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, 20 022 004).

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.

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.