Wpływ dodatku żużla do zawiesiny popiołowo-wodnej w aspekcie wykorzystania w technologiach górniczych

ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ¿L Ą SK IE O 1967

Seria: ENERG E TY KA z. 99 Nr kol. 918

Maciej MAZURKIEWICZ Zbigniew PIOTROWSKI

Instytut Górnictwa Podziemnego i Bezpieczeństwa Pracy

Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie

WPŁYW DODATKU ŻUŻLA DO ZAWIESINY POFIOŁOWO-WODNEJ W ASPEKCIE WYKORZYSTANIA W TECHNOLOGIACH GÓRNICZYCH

Streszczenie: Znane są z literatury i praktyki górniczej możliwości wykorzystania popiołów lotnych w postaci wodnej, zagęszczonej ich zawiesiny. W elektrowniach oprócz popiołów lotnych powstaje żużel.

Autorzy proponują dodawanie go do zawiesiny popiołowo-wodnej.

Prezentują wyniki badań laboratoryjnych zmierzających do określenia maksymalnego udziału żużla w zawiesinie w aspekcie jej transportu w instalacji podsadzki hydraulicznej oraz możliwości stosowania w tech nologiach górniczych. Szczególnie zwrócono uwagę na możliwość sto­

sowania zawiesiny z żużlem'do wypełniania pustek międzyziarnowych zawału , celem zmniejszenia wpływu eksploatacji na powierzchnię i likwidacji zbiorników wodnych oraz gazowych.

Technologia wypełniania pustek podziemnych zawiesiną popiołowo-wodną została opracowana w Instytucie Górnictwa Podziemnego i Bezpieczeństwa Pra­

cy AGHy przy współpracy z Południowym Okręgiem Energetycznym w Katowicach.

Istota rozwiązania wraz z omówieniem wyników pierwszych prób technicznych została zaperezentowana na V Seminarium: Transport i Sedymentacja Cząstek Stałych w 1984 r we Wrocławiu [i] . Wdrożenie jej pozwala elektrowniom na przedłużenie czasu użytkowania posiadanych składowisk. Szczególnie w aglo­

meracji śląskiej,gdzie pozyskanie terenu na składowisko odpadów jest niez­

miernie trudne, przynosi duże korzyści ekonomiczne. Technologia ta ma rów­

nież kapitalne znaczenie dla ochrony środowiska.

Od czasu pierwszej próby przemysłowej wykonanej w 1984 r w KWK "Gene­

rał Zawadzki" nastąpił dalszy tej technologii rozwój. Wykorzystując izolu- jąco-uszczelniające własności zawiesiny stosuje się ją w ponad dziesięciu kopalniach węgla dla różnych celów takich jak: przeciSziałanie przepływom powietrza lub metanu przez zroby, profilaktyki i gaszenia pożarów, likwi­

dacji zbiorników wodnych, przechodzenia wyrobiskami ścianowymi przez wyro­

biska korytarzowe, zmniejszenia wpływów eksploatacji na powierzchnię.

Szczegółową charakterystyką wymienionych celów stosowania podano w refera­

cie: Ropski, Kwieciński.

Aktualnie funkcjonują dwa układy dostawy odpadów z elektrowni do kopa­

lni. Pierwszy polega na odbiorze suchych popiołów z elektrowni i ich trans­

porcie kołowym do kopalni, gdzie w stacji lokalnej zostaje sporządzona za­

wiesina. Należy zaznaczyć, że każda kopalnia na ogół opracowuje własną kon- cepcję stacji, uwzględniając lokalne warunki i możliwość adaptacji urządzeń istniejących (np. podsadzkowych).

M. Mazurkiewicz. 2. P i o t r o w u Drugie rozwiązanie;to wymuszony transport rurociągami do kopalni zawiesiny sporządzonej w elektrowni. Ten sposób uznano w resorcie za docelowy, przy­

najmniej w tych przypadkach, gdzie odległość elektrowni od kopalni nie przekracza kilkunastu kilometrów. Jego rozpowszechnienie wymaga jednak zin­

tensyfikowania prac inwestycyjnych w elektrowniach oraz zakończenia prób technicznych i przekazania do seryjnej produkcji wielostopniowej pompy umożliwiającej przesyłanie zawiesiny na większe odległości. Mając na uwa­

dze intensyfikację prac wdrożeniowych realizuje się dalsze prace badawcze wynikające z potrzeb przemysłu. Miedzy innymi dokonano oceny własności za­

wiesiny, do której dodany zostanie inny rodzaj materiału o zasadniczo od­

miennych własnościach fizycznych. Badania wykonano dla zawiesin z udziałem żużla granulowanego, to jest drugiego rodzaju powstającego w elektrowni odpadu, którego udział w całkowitym wypadzie wynosi 15-20%. Aktualnie ist­

nieje tylko jedno bezpośrednie połączenie elektrownianej instalacji sporzą­

dzania zawiesiny z kopalnią. Stąd też uznając, iż może ono pozwolić na przeprowadzenie prób technicznych badania laboratoryjne wykonano dla za­

wiesiny sporządzonej z popiołów lotnych i żużla z Elektrowni "Łagisza".

