Кузбасс — один из самых крупных территориально-производственных комплексов Российской Федерации. Промышленные гиганты Кузбасса образуют огромные количества отходов, которые нарушают экологическое равновесие и являются источником загрязнения окружающей среды.

Цель работы — изучить возможности использования промышленных отходов в производстве закладочной смеси для выработанных пространств шахт и рудников и разработать технологию этого процесса, что позволит удешевить смесь и уменьшить воздействие отходов на окружающую среду. Об актуальности и важности работ в направлении рационального природопользования и создания технологий переработки и утилизации техногенных образований и отходов свидетельствуют документы, утвержденные Президентом В. В. Путиным 21 мая 2006 г.:

— Приоритетные направления развития науки, технологий и техники в Российской Федерации (Пр-843);

— Перечень критических технологий Российской Федерации (Пр-842).

Для производства закладочных смесей автор предлагает использовать сталелитейный конвертерный шлак текущего выхода ОАО «Западно-Сибирский металлургический комбинат», горелую породу терриконика шахты «Абашевская» и шлам, образующийся при нейтрализации отработанных электролитов кислотных тяговых и стартерных аккумуляторов (далее шлак, порода и шлам).

По результатам химического анализа исследуемый шлак содержит в основном оксиды кальция, железа (Fе₂О₃ + FеО), кремния, магния, алюминия, марганца и незначительное количество свободного оксида кальция. Согласно рентгенофазовому анализу, основные фазы шлака — монтичеллит СаМg[SiO₄] и геленит Са₂Аl₂SiO₇, небольшая примесь периклаза MgO и шпинели МgАl₂О₄. Минералы почти полностью закристаллизованы, имеют большую плотность упаковки, упорядоченное строение.

Содержание доломитов, известняков и глинистых примесей в породе соответствует золе и микрокремнезему. Это позволяет применить породу в качестве добавки в состав вяжущего.

Шлак относится к группе низкоосновных материалов (коэффициент основности 0,74-0,82), порода — к группе ультракислых (коэффициент основности 0,1). Она содержит значительное количество SiO₂ и Аl₂О₃.

Гидравлическая активность породы обусловлена наличием в ее вещественном составе разновидностей активных элементов железа, алюминия и кремния, возникающих вследствие нарушения молекулярных связей глинистых минералов при обезвоживании и диспергации частиц в процессе самообжига.

Для создания реакционно-способных минералов необходим активизатор, роль которого состоит в активации поверхности шлака и породы.

Влияние сульфатных активизаторов на прочность шлакового вяжущего изучали на кафедре строительных материалов, изделий и конструкций Магнитогорского государственного технического университета им. Г. И. Носова при исследовании сталелитейных (мартеновских) шлаков Магнитогорского металлургического комбината. Установлено, что обработка растворами кислот стабилизирует структуру шлака и сопровождается образованием гидросиликатов кальция, в результате чего возрастает прочность системы. Молотый шлак можно использовать в качестве вяжущего, вводя добавки, водные растворы которых при затворении шлака обеспечивают достаточно полное связывание свободного оксида кальция в продукты, образующие кристаллический каркас. Таким требованиям отвечают легкорастворимые соли амфотерных металлов (Аl, Сu, Zn, Fе и др.) и сильных кислот. В качестве активизаторов использовали Аl₂(SО₄)₃ • 18Н₂О (ТУ 6-09-2247-77), FеSО₄ • 7Н₂О (ГОСТ 4148-78) и нейтрализованный травильный раствор Магнитогорского калибровочного завода.

В настоящей работе в результате анализа промышленных отходов предприятий Кузбасса в качестве активизатора выбран шлам, образующийся при нейтрализации известью отработанного электролита тяговых и стартерных кислотных аккумуляторов. Шлам представляет собой обводненный гель, обладающий высокой пластичностью. В состав шлама входит легкорастворимая соль свинца (амфотерного металла) и серной кислоты.

Соотношение шлака и породы рассчитывали с учетом коэффициентов основности. Объем шлама подбирали экспериментально исходя из условия наибольшей прочности получаемого продукта. В исходных материалах исследовали содержание радионуклидов, канцерогенных и токсичных соединений и элементов. Установлено, что в составе вяжущего и закладочной смеси на его основе без ограничений можно использовать все материалы согласно документам:

Полученное шлаковое вяжущее является водостойким (коэффициент размягчения колеблется от 0,85 до 1). Материалы:, изготовленные на его основе, можно применять без специальных мер по защите от увлажнения.

По результатам рентгеноструктурного анализа (рис. 1) основные минералы исследуемого вяжущего — гипс и монтичеллит.

В небольшом количестве присутствует гидросульфоалюминат кальция (эттрингит) в виде пластинчатых кристаллов длиной до 10 мкм (рис. 2). Снимки получены методом сканирующей электронной микроскопии.

Рис. 2. Структура вяжущего на основе шлака (х3 000):

а — окислительного периода плавки; б — восстановительного периода плавки

На основании проведенных исследований разработан состав закладочной смеси (табл. 2).

Таблица 2

Активность предлагаемого состава в возрасте 28 суток составляет 11,73 МПа, что соответствует классу прочности В7,5 (М 100 кгс/см²).

Разработанная автором технологическая схема комплекса производства закладочной смеси представлена на рис. 3.

Рис. 3. Технологическая схема комплекса производства закладочной смеси

Годовой экономический эффект от внедрения закладочной смеси на Таштагольском подземном руднике ОАО «Евразруда» — наиболее рентабельном горнорудном предприятии региона с проектной производительностью 395 000 м³/год — составит более 20 млн руб.

Korneeva E. V., Siberian State Industrial University, Novokuznetsk, Kemerovo Oblast, Russia

Gonverter slag, burnt rock, and sludge from spent electrolytes neutralization are used to prepare low-strength solid stowing. The binding agent compound is developed. Its strength and water resistance are verified. Stowing composition for open coal areas and ore mines is developed.