Application of coal mining waste in civil and road construction

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

На территории Луганской Народной Республики функционирует значительное количество предприятий угольной промышленности, которые являются источниками интенсивного химического загрязнения окружающей среды. Так, при добыче угля подземным способом, в результате складирования отходов угледобычи и обогащения растет число насыпей пустой породы – отвалов и терриконов. По последним данным на территории ЛНР их насчитывается 556. Общая площадь занимаемых ими земель составляет 4,8 тыс. га и дополнительно включает 250 плановых накопителей, площадью 980 га. Все это приводит не только к отчуждению значительных территорий, но и к интенсивному загрязнению прилегающих к отвалам земель тяжелыми металлами, соединениями серы и другими химическими соединениями. Решением данной проблемы может выступить использование отвальной породы в качестве строительного сырья с целью дальнейшего применения в строительных отраслях промышленности. Известно, что промышленность строительных материалов и изделий характеризуется высокой материалоемкостью и может обеспечить утилизацию таких крупнотоннажных техногенных отходов, как породные отвалы (терриконы угледобычи).

Отечественная и мировая стройиндустрия все активней ориентируется на производство строительных материалов из техногенных отходов, так как сложившиеся современные экологические условия и требования к эффективности экономики устанавливают правила наиболее комплексного потребления сырья и ресурсов, тем самым повышая эффективность их использования и снижая негативное воздействие на окружающую среду.

На данный момент переработка отвальной породы не превышает 20% от общего годового выхода, а применение в качестве сырья для производства строительных материалов не получило широкого распространения на практике [1]. При этом, зная, что более 55% затрат приходится на материальные ресурсы, заложенные в смету стоимости изготовления значительного количества строительных материалов, можно утверждать, что для повышения эффективности их производства целесообразно применение отходов промышленности, как сырья для производства. Тем более внедрение таких малоотходных технологий будет способствовать улучшению состояния окружающей природной среды и уменьшению объемов накопленных отходов [2, 3].

Кроме того, отходы добычи и обогащения угля могут быть успешно использованы в дорожном строительстве и при отсыпке различных земляных сооружений, в том числе, дамб. Известно, что строительство дорог – это затратное мероприятие, требующее значительных капиталовложений и объемов сырья. Однако, в мире имеется успешная практика применения отходов угледобычи в дорожном строительстве или при отсыпке железнодорожного полотна [1].

Отходы угледобычи состоят из различных горных пород: алюмосиликатов, глинистых сланцев, полевых шпатов, пирита, марказита и др. В составе отвальной породы широко распространены следующие химические соединения: SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, CaO, MgO, TiO₂, Na₂O, K₂O, P₂O₅, а общее содержание серы не превышает 4% [3, 4]. Кроме того, имеет смыл применять горелые породы искусственного обжига (до 1000 °С) при сооружении морозостойкого и несущего слоя дорог (нижних оснований автострад) [1]. В складированной отвальной породе, в результате действия атмосферного воздуха и влаги проходят естественные процессы ее окисления и самонагревания, с последующим горением, в результате чего происходит естественный обжиг. Такие отвалы угольных шахт называют перегоревшими. Данные природные процессы позволяют применять перегоревшие отходы добычи угля без дорогостоящего искусственного обжига, что является еще одной весомой экономической составляющей применения отходов добычи угля в дорожном строительстве [1].

Все это делает возможным рассматривать породные отвалы угольных шахт как техногенное сырье для производства строительных материалов, а также активно применять углеотходы в гражданском и дорожном строительстве.

Целью работы является проведение анализа перспектив переработки отходов угледобычи в гражданском и дорожном строительстве.

Исследования проводились на примере породных отвалов восьми шахт, расположенных на территории Луганской Народной Республики. В частности, отбирались пробы отвальной породы отходов шахт в г. Стаханов («Максимовская», «шахта им. Ильича»), г. Зимогорье («Черкасская»), г. Луганск («Луганская»), г. Лутугино («Мащенская»), г. Лисичанск («Матросская»), г. Свердловск («Шахта им. М. Свердлова») и г. Антрацит («Шахта им. Г. Вахрушева»).

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Отбор проб отвальной породы осуществлялся согласно утвержденной в Российской Федерации методике апробирования пород отвалов [1, 5]. По данной методике, для анализа отбирался внешний поверхностный слой породы – первичная проба, составляемая из порционных проб. Для этого поверхность террикона разбивалась на зоны, начиная от вершины и далее к его основанию. Для конических отвалов (терриконов) расстояние между зонами составило 4 м, а для плоских – 1 м. Зона нижнего крупноглыбового (более 1000 мм) и крупновалунного (500–1000 мм) материала опробованию не подлежала, так как современные технические средства пока не позволяют произвести качественный отбор проб.

