(19) PL (11) (13) B1 (12) OPIS PATENTOWY PL B1 C09K 17/00. (54) Podsadzkowa mieszanina doszczelniająca

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (12) OPIS PATENTOWY (21) Numer zgłoszenia: (22) Data zgłoszenia: (19) PL (11) (13) B1 (51) IntCl7 E21F 15/00 C09K 17/00 (54) Podsadzkowa mieszanina doszczelniająca (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 10/98 (73) Uprawniony z patentu: Radzikowski Wojciech, Katowice, PL Plewa Franciszek, Dąbrowa Górnicza, PL Kaczmarczyk Andrzej, Mysłowice, PL Adamczyk Joachim, Jaworzno, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 11/01 (72) Twórcy wynalazku: Wojciech Radzikowski, Katowice, PL Franciszek Plewa, Dąbrowa Górnicza, PL Andrzej Kaczmarczyk, Mysłowice, PL Joachim Adamczyk, Jaworzno, PL (57) 1. Podsadzkowa mieszanina doszczelniająca, zawierająca w swym składzie odpady z procesu mokrego odsiarczania spalin - reagips, popiół lotny oraz wapno pokarbidowe, znamienna tym, że 1 do 4 części wagowe reagipsu, 9 do 15 części wagowe popiołów lotnych i 2 do 4 części wagowe wapna pokarbidowego tworzą z wodą zawiesinę wodną, przy czym woda stanowi wagowo od 24 35% suchej masy składników mieszaniny PL B1

2 Podsadzkowa mieszanina doszczelniająca Zastrzeżenia patentowe 1. Podsadzkowa mieszanina doszczelniająca, zawierająca w swym składzie odpady z procesu mokrego odsiarczania spalin - reagips, popiół lotny oraz wapno pokarbidowe, znamienna tym, że 1 do 4 części wagowe reagipsu, 9 do 15 części wagowe popiołów lotnych i 2 do 4 części wagowe wapna pokarbidowego tworzą z wodą zawiesinę wodną, przy czym woda stanowi wagowo od 24 35% suchej masy składników mieszaniny. 2. Mieszanina według zastrz. 1, znamienna tym, że reagips zawiera co najmniej 80% siarczanu wapnia. 3. Podsadzkowa mieszanina doszczelniająca, zawierająca w swym składzie odpady z procesu mokrego odsiarczania spalin - reagips, żużel wielkopiecowy oraz cement, znamienna tym, że 1 do 4 części wagowe reagipsu, 9 do 15 części wagowe żużli wielkopiecowych i 2 do 4 części wagowe środka wiążącego, korzystnie cementu, tworzą z wodą zawiesinę wodną, przy czym woda stanowi wagowo od 24 35% suchej masy składników mieszaniny. 4. Mieszanina według zastrz. 3, znamienna tym, że reagips zawiera co najmniej 80% siarczanu wapnia, a ilość środka wiążącego, korzystnie cementu portlandzkiego marki 350, wynosi maksymalnie 4% wagowo w stosunku do pozostałej suchej masy składników mieszaniny * * * Przedmiotem wynalazku jest podsadzkowa mieszanina doszczelniająca stosowana do wypełniania pustek poeksploatacyjnych i starych wyrobisk kopalnianych. W procesie odsiarczania spalin w elektrowniach i elektrociepłowniach powstają znaczne ilości gipsów poreakcyjnych. Zależnie od metody odsiarczania i stopnia odpylania spalin uzyskuje się gipsy poreakcyjne o zróżnicowanym składzie chemicznym i własnościach flzyko- -mechanicznych. Jedną z możliwych metod zagospodarowania gipsów poreakcyjnych, podobnie jak popiołów lotnych, jest ich wykorzystanie w podziemnych technologiach górniczych. Muszą one jednak spełniać wymagania stawiane drobnofrakcyjnym odpadom przemysłowym lokowanym w podziemnych wyrobiskach. Z polskiego opisu patentowego nr znana jest masa uszczelniająca podłoże składowiska powierzchniowego lub wgłębnego, która zawiera produkty odsiarczania spalin metodą wapienną z zastosowaniem sorbentu w postaci wapna palonego. Produktami odsiarczania są między innymi siarczyn