DE1533812C - Spulversatz verfahren zum Auffüllen von abgebauten Grubenraumen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Spülverfahren zum Auffüllen von abgebauten Grubenräumen unter Verwendung von wäßrigen Erd- oder Sandaufschlämmungen sowie unter Zusatz eines die Absetzgeschwindigkeit der Aufschlämmung beschleunigenden, in Wasser suspendierten, eine Fadenstruktur aufweisende Kolloidlösung bildenden Polymers von Acrylderivaten.

In bergmännischen Grubenbauen, in denen abgebaute Abbaufelder durch Einbringen von Versatzmassen gegen ein Nachrutschen gesichert werden, setzt sich bei den bisher bekannten Verfahren das verwendete Versatzgut langsam und in bezug auf die Korngrößenverteilung, bedingt durch die Art und Zusammensetzung des für diesen Zweck zur Verfügung stehenden Sandes, in Schichten ab. Der besonders langsam aus der Aufschlämmung ausfallende kolloidale Anteil der Versatzmasse, der sehr oft 20 bis 30 °/o des zur Verfügung stehenden Sandes ausmacht, bringt die Gefahr mit sich, daß er aus den Grubenräumen ausfließt und somit noch zu begehende Strecken, die mit den zu versetzenden Grubenräunien in Verbindung stehen, verunreinigen kann. Darüber hinaus sind bei den bekannten Verfahren mehrere getrennte Versatzräume erforderlich, in welche die Versatzmassen zyklisch aufgegeben werden, damit sie sich ausreichend absetzen können, wobei der nicht abgesetzte Schlamm an die Ober-. fläche zu transportieren ist, was einen erheblichen Arbeits- und Kostenaufwand erforderlich macht.

Jeder kolloidale Anteil der Versatzmasse, die im Grubenraum verbleibt, beeinträchtigt die Struktur und damit die Festigkeit des fertigen Versatzes und die für die Versatzmasse notwendige Sedimentationszeit.

Es ist ganz allgemein bekannt, den als Füllmittel dienenden Spülversatzmassen Beigaben zuzusetzen, die ein schnelleres Abscheiden kleiner und kleinster Kornfraktionen und damit eine erhöhte Verfestigung bewirken. Darüber hinaus tragen diese Zusätze zur Klärung des bei dem Spülversatzverfahren abzuführenden Wassers bei. Bei einem bekannten Spülversatzverfahren wird der Einschlämmung des Versatzmaterials eine basisch reagierende Substanz oder ein anderer geeigneter Elektrolyt zugesetzt, so daß die in der Aufschlämmung vorhandenen Kolloidstoife schneller zum Koagulieren gebracht werden können.

Auch ist es nicht neu, ein Füllmassengemisch herzustellen, welchem granulierte oder gemahlene Hochofenschlacke oder Zement sowie Sand und Wasser untergemischt werden. Der verwendete Sand muß hierbei in fein granulierten Fraktionen vorliegen. Die selbstaushärtende Füllmasse ist jedoch in ihrer Herstellung verhältnismäßig teuer und daher für das Ausfüllen größerer Hohlräume, wie insbesondere in Tagebauten und Untertagegruben gegeben, mit diesem Material kaum sinnvoll.

Zur Beschleunigung der Absetzgeschwindigkeiten bei Spülversatzverfahren, in denen ein nicht unerheblicher Anteil sehr feiner Schwebeteilchen mit anfällt, ist bereits ein Verfahren unter Verwendung von Zusätzen vorzugsweise für das beschleunigte Absetzen von Feinstkornstrukturen vorgeschlagen worden, welches sich dadurch kennzeichnet, daß aus einem Material, welches schwer sedimentierende Teilchen — beispielsweise Tonmaterial der Korngröße unter 2 Mikron — in einer Menge von mehr als 2 °/o enthält, oder aus Waschbergen der Kohlenwäsche oder Kraftwerkflugasche oder aus Löß oder aus einem Gemenge dieser bzw. ähnlicher Stoffe ein für den hydraulischen Transport geeigneter Schlamm bereitet wird, zu diesem je Kubikmeter ·— auf Trockensubstanz berechnet — 3 bis 30 g synthetische oder halbsynthetische Fällmittel zugemischt werden, welche ein Durchschnittsmolekulargewicht von

