Автор: Васильев С., Шафоростова М. Н.
Источник: Васильев С. Перспективы использования горелых шахтных пород / С. Васильев, М. Н. Шафоростова // Збірка доповідей V регіональної конференції Комплексне використання природних ресурсів
. – 2012 р. – Донецьк: ДонНТУ, 2012. – 16 c.
Приведен анализ данных о возможности использования горелых пород шахтных отвалов в качестве техногенного сырья при производстве строительных материалов.
Из недр Украины ежегодно извлекается свыше 1,5 млрд. т горной массы, из которой после извлечения полезных компонентов 60…70 % общей массы сырья переводится в отвалы. Для размещения отвалов отводится ежегодно до 1,5…2,0 тыс. га сельскохозяйственных земель. В Украине в отвалах находится более 20 млрд. т горнопромышленных и других отходов, занимающих более 500 тыс. га земли. Особенно остро стоит проблема утилизации техногенного сырья в индустриально развитом Донбассе, в структуре хозяйственного комплекса которого угольная промышленность является одной из ведущих отраслей [1].
Специфика подземной добычи угля состоит в том, что на каждые 1000 тонн добытого угля на поверхность выбрасывается до 12 кг угольной и породной пыли, 50…570 тыс. м3 метана; 7,5…15 тыс. м3 углекислого газа; около 5,5 тыс. м3 окислов, образующихся при взрывных работах; 1,5…9 тыс. м3 шахтных вод; 210…300 тонн породы (в Донбассе до 800). На территории Донбасса расположено свыше 1200 отвалов шахт (терриконов), площадь которых составляет 5,0 тыс. гa, а с учетом санигарно-защитной зоны около 30 тыс. га. При этом ежегодный объем горной массы, выдаваемой в отвалы, составляет около 30 млн. м3, а их общий объем в регионе превышает 2 млрд. м3, что, безусловно, создает существенную экологическую напряженность.
Исследования последних лет отечественных и зарубежных ученых [2, 3] показывают, что проблема использования отходов угледобычи и углеобогащения в производстве строительных материалов и изделий остается актуальной, и требует дальнейшей проработки в этом направлении.
Разработка мероприятий по комплексной переработке пород шахтных терриконов позволит решить ряд актуальных задач:
В настоящее время объемы использования промышленных отходов не превышают 110…120 млн. тонн в год, что составляет всего 15…20 % их годового выхода.
Твердые отходы, образующиеся при добыче и обогащении углей, разнообразны по свойствам, что обусловлено минералогическим составом угля и
видом его переработки. Неоднородность свойств шахтных пород обусловлена также различной степенью их обжига в терриконах и гранулометрическим
составом, который более стабилен у отходов углеобогащения, чем отвальных шахтных пород, в то время как минеральная часть практически
идентична и представлена преимущественно породами осадочного происхождения. По процентному содержанию органики (в основном свободный углерод)
пустые
шахтные породы разделяются на следующие группы: Г1 – до 2; Г2 – 4…8; ГЗ – 8…12; Г4 – 12…20; Г5 – более 20. Под действием кислорода
воздуха органика пород окисляется и самовозгорается, при этом порода подвергается естественному обжигу, а органические примеси при этом частично
выгорают. Горелыми породами считают пустые
шахтные породы с содержанием до 5 % остаточных углистых примесей [4]. В результате повышения
температуры минеральная составляющая изменяет свою структуру и состав. При горении пород в аэрируемых условиях образуются кислородосодержащие
вещества: гематит, ангидрит, известь, периклаз и др. Прокаливание породы в восстановительной среде дает следующие минералы: карбиды железа,
моносульфиды железа, флюориты, анортиты и др. Преобладающим вещественным составом горелых пород являются аргиллиты, песчаники и алевролиты [5].
Породы Донецко-Макеевского района состоят более чем на 60 % из аргиллитов и глинистых сланцев, содержание песчаника составляет 3–5 %,
остальное – алевролиты и алевролитовые сланцы.