Углеотходы значительного количества предприятий региона по своему химическому составу минеральных компонентов соответствуют требованиям к химическому составу традиционного глинистого сырья для пористых заполнителей. При этом содержание общей серы в отвальной породе на уровне S_t^d > 3% и присутствие органического углерода С_о > 20% являются существенными ограничивающими параметрами для дальнейшего использования отвальной породы, как сырья для производства. Однако, следует отметить, что содержание серы и углерода будут зависеть и от стадии метаморфизма породы. Поэтому исследование отобранных образцов отвальной породы на содержание серы (S_t^d) проводилось с учетом метаморфизации породы (по стадиям метаморфизма).

РЕЗУЛЬТАТЫ

Результаты, представленные в Табл. 1 показывают, что среднее содержание серы по всем пробам не превышает 4%. Указанное обстоятельство не является ограничительным показателем для ее переработки как строительного сырья.

 

Таблица 1. Содержание общей серы (Std) в образцах отвальной породы по стадиям метаморфизма

Table 1. Content of total sulfur (Std) in waste rock samples by metamorphic stages

Стадия метаморфизма отвальной породы	Содержание Std, %
Слабая	3,6
Средняя	1,48
Сильная	0,57

 

Старые и полностью перегоревшие отвалы и терриконы содержат горелые породы высокого качества (имеют низкое содержание оксидов железа и высокое – оксидов алюминия, высокую микропористость и адсорбционную активность) и могут использоваться как наполнители для мастик, заполнители в бетонах, для производства легких жаростойких бетонов, так как после автоклавной переработки приобретают прочность до 30 МПа [1].

Известно также, что отвальная порода угледобычи может быть утилизирована при производстве кремнеалюминиевых сплавов, звуко- и теплоизоляционных материалов, материалов и конструкций, имеющих высокую износостойкость [1, 6, 7].

Помимо этого, перегоревшие отвальные породы, имеющие в своем составе >14% Al₂O₃, имеют высокую жаропрочность и применимы при создании жаростойких бетонов. Поэтому интерес представляло провести исследование на определение валового содержания Al₂O₃ в образцах перегоревшей и неперегоревшей породы (Табл. 2).

 

Таблица 2. Валовое содержание Al₂O₃ в исследованных образцах отвальной породы

Table 2. Gross Al₂O₃ content in the studied waste rock samples

Шахта	Отвальная порода	Содержание Al2O3, %
г. Луганск	Неперегоревшая	13,79
г. Лисичанск	Перегоревшая	18,30
г. Антрацит		19,80
г. Свердловск		20,87

 

По результатам настоящей работы установлено, что перегоревшие отвальные породы угольных шахт Луганской Народной Республики могут активно применяться вместе со связующими на их основе для изготовления жаропрочных бетонов.

Проведенные исследования показывают, что горелые породы после измельчения могут добавляться в качестве наполнителей в растворы и бетоны. В угледобывающих районах Луганской Народной Республики также целесообразно применять в подземных выработках крепежные блоки из бетонов разного веса и размера, выполненных на основе горелой измельченной породы. Таким образом, угледобывающее предприятие может частично утилизировать свои отходы угледобычи для собственных строительных нужд.

Если рассматривать минеральный состав не горелых пород (свежеотсыпанную породу), то она представлена широким составом: песчаниками и песком, глинами, сланцами, аргиллитами, алевролитами, которые применяются как сырье для производства строительных материалов. Например, алевролиты такой породы довольно устойчивы при намокании в воде. Подробный анализ источников доказывает активное использование отходов добычи угля в промышленных масштабах для производства пористых заполнителей для бетономастик, а также для производства кирпича, так как в отвальную породу входят алюмосиликаты и до 22% Al₂O₃. Данные способы и процессы довольно хорошо проработаны в промышленных масштабах и могут использоваться повсеместно [1, 3].

Что касается сланцев и глин, входящих в состав породы, то они формируют определенную пластичность последней, что увеличивает возможность производства строительных материалов. После дополнительного измельчения углеотходов, сланцевые и глинистые компоненты проявляют свойства глинистых веществ. Результаты исследования пластичности грубо измельченной неперегоревшей и перегоревшей отвальной породы представлены в Табл. 3.

