PRACE. Instytutu Szk³a, Ceramiki Materia³ów Ogniotrwa³ych i Budowlanych. Nr 3

Transkrypt

1 PRACE Instytutu Szk³a, Ceramiki Materia³ów Ogniotrwa³ych i Budowlanych Scientific Works of Institute of Glass, Ceramics Refractory and Construction Materials Nr 3 ISSN Rok II Warszawa Opole 2009

2 IWONA KOSK * Sposób opracowywania dokumentacji surowcowych sk³adowisk materia³ów odpadowych typu mieszanin u lowo-popio³owych Sposób opracowywania dokumentacji surowcowych sk³adowisk materia³ów odpadowych przedstawiony w artykule dotyczy próby oceny mo liwoœci odzyskania surowców zgromadzonych na z³o u wtórnym (antropogenicznym) i wykorzystania ich w technologii produkcji materia³ów budowlanych. Jednym z mo liwych, przysz³ych zastosowañ, jest wykorzystanie tych surowców jako sk³adnika zestawu surowcowego do produkcji specjalnych odmian cementu. W tym celu w Oddziale Mineralnych Materia³ów Budowlanych w Krakowie zosta³a wykonana ocena przydatnoœci technologicznej materia³u zgromadzonego na sk³adowisku. Oceny technologicznej dokonano w oparciu o próby pobrane ze z³o a wtórnego mieszanin u lowo- -popio³owych. Podczas jej realizacji niezbêdnym okaza³o siê m.in. okreœlenie: rozk³adu zalegania w obrêbie sk³adowiska frakcji ziarnowych > 2 mm i < 0,045 mm, udzia³u strat pra enia, zawartoœci wêgla, czêœci palnych w surowcu zgromadzonym na z³o u wtórnym. Wykonano modele izoliniowe w celu okreœlenia obszarów, w których materia³ spe³nia za³o one kryteria jakoœciowe. 1. Wstêp Artyku³ nale y do serii publikacji poœwiêconych dokumentowaniu ró nych surowców naturalnych i odpadowych zalegaj¹cych [1 4] w: z³o ach nieeksploatowanych; z³o ach eksploatowanych; z³o ach eksploatowanych wymagaj¹cych wstêpnej homogenizacji surowców w kopalni, przy za³o onych wartoœciach podstawowych modu³ów LSF, MK i MG; z³o ach antropogenicznych (wtórnych), np. na ha³dach odpadów z³o owych lub w osadnikach odpadów przeróbczych. * Dr in., Instytut Szk³a, Ceramiki, Materia³ów Ogniotrwa³ych i Budowlanych w Warszawie, Oddzia³ Mineralnych Materia³ów Budowlanych w Krakowie.