. mindestens 30 000 besitzen und, im Wasser suspendiert, eine Fadenstruktur aufweisende Kolloidlösung bilden, wobei als Fällmittel Polymere der Acrylsäure oder des Acrylnitril oder Maleinsäure' sowie Polymere auf Zellulosebasis oder ähnliche Polymere, zweckmäßig Polyacrylamid in Form einer Kolloidlösung, welche mindestens 0,02 ⁰Zo, vorzugsweise 0,05 % Konzentration aufweisen, verwendet werden und das so hergestellte Gemisch an den gewünschten Bestimmungsort befördert wird.

Ein Hauptnachteil aller bekannten Verfahren liegt darin, daß diese nicht kontinuierlich durchgeführt werden können.

Die diskontinuierliche Arbeitsweise beim Versetzen von Grubenräumen bedingt einen außerordentlich hohen Zeitaufwand, der sich insbesondere bei dem Abbau unter Tage bemerkbar macht, wenn der Abbau in unterschiedlichen Tiefen erfolgt. Wenn nicht zuviel abbaufähiges Gut als Stützmasse, verlorengehen soll, ist man hier gezwungen, abgebaute, tiefer liegende alte Baue mit Versatzmaterial vollständig aufzufüllen. Der hierfür bisher erforderliche Zeitaufwand bremst die Abbaugeschwindigkeit somit erheblich.

Auch erhöht sich bei den bisher bekannten diskontinuierlichen Verfahren trotz der Verwendung von die Sedimentierung beschleunigenden Zusätzen die Gefahr, daß Bergbewegungen auftreten können, wodurch beispielsweise über den Grubenanlagen errichtete Bauten erheblich beschädigt werden können. Wenn dieser Gefahr bisher dadurch begegnet wurde, daß in den Bauen der Ausbau belassen wurde, so liegt dieser Maßnahme doch zumindest der Nachteil zugrunde, daß wertvolles Baumaterial nutzlos verloren ist.
Auch ist die Absetzgeschwindigkeit der Versatz-' masse bei den bisher bekannten Spülversatzverfahren nicht groß genug, um. bei den diskontinuierlich arbeitenden Verfahren zu verhindern, daß sich die aus sehr unterschiedlichen Korngrößen bestehende

·■"■■ Versatzmasse, bezüglich dieser Korngrößen verschieden schnell absetzt, so daß Schichtungen unter-, schiedlicher Korngrößen entstehen. Derartige Schichtungen wirken sich jedoch negativ auf die Verfestigung, des Versatzes aus. Es besteht in diesem Zusammenhang insbesondere die Gefahr, daß die einzelnen Schichten gegeneinander abfließen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Spülverfahren zum Auffüllen von Grubenräumen zu schaffen, welches das bereits in Vorschlag gebrachte obengenannte Spülverfahren weiter dadurch verbessert, daß durch Zugabe spezieller Zusätze unter ganz bestimmten Bedingungen eine Füllmasse herstellbar ist, die bei weitestgehender Unabhängigkeit des Granulationsgrades des verwendeten Sandes bzw. der Erde eine unter geringstmöglichem Kostenaufwand wirtschaftlich verwendbare, hohe Druckbelastungen kompensierende Auffüllung der Grubenräume ermöglicht.