i siarczan wapniowy oraz wodorotlenek wapniowy. Do momentu zestalenia się masy uszczelniającej siarczyny i siarczany wapniowe mogą przenikać do podłoża, co niekorzystnie wpływa na środowisko naturalne wód gruntowych. Wszędzie tam, gdzie zachodzi takie niebezpieczeństwo należy według wynalazku dodawać do masy chlorek wapniowy w ilości 1-10 części wagowych, który skraca okres zestalania się masy i zmniejsza wypłukiwanie wspomnianych zanieczyszczeń dodawanych do masy w ilości części wagowych. Ponadto, masa w podstawowej części składa się z popiołów lotnych w ilości części wagowych, a całość jest transportowana za pomocą rurociągów w postaci zawiesiny wodnej, w której woda stanowi 0,4 do 0,6 łącznej masy składników liczonych w stanie suchym. Dodatkowo masa może zawierać do 0,2 części wagowych żużli energetycznych na 1 część wagową stałych składników masy Aczkolwiek, zastosowanie chlorku wapniowego w maksymalnej ilości 10 części wagowych zmniejsza czas zestalania, to jednak czas ten wynoszący 8 dni jest zbyt długi i znaczne ilości szkodliwych substancji są uwalniane do otoczenia. Odpady drobnofrakcyjne ze względu na uziarnienie, ściśliwość i wodnoprzepuszczalność nie spełniają wymagań norm dla materiału do podsadzki hydraulicznej, nie mogą być zatem stosowane jako składnik takiej podsadzki, której zadaniem jest wypełnienie pustki poeksploatacyj-

3 nej, podparcie stropu oraz ograniczenie deformacji górotworu i powierzchni. Podsadzka samozestalająca wytwarzana z wykorzystaniem drobnofrakcyjnych odpadów przemysłowych może również spełniać to zadanie pod warunkiem, że będzie posiadać zdolność do samozestala nia. W przypadku, gdy odpady drobnoziarniste charakteryzują się słabymi własnościami wiążącymi lub nie posiadają ich wcale, a takimi własnościami charakteryzują się mieszaniny oparte głównie na żużlach energetycznych, to należy dla uzyskania efektu samozestalania stosować dodatkowe silne środki wiążące w ilości ekonomicznie uzasadnionej. Znane są również mieszaniny samozestalające z zastosowaniem cementu jako środka wiążącego. Dodawanie cementu do materiału podsadzkowego znacznie polepszało własności fizyko-mechaniczne mieszanin opartych głównie na żwirach i piaskach, lecz wymagana ilość środka wiążącego i jego cena spowodowała z czasem wycofanie stosowania tak drogich mieszanin. Zamieszczona w polskim opisie patentowym nr mieszanina do wypełniania i uszczelniania pęknięć i pustek w górotworze, powstałych przy eksploatacji górniczej, zawiera obok cementu portlandzkiego, gips górniczy, środek spulchniający w postaci sproszkowanego aluminium, a także wodny roztwór katalizatora, którym może być kwas octowy. Mieszanina według wynalazku jest wstępnie mieszana na sucho, a następnie łączona poprzez powtórne mieszanie z wodnym roztworem, którego podstawą są wody zarobowe. Uzyskanie prawidłowej mieszaniny przebiega w skomplikowanym procesie technologicznym i oprócz pracochłonności charakteryzuje się również drogimi komponentami. Podsadzkowa mieszanina doszczelniająca według wynalazku zawiera w swym składzie odpady z procesów spalania węgla i mokrego odsiarczania spalin. Produktem odsiarczania spalin jest reagips, który w mieszaninie samozestalającej dobiera się w ilości od 1 do 4 części wago wych, ponadto popiół lotny w ilości od 9 do 15 części wagowych oraz wapno pokarbidowe w ilości od 2 do 4 części wagowych w stanie suchym. Składniki mieszaniny tworzą zawiesinę