DE3313727A1

DE3313727A1 - Verfahren zur herstellung von damm- und hinterfuellbaustoffen

Info

Publication number: DE3313727A1
Application number: DE19833313727
Authority: DE
Inventors: Wilfried Dr.-Ing. 4630 Bochum Erdmann; Rolf Dr.-Ing. 4630 Bochum Köhling; Dietrich Dr.-Ing. 4300 Essen Leininger; Peter Prof. Dr.-Ing. 3014 Laatzen Neumann-Venevere
Original assignee: Bergwerksverband GmbH
Current assignee: Bergwerksverband GmbH
Priority date: 1983-04-15
Filing date: 1983-04-15
Publication date: 1984-10-18

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von
Damm- und Hinterfüllbaustoffen, insbesondere für den Untertagebergbau, bestehend aus hydraulisch abbindenden Bindemitteln und ggf. Zuschlagstoffen.
Hydraulisch abbindende Damm- und Hinterfüllbaustoffe sind sowohl als pulverförmige als auch als körnige Baustoffe bekannt. Die körnigen Baustoffe unterteilt man nach Kornfraktionen von 0 bis 2, 0 bis 4 bzw. 0 bis 8 mm, je nachdem, ob diese als Feinmörtel (0 - 2 mm), als Grobmörtel (0 - 4 mm) oder als Hinterfüllbeton (0 - 8 mm) eingesetzt werden. Sie können, je nach Anteil der Bindemittel-- überwiegend Zement - und Einsatz entsprechender Beschleuniger, als sofort-, früh- und spättragende Baustoffe Verwendung finden. Die vorerwähnte Abstufunq entspricht dem zeitlichen Ablauf der Druckfestigkeitsentwicklung (nach Stunden und Tagen), wobei für die einzelnen Baustoffe abgestufte Grenzwerte nach Zeit einzuhalten sind. Für die früh- und spättragenden Baustoffe ist außerdem auch die 28-Tage-Festigkeit ein Kriterium.
Die pulverförmigen Baustoffe haben demgegenüber einen Kornaufbau von 0 bis etwa 1 mm; hierfür werden in der Regel fein vermahlene, natürliche Stoffe oder aufbereitete Abgänge aus der Industrie verwendet, insbesondere sythetische Gipse und Anhydrite, die den natürlichen Anhydrit substituiren. Diese pulverförmigen Baustoffe dienen als sogenannte Blitzdämmer und werden für diesen Zweck in Mischern unter Wasserzusatz zu Trüben aufbereitet und sofort verarbeitet.
Die Druckfestigkeiten nach 24 h liegen meistens zwischen 30 und 40 N/mm2.
Die Festigkeitsentwicklung der verschiedenen Damm- und Hinterfüllbaustoffe ergeben sich aus nachfolgender Tabelle: Kennzeichnung der Festigkeitsentwicklung in N/mm2 Baustoffe nach Stunden nach Tagen 1 3 5 24 28 Soforttragende 1,0 3,0 10,0 Frühtragende 5,0 10,0 20,0 Spättragende 0 6-8 Allgemein haben Damm- und Hinterfüllbaustoffe bestimmten Bedingungen hinsichtlich der Verwendung und des Einbaus zu entsprechen: so müssen sich die Baustoffe im Untertagebau auch oberhalb des Firstes des Streckenausbaus und des Streckensaums der Flözdecke mechanisch einbringen lassen.
Sie müssen dicht schließen und in der Festigkeit Bestand haben.
Die allgemein gebräuchlichen Gipse und synthetischen Anhydrite haben den Nachteil fehlender Wasserbeständigkeit.
Diese Baustoffe verändern sich mit Feuchte nach Zeit, sie "fallen", verlieren daher an Festigkeit und in feuchter Umgebung an Bestand.
Bei den übrigen Damm- und Hinterfüllbaustoffen, die aus fein vermahlenem Gestein, Feinsand oder Flugstäuben, in Verbindung mit Zement, zusammengesetzt sind, wird, um den Anforderungen zu genügen, ein hoher Anteil des Bindemittels, im wesentlichen hochwertigen Zementes, erforderlich.
