизируется;

- визуальными наблюдениями за полнотой заполнения выработанного пространства твердеющей закладкой, расслоением закладочного массива, ее растекаемостью установлено, что смесь заполняет все пустоты, трещины и растекается по полосе на расстояние 100 м без видимого расслоения;

- прочностные свойства закладочного массива дополнительно определялись путем выдергивания закрепленных в нем арматурных стержней, через 14 суток усилия их выдергивания составили 45+90 кН, что свидетельствует о хорошем качестве закладочного материала.

Экономическая оценка результатов исследований настоящей работы выполнена в соответствии с «Методикой определения предотвращенного экологического ущерба» (Москва, 1999 г.), согласно которой предотвращенный экологический ущерб (ПЭУ) определяется как результат реализации экологической программы, направленной на недопущение негативного воздействия на окружающую среду.

Размер годового предотвращенного экологического ущерба от реализации разработанного способа утилизации отходов горнодобывающих и перерабатывающих предприятий для формирования бесцементного твердеющего закладочного массива составляет для условий шахты «Коксовая» УК «Прокопьевскуголь» 20,9+29,2 млн. рублей (в зависимости от состава смеси), для условий пяти шахт УК «Прокопьевскуголь» и УК «Киселевск-уголь», работающих в черте г.г. Прокопьевска и Киселевска, соответственно 115,1+160,7 млн. руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научной квалификационной работой, в которой дано решение задачи по утилизации отходов горнодобывающих и перерабатывающих предприятий и сохранению природно-технических комплексов угледобывающих регионов, имеющей существенное значение для геоэкологии.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации заключаются в следующем:

1. Анализ объемов и физико-химических свойств отходов горнодобывающих и перерабатывающих предприятий региона показал, что нефелиновый шлам, фторогипс, металлургический гранулированный шлак, шлаки промышленных и коммунальных котельных можно использовать как компоненты для приготовления бесцементных твердеющих смесей и последующей закладки выработанных пространств шахт.

2. Установленные нелинейные зависимости прочности закладки от состава компонентов и времени набора прочности при использовании графоаналитического метода позволяют производить подбор составов твердеющей закладки, исходя из наличия отходов горнодобывающих и перерабатывающих предприятий и их физико-химических свойств.

3. Набор установленных составов твердеющих закладочных смесей позволяет минимизировать количество и стоимость вяжущих компонентов по технологическим требованиям горного производства.

4. Для закладки выработанного пространства шахты «Коксовая» УК «Прокопьевскуголь» рекомендованы к использованию следующие составы: смесь № 1 (нефелиновый шлам АГК, шахтовые породы, фторогипс), смесь № 2 (вяжущее - нефелиновый шлам АГК, заполнитель - гранулированный шлак ЗСМК, ускоритель твердения - фторогипс), смесь № 3 (нефелиновый шлам АГК, золошлаковые отходы Томусинской ГРЭС, фторогипс), смесь № 4 (нефелиновый шлам АГК, шлаки бытовых и промышленных котельных, фторогипс), которые при подаче в выработанное пространство заполняют все пустоты, трещины и растекаются по полосе на расстояние 100 м без видимого расслоения.

5. Утилизация отходов горнодобывающих и перерабатывающих предприятий, включающая тонкодисперсное дробление и дозировку вяжущих материалов, прошла апробацию на шахте «Коксовая» УК «Прокопьевск-уголь», где подтвердила свою эффективность и дала следующие результаты:

- закладочный массив набирает прочность выше нормативной (не менее 4,0 МПа) в течение 14 суток;

- прочность на разрыв при исследованиях адгезии между слоями закладочного массива составляет 87-135 кПа при сроке твердения закладочного массива 10-14 суток;

- прочностные свойства закладочного массива дополнительно определялись путем выдергивания закрепленных в нем арматурных стержней, че-

рез 14 суток усилия их выдергивания составили 45+90 кН, что свидетельствует о хорошем качестве закладочного материала

6 Методика контроля прочности закладочного массива базируется на параболических зависимостях прочцости и времени ее набора от электрической проводимости литой твердеющей закладки, позволяет устанавливать скорость набора прочности и корректировать состав закладки в ходе ведения горных работ.

7 Размер годового предотвращенного экологического ущерба от реализации способа формирования бесцементного твердеющего закладочного массива составляет для условий шахты «Коксовая» УК «Прокопьевскуголь» 20,9-29,2 млн. рублей (в зависимости от состава смеси), для условий пяти шахт УК «Прокопьевскуголь» и УК «Киселевекуголь», работающих в черте г г. Прокопьевска и Киселевска, соответственно 115,1+160,7 млн. руб.

Основные положения диссертация опубликованы в следующих работах:

1 Горшков А.М Использование отходов угольного производства в промышленности и строительстве // Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых Труды VII Международной конференции - Новокузнецк, СибГИУ, 2002. - С 25-28.

2 Сенкус, В В Основные источники вредного воздействия угольного производства на окружающую среду / ВВ. Сенкус, А М. Горшков // Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых Труды VII Международной конференции. - Новокузнецк, СибГИУ, 2002. - С.29-31.

