Использование углеотходов в качестве дорожно-строительных материалов

Коршунова Н.С., Перистый М.М.

Угольная промышленность Украины – базовая сырьевая отрасль народного хозяйства. Запасы угля, которые составляют около 80% общих топливных ресурсов в недрах Украины, гарантируют на столетия энергетическую безопасность страны. Также он имеет большое значение для металлургической промышленности, так как является основным сырьем для производства кокса. Качество полученного кокса зависит в значительной мере от подготовки углей и правильности составления угольной шихты. На коксохимические завода уголь поступает обычно со многих шахт и углеобогатительных фабрик, и специалист должен не только знать свойства и состав углей, но и умело составлять из них смесь, которая дает наилучший кокс. Для получения качественного кокса необходимо провести предварительную подготовку угольного материала к процессу коксования. Подготовка углей к коксованию включает ряд технологических процессов: обогащение, усреднение состава углей, дробление, грохочение, дозирование, уплотнение, сушку и др.

Угли при обогащении проходят обычно следующие технологические операции: разгрузка в углеприемные ямы, передача в дозировочные бункеры или же прямо на обогатительную фабрику; дозирование углей и передача их в заданной пропорции транспортером на грохоты; отделение крупных кусков углей размером более 80 мм (на грохотах), дробление крупных кусков углей и присоединение дробленого продукта к рядовому углю; грохочение – разделение смеси сыпучих материалов на несколько классов по их крупности при помощи аппаратов, называемых грохотами; поверхности грохота, имеющие отверстия для прохождения материала, называются ситами, или решетами; разделение рядового угля на классы с размеров кусков 10 – 80 мм и 0 – 10 мм; обогащение класса 10 – 80 мм на отсадочных машинах, реожелобах, в сепараторах с тяжелой жидкостью или какими-либо другими способами; подача класса 0 – 10 мм на обеспыливающие устройства или грохот для удаления пыли (шлама); обогащение обеспыленного мелкого класса углей; передача пыли (шлама) на обогащение методом флотации. При отсутствии флотационной установки мелочь в необогащенном виде может быть присажена к концентрату или промежуточному продукту.

Основной экологической проблемой при обогащении угля является образование большого количества твердых отходов. В Донецкой области образуется около 50% всех отходов угледобычи и углеобогащения. На целом ряде шахт и обогатительных фабрик породные отвалы исчерпали свои мощности некоторые из них вышли за черту отведенных земель, и требуют отвода новых. По примерным расчетам в отраслях промышленности Украины и за рубежом утилизируется ежегодно свыше 100 млн. т твердых отходов добычи, обогащения и сжигания угля и сланца (не считая применения для закладки выработанного пространства). Этим направлением посвящено также подавляющее большинство исследований по использованию отходов добычи и обогащения в Украине и других странах. Опубликованы положительные результаты по получению более чем сорока видов строительных материалов с применением отходов угледобычи, обогащения, сжигания и газификации углей и сланцев (заполнители бетонов), стеновые материалы, вяжущие вещества, разнообразные кровельные, облицовочные материалы и др.

Применение углеотходов в земляном полотне в настоящее время является наиболее эффективным, поскольку практически не требует дополнительной переработки отходов, а объемы материала для насыпей требуются значительные.

Для получения материала, пригодного для основания, предлагается следующая технология. Горелая порода терриконов дробится, в результате чего слабопрочная плохообоженная составляющая разрушается и после грохочения в составе фракции менее 2 мм удаляется в отвал. Оставшаяся крупнообломочная фракция подвергается второму этапу дробления до выхода 30-40% мелкозема. Затем полученная смесь активизируется добавками 3-10% извести или цемента. В качестве активизатора можно применять граншлак, некоторые другие виды неорганических вяжущих. Полученный из такой смеси после увлажнения и уплотнения слой в расчетный период обладает достаточно высоким модулем упругости – 300-600 МПа, что позволяет применять его в конструкциях дорожных одежд любых технических категории.

1 – конструкция дорожной одежды; 2 – укрепленная обочина; 3 – защитный слой из глинистых грунтов; 4 – пожаробезопасная прослойка; 5 – углеотходы; 6 – защитный слой из дробленых углеотходов.

Рисунок – Конструкция насыпи из углеотходов

При конструировании насыпи из углеотходов важное место отводится мероприятиям, предупреждающим высокотемпературный саморазогрев. Расчеты пожаробезопасных элементов показали, что самовозгорание углеотходов зависит от их зольности, марки добываемого или обогащаемого угля, энергии активации и некоторых других параметров. Для земляного полотна автомобильных дорог установлена критическая величина отсыпаемого слоя в 5, 2 – 12 м. При превышении этих размеров в теле насыпи из углеотходов предусматривается устройство пожаробезопасных прослоек из связного грунта толщиной не менее 0, 15 – 0, 40 м (рис. 1), либо другим материалом, препятствующим поступлению атмосферного кислорода в структуру углеотходов.

Особенности технологий строительства насыпей из углеотходов в основном связаны с необходимостью ликвидации потенциальной просадочности и создания плотной бездеформативной структуры с заданным содержанием мелкозема. Сложные инженерно-геологические условия, возможность подтопления и даже затопления земляного полотна требуют создания максимально плотной структуры по всему объему насыпи.

Применения углеотходов дорожниками Донбасса позволило получить значительный экономический эффект. Кроме того, в отрасли сокращаются затраты на содержание отвалов; в сельском хозяйстве уменьшаются потери плодородных земель, изымаемых под складирование отвалов. Значителен также природоохранный эффект, что способствует улучшению экологической обстановки Донбасса.