Własności fizyko-mechaniczne i chemiczne obu komponentów zestawiono w tabeli I.

Charakterystyka własności popiołu.lotnego i żużla z Elektrowni

•"Łagisza"

Tabela I

Lp. Własność Popiół lotny Żużel granulowany

T 2 2 2+

1. Ciężar właściwy g / cm3 2,18 1,88

2. Gęstość g/cm'’ 0,93 0,67

3. Porowatość % 57 64%

4. Ściśliwość przy naprę­

żeniu 1,5 MPa % 15 - 25 18 - 20

5. Skład ziarnowy 88% ziarn

mniejszych od 0^,1 mm

93% ziarn większych od 0,1 mm

6. Zawartość głównych

składników: S^Op 52 55

% AlpOj 24 17

Fe2°3 10 15

Ca 0 6 2

MgO 3

II —1

Wpływ dodatku żużla..

Badania porównawcze zawiesin wodno-popiołowej i wodno-popiołowo-żużlowej polegały na określeniu* ich własności istotnych z punktu widzenia zastosowa­

nia w górnictwie podziemnym. Zakres badań wynikał z kilkuletnich doświad­

czeń autorów zweryfikowanych badaniami technicznymi oraz efektami wdrożeń.

Szersze uzasadnienie zakresu prac zawarto w [

2

2,0

Określając czas wiązania zawiesin i ilości wody nadosadowej stwierdzono, że dodatek żużla nie ma wpływu na te parametry. Stwierdzono natomiast, że wzrost ilości żużla w zawiesinie powyżej 15 (.2.0)% powoduje spadek doraźnej wytrzymałości na ściskanie próbek.

Mając na względzie perspektywy stosowania zawiesiny dla zmniejszania wpływu eksploatacji zawałowej na powierzchnię,szczególną uwagę zwrócono na ściśliwość zawiesin. Stwierdzono niewielki wpływ dodatku żużla na ściśli­

wość. Na rysunku 1 w formie wykresów przedstawiono wyniki badań, dla zawie­

siny o stosunku wagowym 1 część wody do 2 części stałych.

Wynika z nich, że żużel w przedziale do 25% udziału nie zwiększa istotnie ściśliwości zawiesin. Krzywą ściśliwości zawiesin (krzywa od 1 do 6 rys.1) krzywą ściśliwości zawału (krzywa 7 - rys.1) i przykładową krzywą ściśli­

wości zawału, w którym pustki międzyziarnowe wypełniono zawiesiną z udzia­

łem 15% żużla (krzywa 8 - rys. ), można opisać zależnościami w postaci:

Si = a (6" 1 + 1 ) , /1/

i tak średnia zależność dla zawiesin (krzywe 1 - 7 na rys. 1) ma postać:

sA - 3 , 7 (crŁ + 1 ) . /2/ dla krzywej zawałowej ( rys. 1, krzywa 7)

Si - 20,9 (% L + 1 ) /3/

oraz krzywej zawału uszczelniającego zawiesiną (rys. 1, krzywa 8)

sŁ - 1 1 , 3 ( ^ i + 1 ) A /

Wielkością charakteryzującą poszczególne rodzaje materiału jest parametr

"A". Porównując jego wartość dla zależności 3 i 4 można stwierdzić^iż dla zawału uszczelnionego zawiesiną,jest on 1,8 mniejszy. Z zależności pomię­

dzy ściśliwością a wpływem eksploatacji na powierzchnię [

5

bów określonym w teorii Budryka-Knothego jako wielkość "a". Zakładając współczynnik bezpieczeństwa, wynikający przede wszystkim z braku dosta­

tecznej ilości doświadczeń praktycznych zweryfikowanych pomiarami można

216_____________________________________ .______ M. Mazurkiewicz, Z. P i o t r o w a ^ przyjąć, że maksymalne obniżenie powierzchni terenu w przypadku wypełnia*

nia pustek międzyziarnowych zawiesiną z udziałem żużla wyniesie:

Wmax “ °'4 5 m /5/

Rys.1. Krzywe ściśliwości zawiesin: popiołowej (1). popiołowo-żużlowych (2-5%, 3-1 Ofś, 4-15%, 5-20%, 6-25%), zawału (7), zawału uszczelnio­

nego zawiesiną (8).