3 Сенкус, В В. Основные направления использования отходов горного производства в народном хозяйстве / В В. Сенкус, А.М. Горшков // Информационные технологии в экономике, промышленности и образовании' сб науч тр - М, 2003. - вып. №6 - С. 19-22.

4 Горшков, А.М. Организация породного хозяйства на угольных шахтах Кузбасса / А М Горшков, В В Сенкус // Информационные технологии в экономике, промышленности и образовании, сб. науч. тр. - М, 2003. - вып. №6-С 21-22.

5 Карпов, В В Основные источники воздействия угольного производства на окружающую среду / В.В Карпов, А.М. Горшков // Информационные технологии в экономике, промышленности и образовании: сб. науч тр. - М, 2003. - вып. №6 - С. 23-24.

6 Горшков АМ Методические принципы исследований основных источников загрязнения окружающей среды // Информационные технологии в экономике, промышленности и образовании, сб. науч. тр. - М, 2003. - вып. №6-С. 17-19.

7 Сенкус, В.В Экспериментальные исследования физико-механических характеристик бесцементных твердеющих смесей с различными заполнителями / В.В Сенкус, АМ. Горшков // Научно-технические разработки МГГУ и ОАО «Гуковуголь»: сборник - М.; МГГУ, 2003. - С. 112-125

8 Белов, В П Опытно-промышленные исследования закладочного массива в выработанном пространстве из бесцементных твердеющих смесей < В П Белов, А М Горшков // Научно-технические разработки Ml 1 У и ОАО «Гуковуголь». сборник - М, МГТУ, 2003 - С. 126-131

9 Логинов, А К Сырьевая база и свойства компонентов для производства бесцементных твердеющих смесей из отходов промышленных производств / А К. Логинов, A.M. Горшков // Генный информационно-аналитический бюллетень №12 - М; Mil У, 2003 - С. 83-85

Горшков Андрей Михайлович

УТИЛИЗАЦИЯ ОТХОДОВ ГОРНОДОБЫВАЮЩИХ И ПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ ПРИ ВОЗВЕДЕНИИ ТВЕРДЕЮЩЕГО ЗАКЛАДОЧНОГО МАССИВА

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 28.02.06. Формат бумаги 60 х 84 1/16.

Бумага писчая. Ризография. Усл. печ. л. 1,1. Уч.-изд. л. 1,24. Тираж 120 экз. Заказ 18

Новокузнецкий филиал-институт Кемеровского государственного университета 654041, г. Новокузнецк, ул. Кутузова, 56, тел. 71-46-96 РИО НФИ КемГУ

t

Xö Qgfi S037

50 3 ?

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Горшков, Андрей Михайлович

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ АНТРОПОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ОТХОДОВ ГОРНОДОБЫВАЮЩИХ И ПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ

1.1. Анализ состояния рационального природопользования на угледобывающих предприятиях

1.2. Анализ состояния охраны окружающей среды на горнодобывающих и перерабатывающих предприятиях

1.3. Анализ источников антропогенного воздействия на окружающую среду

1.4. Цель, задачи и методы исследований 49 Выводы

2. ИССЛЕДОВАНИЯ ОТХОДОВ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ЭФФЕКТИВНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

2.1. Основные направления комплексного использования промышленных отходов

2.2. Сырьевая база и свойства компонентов для бесцементных твердеющих смесей из отходов промышленных производств

2.3. Исследование сырьевой базы горнодобывающих и перерабатывающих предприятий для производства бесцементных твердеющих смесей и закладки выработанного пространства 74 Выводы

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ БЕСЦЕМЕНТНЫХ ТВЕРДЕЮЩИХ СМЕСЕЙ НА ОСНОВЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТ- 81 ХОДОВ

3.1. Разработка методики контроля прочности формирования литой твердеющей закладки

3.2. Разработка методики формирования составов бесцементных твердеющих смесей из промышленных отходов

3.3. Разработка способа приготовления бесцементных твердеющих смесей из промышленных отходов 109 Выводы

4. ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАКЛАДОЧНОГО МАССИВА ИЗ БЕСЦЕМЕНТНЫХ ТВЕРДЕЮЩИХ СМЕСЕЙ В ВЫРАБОТАННОМ ПРОСТРАНСТВЕ

4.1. Горнотехнические условия проведения исследований

4.2. Опытно-промышленные исследования основных параметров и свойств закладочного массива в выработанном пространстве угольных пластов

4.3. Разработка технических предложений о возможности применения промышленных отходов в качестве заполнителя в бесцементных твердеющих смесях

4.4. Социальная значимость диссертационной работы

4.5. Экономическая эффективность результатов исследований 140 Выводы

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Утилизация отходов горнодобывающих и перерабатывающих предприятий при возведении твердеющего закладочного массива"

При переходе к рыночной экономике изменились отношения между государством и промышленными предприятиями, особенно в сфере охраны окружающей среды. Стратегической целью охраны природных ресурсов является создание оптимальных условий для воспроизводства, рационального и сбалансированного использования природных ресурсов, которая должна сочетаться с направлением повышения качества жизни людей при реализации права граждан на безопасную среду обитания.

