состав закладочной смеси

Формула изобретения

Состав закладочной смеси, содержащий молотый доменный гранулированный шлак и воду, отличающийся тем, что дополнительно содержит отходы химических производств - гидроксид натрия, никелевый шлам и горелые породы, используемые в качестве заполнителя, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

молотый доменный гранулированный шлак	10,20-12,70
гидроксид натрия	1,10-1,35
никелевый шлам	0,1-0,5
горелые породы	72,91-75,01
вода	остальное

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при ликвидации вертикальных горных выработок как на действующих, так и на ликвидируемых горных предприятиях.

При ликвидации шахт возникает ряд геологических и экологических проблем: оседание земной поверхности, подтопление территорий, возможность прорыва шахтных вод в соседние действующие шахты, выделение вредных газов и выход их на дневную поверхность и другие. В РФ разрабатывать проект ликвидации шахт разрешено только проектным организациям, имеющим лицензию Ростехнадзора. Ликвидация шахт требует обязательного выполнения следующих работ: заполнение породой провалов, воронок, выемок, промоин, траншей, других углублений, связанных с деятельностью шахты.

Вертикальные шахтные стволы, а также стволы и шурфы с углом наклона более 45° с неудовлетворительной крепью должны быть полностью заполнены безусадочным водонепроницаемым материалом до уровня земной поверхности. Полученный закладочный массив должен предотвратить гидравлическую связь между водоносными горизонтами, выход рудничных газов на дневную поверхность и образование провалов на прилегающих к выработке территориях.

Принятый в настоящее время в качестве основного способ ликвидации вертикальных и наклонных стволов, сбоек, шурфов и других выработок путем простой засыпки перегоревшей породой, как показывает опыт, отличается ненадежной их ликвидацией, что в дальнейшем приводит к значительной деформации поверхности, образованию провалов, а также возникновению экологических проблем.

Наиболее реальным и доступным способом ликвидации вертикальных горных выработок является их закладка твердеющими смесями.

В случае закладки вертикальных горных выработок происходит компрессионное сжатие закладочного массива, т.е. его уплотнение под нагрузкой без возможности бокового расширения, поэтому прочностные и другие механические свойства закладочного материала являются очень важными.

Основные требования, предъявляемые к твердеющим смесям, - минимальная средняя плотность материала, высокая водонепроницаемость, т.е. коэффициент фильтрации менее 0,001 м/сут, минимальная величина компрессии, что достигается высокой прочностью закладочной смеси [Закладочные работы в шахтах / Д.М.Бронников и др., под ред. Д.М.Бронникова, М.Н.Цыгалова. - М.: Недра, 1989. - 400 с.].

Известна закладочная смесь (патент РФ № 2270921, МПК E21F 15/00, опубл. 27.02.2006), включающая цемент, молотый доменный гранулированный шлак, молотый диабаз, измельченную солому, взятые в следующем соотношении компонентов, мас.%:

цемент	2,9-5,07
молотый гранулированный доменный шлак	15,21-16,914
молотый диабаз	52,24-53,22
измельченная солома	0,02-0,076
вода	остальное

Недостатком известной смеси является низкая прочность, многокомпонентность и присутствие дорогостоящего и дефицитного цемента.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является состав закладочной смеси (патент РФ № 2186989, МПК E21F 15/00, опубл. 10.08.2002), включающий цемент, молотый доменный гранулированный шлак, аморфные осадки нейтрализации серной кислоты известняком, гидроксосульфат железа (III), воду, взятые в следующем соотношении компонентов, мас.%:

цемент	4,0-6,8
молотый гранулированный доменный шлак	9,7-16,5
аморфные осадки нейтрализации серной
кислоты известняком	31,7-40,8
вода	остальное

Недостатком данной смеси является низкая механическая прочность, дополнительная предварительная обработка аморфных осадков водным раствором гидроксосульфатом железа (III), что повышает трудозатраты при закладке вертикальных стволов, многокомпонентность смеси, а также использование дорогостоящего и дефицитного цемента.

Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в повышении прочности закладочной смеси, сокращении трудозатрат при закладке вертикальных стволов и снижении стоимости за счет использования вторичных материальных ресурсов - гидроксида натрия, никелевого шлама, горелых пород.