Wpływ dodatku żużla.. 217 Drugim niezwykle istotnym zagadnieniem wymagającym szczegółowszego rozwa­

żenia są problemy transportu zawiesin rurociągami. Autorzy podjęli próbę potraktowania zawiesin analogicznie, jak ciecze do płuczek wiertniczych i oznaczono rozlewność za pomocą stożka Az NJJ. Na podstawie doświadczeń wiertników przyjęto, że uzyskanie dla cieczy promienia rozlewu większego od 140 mm (optymalnie 180 mm) pozwala na jej transport rurociągami.

Wyniki pomiarów podano na rys. 2.

Rys. 2. Zależność pomiędzy rodzajem zawiesiny a jej rozlewnością Wynika z nich, że udział żużla w zawiesinach popiołowych do 1596 nie odgry­

wa istotniejszej roli. Jego wpływ daje się zaobserwować szczególnie w za­

wiesinach o niewielkiej koncentracji, przy zwiększeniu udziału ponad 20?6.

Można przyjąć, że dla badanych materiałów z uwagi na transport zawiesin optymalną koncentrację posiada zawiesina o stosunku wody do komponentów stałych 1 : 2. Określenie rozlewności pozwala jedynie na jakościową ocenę zawiesin. Z uwagi na stosowanie w kopalniach hydrotransportu grawitacyjne­

go istnieje konieczność opracowania sposobu ustalenia parametrów transportu zawiesin. Aktualnie dla zawiesin popiołowych stosuje się sposób obliczenia zasięgu poziomego transportu przy istniejącej wysokości napotni oraz okreś­

lenie wydajności. Metoda ta omówiona w pracy [ 6 ] zakłada pewną analogię ze sposobem obliczenia parametrów transportu podsadzki utwardzonej,opraco­

waną w ZSRR i zaadaptowaną dla polskiego górnictwa rudnego [ 7 .

218 M. Mazurkiewicz, Z. Piotrowski Wymaga ona jednak między innymi określenia lepkości zawiesin. 0 ile dla zawiesin wodno-popiołowych wielkości te można ustalić,np.lepkościomierzem obrotowym lub kulkowym!to dla zawiesin z udziałem komponentów grubych nie jest to możliwe. Pewnym przybliżeniem byłoby określenie granicy płynności na jednym z przyrządów podanych w pracy [ 7 ] .

Generalnie można jednak stwierdzić, że problem opracowania prostego sposobu obliczenia parametrów hydrotransportu zawiesin wodno-popiołowych jest nadal problemem otwartym.

Kolejnym zagadnieniem niezwykle trudnym do rozwiązania jest ocena zdolności migracji zawiesiny przez gruzowisko zawałowe z pustkami powietrz­

nymi (gazowymi) lub wypełnionymi wodą. Problem przepływu zawiesin, czy też wnikania w gruzowisko zawałowe związany jest z takimi celami jej stosowa­

nia, jak zmniejszenie wpływu eksploatacji na powierzchnię i likwidacją zagrożejnia: pożarowego, metanowego, wodnego. Pierwszym pytaniem na które próbowaliśmy uzyskać odpowiedź,to pytanie powyżej jakiego nachylenia nastę­

puje swobodny przepływ zawiesiny przez gruzowisko z uwzględnieniem jej kon­

centracji, j w| celu! uzyskania! odpowiedzi! przeprowadzono ekspery­

menty polegające na wprowadzeniu zawiesiny do rury wypełnionej ziarnami skały o porowatości odpowiadającej zawałowi (30-40%). Wprowadzając zawie­

sinę obserwowano przy jakim kącie nachylenia następuje jej przepływ przez pustki międzyziarnowe.Zarejestrowano go przy pustkach powietrznych powyżej 12° nachylenia, a przy wypełnionych wodą około 10°. Prędkości spływu były w przedziale od 0,01 m/s ( = 15° ) do 0,1 m/s (c<= 30°). Stwierdzono również, że dodatek żużla do zawiesiny powyżej 10-15?% istotnie pogarsza jej migrację w gruzowisko. Pewną weryfikację i potwierdzenie wyników ekspery­

mentu w laboratorium uzyskano w trakcie przemysłowego stosowania zawiesiny w KWK "Generał Zawadzki".