wodną, przy czym woda stanowi wagowo od 24 35% suchej masy składników mieszaniny. Ilość dodawanego reagipsu uzależniona jest od ilości zawartego w nim siarczanu wapnia, którego wielkość powinna wynosić co najmniej 80%. Podsadzkowa mieszanina samozestalająca według wynalazku zawiera od 1 do 4 części wagowych reagipsu, od 9 do 15 części wagowych żużli wielkopiecowych i do 2 do 4 części wagowych środka wiążącego, które podobnie jak w mieszaninie doszczelniającej tworzą zawiesinę wodną, przy czym woda stanowi wagowo od 24 35% suchej masy składników mieszaniny. Środek wiążący, korzystnie cement portlandzki marki 350, znacznie przyspiesza proces wiązania mieszaniny, przy czym jego ilość nie powinna przekraczać 4% wagowo pozostałej suchej masy składników mieszaniny. Wynalazek charakteryzuje się tym, że podstawowymi składnikami podsadzki samozestalającej i doszczelniającej s ą drobnofrakcyjne odpady w postaci popiołów lotnych, wapno pokarbidowe oraz gipsowe produkty odsiarczania spalin o nieoczekiwanie korzystnym doborze proporcji zastosowanych składników i stopnia zagęszczenia ich w postaci wodnej zawiesiny. Popioły lotne w zależności od tego, czy są to popioły lotne z węgla kamiennego czy brunatnego, z procesu odsiarczania spalin, czy popioły lotne bez odsiarczania spalin charakteryzują się zróżnicowanymi własnościami wiążącymi. Generalnie wykazują jednak pewne własności wiążące. Natomiast odpady poflotacyjne nie wykazują takich własności. W zależności od proporcji popiołów lotnych do odpadów poflotacyjnych ilość dodawanego środka wiążącego powinna być taka, aby wytrzymałość na ściskanie po 28 dniach zestalania wynosiła co najmniej 1 MPa. Okazało się, że z reguły ilość środka wiążącego nie powinna przekraczać kilku procent. Dla cementu portlandzkiego marki 350 ilość ta wynosi maksymalnie 4% wagowo. Przy wyższej zawartości cementu podsadzka staje się zbyt droga. Dodatkowym wymaganiem przy stosowaniu podsadzki jest to, aby proces zestalania odbywał się bez oddawania wody. Podsadzka po zestaleniu powinna być odporna na rozmakanie w kontakcie z wodami podziemnymi, a czas zestalania hydromieszaniny powinien się zawierać między kolejnymi cyklami podsadzania, wynikającymi z przyjętej technologii eksploatacji. Również i te warunki spełniają mieszaniny według wynalazku, dla realizacji których ilość zastosowanej wody w mieszaninie podsadzkowej nie zawsze od-

4 powiada wymogom hydraulicznego grawitacyjnego transportu lecz jest korzystna z punktu widzenia uwalniania jej nadmiaru do wód kopalnianych. Koniecznym dla doprowadzenia zagęszczonej hydromieszaniny do miejsc podsadzania jest zastosowanie wspomagającego układu pompowego. Podsadzka doszczelniająca i samozestalająca wytwarzana na bazie drobnofrakcyjnych odpadów przemysłowych jest alternatywą dla klasycznej podsadzki hydraulicznej opartej głównie na piasku. Zroby zawałowe powstające w czasie eksploatacji podziemnej przez załamywanie się warstw stropowych w wyniku przemieszczania lub usunięcia obudowy górniczej, charaktery zują się dużą porowatością umożliwiającą swobodny przepływ powietrza. W przypadku wybierania węgla skłonnego do samozapalenia ma to szczególne znaczenie, gdyż prowadzi do zagrzewania zrobów i powstawania pożarów podziemnych. Hydrauliczne doszczelnianie zrobów odpadami drobno frakcyjnymi eliminuje dostęp powietrza, ogranicza możliwość powstawania pożarów endogenicznych i poprawia warunki wentylacyjne