Предприятия угольной, металлургической, энергетической промышленно-стей и других отраслей создают негативные техногенные воздействия на окружающую среду. Особенностью разработки угольных месторождений является образование твердых отходов в виде больших масс извлекаемых горных пород. Например, при добыче подземным способом масса извлекаемых пород на 1 т добытого угля составляет около 0,25 - 0,4 т. Золошлаковые отходы предприятий энергетики, которые образуются при сжигании угля, в 2004 г. составили 1 828 тыс. т.

Решение проблемы промышленных отходов может быть осуществлено за счет внедрения рациональных технологических схем отработки выемочных полей на предприятиях горнодобывающей промышленности, а также их использования для производства закладочного материала, сооружения автодорог, гидросооружений, производства строительных материалов.

Законодательные акты по охране окружающей природной среды выдвигают требование создания на шахтах рационально организованного породного хозяйства, предусматривающего сокращение выдачи породы из шахт или полное исключение этого источника вредного воздействия. В мировой практике большое распространение получают технологические схемы породного хозяйства, в которых породу от проведения горных выработок после переработки на поверхности и обогащения, возвращают в выработанное пространство очистных забоев в виде закладочного материала.

Одним из наиболее неблагополучных регионов Кузбасса, связанных с подземной добычей угля является Прокопьевско-Киселевский промышленный район. Основные объемы добычи угля в Прокопьевске обеспечивают шахты, расположенные в черте города и отрабатывающие мощные крутые пласты, для которых закладка выработанного пространства является основным требованием Правил безопасности ведения горных работ. Уникальность местоположения и качественный состав угля не позволяет в современных условиях закрыть угольные предприятия, поэтому разрабатываются новые способы подземной угледобычи, позволяющие экономически эффективно обеспечивать добычу угля высококачественных коксующихся марок. Для приготовления твердеющих смесей применяется дорогостоящий цемент разных марок, что повышает себестоимость добычи угля. Заменой цемента в составе твердеющих смесей могут служить отходы промышленных производств, обладающие вяжущими свойствами, что значительно снижает затраты на закладку выработанных пространств.

Диссертационная работа, направленная утилизацию отходов горнодобывающих и перерабатывающих предприятий при возведении закладочного массива и сохранение природно-технических комплексов угольных районов, обоснование применения составов смесей отходов в качестве закладки является актуальной и своевременной научной задачей, решение которой позволяет снизить уровень негативного воздействия на окружающую среду.

Целью работы является выявление факторов и закономерностей, опредеv ляющих характеристики искусственного закладочного массива для утилизации отходов горнодобывающих и перерабатывающих предприятий и сохранения природно-технических комплексов угледобывающих районов.

Идея работы заключается в использовании физико-химических свойств отходов горнодобывающих и перерабатывающих предприятий для формирования состава смесей и приготовления закладочных массивов выработанных пространств шахт.

Задачи исследования:

- изучить базу отходов горнодобывающих и перерабатывающих предприятий сибирского региона и характеристики компонентов, обладающих вяжущими свойствами, пригодных для производства бесцементных твердеющих смесей и закладки выработанного пространства угольных шахт;

- исследовать составы и установить зависимости физико-механических характеристик закладочного массива от количественного состава бесцементных смесей из отходов горнодобывающих и перерабатывающих предприятий, времени набора прочности и величины электрической проводимости закладки;

- разработать направление утилизации отходов горнодобывающих и перерабатывающих предприятий и метод подбора рационального состава компонентов твердеющей смеси на основе установленных зависимостей прочностных характеристик закладочного массива от количественного состава бесцементных смесей и времени набора прочности закладки;

- разработать методику контроля прочности литой твердеющей закладки с применением промышленных средств мониторинга на основе установленных зависимостей прочности закладочного массива и времени ее набора от электрической проводимости.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовался комплекс методов исследований:

- анализ и обобщение результатов научных исследований для разработки принципов формирования литой твердеющей закладки, обеспечивающих заданные технологические параметры искусственного массива, а также выявления сырьевой базы отходов горнодобывающих и перерабатывающих предприятий сибирского региона и характеристик компонентов, обладающих вяжущими свойствами для производства бесцементных твердеющих смесей;

- лабораторно-стендовые и натурные экспериментальные исследования, обработка результатов методами графики и математической статистики для выявления закономерностей прочностных характеристик закладочного массива от количественного состава компонентов смеси и времени набора прочности;

- графоаналитический метод для корректировки количественного состава компонентов литой твердеющей закладки;

- опытно-промышленные испытания и внедрение составов бесцементных твердеющих смесей в производственных условиях для обоснования их пригодности.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Прочностные характеристики закладочного массива определяются составом твердеющей смеси и нелинейно зависят от времени набора прочности.

2. Выбор рационального состава твердеющей смеси из отходов горнодобывающих и перерабатывающих предприятий обеспечивает выполнение технологических требований горного производства и минимизирует затраты на закладку выработанного пространства шахт и сохранение природно-технического комплекса.