 

Таблица 3. Данные по пластичности исследованной отвальной породы

Table 3. Data on the plasticity of the studied waste rock

Отвальная порода	Группа сырья по дисперсности фракций	Группа пластич-ности	Пластичность
			предел раска-тыва-ния, %	число пластичности, %	нижний предел текучести, %
Перегоревшая	Грубо- дисперсная	Умеренно пластичная	19,80	10,34	30,14
Неперегоревшая			20,03	11,22	31,25

 

По полученным результатам, касающихся пластичности различных дисперсных фракций породы (включая перегоревшую и неперегоревшую), видно, что в породе обнаруживаются литифицированные глины. В случае их тонкого измельчения (<1 мм) они вполне применимы при производстве керамических материалов [8].

Также является экономически оправданным применение отвальной пустой породы шахт и в дорожном строительстве при отсыпке автодорог, устройства тротуаров, насыпных грунтов и т.п.

Важным фактором ограничения применения отвальной породы угольных шахт для производства стройматериалов может стать высокая радиоактивность отвальной породы [9]. Учитывая нормы радиационной безопасности при производстве строительных материалов [10], в частности из отходов добычи угля, проведено измерение удельной эффективной активности (А_эфф) отобранных образцов (Табл. 4.) на основании активности цезия-137, тория-232, радия-226, калия-40 и коэффициента эманирования (k_эм) отвальной породы (Рис.) на примере угольного аргиллита шахты «Черкасская».

 

Таблица 4. Результаты гамма-спектрометрического исследования образцов отвальной породы

Table 4. Results of gamma spectrometric study of waste rock samples

Расположение шахты	Место отбора образца	АCs-137, Бк/кг	АTh-232, Бк/кг	АRа-226, Бк/кг	АK-40, Бк/кг	Аэфф, Бк/кг
г. Стаханов	шахта «Максимовская» – перегоревшая отвальная порода	0,9	29,2	29,7	306,7	95,3
	шахта «им. Ильича» – отвальная порода	1,5	43,9	44,8	395,1	137,4
г. Зимогорье	шахта «Черкасская» – аргиллит из отвала	0,5	68,3	56,1	813	218,1
	шахта «Черкасская» – перегоревшая отвальная порода	0,7	46,7	44,4	528,8	152,7
г. Луганск	шахта «Луганская» – отвальная порода	3,0	22,7	51,2	41,6	84,5
г. Лутугино	шахта «Мащенская» – отвальная порода	9,3	3,3	13,5	0,9	14,8

 

Рис. Удельная активность радия для расчета k_эм отвальной породы шахты «Черкасская»: А_Ra1 – удельная активность радия, измеренная в аэрированной пробе, Бк/кг; А_Ra2 – удельная активность радия, измеренная для загерметизированной пробы после установления радиоактивного равновесия в измерительной емкости, Бк/кг

Fig. Specific activity of radium for calculating k_em of the dump rock of the Cherkasskaya mine: А_Ra1 – specific activity of radium, measured in an aerated sample, Bq/kg; А_Ra2 – specific activity of radium, measured for a sealed sample after establishing radioactive equilibrium in the measuring container, Bq/kg

 

Показатели удельной эффективной активности породы не превышают допустимых норм [10], а результаты расчета k_эм свидетельствуют об умеренной эманирующей способности пород угольных шахт Луганской Народной Республики, что также делает оправданным и перспективным повсеместное использование отходов добычи и обогащения угля в строительной индустрии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные исследования и детальный анализ различных показателей и свойств отходов угледобычи Луганской Народной Республики, включая удельную эффективную активность и коэффициент эманирования, делают возможным применение отходов угледобычи в строительной отрасли: для гражданского и дорожного строительства, а также при отсыпке различных земляных сооружений, в том числе, дамб.

Авторы заявляют, что:

1. У них нет конфликта интересов;
2. Настоящая статья не содержит каких-либо исследований с участием людей в качестве объектов исследований.

The authors state that:

1. They have no conflict of interest;
2. This article does not contain any studies involving human subjects.

About the authors

Ekaterina I. Verekh-Belousova

Lugansk Vladimir Dahl State University

Author for correspondence.
Email: kate3152@yandex.ru
SPIN-code: 4623-1246

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Chemistry and Innovative Chemical Technologies

Russian Federation, Lugansk

Alina V. Kharlamova

Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University

Email: alavina@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0008-5786-1203
SPIN-code: 6997-5427

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Technosphere and Environmental Safety

Russian Federation, Saint Petersburg

References

Supplementary files