Die Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß

dadurch erreicht, daß dem in bekannter. Weise hydraulisch gewonnenen Sand bzw. der Erde ein vorzugsweise aus einem Co-Polymer aus dem Natriumsalz der Acrylsäure und Acrylamid bestehendes Kettenpolymer in einer Menge von 30 bis 300 g zu 1 Tonne Trockengewicht des Sandes oder der Erde untergemischt wird, wobei das-Kettenpolymer in einer 0,5- bis 5,O°/oigen wäßrigen Lösung vorliegt und ein über 6 X 10⁵, vorzugsweise über 1 X .10", liegendes Molekulargewicht aufweist und wobei das Kettenpolymer vorzugsweise kation- und anionaktivc Gruppen enthält, welche an ihren Seitenketten Restvalenzen aufweisen, deren MoIekular-Kohäsionsanteil größer als 5 Kilokalorien pro Mol ist, und daß diese Versatzmasse derart kontinuierlich in die aufzufüllenden Hohlräume befördert wird, wobei das im wesentlichen von festen Schwebeteilchen freie Wasser gleichzeitig fortwährend aus den Hohlräumen entfernt wird, daß die Absetzgeschwindigkeit der Versatzmasse etwa ihrer Zufuhrrate entspricht. .

Weiter ist für die Erfindung von'Bedeutung, daß das Molar-Kohäsionsinkrement der funktionellen Gruppen an der Seitenkette 8 bis 14 Kilokalorien pro Mol· beträgt. ■

Auch ist es noch besonders vorteilhaft, daß das Kettenpolymer an dem Einlauf des Grubenraumes in die Schlammleitung dosiert zugesetzt wird.

Schließlich kennzeichnet sich die Erfindung in einem bevorzugten Anwendungsbeispiel auch dadurch, daß dem hydraulisch gewonnenen Sand oder der Erde 1 bis 15 % Zement zugemischt werden.

Zufolge des erfindungsgemäßen Spülversatzverfahrens zum Auffüllen von Grubenräumen ist es nicht nur möglich, als Füllmasse Sand, Erde od. dgl. mit einer sehr großen Streuungsbreite des Granulationsgrades der Körnung zu verwenden, sondern ein Versatzprodukt zu schaffen, welches sich ohne Schichtbildung in unterschiedlichen Korngrößen homogen und kontinuierlich absetzt. Dadurch wird die Festigkeit des Versatzes erheblich erhöht. Die kontinuierliche Durchführung des Verfahrens setzt darüber hinaus die Verfüllzeit des Grubenraumes beträchtlich herab. Die geringen Mengen des die Sedimentierung des Feinstkörnchenanteils er-. möglichenden Zusatzes erhöhen die hierfür erforderlichen Kosten nur unerheblich und gestalten so das Verfahren besonders wirtschaftlich.

Für die kontinuierliche Durchführung des Verfahrens ist es wesentlich, daß die Versatzarbeit mit einer solchen Geschwindigkeit durchgeführt wird, daß die Zufuhrrate an Versatzmaterial etwa gleich der Absetzgeschwindigkeit selbst ist. Das verwendete Versatzmaterial kann bis zu 15 Gewichtsprozent an Ton enthalten. ,

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.

Fig. 1 zeigt eine graphische Darstellung der Korngrößenverteilung der verwendeten Versatzmasse; ■' ,

Fig. 2 zeigt eine graphische Darstellung der Klärgeschwindigkeit des Sandes;

F i g. 3 stellt eine schematische Wiedergabe des erfindungsgemäßen kontinuierlichen Verfahrens dar.

Fig. 1 zeigt die Korngrößenverteilung der verwendeten Versatzmasse. Der Tonanteil (Korngröße 20 Mikron) dieser Versatzmasse liegt bei 5 bis 15 Gewichtsprozent.

In F i g. 2 ist die Klärgeschwindigkeit des Sandes in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt. Die bei den Untersuchungen verwendete Sandaufschlämmung enthält etwa 50 Volumprozent Sand. Wie aus der Darstellung ersichtlich, verläuft die Sedimentationskurve 1 der zusatzfreien Aufschlämmung wesentlich flacher als die Kurve 2 der gleichen Aufschlämmung im Gemisch mit dem erfindungsgemäß verwendeten Zusatzmittel, wobei eine Beimengung im Verhältnis

ίο von 50 g/m³ eine. Erhöhung der Sedimentationsgeschwindigkeit um einen Faktor von etwa dem 20fachen ergibt.