3 172 IWONA KOSK W poprzednich opracowaniach oceniono m.in. mo liwoœci odzyskania surowców zgromadzonych na z³o u antropogenicznym i wykorzystania ich w technologii produkcji materia³ów budowlanych. Jednym z takich projektów by³o zastosowanie kredy jeziornej z ha³dy kopalni Be³chatów jako sk³adnika zestawu surowcowego do produkcji specjalnych odmian cementu. G³ównym celem komputerowej analizy rozk³adu zawartoœci CaO w surowcu zgromadzonym na ha³dzie by³a ocena jego jakoœci w ca³ej masie. Na tej podstawie okreœlono, z której czêœci ha³dy mo na wyeksploatowaæ surowiec o okreœlonych parametrach chemicznych oraz jak oszacowaæ jego zasoby. W tym opracowaniu przedstawiono sposób wykonania dokumentacji surowcowej materia³ów zgromadzonych na sk³adowiskach odpadów bêd¹cych mieszanin¹ u lowo-popio³ow¹. Materia³ ten by³ sk³adany w ró nych fragmentach zbiornika, w ró nych interwa³ach czasowych. W zwi¹zku z tym przewidywano, e charakteryzuje siê zmiennymi parametrami, takimi jak: uziarnienie, straty pra enia, zawartoœæ czêœci palnych, zawartoœæ wêgla itp. Parametry te powinny mieæ ma³¹ zmiennoœæ w przypadku stosowania mieszanin do produkcji materia³ów budowlanych jako popio³u lotnego krzemionkowego V. Zaprojektowano siatkê i wykonano otwory badawcze bezrdzeniowe metod¹ wiercenia mechanicznego obrotowego o œrednicy otworu 184 mm. Projekt wierceñ wykonano na szkicu topograficznym sk³adowiska w celu wytyczenie otworów w terenie przez geodetê. 2. Sposób realizacji prac geologiczno-surowcowych i tworzenia dokumentacji surowcowej sk³adowiska z wykorzystaniem programu komputerowego W artykule skrótowo opisano prace surowcowe wykonane w celach dokumentacyjnych oraz zamieszczono przyk³adowe mapy izoliniowe rozk³adu niektórych parametrów charakteryzuj¹cych materia³ zgromadzony na sk³adowisku odpadów. W po³udniowej czêœci kwatery 4N sk³adowiska (ryc. 1) odwiercono piêæ otworów oznaczonych od 1/4N do 5/4N, z których uzyskano ³¹cznie 19 prób do badañ. Podczas wykonywania prac stwierdzono, e poni ej g³êbokoœci 4,5 m nie wystêpuje spodziewany horyzont wodonoœny. W zwi¹zku z tym zdecydowano siê na zwiêkszenie g³êbokoœci otworów do 6 m. Pobrano próby do badañ z ka dej erdzi, tj. co 1,5 m. Na odcinkach pó³torametrowych nie stwierdzono wyraÿnych zmian litologicznych, w zwi¹zku z czym nie zwiêkszono liczby pobieranych prób. Otwory oznaczone jako: 1/4N, 2/4N, 4/4N i 5/4N wykonano do g³êbokoœci 6,0 m ka dy, natomiast otwór 3/4N do g³êbokoœci tylko 4,5 m, poniewa poni ej natrafiono na wodê, co uniemo liwi³o dalsze wiercenie. Poniewa zakres wierceñ by³ znacznie ograniczony w stosunku do za³o eñ projektowych, by uzyskaæ wiarygodne informacje na temat rozk³adu granulacji

4 $ %! # " SPOSÓB OPRACOWYWANIA DOKUMENTACJI SUROWCOWYCH SK ADOWISK MATERIA ÓW Legenda: 1) mapa zawiera lokalizacjê otworów odwierconych w kwaterze 4N, naniesion¹ wed³ug ich pomierzonych wspó³rzêdnych podanych przez geodetê; 2) siatka mapy oraz podk³ad rastrowy zosta³y wykalibrowane (dopasowane) na podstawie wspó³rzêdnych geodezyjnych pomierzonych przez geodetê; 3) czerwona linia konturuje obszar kwatery 4N przyjêty do interpolacji. Ryc. 1. Pogl¹dowa mapa kwatery 4N sk³adowiska z g³ówn¹ siatk¹ mapy, z naniesionym podk³adem rastrowym oraz otworami badawczymi (zeskanowany plan sytuacyjny sk³adowiska w skali 1: 2500) i w³aœciwoœci fizykochemicznych materia³ów z³o onych na sk³adowisku, do bazy danych bêd¹cych podstaw¹ do opracowania dokumentacji surowcowej kwatery 4N sk³adowiska w³¹czono trzy otwory odwiercone wczeœniej. Otwory te oznaczono jako: L1/4N, L2/4N oraz L3/4N. Próbki pobrane z wymienionych otworów, z g³êbokoœci co 1,5 m, zosta³y przebadane w OMMB. Podstaw¹ utworzenia siatek map wektorowych, a nastêpnie modeli mi¹ szoœciowych i jakoœciowych oraz map izoliniowych by³o zeskanowane ksero szkicu sytuacyjnego sk³adowiska. Opis litologiczny prób z otworów, wyniki badañ fizycznych, chemicznych oraz wyniki analiz uziarnienia zawieraj¹ tabele za³¹czone do dokumentacji. Wykonano te przekroje surowcowe w poziomach, tj. w warstwach o mi¹ szoœci 1,5 m. Wykonano przekroje w nastêpuj¹cych liniach: przez otwory: 3/4N, 2/4N i 1/4N; przez otwory: 1/4N, 5/4N i L3/4N; przez otwory: 1/4N, L3/4N i L2/4N.