Feinmörtel mit hohem Mehlkornanteil besitzen eine große Stoffoberfläche über das Feinkorn, die Umhüllung der Kornoberfläche mit Bindemittel und damit der Festigkeitsaufbau sind an einen hohen Einsatz des Bindemittels gebunden.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen Damm- und Hinterfüllbaustoff zu schaffen, der die vorerwähnten Nachteile nicht aufweist, sondern den Anforderungen an Beständigkeit, Druckfestigkeit und Härtungsvermögen genügt. Es versteht sich, daß ein solcher Baustoff kostengünstig herzustellen sein sollte. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Bindemittel hergestellt wird durch Brennen von kohlehaltigem Bergematerial aus der Aufbereitung von Kohle mit einer Körnung unterhalb 10 mm bei Temperaturen zwischen 800 und 1.1000C, vorzugsweise zwischen 800 und 9800C, bis die im Bergematerial enthaltene Kohle im wesentlichen ausgebrannt ist.
Weiterbildungen und bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat unter anderem den Vorteil kostengünstiger, insbesondere energiesparender, Herstellbarkeit der Damm- und Hinterfüllbaustoffe sowie die Nutzung eines ansonsten nur aufgehaldeten Abfallproduktes aus dem Bergbau. Das erfindungsgemäße Brenngut kann nicht nur als Feinststoff für Damm- und Hinterfüllbaustoffe genutzt werden, sondern auch als latent hydraulischer oder puzzolanischer Stoff.
Bei dem hier in Frage kommenden Ausgangsmaterial, nämlich kohlenhaltigem Bergematerial aus der Aufbereitung von Kohle mit einer Körnung unterhalb 10 mm, handelt es sich also im wesentlichen um die Verwendung von sogenannten Fein-Waschbergen, die in einer Körnung zwischen etwa 0,5 und 10 mm anfallen, sowie um Flotationsberge, deren Körnung in der Regel unter 2 mm lieqt. Das Ausgangsmaterial braucht deshalb nicht besonders aufbereitet, insbesondere nicht gemahlen zu werden, da es als Abgang aus der Aufbereitung von Kohle in der richtigen Körnung bereits vorliegt.
Für die thermische Behandlung wird das Ausgangsmaterial, welches, außer aus einem mengenmäßig niedrigen Anteil Kohle, im wesentlichen aus Ton und Quarz besteht, keramisiert. Dabei wird der Brennprozeß durch den Kohlegehalt des Ausgangsmaterial, der bevorzugt bis zu 25 Gew.-% beträgt, energiemäßig unterstützt. Vor allem führt aber die Verwachsung der Kohle mit dem Inertmaterial überraschenderweise dazu, daß das gebrannte Gut bereits in der für den Verwendungszweck richtigen Körnung vorliegt. Es kommt lediglich darauf an, daß der wesentliche Kohlegehalt des Ausgangsmaterial ausgebrannt ist, wobei kleinere Kohlerestmengen von etwa 1 bis 2 Gew.-% für den weiteren Verwendungszweck unschädlich sind.
Besonders geeignet zur energiesparenden Erzielung von Damm- und Hinterfüllbaustoffen in der notwendigen Körnung ist das Arbeiten in einer Wirbelschicht während des Brennens des Ausgangsmaterials. Für eine solche Wirbelschicht wird als Wirbel- und Oxidationsgas für die Kohle in der Regel Luft verwendet.
Beim Brennen des Ausgangsmaterials und damit dem Verbrennen der darin enthaltenen Kohle entsteht als gebranntes Gut ein puzzolanischer Stoff (künstliche Puzzolene), sofern es sich bei dem Ausgangsmaterial um Flotationsberge handelt. Bei Fein-Waschbergen, die neben der Körnung von 0,5 bis 10 mm nur wenig Feinanteil mitführen, fällt der puzzolanische Stoff in geringem Umfang an.
Das Brenngut aus Fein-Waschbergen wird für den Aufbau von körnigen Baustoffen im Untertagebau verwendet, der erforderliche Feinstanteil zu dem Aufbau eines Mörtels oder Betons muß daher aus dem Brenngut der Flotationsberge ergänzt werden.
Künstliche Puzzolane - über Zement aktiviert - führen zu einem Mischbinder, dessen Festigkeit und die Beschleunigung der Erhärtung von dem Anteil des Zementes abhängt.
