The temperature influence on the properties of the fine - grained suspension used in underground workings

• Autorzy: Pomykała R. , Kępys W. , Piotrowski Z. , Łyko P. , Grzywa A.

Identyfikatory

DOI

10.1515/amsc-2015-0070

Warianty tytułu

PL

Wpływ temperatury na właściwości płynnych zawiesin drobnoziarnistych stosowanych w wyrobiskach podziemnych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Underground hard coal exploitation is often done under conditions of spontaneous fire hazard. The primary way to combat this threat is advanced, active or passive fire prevention. An important activity is the isolation of gobs using aqueous suspensions of fly ash as well as mineral binders. Therefore, the fine-grained suspension are often used in conditions of elevated temperature. The paper presents results of research on the effect of temperature (up to 80°C) on the properties of suspensions in a liquid state, including their rheological parameters and setting time. Suspensions prepared using the ashes from the hard coal combustion in fluidized bed boilers, and with the addition of Portland cement CEM I 42.5. During the research it was noted that the increased temperature significantly affect the acceleration of solidification processes of suspensions. In the case of rheological properties, the effect of temperature is ambiguous, among others, due to the phenomenon of sedimentation. However, in most cases, particularly for suspensions of higher solids content a marked increase in shear stress and viscosity of the suspensions with increasing temperature were observed.