3. Величина силы разрядного тока параболически зависит от времени набора прочности твердеющей смеси, что позволяет оценивать параметры качества закладочного массива и корректировать состав закладочной смеси в ходе производства работ.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы подтверждаются:

- сходимостью результатов лабораторно - экспериментальных исследований различных составов бесцементных смесей из отходов промышленных предприятий с результатами шахтных инструментальных наблюдений за формированием литой твердеющей закладки в выработанном пространстве (расхождение не более 10%);

- представленным объемом результатов экспериментальных исследований различных составов бесцементных твердеющих смесей из отходов промышленных производств (произведено более 1200 испытаний экспресс - методом, испытано на прессе более 400 образцов);

- положительным опытом утилизации отходов промышленных производств для сохранения природно-технического комплекса шахты «Коксовая» УК «Про-копьевскуголь».

Научная новизна работы:

- обосновано направление утилизации отходов промышленных производств, обладающих вяжущими свойствами, для замены цемента, отвечающее требованиям промышленной безопасности ведения горных работ и снижения уровня негативного воздействия предприятий на окружающую среду;

- разработана методика подбора компонентов и рационального состава закладочной смеси, основанная на технологических требованиях горного производства и физико-химических свойствах компонентов смеси;

- впервые установлены зависимости физико-механических характеристик закладочного массива из отходов горнодобывающих и перерабатывающих предприятий для различных составов закладки от времени набора прочности массива;

- впервые установлена зависимость величины силы разрядного тока от времени набора прочности твердеющей смеси;

- предложено научно-обоснованное направление утилизации отходов горнодобывающих и перерабатывающих предприятий, отличающееся тем, что для приготовления твердеющей смеси заданных свойств вяжущий материал дробится до тонкодисперсного состояния и дозируется в смесь в соответствии с технологическими требованиями к закладочному массиву.

Личный вклад автора состоит в:

- в изучении базы отходов горнодобывающих и перерабатывающих предприятий пригодных для производства твердеющих смесей;

- в установлении зависимостей прочностных характеристик закладочного массива для различных составов смесей из отходов промышленных производств от времени набора прочности;

- в разработке методики формирования составов смесей из отходов промышленных производств на основе графоаналитического метода и принципа минимизации затрат на закладку;

- в разработке научно-обоснованного направления утилизации отходов горнодобывающих и перерабатывающих предприятий для сохранения природно-технических комплексов угледобывающих районов;

- в разработке методики контроля прочности возводимого искусственного сооружения на основе промышленных средств мониторинга.

Научное значение заключается в:

- выявлении влияния состава и времени набора прочности закладки из отходов производств на прочностные свойства искусственного твердеющего массива, обеспечивающего безопасность горных работ, утилизацию отходов, сохранение природно-технического комплекса, защиту окружающей среды и позволяющего расширять номенклатуру утилизируемых отходов;

- оценке состояния твердеющего массива в выработанном пространстве на основе установленных зависимостей прочностных параметров закладки от её электрической проводимости.

Практическая ценность работы заключается в утилизации отходов промышленных производств, используемых в качестве вяжущих и наполнителей при формировании закладочного массива, обеспечивающей повышение эффективности работы шахт, снижение уровня загрязнения окружающей среды и сохранение природно-технологических комплексов в горнодобывающих регионах.

Реализация работы. Научные результаты и рекомендации, разработанные в диссертации, прошли практическую апробацию в ходе опытно-промышленных испытаний составов бесцементных твердеющих смесей на основе отходов промышленных предприятий для сохранения природно-технического комплекса шахты «Коксовая» УК «Прокопьевскуголь» при отработке пластов Горелый и I Внутренний.

Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались и получили одобрение на Региональной конференции «Перспективы развития технологии переработки вторичных ресурсов в Кузбассе. Экологические, экономические и социальные аспекты» (Новокузнецк, 2003), научно-техническом совете КузНИУИ (Прокопьевск, 2002), ученых советах и научных семинарах кафедры экологии и естествознания Новокузнецкого филиала-института Кемеровского государственного университета (Новокузнецк, 20022004).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 9 научных статей.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, содержит 159 страниц машинописного текста, в том числе 28 таблиц, 28 рисунков и списка использованной литературы из 81 наименования.