В зависимости от структуры, горелые породы делят на четыре группы [6]:
Химический состав усредненных проб горелых пород различных шахт Донбасса колеблется в широких пределах: SiO2 (48,3…57,9 %), Аl2O3 (30,7…46,6 %); Fe2O3 (0,44…12,1 %); СаО (1,4…4,7 %); MgO (0,8…2,5 %); SO3 (1,1…2,4 %). Широкие пределы изменения содержания различных оксидов и минералов свидетельствует о том, что для оценки горелых пород как технологического сырья необходим индивидуальный (по каждому террикону) подход.
Горелые породы шахтных терриконов Донбасского угольного бассейна могут относиться к различным группам по классификационным признакам, что подтверждает необходимость комплексного подхода при определении рационального направления их использования. Для выбора направления использования каждый вид промышленного отхода должен пройти несколько уровней оценки по различным критериям: по токсичности; химико-минералогическому составу; агрегатному состоянию, объемам образования. После такой многоуровневой оценки определяется направление утилизации и номенклатура продукции, получаемая на основе конкретного техногенного сырья.
Среди перспективных направлений переработки горелых пород можно выделить производство керамических стеновых материалов на их основе. Обладая высокой теплотворной способностью (2500…9200 кДж/кг), они используются также в качестве исходного сырья или выгорающей добавки при производстве искусственных пористых заполнителей бетона, например, аглопорита. Проведено множество исследований по применению горелых шахтных пород в качестве заполнителей бетона. Значительные объемы породы шахтных терриконов могут быть утилизированы в дорожном строительстве, в частности при устройстве подстилающих слоев дорожных одежд. Молотую горелую породу можно использовать взамен части портландцемента, при производстве пуццоланового цемента или в качестве пуццолановой добавки к бетонным смесям.
Исследования горелых пород угольных бассейнов Донецка, Кузнецка, Москвы, Караганды и др., проведенные институтом ВНИИОМ Промжилстрой (г. Киев), показали возможность их использования при производстве местных вяжущих, песка и щебня [7], а институтом ЦНИИС (г. Москва) определена номенклатура изделий, которые могут быть изготовлены на основе горелопородного заполнителя: лотковые элементы, элементы заборов, фасадная плитка, перегородки и другие изделия. При этом стоимость изделий на основе горелопородного сырья не превышает 30…50 % стоимости таких же изделий из обычного бетона, кирпича или дерева. По данным ВНИИОМ Промжилстроя стоимость горелопородного цемента даже при вибропомоле составляет только 60 % стоимости шлакопортландцемента [8].
Однако, для использования отходов угледобычи при производстве вяжущих рекомендуется использовать только хорошо перегоревшую породу. В то же время, известно, что даже в пределах одного террикона степень обжита породы крайне неоднородна, что значительно ограничивает объемы ее утилизации. В литературе недостаточно сведений о влиянии содержания различных вредных примесей в отвальных породах (сернистые соединения, глина, несгоревшие мольные частицы) на свойства вяжущих на их основе.
Основными факторами, обеспечивающими качество бетонных и железобетонных изделий на основе горелых пород средней кондиции, являются состав сырьевых смесей, дисперсность компонентов, водовяжущее отношение, способы механического перемешивания, характер уплотнения и гидротермальной обработки.
В угленосных регионах бывшего СССР осуществлялись попытки комплексной переработки отвальных пород. Так, в Донбассе, налаживалось опытное производство бетонов на основе горелой породы на Алчевском шлакоблочном заводе. На некоторых шахтах такие бетоны использовали для крепления подземных выработок. Обследование бетонной крепи через 10…15 лет показало, что изделия находятся в хорошем состоянии.
В то же время увеличению объемов производства бетонов, а также расширению номенклатуры изделий на их основе препятствует ряд факторов, среди которых первостепенное значение имеет крайняя неоднородность состава и свойств пород шахтных отвалов.
Неизменной проблемой, препятствующей широкой утилизации горелых пород, остается разнообразие состава и свойств пород шахтных отвалов, что требует проведения обширных трудоемких исследований для каждого террикона и даже отдельных его частей.