Na podstawie innych wyników,uzyskanych z badań zawiesin wodno-popioło­

wych z udziałem żużla,pozwolimy sobie skrótowo stwierdzić, że:

- zwiększenie udziału żużla w zawiesinie powyżej 30% zacznie istotnie od- działowywać na wzrost intensywności ścierania rurociągów,

- do 20% udziału żużla nie zarejestrowano zwiększania procesu rozmywania próbek zawiesin,

- w trakcie procesów twardnienia' i wiązania obserwuje się w warstwie około 20-30 cm od góry zmiany udziału żużla w przekroju pionowym z tendencją do jego wypierania.

Na podstawie wykonanych badań omówionych syntetycznie w niniejszym referacie można stwierdzić że:

1. Technologia wypełniania pustek podziemnych zawiesiną wodno-popiołową pomimo szerokiego wdrożenia w kopalniach węgla jest nadal na etapie rozwoju. Stosowanie Jako dodatku żużla granulowanego jest celowe i możliwe do 15% jego udziału. Koncentracja zawiesiny nie powinna przekra­

czać 1 : 2,0.

2. Podane powyżej wartości wynikają z takich parametrów Jak: rozlewnośó, rozmywalność, zdolność migracji w gruzowisko zawałowe.

3. Aktualnie należy podjąć pracę nad opracowaniem sposobu obliczania para­

metrów transportu grawitacyjnego zawiesin w rurociągu oraz bardziej szczegółowe badania i eksperymenty nad zagadnieniami związanymi z migra­

cją zawiesiny w gruzowisko zawałowe.

Wpływ dodatku żużla...___________________________________________________2 19

1. Ropski S.f Mazurkiewicz M., Piotrowski Z., Postawa J.: Zawiesina popio- łowo-wodna Jako środek izolująco-uszczelniający w kopalniach podziemnych, V Seminarium Transportu i Sedymentacji cząstek stałych. 3-7.09.1984 Wrocław.

2. Bericht über die Verbriugungsmoglichkeiten der vom Auftraggeber gelieferten Stoffe im den untertaglgen Gruben nach der Methodik der Berg-und Huttenakademie.

Maszynopis niepublikowany IGPiBP AGH Kraków 1986.

3. RopskiS., Mazurkiewicz M., Piotrowski Z: 0 możliwościach stosowania zawiesiny popiołów lotnych w wodzie w kopalniach podziemnych. Przegląd Górniczy nr 1 1985

4. KickiJ., Mazurkiewicz M: Trends of filling technology polls|ęoal mlnes.

International Symposium on Modern Coal Mining Technology, Fuxin Mining Institut. Sept. 1986. China.

5. Mazurkiewicz M: Rodzaj i jakość podsadzek w świetle ochrony powierzchni Ochrona terenów górniczych. Nr 70/4. 1984

6. Praca zbiorowa: Badania przydatności zawiesiny popiołów lotnych w wodzie o dużej koncentracji.

Maszynopis niepublikowany IGPiBP AGH. Kraków 1982

7. Dydecki i inni: Technika eksploatacji złóż i wiertnictwo. Podsadzka utwardzana.

Skrypt AGH Kraków 1979

Recenzent: Prof. dr heb. lnż. D en PALARSKl

W p ł y n ę ł o do Red ak c ji 1 987.02.26

Ä0EABKA HULAKA B BOÄHO-30JIbHyiO B3BECB H EE HCII0JIB303AHHE

b TEXHOJiormx ropHoro jlejia

P e 3 d u e

3 nombcxoM ropHou A e x e yme H e c ic o J iŁ K O aeT noAaeuHtie npocipaHCTBa sanomaa- bt b o a h o—3 0JibB0ił B 3 B e c Ł K > . 3ia lexHoaorHÄ Sima npenciaBJieHa aa ceuaHape:

"TpaHonopi h o c a A K O H a K o i m e H H e i i o c t o h h h h x aacTHa", Koiopua o o c t o j u i c* b o Bpo- qzase c 3-7 ceHTaSpa 1984 r. Pa3BaTae a y c o B e p m e H C i B o a a H H e oioö texBozonia

220 M. Mazurkiewlcz, 2. Plotrowskl

cnocoScTBOBcura p a3 p a6 o T K e o c h o b p a3 A av H o ro npaMeHeniiH b 3 b s c h . (yueHbm eHae yxeaK K B 03A yxa v e p e 3 B upaóoiaH H oe npocTpaHCXBo, npoxaB O A eftcxB ae npoxoA y

a

HaKonneHHB u e i a a a , npo$KAaKTHKa h ly m eH ae noscapoB , a h k ba a=in a a H axonaB m efi-

c h b o a s , yueB bm esze b a h h h ha S K cn jiy aT an aa Ha n o B e p x H o c x b ).