5 174 IWONA KOSK 2.1. Sposób utworzenia cyfrowego podk³adu mapowego Podstawowym dokumentem, który powsta³ na podstawie szkicu sytuacyjnego sk³adowiska, by³ cyfrowy podk³ad mapowy (ryc. 1). Siatkê gridow¹ dopasowano do zeskanowanego podk³adu na podstawie wspó³rzêdnych geodezyjnych podanych przez geodetê. Wspó³rzêdne siatki w wêz³ach gridu s¹ nastêpuj¹ce wspó³rzêdna x : 1300, 1400, 1500 itd.; wspó³rzêdna y : - 800, -900, itd. Powsta³a w ten sposób mapa cyfrowa z obrazem gridu kwatery 4N (ryc. 1). Wspó³rzêdne geodezyjne otworów, oznaczonych jako: L1/4N; L2/4N; L3/4N, odwierconych i naniesionych na podk³ad sytuacyjny kwatery 4N, odczytano z utworzonej mapy cyfrowej. Wspomniane wpasowanie przedstawiono na podk³adzie mapowym (ryc. 1). Przed utworzeniem modeli 2D rozk³adu poszczególnych parametrów jakoœciowych surowca b¹dÿ rozk³adu poszczególnych klas ziarnowych badanego materia³u w obszarze kwatery 4N okreœlono rozk³ad gêstoœci punktów siatki rozpoznawczej. Po przeprowadzonym teœcie okaza³o siê, e w kwaterze 4N analizowanego sk³adowiska tworz¹c model cyfrowy przy ró nej wielkoœci promienia wyszukiwania najlepsze dopasowanie uzyskano dla promienia wynosz¹cego 270 lub 300 m. Umo liwi³o to analizowanie rozk³adu parametru dla ka dego punktu badawczego w odleg³oœci 1,5-krotnoœci wêz³ów siatki. Przy tak dobranych odleg³oœciach program komputerowy uwzglêdnia wp³yw wartoœci parametrów z otworów wokó³ ka dego wêz³a siatki modelu oraz z otworów po³o onych dalej. W ten sposób badano rozk³ad uziarnienia, wilgotnoœci, strat pra enia, zawartoœci czêœci palnych i wêgla w poszczególnych próbach uzyskiwanych podczas wiercenia, z ka dego 1,5 m g³êbokoœci otworu Za³o enia do tworzenia modeli 2D dla parametrów jakoœciowych lub rozk³adu granulacji Przed utworzeniem modeli parametrów jakoœciowych w obszarze kwatery 4N sk³adowiska wydzielono (wzd³u jej krawêdzi) obszar z wszystkimi wykonanymi otworami. Granice zewnêtrzne obszaru oparto o krawêdzie skarp ograniczaj¹cych kwaterê 4N. Po wyliczeniu przez program komputerowy wartoœci parametru w wêz³ach siatki (punktach gridu) dokonano interpretacji przebiegu izolinii charakteryzuj¹cych rozk³ad danego parametru w obszarze kwatery 4N w obrêbie warstw pó³torametrowych, przyjêtych jako poziomy eksploatacyjne. Dla kwatery 4N przyjêto cztery poziomy eksploatacyjne. Na rycinach 2 4 przedstawiono przekroje surowcowe w poziomach pó³torametrowych dla nastêpuj¹cych parametrów mieszaniny popio³owo- u lowej zgromadzanej w kwaterze 4N [%]: udzia³u frakcji powy ej 2 mm; udzia³u frakcji poni ej 0,045 mm; zawartoœci strat pra enia.

6 SPOSÓB OPRACOWYWANIA DOKUMENTACJI SUROWCOWYCH SK ADOWISK MATERIA ÓW Ryc. 2. Przekroje surowcowe w dwóch liniach otworów badawczych udzia³ [%] frakcji > 2 mm w mieszaninie u lowo-popio³owej Otw. 3-4N Otw. 2-4N Otw. 1-4N Ryc. 3. Przekroje surowcowe w dwóch liniach otworów badawczych udzia³ [%] frakcji < 0,045 mm w mieszaninie u lowo-popio³owej