Заключение Диссертация по теме "Геоэкология", Горшков, Андрей Михайлович

3. Основные результаты экспериментальных исследований следующие:

- закладочный массив по истечении 7 суток набирает прочность, достаточную для обнажения его боковой стенки. Основную прочность массив набирает впервые 14 суток (не менее 4 МПа). При соблюдении рекомендуемого рецепта приготовления смеси, прочность образцов на одноосное сжатие в 28 - суточном возрасте выше нормативной (более 4 МПа);

- прочность на разрыв при исследованиях сцепления (адгезии) между слоями закладочного массива составляет 87-135 кПа при сроке твердения закладочного массива 10-14 суток;

- величины смещения потолочины с пролетом 4ч-6 м по сравнению с пролетом потолочины 9-5-10 м ниже в 7-ИО раз, при этом максимальные смещения в первом случае не превышали 7-J-8 мм. При пролете обнажения 9-ИО м максимальные смещения составили 31,2 мм. Интенсивность смешений при подходе линии забоя к контурной реперной станции незначительна, затем при переходе ее линией забоя на 2-5 м за период 4-ь8 суток резко возрастает. В период с 8 до 15 суток (расстояние 5-7 м) интенсивность смещений падает, а в период с 15 до 62 суток стабилизируется;

- визуальными наблюдениями за полнотой заполнения выработанного пространства твердеющей закладкой, расслоением закладочного массива, ее расте-каемостью установлено, что смесь заполняет все пустоты, трещины и растекается по полосе на расстояние 100 м без видимого расслоения;

- прочностные свойства закладочного массива дополнительно определялись путем выдергивания закрепленных в нем арматурных стержней, через 14 суток усилия их выдергивания составили 45-Т-90 кН, свидетельствующие о хорошем качестве закладочного массива;

4. На основании результатов проведенных исследований, разработаны предложения по использованию в качестве дополнительного заполнителя шахтных пород без выдачи их на поверхность при закладке камер бесцементными твердеющими смесями. Технологическая схема подачи заполнителя из шахтных пород в выработанное пространство камер включает в себя: пневмозакладочную машину ZS - 240 производительностью 240 м /ч и дальностью транспортирования 30-150 м, перегружатель телескопический, электроподстанцию, дробилку ДО, воздуходувку ВП-70. Оборудование смонтировано на рельсовых тележках и соединено между собой в виде поезда. В дробилку шахтная порода поступает по скребковому конвейеру, а на него она разгружается из вагонетки с помощью бокового опрокида.

5. Для реализации способа закладки выработанного пространства бесцементными твердеющими смесями на пяти шахтах УК «Прокопьевскуголь» и «Ки-селевскуголь», добывающих высокоценные марки коксующихся углей в объеме около 3,5 млн. т/год (без учета попутной добычи угля от проведения горных выработок) потребуется около 4,0 млн. м отходов промышленных производств, в том числе около 1,8-2,8 млн. т нефелинового шлама и фторогипса Ачинского глиноземного комбината (АГК) в зависимости от состава закладки и 2,7-3,6 млн. т золошлаковых отходов бытовых котельных и предприятий энергетики или 2,5 млн. т отходов угледобычи и углеобогащения.

Использование разработанного в настоящей работе способа на шахтах указанных угольных компаний позволяет ежегодно утилизировать около 50% отходов АГК, предприятий энергетики и ЖКХ или отходы углеобогатительного производства.

6. Размер годового предотвращенного экологического ущерба от реализации способа формирования бесцементного твердеющего закладочного массива составляет для условий шахты «Коксовая» УК «Прокопьевскуголь» 20,9-^29,2 млн. рублей (в зависимости от состава смеси), для условий пяти шахт УК «Прокопьевскуголь» и УК «Киселевскуголь», работающих в черте г.г. Прокопьевска и Киселевска, соответственно 115,1-460,7 млн. руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научной квалификационной работой, в которой дано решение задачи по утилизации отходов горнодобывающих и перерабатывающих предприятий и сохранению природно-технических комплексов угледобывающих регионов, имеющей существенное значение для геоэкологии.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации заключаются в следующем:

1. Анализ объемов и физико-химических свойств отходов горнодобывающих и перерабатывающих предприятий региона показал, что нефелиновый шлам, фторогипс, металлургический гранулированный шлак, шлаки промышленных и коммунальных котельных можно использовать как компоненты для приготовления бесцементных твердеющих смесей и последующей закладки выработанных пространств шахт.

2. Установленные нелинейные зависимости прочности закладки от состава компонентов и времени набора прочности при использовании графоаналитического метода позволяют производить подбор составов твердеющей закладки, исходя из наличия отходов горнодобывающих и перерабатывающих предприятий и их физико-химических свойств.

3. Набор установленных составов твердеющих закладочных смесей позволяет минимизировать количество и стоимость вяжущих компонентов по технологическим требованиям горного производства.

4. Для закладки выработанного пространства шахты «Коксовая» УК «Про-копьевскуголь» рекомендованы к использованию следующие составы: смесь № 1 (нефелиновый шлам АГК, шахтовые породы, фторогипс), смесь № 2 (вяжущее нефелиновый шлам АГК, заполнитель - гранулированный шлак ЗСМК, ускоритель твердения - фторогипс), смесь № 3 (нефелиновый шлам АГК, золошлаковые отходы Томусинской ГРЭС, фторогипс), смесь № 4 (нефелиновый шлам АГК, шлаки бытовых и промышленных котельных, фторогипс), которые при подаче в выработанное пространство заполняют все пустоты, трещины и растекаются по полосе на расстояние 100 м без видимого расслоения.