Die Eigenschaften des auf diesem Wege erstellten Bindemittels werden nach der DIN 1164 ermittelt.
Schon bei der Zugabe von einem Anteil von 15 Gew.-% Zement werden Druckfestigkeiten erreicht, die die Anforderungen, die an Dammbaustoffe gestellt werden, überschreiten.
Das zeigt, daß es also möglich ist, die bisher bekannten Bindemittel durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen mit den Flotationsbergen als Ausgangsmaterial in wesentlichem Anteil zu substituieren. Dieses ergibt sich in besonderem Maße noch dadurch, daß die gebrannten Flotationsberge als Bettmeterial und als Zyklonenstaub aus der Wirbelbettfeuerung verfahrensbedingt anfallen.
Das Bettmaterial weist Körnungen im wesentlichen bis zu 0,2 mm auf. Es ist weich und läßt sich daher einfach und in energiesparender Weise vermahlen.
Der Flugstaub der Zyklone fällt außerordentlich fein an.
Das Feingut der Zyklone hat, nach Blaine gemessen, eine Oberfläche bis 15.000 cm2/g.
Das Bettmaterial - in Verbindung mit Zementklinker oder Zement - läßt sich leicht vermahlen, mit dem Zyklonenstaub versetzt werden MahlEcinheiten mit einer Oberfläche bis zu 6.500 cm2/g erreicht, die die reinheit hochwertiger Zemente überschreiten.
Hochfeiner Zyklonenstaub, oder das vermahlene Bettmaterial mit Zyklonenstaub versetzt, lassen sich außerordentlich günstig über Portlandzemente aktivieren. Brenngut hoher Feinheit führt zu einer schnellen Erhärtung, begünstigt somit die Geschwindigkeit der Festigkeitsentwicklung und fördert den Prozeß der Hydratation, ist demnach Festigkeitsbildend.
Ein solcher puzzolanischer Stoff ist den natürlich anfalllenden wesentlich in den Eigenschaften überlegen, was entsprechende Versuche gezeigt haben.
Der Hauptkörnungsanteil der gebrannten Flotationsberge, nämlich 64 Gew.-%, liegt zwischen 0,071 und 0,2 mm; etwa 25 Gew.-% sind kleiner als 0,063 mm. Der Anteil der Körnung unter 0,063 mm kann - wie erwähnt - durch Mahlung erhöht werden, um den Zementzusatz zu verringern. Dabei kann der Zement oder Zementklinker vor, während oder nach der Mahlung zugesetzt werden. Hat der Brennprozeß z. B.
bei etwa 1.000°C stattgefunden, bedarf es keiner allzu hohen Mahlintensität, was die Kosten hierfür günstig verringert.
Unter 0,063 mm aufgemahlenes, gebranntes Gut ist insbesondere als Zusatz zu einem aus Fein-Waschbergen erbrannten Gut geeignet, weil die hierdurch erreichte Erhöhung des Feinkornanteiles dieses gebrannten Gutes den Bedarf an Zement verringert. Besonders vorteilhaft ist eine Mahlung des gebrannten Gutes auf eine Mahlfeinheit nicht unter 3.000 cm2/Blaine-Oberfläche/g gebrannten Gutes; dann braucht nur noch relativ wenig Zement oder Zementklinker zugesetzt zu werden und gleichwohl werden in kurzer Zeit hohe Festigkeiten des zubereiteten Damm- und Hinterfüllbaustoffes erzielt. Als besonders vorteilhaft'hat es sich erwiesen, wenn dem Ausgangsmaterial Kalksteinmehl zugesetzt und der Brennprozeß bei etwa 1.050"C oder leicht darüber durchgeführt wird, weil durch diese Maßnahme die Hitzebeanspruchung der Kornoberflächen gemindert wird, so daß auch bei den hohen Temperaturen Schmelzbildungen an der Kornoberfläche weitgehend verhindert werden und weder Kornzusammenbackungen während des Brennprozesse, noch zu allzu hohe Härte des gebrannten Gutes auftreten, was für eine anschließende Mahlung von Vorteil ist. Sofern so viel Kalksteinmehl zugesetzt wird, daß damit nicht nur das bei der Verbrennung des Bergematerials anfallende S02 gebunden wird, sondern auch nach dem Brennprozeß ein Kalküberschuß vorliegt, wird ein besonders frühes Härten des zubereiteten Damm- und/oder Hinterfüllbaustoffes gewährleistet; bevorzugt sollte das gebrannte Gut mindestens 4 Gew.-% SO3 und mindestens 2 Gew.-% freies CAO aufweisen. - Sofern Kalksteinmehl zugesetzt wird, richtet sich der Zusatz an Zementklinker oder Zement nach dem Anteil von SO3 und freiem CaO des gebrannten Gutes.