7 176 IWONA KOSK Ryc. 4. Przekroje surowcowe w dwóch liniach otworów badawczych straty pra enia [%] w mieszaninie u lowo-popio³owej Kolejno wczytuj¹c z bazy danych wyliczone wartoœci parametrów, wykonano ich modele dla ka dego otworu badawczego, stanowi¹cego punkt danych. Na podstawie odnosz¹cych siê do danych tych punktów program komputerowy wyliczy³ wartoœci w punktach siatki, a nastêpnie wygenerowa³ przebieg izolinii odzwierciedlaj¹cych rozk³ad parametru w obszarze kwatery 4N. Mapy izoliniowe dla podanych parametrów przedstawiono na rycinach 5 7. Przy konstruowaniu modeli i map izoliniowych w poziomie trzecim (3,0 4,5 m) oraz w poziomie czwartym (4,5 6,0) uwzglêdniono tylko czêœæ otworów, które osi¹gnê³y te g³êbokoœci. Z tego powodu zwiêkszono promienie wyszukiwania danych przez program do 400 i 500 m. Pozwoli³o to na wyrysowanie izolinii w ca³ym obszarze kwatery, ale kosztem dok³adnoœci okreœlenia rozk³adu badanych parametrów. Do tego celu wykorzystano w programie opcje edycji siatki interpolacyjnej. Poprzez wygenerowanie izolinii wartoœci parametru wykonano interpolacjê rozk³adu wartoœci parametru w ca³ym obszarze kwatery 4N. Z uwagi na zbyt ma³¹ iloœæ wykonanych otworów nie wykonano obliczeñ zasobów kwatery 4N. Przy tak ma³ej iloœci danych b³¹d szacowania zasobów by³by zbyt du y.

8 SPOSÓB OPRACOWYWANIA DOKUMENTACJI SUROWCOWYCH SK ADOWISK MATERIA ÓW

9 178 IWONA KOSK

10 SPOSÓB OPRACOWYWANIA DOKUMENTACJI SUROWCOWYCH SK ADOWISK MATERIA ÓW

11 180 IWONA KOSK 3. Podsumowanie W artykule przedstawiono jedynie sposób realizacji prac geologiczno-surowcowych oraz tworzenia cyfrowej dokumentacji surowcowej sk³adowiska mieszanin u lowo-popio³owych. Nale y podkreœliæ, e sk³adowisko jest z³o em antropogenicznym, które charakteryzuj¹ zmienne warunki gromadzenia materia³u. Powodowa³o to nierównomierny rozk³ad wszystkich badanych parametrów charakteryzuj¹cych mieszaninê zarówno w pionie, jak i w poziomie. Odwiercenie oœmiu otworów (piêæ wykonanych w ramach prac geologiczno-surowcowych oraz trzy wykonane wczeœniej) na tak du ym obszarze umo liwi³o tylko orientacyjne przeœledzenie zmian badanych parametrów w obszarze kwatery 4N, której powierzchnia wynosi 10 ha. Dla kwatery 4N wykonano wiêc tzw. komputerow¹ dokumentacjê robocz¹, która stanowi materia³ wyjœciowy do analiz technologicznych przy planowaniu eksploatacji mieszaniny popio³owo- u lowej z tej partii sk³adowiska. W sk³ad dokumentacji wchodz¹: baza danych z wierceñ rozpoznawczych wykonanych w siatce 100 x 100 m oraz z otworów dodatkowych wierceñ L1/4N, L2/4N, L3/4N; baza danych z wynikami badañ laboratoryjnych warstw wraz z wyliczonymi wartoœciami œrednich wa onych dla kwatery 4N; mapy (modele) izoliniowe rozk³adu materia³u o uziarnieniu >2 mm, <0,045 mm. Na podstawie wymienionych baz danych, w miarê potrzeby, mo na wykonaæ inne modele rozk³adu uziarnienia, tak e dla innych analizowanych klas ziarnowych materia³u; mapy (modele) izoliniowe rozk³adu procentowej wartoœci strat pra enia, wilgotnoœci, zawartoœci czêœci palnych i wêgla w obszarze kwatery 4N. W artykule przedstawiono tylko model izoliniowy rozk³adu strat pra enia w poziomach 1,5 m. Na przekrojach surowcowych widaæ wyraÿnie w 2D du ¹ zmiennoœæ badanych parametrów na krótkich odcinkach. Przyk³adowo w otworze 3/4N udzia³ frakcji <0,045 mm w trzeciej warstwie na g³êbokoœci 3,0 4,5 m wynosi 13,5%, a w otworze 2/4N, oddalonym o 100 m, osi¹ga wartoœæ 53,60% (ryc. 3). Zmiennoœæ strat pra enie przedstawiona na przekroju (ryc. 4) pomiêdzy otworami oddalonymi od siebie o 84,8 m, tj. 1/4N i 5/4N w warstwie trzeciej zmienia siê od 4,11% do 5,96% (z technologicznego punktu widzenia strata > 5% dyskwalifikuje materia³). Wspomniana zmiennoœæ badanych parametrów jest te dobrze widoczna na mapach izoliniowych w poszczególnych warstwach (poziomach eksploatacyjnych). Przy brzegach kwatery 4N przewa a udzia³ frakcji grubej > 2 mm (ryc. 5), a w czêœci SE nast¹pi³a wyraÿna koncentracja frakcji drobnych < 0,045 mm (ryc. 6). Dotyczy to szczególnie otworu 5/4N, w którym odnotowano najwiêkszy udzia³ frakcji drobnych oraz najwy sze wartoœci strat pra enia w materiale pobranym z tego odwiertu (ryc. 6, 7).