Указанный технический результат достигается тем, что состав закладочной смеси, содержащий молотый доменный гранулированный шлак и воду, согласно изобретению дополнительно содержит отходы химических производств - гидроксид натрия, никелевый шлам и горелые породы, используемые в качестве заполнителя, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

молотый доменный гранулированный шлак	10,20-12,70
гидроксид натрия	1,10-1,35
никелевый шлам	0,1-0,5
горелые породы	72,91-75,01
вода	остальное

Смешивая молотый доменный гранулированный шлак с гидроксидом натрия получают шлакощелочное вяжущее марки М400 и выше.

Использование в качестве вяжущего вещества молотого доменного гранулированного шлака с гидроксидом натрия становится возможным потому, что молотые доменные гранулированные шлаки имеют химический состав, подобный цементу. Затворение молотого доменного гранулированного шлака гидроксидом натрия приводит к образованию малорастворимых природных минералов смешанных натриево-кальциевых алюмосиликатов, гидрогранатов, цеолитов, тоберморитоподобных гидросиликатов [В.Д.Глуховский Грунтосиликаты. - Киев: Госстройиздат УССР. - 98 с.].

Химический состав молотых доменных гранулированных шлаков Кузбасса приведен в таблице 1.

Основная масса молотого доменного гранулированного шлака представляет собой изотропное пористое стекло, которое определяет гидравлическую активность шлака. Содержание стекла в исследуемом шлаке находится в пределах 88,0-95,0%.

Второй компонент шлакощелочного вяжущего представляет собой гидроксид натрия (едкий натр, каустическая сода), который получают на Кемеровском производственном объединении «Химпром» в качестве вторичного материального ресурса.

Никелевый шлам - отход химического производства, представляет собой тонкодисперсный порошок черного цвета с удельной поверхностью 3000-3500 см ²/г, истинной плотностью 3,5-3,7 г/см³, средней плотностью 2,6-2,7 г/см³. Шлам содержит оксида никеля 92-93%, оксида алюминия 5-6%, нерастворимого остатка 2-3%, прокаленного остатка 85%, РН водной вытяжки 8-9.

Введение никелевого шлама способствует интенсивному процессу гидратации шлакощелочного вяжущего, особенно в начальные сроки твердения, при этом период формирования структуры материала ускоряется на 30-36%. Высокая удельная поверхность никелевого шлама позволяет ему распределяться по поверхности зерен молотого доменного гранулированного шлака тонким мономолекулярным слоем и вступать в хемосорбционное взаимодействие с ним с образованием новых сложных гидратных соединений - водных щелочных алюмосиликатов и щелочных гидросиликатов с замещением [Al₂O₃] на [Ni₂О₃ ]. Эти процессы способствуют быстрому нарастанию кристаллических образований, что ускоряет процесс гидратации, количество гидратных соединений увеличивается и повышается прочность твердеющей закладочной смеси.

В качестве заполнителя для закладки вертикальных горных выработок использовали горелые породы рационального зернового состава [Исаенко А.В. Обоснование и разработка технологии закладки вертикальных горных выработок горелыми породами, упрочненными вяжущими: автореф. дис. канд. техн. наук: 25.00.22 / Кузбасский государственный технический университет. - Кемерово, 2006. - 22 с.].

Характеристики физико-механических свойств используемых горелых пород Кузбасса имеют следующие значения [Исаенко А.В. Обоснование и разработка технологии закладки вертикальных горных выработок горелыми породами, упрочненными вяжущими: автореф. дис. канд. техн. наук: 25.00.22 / Кузбасский государственный технический университет. - Кемерово, 2006. - 22 с.]:

средняя плотность, кг/м3	1400-2500
насыпная плотность, кг/м3	1050-1400
пористость, %	3,6-32,1
водопоглощение по массе, % по массе	12,0-23,1
пустотность, %	22,0-44,0
предел прочности при сжатии, МПа	10,0-88,0 и более
морозостойкость, циклы	10-1000

Все горелые породы обладают высокой гидравлической активностью и не подвергаются ни одному из видов распада - железистому, известковому, силикатному.