5. Утилизация отходов горнодобывающих и перерабатывающих предприятий, включающая тонкодисперсное дробление и дозировку вяжущих материалов, прошла апробацию на шахте «Коксовая» УК «Прокопьевскуголь», где подтвердила свою эффективность и дала следующие результаты:

- закладочный массив набирает прочность выше нормативной (не менее 4,0 МПа) в течение 14 суток;

- прочность на разрыв при исследованиях адгезии между слоями закладочного массива составляет 87-135 кПа при сроке твердения закладочного массива 1014 суток;

- прочностные свойства закладочного массива дополнительно определялись путем выдергивания закрепленных в нем арматурных стержней, через 14 суток усилия их выдергивания составили 45ч-90 кН, что свидетельствует о хорошем качестве закладочного материала.

6. Методика контроля прочности закладочного массива базируется на параболических зависимостях прочности и времени ее набора от электрической проводимости литой твердеющей закладки, позволяет устанавливать скорость набора прочности и корректировать состав закладки в ходе ведения горных работ.

7. Размер годового предотвращенного экологического ущерба от реализации способа формирования бесцементного твердеющего закладочного массива составляет для условий шахты «Коксовая» УК «Прокопьевскуголь» 20,9-^29,2 млн. рублей (в зависимости от состава смеси), для условий пяти шахт УК «Прокопьевскуголь» и УК «Киселевскуголь», работающих в черте г.г. Прокопьевска и Киселевска, соответственно 115,1-И60,7 млн. руб.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Горшков, Андрей Михайлович, Новокузнецк

1. Агошков М.И. Развитие идей и практики комплексного освоения недр. -М: ИПКОН РАН, 1982.

2. Астахов А.С. Парадигма и принципы взаимоотношений человека с природой // Экономика и математические методы, 1991, т. 27, вып. 6. С. 997-1004.

3. Баландин Р.К., Бондарев J1.T. Природа и цивилизация. М.: Мысль, 1988.

4. Астахов А.С. Фактор времени и системные аспекты оценки запасов полезных ископаемых // Советская геология, 1981, № 11.

5. Трубецкой К.Н., Каплунов Д.Р., Чаплыгин Н.Н. Современные горные науки: предмет, содержание и новые задачи // Горный журнал, 1994, № 6. С. 3-7.

6. Эколого-экономическая оценка деятельности предприятий угольной промышленности России / Ю.В. Каплунов, КА Краснопёрова, И.М. Новгородова и др. Под общ. ред. Ю.В. Каплунова, В.И. Постникова. М.: Изд-во АГН, 1996. -214 с.

7. Красавин А.П., Кукушкин В.М. Совершенствование природоохранных работ в угольной промышленности: Обзор. М.: ЦНИЭИуголь, 1988. - 66 с.

8. Закиров Д.Г., Кукушкин В.М. Проблемы охраны атмосферы на предприятиях угольной промышленности: Обзор. М.: ЦНИЭИуголь, 1993. - 96с.

9. Васильев А.Н., Растоги В. (США). Предотвращение загрязнения воды и почвы от минералов // Уголь, 1996, № 10. С. 43-45.

10. Худин Ю.Л., Ельчанинов Е.А. Технологические решения экологических проблем при подземной добыче угля на шахтах России // Уголь, 1995, № 7. С. 38-41.

11. Комплексное использование твердых отходов угольного производства / А.П. Красавин, B.C. Сандаков, Ю.А. Данилов и др. М.: ЦНИЭИуголь, 1987.

12. Пучков Л.А., Сластунов С.В., Ельчанинов Е.А. Проблемы охраны окружающей среды и пути их решения в угольной промышленности России // Труды III Всемирного конгресса по экологии в горном деле 7- 11 сентября 1999 г. в Москве, т. 1. С. 41-53.

13. Котровский М.Н. Технологические параметры совместного производства отвальных и рекультивационных работ / Развитие технологии рационального освоения недр при открытой разработке месторождений. М.: ИПКОН РАН, 1992.-С. 112-130.

14. Научно-технические достижения в области охраны окружающей среды / B.C. Малышенко, Ю.В. Каплунов, А.П. Красавин, А.А. Харионовский. М.: ЦНИЭИУголь, 1992. - 143 с.

15. Трубецкой К.Н., Пешков А.А. Мацко Н.А. Перспективы использования малоотходной технологии с внутренним отвалообразованием на глубоких карьерах // Уголь, 1998, № 1. С. 24-29.

16. Коваленко B.C. Новые природоохранные ресурсосберегающие технологии для открытой разработки свит угольных пластов // Уголь, 1999, № 1. С. 2831.

17. Каплунов Ю.В., Сухов В.Н. Законодательные и нормативно-правовые основы обеспечения устойчивого решения эколого-экономических задач в угольном секторе России // Уголь, 1997, № 4. С. 76—78.

18. Станкус В.М., Баранник Л.П. Рекультивация нарушенных земель как ноосферная технология // Уголь, 1997, № 1. С. 53—55.

19. Проблемы региональной экологии. Выпуск 3. Региональный мониторинг. Сб. науч. ст./ Институт экологии природных комплексов СО РАН. - Томск, Изд-во "Красное знамя", 1994. - 128 стр.