w wyrobiskach eksploatacyjnych. Receptury badanych mieszanin wykonywane były na podstawie masowych udziałów poszczególnych składników: odpadu z mokrego odsiarczania spalin - reagipsu, zawierającego w swym składzie ponad 80% siarczanu wapnia, popiołu lotnego, żużla elektrownianego, żużla wielkopiecowego oraz wapnia pokarbidowego i cementu portlandzkiego 350, wyszczególnionych w tabeli. Tabela Proporcje masowe składników samozestalających i doszczelniających mieszanin trójskładnikowych Przykłady wykonania mieszanin Reagips Wapno pokarbidowe Proporcje masowe składników Popiół Żużel elektrowniany Żużel wielkopiecowy Cement Wyniki pomiarów czasu wiązania mieszanin wykazały, iż najkrótszym czasem wiązania charakteryzują się mieszaniny zawierające w swym składzie cement. Czas wiązania tych mieszanin zawiera się w przedziale od 2 do 24 godzin. Proces wiązania mieszanin bez udziału cementu nie zostaje ukończony w pełni nawet po 30 dobach sezonowania. Najwolniej proces wiązania przebiega w mieszaninach, w skład których wchodzi popiół lotny. Początek wiązania obserwuje się po czasie 120 a 168 godzin sezonowania. Wśród mieszanin nie zawierających cementu, proces wiązania przebiega najszybciej w mieszaninach wytworzonych z reagipsu, żużla elektrownianego i wapna pokarbidowego. Proces wiązania rozpoczyna się między 24 a 27 godziną sezonowania.

5 Mieszaniny sporządzone z udziałem reagipsu, wapna pokarbidowego i żużla wielkopiecowego wiążą nieco gorzej od tych, w których zamiast żużla wielkopiecowego zastosowano żużel elektrowniany. Początek wiązania następuje po okresie od 48 do 72 godziny sezonowania. Nośność mieszanin, określająca stopień przydatności mieszanin w charakterze mieszanin doszczelniających albo samozestalających, zbadana po 30 dniach jest wystarczająca za wyjątkiem przykładu wykonania w postaci próbki nr 3 i odpowiada naciskowi powierzchniowemu 0,5 MPa. Próbki zawierające cement osiągnęły powyższą nośność już po 6 godzinach sezonowania. Spośród mieszanin nie zawierających cementu najwyższą nośnością charakteryzują się próbki sporządzone z reagipsu, wapna pokarbidowego i żużla elektrownianego. Próbki te po 6 godzinach sezonowania osiągają nośność od 0,1 do 0,2 MPa. Najniższą nośność wykazują mieszaniny zawierające w swym składzie popiół lotny Po 72 godzinach sezonowania ich nośność wynosi od 0,05 do 0,15 MPa, podczas, gdy pozostałe mieszaniny nie zawierające cementu charakteryzują się po analogicznym czasie nośnością od 0,2 do 0,4 MPa. Wytrzymałość doraźna na ściskanie mieszanin po 28 dniach sezonowania zawiera się w przedziale od 0,025 do 5,32 MPa osiągając maksymalną wartość dla przykładu wykonania oznaczonego nr 12, który charakteryzuje się największym udziałem cementu, podobnie jak i pozostałe mieszaniny z dodatkiem cementu, które po 7 dniach sezonowania osiągają wytrzymałość od 0,509 do 4,263 MPa. Wraz ze wzrostem udziału cementu w przykładach wykonania oznaczonych w tabeli 1 numerami 10, 11, 12, wzrasta również ich wytrzymałość. Dwukrotnemu zwiększeniu cementu towarzyszy ponad 5 krotny wzrost wytrzymałości próbki. Mieszaniny sporządzone bez udziału cementu posiadają po 28 dobach wytrzymałość od 0,025 do 0,413 MPa. Tak niska wytrzymałość ma ścisły związek z nie zakończonym procesem wiązania. Najwyższą wytrzymałość po 28 dniach sezonowania, wahającą się w przedziale od 0,175 do 0,413 MPa, spośród mieszanin bez udziału cementu, posiadają mieszaniny