12 SPOSÓB OPRACOWYWANIA DOKUMENTACJI SUROWCOWYCH SK ADOWISK MATERIA ÓW Jak mo na zauwa yæ, przekroje i modele (mapy) izoliniowe umo liwiaj¹ przeœledzenie badanych parametrów w quasi 3D wymiarach. Komputerowa dokumentacja robocza sk³adowiska jest dobr¹ podstaw¹ do planowania eksploatacji materia³u ze z³o a antropogenicznego, jakim jest sk³adowisko mieszanin u lowo-popio³owych. Literatura [1] K o s k I., K o z u l a R., Dokumentowanie z³ó surowców skalnych za pomoc¹ programu GeoPlan dla potrzeb bie ¹cej eksploatacji ró nych jakoœciowo surowców z uwzglêdnieniem koniecznoœci wstêpnej homogenizacji surowca w kopalni, [w:] VIII Seminarium z cyklu. Metodyka rozpoznawania i dokumentowania z³ó kopalin oraz geologicznej obs³ugi kopalñ, Osieczany k. Myœlenic [2] K o s k I., K o z u l a R., Analiza zawartoœci CaO w kopalinie towarzysz¹cej zdeponowanej na z³o u wtórnym przy wykorzystaniu programu do modelowania z³ó w celu okreœlenia partii surowca o okreœlonej jakoœci, [w:] VI Konferencja z cyklu Zagospodarowanie kopalin towarzysz¹cych w górnictwie odkrywkowym, Kamieñ Œl¹ski [3] K o s k I., K o z u l a R., Wykorzystanie oprogramowania komputerowego IMMB do dokumentowania z³ó surowców skalnych. Cz. 1: U³atwienie w bie ¹cej eksploatacji ró nych jakoœciowo surowców z uwzglêdnieniem koniecznoœci wstêpnej homogenizacji surowca w kopalni, Prace Instytutu Mineralnych Materia³ów Budowlanych 2003, nr 35/36. [4] K o s k I., K o z u l a R., Wykorzystanie oprogramowania komputerowego IMMB do dokumentowania z³ó surowców skalnych. Cz. 2: Analiza rozk³adu zawartoœci CaO w surowcu zgromadzonym na ha³dzie z³o u wtórnym, Prace Instytutu Mineralnych Materia³ów Budowlanych 2003, nr 35/36. IWONA KOSK THE METHOD OF PREPARE THE RAW MATERIALS DOCUMENTATIONS OF WASTE MATERIALS HEAPS LIKE BLAST FURNACE SLAG AND FLY ASHES MIXTURES The manner of work out the raw materials documentations described in this paper relate to attempt the evaluation the possibilities of recover the raw materials assembled on the anthropogenic deposit and utilisation of them in manufacturing building materials. Once from the future, possible will be utilize these materials like the component for production the special cement kinds. For this purpose in Institute, Division of Mineral Building Materials in Krakow the estimation of technological usefulness this raw material on the anthropogenic was been made. The technological evaluation with the samples of fly ashes and blast furnace slag mixtures from anthropogenic deposit has made. During realisation of this work is has been necessary the estimation the disposition of capacity of: particle size distribution < 0,045 mm and > 2 mm, loss ignition, content of coal and flammable particles in raw material assembled on the deposit and evaluation the resources the raw material with definite quality. It have been made the spatial models for determination the areas where the raw materials had the definite quality.