B 3 A e K T p o c T a H i x H i u c B 0 3 H H K a e x o k o j i o 2 0 % mjia¡ta. no o x H o m e H a a k A e x y v H M 3 0- i i a U i H i a K q e A e c o o 6 p a 3 H O 3 K a i b , H e H 3 M e H H T a h A o ó a B K a u a x a b 3 0A y c b o 8 c t b B 3 B e c H b o x e n e H H H C K AJO H aium eS n p a M e h e h h e e e b m a x T e . B A O K A a A e o d c y x A a A a c b p e 3 y A b i a i H a c c x e A O B a H a i t . O c o Q o e B H H M a H n e o f ip a m e H O H a c x e A y i o m e e ¡ y o a A K y 3a - K A a A K H , K o x o p a a H e n o c p e A O X B S H H o c x a H O B H i o b x h h h h h S K c n x y a x a a a H H a n o B e p x - H O O X b . y c x a H O B X e H O , V I O n p H Ó a B A H H 1 5 % B A a K a B B 3 B e C b , K O I O p y B B B O A A I b 06- p y m e H H e u o k h o n p H H H i b K O p $ a n j i e H X c n o c o d a x a K B H A a H H H B u p a S o T a H H o r o n p o o x p a H - o i B a 0 , 4 5 , a T a i c x e B 0 3 M o s c H o o x b x e v e H a a B 3 B e o a v e p e 3 o S p y m e H a e a u e x i m e e a y - o x o x t i 3 a n o A H e H H h i e B 0 3 A y x o M a b o a o S . S e v e n a e M o x e x B u o x y n a i b x o A b K o n p a k o h - n e B T p a a a a o a h o A v a c i a b o a u h A s y x c h o a o b h h o 8 v a c x e f t h o c t o a h h h x K O M n o a e H io B n p a i o m K O A H v e c i B O m A a a a a e M o x e x n p e B U B a i b 2 0 % .

B b u r a T o s c e o S c y a c A e H H B o n p o c H p a c v e x a n a p a M e x p o B x p a a c n o p x a B 3 B e c a b xpy-

S o n p o B O A a x . 3 x o x B o n p o c x p e d y e M K O M n x e K C H H x a c c x e A O B a H i i i i . Eh a h n p e A b a B A e H — h h a A P y r a e A a H H H e ( c B o ñ c i B a n p o v H o c x a , cxoiiKocxb H a p a 3 u a K a e u o c T b , c B o f i - c i B a a 6 p a 3 H B H O c i a x p y C o n p o B O A O B ) .

OCHOBHHM a x o r o l i A OKA a ,I, a H B A A e X C H ! n p o S a B X e H H e 1 5 % B A a x a B 3 0 X b H y B B 3 B e C b H e y M e H B m a e x B 0 3 u o x H o c x e f t e e n p a u e H e H a a b r o p a o M A e A e .

AN INFLUENCE OF AN ADDI TI ON OF SLAG INTO A S H - WA T ER SUSPENS IO N IN A S P E C T S OF ITS USE IN M I NI NG T E CH NO LO G Y

S u n m a r y

Th e ash-water suspension has been used to filling unde rg ro un d empty spaces in Polish mi ning for several years. This technology was presented on 5th Seminar on Transport and Sed i me nt at i on of Solid Particles in W r o ­ claw, 1984. The development of the t echnology and its continuing impro­

ving allowed to work out the princi pl es of its appl ic a ti on for various aims: decrease the air escape trough the abandoned areas, counteract me- than ¡concentration and flow, fire prophylactic and fire extinguishing, l iquidation of water reservoir, reduction of unde r gr ou nd mining effects on the surface.

In power stations about 15% of tailings make a slag. It was the r ea­

son to check if an a ddition of slag into the suspen s io n change its p ro­

perties which could make impossible to use it in a mine.

In the paper the results of the i n ve stigations has been described.

Particularly an attention has bean paid for the c om p r e s s i b i l i t y which directly decided on mining effect on the surfacce. It has been stated that with an addition of 15% of slag into the suspension, the caving c o e ­ fficient ie 0,45.

Wpływ dodatku żużla.. 221

Possibi l it ie s of flow of the suspension through the caving area with enpty spaces filled with water and with air have been described In de­

tails. A maximum c oncentration which allows suspensions flow is: 1 part of water and 2,5 parts solid body, however, general amount of the slag can not be higher 20%.

T he re have been discussed the problems of estimating suspension trans­

port parameters.

The results of other test (strength properties, soaking, pipeline abra­

sion) have been given at the end of the paper.

The most important c onclusion is: 15% addition of slag into the aeh- -water s uspension doesn't decrease its application in uderground mining.