Высокая щелочность среды шлакощелочного вяжущего активизирует зерна горелой породы с поверхности и они вступают в хемосорбционное взаимодействие со шлакощелочным вяжущим. На поверхности зерен горелой породы образуются низкоосновные гидросиликаты, обладающие высокой адгезией и к зернам горелой породы, и к щелочному вяжущему, в результате чего прочность и компрессионные свойства твердеющей закладочной смеси значительно повышаются.

Для решения рецептурно-технологических задач получения состава закладочной смеси использовали вероятностно-статистические, в том числе математические, методы планирования и обработки экспериментов.

Пример. Измельченный в шаровой мельнице до удельной поверхности S_уд=3500 см²/г молотый доменный гранулированный шлак смешали с горелой породой, добавили никелевый шлам и затворили гидроксидом натрия, смесь тщательно перемешали. Из полученной смеси заформовали образцы-кубы размером 70×70×70 мм. Одни сутки образцы твердели в формах, затем их распалубили и хранили под слоем влажных опилок в течение 90 суток, после чего определили механическую прочность с использованием гидравлического пресса. Аналогично готовили и испытывали различные составы закладочных смесей. В таблице 2 приведены исходные составы закладочных смесей и результаты испытаний механической прочности образцов, приготовленных из этих смесей.

Таблица 2
Результаты изучения влияния составов закладочных смесей на прочность испытываемых образцов
№ № опытов	Расход при изготовлении закладочных смесей, мас.%	Прочность образцов на сжатие, МПа
молотый доменный гранулированный шлак	цемент	горелые породы	гидроксид натрия	вода	никелевый шлам
1	11,23	0	74,45	1,10	13,12	0,10	6,75
2	11,79	0	74,50	1,10	12,50	0,11	6,80
3	12,36	0	75,01	1,12	11,26	0,25	7,42
4	12,68	0	74,62	1,16	11,24	0,30	7,54
5	12,69	0	73,41	1,32	12,44	0,14	6,93
6	12,70	0	72,91	1,33	12,90	0,16	6,98
7	10,20	0	73,92	1,35	14,31	0,22	7,20
8	10,63	0	74,43	1,26	13,27	0,41	7,60
9	11,14	0	74,93	1,21	12,27	0,45	7,68
10	11,64	0	75,00	1,30	11,58	0,48	7,80
11	12,15	0	74,67	1,31	11,38	0,49	7,83
12	12,66	0	74,78	1,24	10,82	0,50	7,90
Прототип	16,37	6,73	31,7*	2,0**	43,20	0,00	4,35
* - аморфные осадки нейтрализации серной кислоты известняком;
** - гидроксосульфат железа (III).

Из таблицы 2 следует, что заявляемый технический результат увеличения механической прочности закладочных смесей достигается заменой дорогостоящего и дефицитного цемента, а также отсутствием дополнительной операции по обработке аморфных осадков раствором гидроксосульфата железа (III).

Как показали эксперименты, используя в качестве вяжущего вещества закладочной смеси шлакощелочное вяжущее с добавкой никелевого шлама получают закладочный массив с более высокой прочностью, не применяя дорогой и дефицитный в настоящее время цемент. Применение в качестве заполнителя горелых пород позволяет создать структурный каркас из прочных зерен горелой породы, который воспринимает на себя все внешние нагрузки, предотвращая боковое расширение. В результате применения горелых пород компрессия закладочного материала отсутствует, что является обязательным условием при закладке вертикальных стволов шахт (компрессия закладочного материала - его уплотнение под нагрузкой без возможности бокового расширения).

Высокая щелочность среды шлакощелочного вяжущего переводит никелевый шлам в активное состояние. Катионы никеля вступают в окислительно-восстановительные процессы гидратации вяжущего, в результате чего происходит ускорение образования новых гидратных соединений в кристаллической форме, что приводит к росту прочности вяжущего и всей закладочной смеси.

Хемосорбционное взаимодействие горелой породы со шлакощелочным вяжущим обеспечивает водоупорность закладочного массива, при этом его коэффициент фильтрации не превышает К_ф 0,001 м/сут.

Применение горелой породы, никелевого шлама и гидроксида натрия позволит утилизировать материалы шахтовых террикоников и отходы химических производств, что значительно улучшит экологическую обстановку шахтовых городов.