zawierające w swym składzie popiół lotny. Najniższe wartości wytrzymałości doraźnej na ściskanie posiadają mieszaniny z udziałem żużli elektrownianych i żużli wielopiecowych (od 0,025 do 0,043 MPa). Własności filtracyjno-sedymentacyjne związane są głównie z uziarnieniem odpadów. Mieszaniny zawierające w swym składzie żużle paleniskowe i wielopiecowe charakteryzują się znacznie lepszymi własnościami filtracyjno-sedymentacyjnymi od mieszanin zawierających jedynie odpady drobnofrakcyjne, takie jak popioły lotne czy gipsy poreakcyjne. Najlepszymi własnościami filtracyjno-sedymentacyjnymi charakteryzują się mieszaniny zawierające żużle wielkopiecowe. Wynika to z faktu, że ziarna żużla są znacznie większe od ziaren popiołu stąd ich szybsza sedymentacja, przy czym wzrost zawartości wapna wpływa niekorzystnie na kinetykę sedymentacji jak i na ilość składowanej wody. Wszystkie mieszaniny po zakończeniu procesów filtracji i sedymentacji charakteryzują się zwartą strukturą. Najlepszą odpornością na rozmywanie w kontakcie z wodą wykazują mieszaniny zawierające w swym składzie popiół lotny i cement, czyli próbki 1, 2, 3 i 10, 11, 12. Natomiast całkowitemu rozpadowi pod wpływem wody i wilgoci ulegają próbki zawierające żużel wielkopiecowy. Ponadto, mieszaniny zawierające żużle wielkopiecowe wykazują co prawda niewielkie ale niekorzystne zjawisko uwalniania w odciekach siarczanów, przekraczające dopuszczalne normy. Substancje te mogą spowodować szkodliwe zanieczyszczenie środowiska, zwłaszcza gdy trafią do wód gruntowych. Te własności ostatecznie przeważają o zastosowaniu w charakterze podsadzki samozestalającej mieszaniny zawierających domieszkę cementu, oznaczonych w przykładach wykonania numerami 1 0, 11, 12, a w charakterze podsadzki doszczelniającej pozostałe mieszaniny z czego najlepszymi własnościami cechują się mieszaniny zawierające popioły lotne o składzie jak w przykładach nr 1, 2, 3. Natomiast pozostałe mieszaniny jak i wszelkie inne kombinacje nowych mieszanin utworzonych z wymienionych składników w określonych warunkach mogą również znaleźć zastosowanie jako materiał podsadzkowy w kopalni. Ich konkretne zastosowanie często wynika z warunków miejscowych, takich jak ilość wód kopalnianych w miejscu podsadzania, możliwość przenikania wody będącej składnikiem mieszaniny do wód kopalnianych, a następnie wód gruntowych i wielu innych warunków. Tym niemniej, wśród całej gamy możliwych kombinacji proporcji składników i ich wzajemnych połączeń, przedsta-

6 wiony w opisie skład mieszanin doszczelniających i samozestalających jest szczególnie korzystny pod względem ilościowego i jakościowego doboru składników, oraz wyjątkowo spełnia zamierzony cel. Doszczelnianie zrobów zawałowych może być prowadzone w trakcie eksploatacji lub po jej zakończeniu, bezpośrednio z czoła wyrobisk eksploatacyjnych, z wyrobisk przyległych lub wyżej leżących przez otwory wiercone w kierunku zrobów, szczególnie w przypadku braku dostępu z poziomu eksploatacyjnego. Doszczelniane zroby powinny być odizolowane tamami do czynnych wyrobisk górniczych z możliwością odbioru wody nadmiarowej ze zrobów. Dobre własności transportowe w rurociągach podsadzkowych i migracyjne w zrobach w zależności od rodzaju i udziału poszczególnych składników stałych są zapewnione, gdy udział masowy wody w mieszaninie wynosi od 24 35%. Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 60 egz. Cena 2,00 zł.