Diese hohe Sedimentationsgeschwindigkeit ermöglicht durch· das Auftreten großer Flockungeri zufolge des hohen Molekulargewichtes des Zusatzmittels die Entwicklung eines kontinuierlichen Verfahrens und stellt gleichzeitig die homogene Struktur des Versatzes sicher. Im Ergebnis wird bei dem kontinuierlichen Verfahren klares Wasser gleichzeitig mit der Einbringung der Aufschlämmung dekantiert, und die Versatzarbeit kann ohne Unterbrechung ausgeführt werden. Somit kann der Vorsatzraum in einem einzigen Versatzzyklus im Gegensatz zu der bisherigen Arbeitsweise ausgefüllt werden, während zum Erreichen des gleichen Ergebnisses bisher 10 bis 15 Arbeitsgänge erforderlich waren. Die zum Versatz erforderliche Zeitspanne ist auf die eigentliche Zeit des Versatztransportes reduziert worden. So ist es beispielsweise möglich, bisherige Versatzzeiten eines Feldes von 6 bis

. 20 Tagen auf 1 bis 2 Tage zu verringern. Gleichzeitig wird praktisch kein Versatzmaterial durch das klare und aus dem zu füllenden Grubenraum abfließende Wasser zurückgetragen.

In F i g. 3 ist eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung des erfindungsgetnäßen kontinuierlichen Verfahrens für die Versatzafbeit wiedergegeben. Hierbei wird über einen Behälter 4 od. dgl. in unmittelbarer Nähe des Zuflusses und direkt im zu versetzenden Grubenraum 8 der die Aufschlämmung führenden Leitung 3 ein Kettenpolymer zugesetzt, und zwar in einer Menge von 30 bis 300 g zu 1 Tonne Trockengewicht . des aufgeschlämmten Sandes oder der Erde, wobei das Kettenpolymers in einer 0,5- bis 5,O°7oigen. wäßrigen

• Lösung vorliegt und einen Polymerisationsgrad von mehr als 10 000 sowie ein über 600 000 und vorzugsweise über 10^e liegendes Molekulargewicht aufweist und wobei dieses kation- und anionaktive Gruppen enthält, welche an ihren Seitenketten funktioneile Gruppen aufweisen, deren Molekularkohäsiori größer als 5 Kalorien pro Mol ist. Das

. im wesentlichen von Schwebeteilchen freie Wasser

^v· wird aus den Grubenräumen gleichzeitig und kontinuierlich entfernt, wobei ein homogener Versatz mit erhöhter Tragfestigkeit zurückbleibt. Das mit dem genannten Zusatzmittel zu versetzende Versatzmaterial tritt durch die in ein Bohrloch od. dgl. verlegte Grubenleitung 3 in den Grubenraum 8 ein,

während das klare Wasser durch die Leitung 9,10 an die Erdoberfläche transportiert wird.

Da die Absetzzeit der Versatzmasse in einer Größenordnung von 1:10 gegenüber der vorbekannten Arbeitsweise verringert wird, setzen sich die chemisch gesammelten Koagulate kleiner und großer Korngrößen zusammen sofort ohne Abtrennen in einzelnen Größenordnungen, d. h. ohne Schichtbildung, ab. Die Ausbildung einer derart korn-