Es ist auch möglich, die Flotationsberge vor dem Brennprozeß einer zwangsverdichteten Kornformung zu unterwerfen, z. B. in einer hochtourigen Granuliervorrichtung, und auf diese Weise eine ganze Kornpalette an Ausgangsmaterial bereitzustellen, wenn man beabsichtigt, körnige statt pulverförmige Damm- und Hinterfüllbaustoffe herzustellen.
Wenn man so geformte Körner mit Kalksteinmehl bepudert, verhindert man nicht nur deren Zusammenbacken im Brennprozeß, sondern bindet den Kalk gleichzeitig ein und bindet das Schwefeldioxid aus der Kohleverbrennung.
Die grobkörnigeren Bestandteile des gebrannten Gutes haben die Funktion eines Zuschlagstoffes, während die feineren Fraktionen Bindemitteleigenschaften aufweisen, die dadurch verstärkt werden, daß dem gebrannten Gut ein Teil von auf unter 0,063 mm aufgemahlenem, pulverförmigem, gebranntem Gut zugegeben wird. Damit ist die gesamte Palette der Damm- und Hinterfüllbaustoffe, sowohl hinsichtlich der Bindemittel als auch hinsichtlich der Zuschlagstoffe, von sehr schnell bis sehr langsam abbindenden Bau stoffen aus einem einzigen Ausgangsmaterial herstellbar, so daß die bisherigen Bindemittel und Zuschlagstoffe im wesentlichen entfallen können. Besonders der erwähnte Zusatz an aufgemahlenem, gebranntem Gut erhöht die Plastizität der Damm-und Hinterfüllbaustoffe und verbessert auch die Verschleißeigenschaften.
Ein besonderer -Vorteil der erfindungsgemäßen Bindemittel besteht darin, daß sie, anders als Gips, nicht dehydratisierbar sind und das das Schwinden der damit hergestellten Damm- und Hinterfüllbaustoffe vermindert und somit eine bessere Verbindung mit dem Material gegeben ist, das mit dem, Damm- und Hinterfüllbaustoff umgeben ist oder befestigt wird, wie Felswände und Strebwerk im Untertagebergbau.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Damm- und Hinterfüllbaustoffen Patentansprüche 1. Verfahren zum Herstellen von Damm- und Hinterfüllbaustoffen, insbesondere für den Untertagebergbau, bestehend aus hydraulisch abbindenden Bindemitteln und ggf.

Zuschlagstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß kohlenstoffhaltiges Bergematerial aus der Aufbereitung von Kohle mit einer Körnung unterhalb von 10 mm bei Temperaturen von 800 bis 1.1000C, vorzugsweise von 820 bis 9800C, bis im wesentlichen zum Abschluß des Kohleausbrandes gebrannt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung von Flotationsbergen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bergematerial mit Kalkstein derart angereichert wird, daß dadurch neben der für das Einbinden des beim Brennen anfallenden SO2 notwendigen Menge an Kalksteinmehl noch ein Uberschuß vorliegt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gebrannte Gut mindestens 4 Gew.-% SO3 und mindestens 2 Gew.-% freies CaO aufweist.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennen in einer Wirbelschicht stattfindet.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das gebrannte Gut auf eine Mahlfeinheit nicht unter 3.000 cm2/g (Blaine-Oberfläche) vermahlen wird.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das gebrannte Gut auf unter 63 ßm vermahlen wird.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem gebrannten Gut 10 bis 30 Gew.-% Zement oder Zementklinker zugesetzt werden.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Bergematerial vor dem Brennen in Zwangsverdichtern zu einem korngeformten Rohgut verarbeitet wird.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Bergematerial als krümeliges Rohgut aus Filterpressen der Flotationsberge dem Brennprozeß zugeführt wird.