PL

Eksploatacja węgla kamiennego w Polsce, odbywa się często w warunkach zagrożenia pożarami endogenicznymi, których źródła należy upatrywać w naturalnych skłonnościach niektórych węgli do samozapalenia. Obecnie podstawowym sposobem walki z tym zagrożeniem jest zaawansowana, czynna lub bierna profilaktyka pożarowa. Ważnym jej kierunkiem jest izolacja zrobów w celu uniemożliwienia lub ograniczenia wymiany gazowej pomiędzy gruzowiskiem zawałowym a przestrzenią roboczą uzyskiwana za pomocą zawiesin materiałów drobnoziarnistych – najczęściej zawiesin popiołowo-wodnych oraz spoiw mineralnych. Zawiesiny i spoiwa są niejednokrotnie stosowane w warunkach podwyższonej temperatury wynikającej zarówno z rozpoczęcia procesów samozagrzewania węgla jak i z samej temperatury górotworu. Podwyższanie temperatury zawiesin i spoiw może mieć miejsce już na etapie transportu rurociągiem (w fazie płynnej), ale przede wszystkim podczas podawania do zrobów, gdzie temperatura jest niemal zawsze wyższa niż w części roboczej ścian. W artykule przedstawiono wyniki badań, których celem było określenie w jaki sposób podwyższona temperatura w zakresie do ok. 80°C, wpływa na właściwości zawiesin w stanie płynnym oraz na czas ich wiązania. Do przygotowywania zawiesin wykorzystywano popioły lotne pochodzące ze spalania węgla kamiennego w kotłach fluidalnych a także cement portlandzki CEM I 42,5. Sporządzanie zawiesin oraz badania prowadzono w oparciu o normę PN-G-11011:1998 „Materiały do podsadzki zestalanej i doszczelniania zrobów. Wymagania i badania.” Badanie czasu wiązania zawiesin prowadzono zgodnie z wymogami normy PN-EN 196-3+A1:2009 „Metody badania cementu – Część 3: Oznaczanie czasów wiązania i stałości objętości”. Próbki zawiesin umieszczano w komorach klimatycznych, w których panowała zadana temperatura (40, 60 i 80°C) oraz wilgotność (100%). Pomiaru czasu wiązania dokonywano w odstępach czasowych od 30’ do 6 h. Badania wpływu temperatury na właściwości reologiczne zawiesin realizowano na stanowisku laboratoryjnym składającym się z reometru RN 4.1 firmy Rheotest (Rys. 1.) wyposażonym w układ grzewczy. Badania prowadzono w dwóch schematach pomiarowych: oznaczonych jako „test standardowy” oraz „test długi”. W pierwszym, pomiaru dokonywano podczas zmiany prędkości obrotowej rotora od 0 do 1000 obr/min oraz od 1000 obr/min do 0, co odpowiadało szybkości ścinania w zakresie 0÷435 [1/s]. Każdy etap trwał 60s. W ten sposób uzyskiwano możliwość wykreślenia krzywych płynięcia przy prędkości rosnącej oraz malejącej, co dobrze oddaje cechy tego typu mieszanin transportowanych grawitacyjnie, rurociągami. W schemacie drugim podstawowym celem było określenie wpływu czynnika czasu na właściwości reologiczne zawiesin, w nawiązaniu do etapu transportu zawiesin rurociągami oraz wypływu i penetracji zrobów. W tym celu prowadzono pomiary naprężeń stycznych podczas ruchu obrotowego ze stałą prędkością obrotową 500 obr/min (prędkość ścinania ok. 220 [1/s]), przez okres 10 minut, a następnie z prędkością 100 obr/min (ok. 44 [1/s]) przez 5 minut. Składy sporządzonych zawiesin oraz podstawowe ich właściwości (gęstość, rozlewność oraz ilość wody nadosadowej) zestawiono w tabeli 1 oraz na rysunkach 2÷3. Sporządzone zawiesiny charakteryzowały się gęstością w zakresie od 1,288 do 1,458 g/cm3, w zależności od zawartości popiołu w zawiesinie oraz dodatku cementu. Jednym z podstawowych badań kontrolnych konsystencji zawiesin jest określenie ich rozlewności. Zwiększenie ilości popiołu wpływało na zmniejszanie się rozlewności zawiesin, a zastępowanie części popiołu cementem powodowało sytuację odwrotną, wynikającą z różnic w wodożądności tych składników. Z tego powodu wraz ze zwiększaniem się gęstości zawiesin ze wzrostem ilości cementu (o takim samych stosunku części stałych do wody – s/w), ich rozlewność zwiększała się. Np. zawartość cementu w ilości 20% w zawiesinach spowodował wzrost rozlewności w stosunku do zawiesin bez cementu od 35 mm do 90 mm. Ilość wody nadosadowej zawiesin ulegała zmniejszeniu wraz ze wzrostem udziału popiołu w stosunku do wody. Natomiast obecność cementu powodowała jej. Sezonowanie zawiesinie w temperaturach w zakresie od 40 do 80°C wpływało na ograniczenie ilości wody nadosadowej. Czas wiązania dla zawiesin o takim samym udziale części stałych do wody wyraźnie zmieniał się w zależności do temperatury, w której sezonowano próbki (Rys. 4÷7). We wszystkich przypadkach wraz ze wzrostem temperatury następowało przyspieszenie początku jak i skrócenie czasu wiązania zawiesin. Zawartość cementu jeszcze bardziej potęgowała to zjawisko ¾ czas wiązania zawiesin w temperaturze 60 czy 80°C skracał się nawet poniżej 10 godzin od sporządzenia zawiesiny. Wyniki badań właściwości reologicznych omówiono na przykładzie zawiesin sporządzonych na bazie popiołów fluidalnych bez dodatku cementu. Wyniki badań „testów standardowych” przedstawiono na rysunkach 8÷13, w postaci krzywych płynięcia i krzywych lepkości, a dla pomiarów czasowych – w postaci krzywych obrazujących zmianę naprężeń stycznych w czasie, na rysunkach 14÷18. Podczas ogrzewania zawiesin, szczególnie do temperatury ok. 40°C, a także w krótkim okresie czasu, obserwowano zmniejszanie się naprężeń stycznych, co w przypadku transportu hydraulicznego rurociągami przekładać się może na obniżenie oporów przepływu. W wyższych temperaturach sytuacja była bardziej zróżnicowana i zależna zarówno od pierwotnej konsystencji zawiesin jak i od rodzaju popiołu. Dla ogrzewanych do temperatury 60°C zawiesin o niskiej zawartości części stałych, oraz przy niższych prędkościach obrotowych, obserwowano stopniowe zwiększanie wartości naprężeń stycznych wraz z upływem czasu pomiaru. Rozpatrując uzyskane wyniki w kontekście zastosowania w praktyce, można przyjąć, że niewielkie podniesienie temperatury zawiesin podczas ich transportu nie powinno znacząco wpływać na parametry przepływu rurociągami. Jednak w przypadku transportu zawiesin o dobrych właściwościach wiążących, na długich trasach przez wyrobiska o wyższej temperaturze skał może dochodzić do przyspieszania procesów hydratacji oraz osadzania się zawiesin na ściankach rurociągów. Zawiesiny deponowane w zrobach, w których panuje wysoka temperatura w krótkim czasie ulegną zestaleniu ograniczając m.in. możliwość przepływu powietrza oraz innych gazów. Jednocześnie jednak lokowanie zawiesin w zrobach, w których panuje wyraźnie wyższa temperatura, np. w przypadku zaawansowanych procesów samozagrzewania, może przyczyniać się do zmniejszania zdolności penetracji gruzowiska oraz powodować szybsze zatykanie wylotu rurociągu.