pakten Versatzmasse beruht auf der Tatsache, daß die Dipolgruppen der Seitenketten des Polymers in der Lage sind, eine Primärbindung zu ermöglichen, wobei sie ein molares Kohäsionsinkrement von größer als 5 Kilokalorien pro Mol besitzen und sich an den schwebenden leichten Teilchen sowie an der Oberfläche der größeren Körnungen anlagern. Hierdurch werden Koagulate derartiger Größe gebildet, daß sie bereits ausreichend das Absetzen der Versatzmasse beschleunigen. Dem perikinetischen Effekt ist ein orthokinetischer Effekt überlagert, der sich, durch das schnelle Absetzen bedingt, für die großen Teilchengrößen ergibt. Das gleichzeitige Auftreten perikinetischer oder orthokinetischer Effekte führt zu der Kompaktheit, Homogenität, höheren. Ab-Setzgeschwindigkeit und der mechanischen Festigkeit der Masse. Diese Vorgänge ermöglichen es, daß zusammen mit dem erforderlichenfalls zuzusetzenden Zement der 20- bis 30%ige Tongehalt der Versatzmasse ebenfalls in dem Hohlraum verbleibt und die Kompaktheit erhöht. Ein derart vorteilhaftes Ergebnis kann . bisher nur durch Anwenden von Kettenpolymeren geeigneten hohen Molekulargewichtes erreicht werden, wobei die Molekulargewichte über 600 000, vorzugsweise über 10⁶, liegen und ein großes molares Kohäsionsinkrement von mehr als 5 Kilokalorien pro Mol vorhanden ist.

Durch die Verkürzung der Versatzzeit ergibt sich die Möglichkeit, den Versatz und den Abbau der Kohle gleichzeitig und kontinuierlich durchzuführen.

Das abgetrennte Wasser, das in dem Versatzraum anfällt, kann in praktisch reinem Zustand an die Pumpanlage innerhalb der Grube transportiert werden. In einem in sich geschlossenen System kann das Wasser auch direkt an die Erdoberfläche zurückgebracht werden, so daß bisher erforderliche Sedimentationssümpfe im Inneren der Grubenanlage im allgemeinen nicht mehr erforderlich sind. Der erhöhte Reinheitsgrad des Wassers beruht darauf, daß in der Polymerenstruktur sowohl anionaktive als auch kationaktive Gruppen vorliegen, wodurch sich ein gleichzeitiges Binden, Sammeln und Ausflocken der unterschiedlich geladenen Teilchen unter Ausbilden hydrophober Koagulate ergibt.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Spülversatzverfahren zum Auffüllen von abgebauten Grubenräumen unter Verwendung von wäßrigen Erd- oder Sandaufschlämmungen sowie unter Zusatz eines die Absetzgeschwindigkeit der Aufschlämmung beschleunigenden, in Wasser suspendierten, eine Fadenstruktur aufweisende Kolloidlösung bildenden Polymers der Acrylderivate, dadurch gekennzeichnet, daß dem jn bekannter Weise hydraulisch gewonnenen Sand bzw. der Erde ein vorzugsweise aus einem Co-Pplymer aus dem Natriumsalz der Acrylsäure und Acrylamid bestehendes Kettenpolymer in einer Menge von 30 bis 300 g zu 1 Tonne Trockengewicht des Sandes oder der Erde untergemischt wird, wobei das Kettenpolymer in einer 0,5- bis 5,0%igen wäßrigen Lösung vorliegt und ein über 6 X 10⁵, vorzugs-

. weise über 1 X 10⁶, liegendes Molekulargewicht aufweist und wobei das Kettenpolymer vorzugsweise kation- und anionaktive Gruppen enthält, welche an ihren Seitenketten Restvalenzen aufweisen, deren Molekular-Kohäsionsanteil größer als 5 Kilokalorien pro Mol ist, und daß diese Versatzmasse derart kontinuierlich in die aufzufüllenden Hohlräume befördert wird, wobei das im wesentlichen von festen Schwebeteilchen freie Wasser gleichzeitig fortwährend aus den Hohlräumen entfernt wird, daß die Absetzgeschwindigkeit der Versatzmasse etwa ihrer Zufuhrrate entspricht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Molar-Kohäsionsinkrement der funktioneilen Gruppen an der Seitenkette 8 bis 14 Kilokalorien pro Mol beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kettenpolymer an dem Einlauf des Grubenraumes in · die Schlammleitung dosiert zugesetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem hydraulisch gewonnenen Sand oder der Erde 1 bis 15°/o Zement zugemischt werden.

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