20. Об использовании углеотходов в строительной отрасли и сельском хозяйстве / В.В. Пушканов, А.Г. Балабушевич, Ю.В. Каплунов, Е.Б. Панфилов// Уголь, 1999, №5. -С. 52-55.

21. Угольная промышленность за рубежом / В.Е. Зайденварг, Н.И. Гарка-венко, B.C. Афендиков и др. М.: Горная промышленность, 1993. - 389 с.

22. Мухин А.В. Замыкающие затраты на минеральное сырье и их динамика. -М.: Наука, 1991.

23. Минеральное сырье и экономия материальных и энергетических ресурсов / А.С. Астахов, O.JI. Бакшеева, А.А. Арбатов и др. Под ред. А.С. Астахова. -М.: Недра, 1986.

24. Основные проблемы развития безотходных производств / Б.Н. Ласкорин, Б.В. Громов, А.П. Цыганков и др. М.: Стройиздат, 1981.

25. Певзнер М.Е., Костовецкий В.П. Экология горного производства. М.: Недра, 1990.

26. Рыжков Ю.А., Волков А.Н., Гоголин В.А. Механика и технология формирования закладочных массивов. М.: Недра, 1985. - 191 с.

27. Лавцевич В.П. Охрана окружающей среды при подземной разработке месторождений полезных ископаемых. Новокузнецк, СибГИУ, 1996. - 172 с.

28. Комплексная оценка уровня загрязнения атмосферного воздуха территории Кузбасса /отчет ЗСНИГМИ, отв. исполнитель Т.С. Селегей Новосибирск, 1992. - 80 с.

29. Временные методические указания. Комплексное обследование предприятий, имеющих источники загрязнения атмосферного воздуха /отчет ЗСНИГМИ, отв. исполнитель А.П. Быков. Новосибирск, 1987. - 43 с.

30. Концептуальное обоснование почвенно-экологической оценки Еруна-ковского района в ТЭО освоения Ерунаковского угольного района в соответствиис программой эколого-экономических исследований (II этап). Новосибирск, ИГД СО РАН, 1992.-44с.

31. Корректировка ТЭО освоения Ерунаковского угольного района Кузбасса в соответствии с программой эколого-экономических исследований (II этап). Утилизация отходов производства, т. XI. Кемерово, Кузбассгипрошахт, 1992. -с.51.

32. Мониторинг малых химических элементов в углях месторождений Ерунаковского геолого-экономического района. Отчет по объекту за 1993г. Кемерово, Сибирская геолого-геофизическая лаборатория (СГГЛ) ВНИГРИуголь, 1993. -с. 71.

33. Климов О.В. Оценка интенсивности естественного воздухообмена в карьере Нерюнгринский. Новосибирск, ЗСНИГМИ, 1984, вып. 61. - С. 36-42.

34. Климов О.В. Особенности микроклимата и ответственного воздухообмена в условиях пересеченного рельефа (на примере Южно-Якутского угольного комплекса) / Автореф. дисс. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук. Л.: 1986. -16с.

35. Руководство по контролю вредных веществ в воздухе рабочей зоны /С.И.Муравьева, М.И.Буковский, Е.К.Прохорова и др. М.: Химия, 1991. - 368с.

36. Временная методика по организации отраслевого контроля за количеством выбрасываемых в атмосферу вредных веществ на предприятиях Минугле-прома СССР. Пермь, 1979. - 10 с.

37. Временные указания по определению фоновых концентраций вредных веществ в атмосферном воздухе для нормирования выбросов и установления предельно-допустимых выбросов. М.: Гидрометеоиздат, 1981. - 36 с.

38. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. - 92с.

39. Сборник методик по расчету выбросов в атмосферу загрязняющих веществ различными производствами. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. - 183 с.

40. Руководство по контролю загрязнения атмосферы /под ред. М.Е. Бер-лянда, Г.М.Сидоренко. JL: Гидрометеоиздат, 1979. - 448 с.

41. Костарев С.В., Шевцов В.А. Покомпонентное развертывание регионального мониторинга. В сб. Проблемы региональной экологии, вып. №3: Региональный мониторинг. - Томск, Изд-во " Красное знамя", 1994. - с. 7-12.

42. Базель B.C., Кряжинский Ф.В., Семериков Л.Ф., Смирнов Н.Г., Экологическое нормирование антропогенных нагрузок. Общие подходы // Экология, 1992, №6.-с. 3-12.

43. Кябби М.Э. Экономический механизм комплексного освоения недр. -М.: Недра, 1984.

44. Рациональное природопользование в горной промышленности: Учеб. для вузов. М.: МГТУ, 1994.

45. Супрун В.И. Гайлиш В.В., Денисов Н.А. Концепция создания рационального техногенного ландшафта при ведении горных работ // Экологические проблемы горного производства / Науч.-техн. конф.: Тез. докл. М.: 1993. - С. 7072.

46. Красавин А.П., Катаева И.В. Ускоренная рекультивация нарушенных горными работами земель с использованием бактериальных препаратов // Уголь, 1998, №9.-С. 53-58.