Słowa kluczowe

EN

fly ash; suspension; underground fire hazard; rheology

PL

popiół lotny; zagrożenie pożarowe; reologia

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. 60, no. 4
• Strony: 1053--1070
• Opis fizyczny: Bibliogr. 21 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Pomykała R.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Mining and Geoengineering, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland

autor

Kępys W.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Mining and Geoengineering, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland

autor

Piotrowski Z.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Mining and Geoengineering, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland

autor

Łyko P.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Mining and Geoengineering, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland

autor

Grzywa A.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Mining and Geoengineering, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland

Bibliografia

• [1] Dong H.Z. et al., 2013. Pipe transportation characteristics of filling slurry in Xinyang mine. Caikuang yu Anquan Gongcheng Xuebao/Journal of Mining and Safety Engineering, 30(6), p. 880-885.
• [2] Dziurzyński W., Pomykała R., 2006. Fly ash suspension with CO2 as a new method of gob fire prevention in coalmines, New technological solutions in underground mining: International Mining Forum 2006. Taylor & Francis Group, (Balkema – Proceedings and Monographs in Engineering, Water and Earth Sciences), p. 107-113.
• [3] Dziurzyński W., Krach A., Pałka T., 2014. Computer simulation of the propagation of heat in abandoned workings insulated with slurries and mineral substances. Arch. Min. Sci., Vol. 59, No 1, p. 3-23.
• [4] Fattuhi N.I., 1988. The setting of mortar mixes subjected to different temperatures. Cement and Concrete Research, Vol. 18, Iss. 5, p. 669-673.
• [5] Jarczyk M., Kania Z., 2001. Praktyczne rozwiązania profilaktyki przeciwpożarowej w warunkach ZGE Sobieski Jaworzno III. Materiały X Szkoły Eksploatacji Podziemnej.
• [6] Kurdowski W., 1991. Chemia Cementu. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1991.
• [7] Lothenbach B., Winnefeld F., Alder C., Wieland E., Lunk P., 2007. Effect of temperature on the pore solution, microstructure and hydration products of Portland cement pastes. Cement and Concrete Research, 37, p. 483-491.
• [8] Madaj M., Klimas W., Jaksa Z., 2012. Transport grawitacyjny konstrukcyjnych spoiw mineralnych z powierzchni do podziemnych wyrobisk górniczych. Przegląd Górniczy, nr 4.
• [9] Neville A.M., 2000. Concrete properties. Polski Cement, Kraków.
• [10] Plewa F., Sobota J., 2002. Fizykomechaniczne własności wieloskładnikowych mieszanin podsadzki samozestalającej (Physical and mechanical properties of multi-component mixtures of the solidification backfill). Arch. Min. Sci., Vol. 47, No 1.
• [11] Piotrowski Z., 2010. Odzysk odpadów drobnofrakcyjnych w górnictwie węgla kamiennego (Utilization of fine-grained waste in underground coal mining). Arch. Min. Sci., Seria: Monografia, No 12.
• [12] Piotrowski Z., Pomykała R., Kanafek J., 2009. The utilization of energy waste in Polish underground coalmines. Proceedings World of Coal Ash (WOCA) Conference, Lexington.
• [13] Pomykała R., 2006. Properties of fly ash suspension with carbon dioxide used in gob fire prevention. Doctor Thesis. Kraków (not published).
• [14] Pomykała R., 2013. Properties of solidified fly ash suspension heated at high temperature. Proceedings of Thirtieth annual International Pittsburgh Coal Conference, Beijing.
• [15] Pomykala R. Kepys W., Łyko P., 2013. Effect of temperature and cement additive on setting time of fly ash-water suspensions. Rocznik Ochrona Środowiska, 2013, vol. 15, part 2, p. 1818-1833.
• [16] Pomykała R., Stempkowska A., Łyko P., 2012. Rheological properties of slime waste from hard coal processing. AGH Journal of Mining and Geoengineering, Vol. 36, No. 4, p. 149-158.
• [17] Stryczek S., Brylicki W., Małolepszy J., Gonet A., Wiśniowski R., Kotwica Ł., 2009. Możliwości stosowania popiołu lotnego powstającego w trakcie fluidalnego spalania węgla kamiennego w zaczynach do cementacji w wiertnictwie i pracach geotechnicznych. Arch. Min. Sci., Vol. 54, No 4.
• [18] Stryczek S., Wiśniowski R., 2001. Modele reologiczne solankowych zaczynów uszczelniających z dodatkiem popiołów lotnych. Arch. Min. Sci., Vol. 46, No 3.
• [19] Trenczek S. 2008. Poziom potencjalnego samozagrzewania węgla w świetle badań. Arch. Min. Sci., Vol. 53, No 2.
• [20] Wenhua Z., Yunsheng Z., Laibao L., Guorong Z., Zhiyong L., 2012. Investigation of the influence of curing temperature and silica fume content on setting and hardening process of the blended cement paste by an improved ultrasonic apparatus. Construction and Building Materials, Vol. 33, p. 32-40.
• [21] Zimończyk J., Kiełkowski A., Schopp W., 2006. Doświadczenia kopalni „Borynia“ w utrzymywaniu chodników przyścianowych za frontem eksploatacji, w jednostronnym otoczeniu zrobami. Przegląd Górniczy, nr 5.