47. Перспективные биотехнологии в угольной промышленности / А.П. Красавин, И.В. Катаева, А.И. Лелеко, В.А. Екатерининский. М.: ЦНИЭИуголь, 1996. -110 с.

48. Лесин Ю.В., Рыжков Ю.А., Гоголин В.А., Карпенко Н.В. Моделирование структур массивов из кусковых и зернистых материалов (пространтвенная задача) // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых., №2 1996. с. 35-38.

49. Новости зарубежной угольной промышленности. М.: ЦНИИЭИуголь, №4, 1980.

50. Дубровский Е.М. Породное хозяйство угольных шахт за рубежом// Добыча угля подземным способом. М.: ЦНИИЭИуголь, № 5, 1985.

51. Поларски Д. Опыт применения закладки выработанного пространства в каменноугольной промышленности ПНР // Глюкауф, № 10, 1986.

52. Кайзер 0. Отчет Главного управления горного надзора земли Северный Рейн Вестфадия // Глюкауф, № 24, 1964.

53. Юст Р. Использование породы из забоев выемочных штреков, проходимых с отставанием от лавы на участках сопряжения лава-штрек // Глюкауф, № 24, 1979.

54. Айнхайзер И. Механизированное возведение околоштрековых полос на шахтах Великобритании // Глюкауф, № 18, 1977.

55. Шерман Ф. Совершенствование техники и технологии на концевых участках лавы в каменноугольной промышленности Великобритании // Глюкауф, № 23,1980.

56. Тарасенко В.В. Основные направления решения проблемы оставления пород в шахтах Донбасса // Уголь Украины, № 14, 1984.

57. Макаревич Ю.С., Бужен Н.К., Чупранов В.Н. Возведение бутовых полос у выработок с помощью комплекса ПЗК // Уголь, № 17, 1983.

58. Самохвалов Ю.И. Опыт оставления породы в шахте при проведении горных выработок // Уголь, № 14, 1988.

59. Иванов Ю.М. Технические решения по оставлению породы в шахте // Уголь Украины, № 12, 1985.

60. Поклад Г.Г., Ведяшкин А.С. и др. Использование шахтной породы для закладки выработанного пространства под застроенными территориями Карагандинского бассейна // Горный журнал, № 4, 1988.

61. Капустин В.А., Малков Г.М., Сиделъников С.Г. Размещение породы в погашаемые выработки шахт // Малоотходное производство в угольной промышленности. Пермь, 1984.

62. Пророченко В.И., Федосенко Н.А., Овчинников В.Т, Оставление породы в шахте важнейшая народнохозяйственная задача // Уголь Украины, № 8, 1989.

63. Дуденко М.И., Федоров В.П., Масляев Г.В. Анализ конкурсных научно-технических решений по размещению породы в выработанном пространстве на шахте «Минусинская» // Уголь Украины, №3, 1989.

64. Ефимов В.И. Разработка технологий эффективной отработки крутых пластов с литой твердеющей закладкой / Автореф. дисс. на соиск. учен. степ, канд. техн. наук. М., 1991. - 16 с.

65. Комплексная переработка нефелинового шлама / М.М. Сычев, В.И. Кар-наев и др. М.: Металлургия, 1974. - 197с.

66. Исследование составов бесцементных вяжущих для твердеющих смесей/ И.И. Барсуков, Ю.Е. Кирюхин и др. // Совершенствование технологии отработки угольных пластов Кузбасса и Дальнего Востока: Сб. науч. тр. КузНИУИ. -Прокопьевск, 1989.-с.68-71.

67. Лесин Ю.В., Рыжков Ю.А., Скрынник JI.C. Подбор состава закладочных шихт // Вопросы горного дела: Сборник научных трудов. Кузбасский политехнический институт, Вып. №7, Кемерово, 1975. с. 149-153.

68. Справочник по производству цемента. Под редакцией Холина И.И.-М.: Гос. Издательство литературы по строительству, архитектуре и строительным материалам. 1963. с. 11.

69. Волжский А.В., Бурев Ю.С., Колокольников B.C. Минеральные вяжущие вещества. М.: Издательство литературы по строительству., 1966.

70. Закладочные работы в шахтах. Справочник. М.: Недра, 1989.

71. Вяткин А.П., Горбачев В.Г., Рубцов В.А. Твердеющая закладка на рудниках.-М.: Недра, 1983.

72. Лещинский М.Ю. Испытание бетона. М.: Стройиздат, 1980. - с. 360.

73. В.П. Кравченко. Методика оценки транспортабельности твердеющих закладочных смесей // Горный журнал, 1970, №9. с. 37-41.

74. Байконуров О А. Методы контроля физико-механических параметров подземной разработки руд. Алма-Ата, Наука, 1979. - 298 с.

75. Временная инструкции по применению анкерной крепи в очистных забоях при выемке мощных крутых пластов полосами по простиранию с гидрозакладкой. Прокопьевск, 1977. - 42 с.

76. Методика определения предотвращенного экологического ущерба. М.: 1999.-71 с.