Utilization of Waste Rock from Oil Shale Mining

Eesti tähtsaima maavara kukersiidi kaevandamise, rikastamise ja täitematerjalide tootmise käigus saadavad jäägid on kasutatavad erinevatel eesmärkidel. Põlevkivi tööstuslik kihind sisaldab lisaks põlevkivi kihtidele ka paekihte ja suletisi, mille survetugevus on 40 – 80 MPa samal ajal, kui põlevkivi survetugevus on 24 – 40 MPa.

Varasemad uuringud on 90-ndatel on näidanud, et aherainest toodetud täitematerjal margiga M400 - M600 ning külmakindlusega 25 tsüklit on kasutatav väikese koormusega teedel ning tagab betooni tugevuse M300 ja külmakindluse F150 – F200 vastavalt GOST. Leitud on kriitiline veeimavus 5%, mille juures täitematerjali saab ehituses kasutada. Uuringud kinnitasid ka sõelaaluse peene täitematerjali kasutamise võimalikkust kaevanduste tagasitäite betoonides, mille sideaine komponendiks oli põlevkivi küttel töötava elektrijaama tolmkihtkatelde tuhk. Uuringute käigus selgus, et parimaks kasutatavaks tehnoloogiaks on mitmeastmeline valikpurustamine ning parimaks purusti tüübiks rootorpurusti. Katsetati ka killustiku tootmist lõugpurustitega. 2001. a purustati Estonia kaevanduse ja Aidu karjääri aherainet kaheastmelises rootorpurustitega sõlmes ning saavutati purunemiskindlus LA ! 35% ja külmakindlus F = 4 - 14%. Järeldati, et täitematerjali parema külmakindluse saamiseks, on vajalik täiendavalt purustada sõelapealne +20 mm materjal. 2006. a paigaldati Aidu karjääri 3-astmeline rootorpurustitega purustussõlm, mis tagab täitematerjali purunemiskindluse LA ! 35% ja külmakindluse F ! 4%.

Täitematerjalide omaduste peamiseks probleemiks on madal külma- ja purunemiskindlus, mis on tingitud nõrkade põlevkivi terade sisaldusest täitematerjalis. Vajalik on leida lahendus põlevkivi osakeste eemaldamiseks lubjakivist või vältida põlevkivi sattumist täitematerjalide hulka.

Metoodikana on kasutatud aherainest erinevate tehnoloogiatega toodetud täitematerjalide katsetulemusi ning tehtud statistiline analüüs ning leitud seaduspärasused.

Käesoleva töö tulemusena on leitud, et täitematerjali külmakindlus määrab ära aheraine kasutamise võimaluse. Katsed kinnitavad, põlevkivi sisaldusest sõltuvad muud omadused on korrelatsioonis külmakindlusega. Purustustsüklite arvu suurendades purustatakse nõrgem põlevkivi sisaldav materjal ning sõelapealse materjali külma- ja purunemiskindlus paraneb. Põlevkivi osakesed mõjutavad täitematerjali külmakindlust ja vähem purunemiskindlust. Killustiku tugevusomaduste võrdlemisel GOST ja EN vahel on leitud, et puudub sõltuvus purunemiskindluse ja silindris purunemise vahel, leitud on sõltuvus külmakindluste vahel. On leitud kriitiline kütteväärtuse piir Qb d < 1.4 MJ/kg, mille juures on täitematerjal kasutatav ehitustegevuses vastavalt EN nõuetele. On leitud, et kriitiline veeimavus, mille juures on täitematerjal kasutatav ehitustegevuses sõltub kivimi koostisest ning on vahemikus 2.5 – 5%. Lähtudes kütteväärtusest on ehitustegevuses kasutatavad kihid A/B ja C/D, ülejäänud
kihid ehitustegevuseks ei sobi ning on teoreetiliselt sobilikud kasutamiseks tagasitäitmisel. GOST põhjal saadud järeldused täitematerjali kasutamiseks betoonis ei kehti EN nõuete puhul ning vajadus on teostada uued uuringud. Kuna külmakindlus on sõltuvuses kütteväärtusest võib külmakindluse kiirmääramiseks kasutada täitematerjali (sõelmete) kütteväärtust.

Teades aheraine täitematerjali omadusi ning rakendades valikpurustamist ning kõrgselektiivset väljamist, on võimalik senisest enam kasutada aherainet.

Abstract

Estonian most important mineral resource is a specific kind of oil shale – kukersite. The waste rock extracted in mining or separated in plant is usable for different purposes. In addition to oil shale, the commercial bed of oil shale consists of limestone layers and concretions with compressive strength from 40 to 80 MPa. The compressive strength of oil shale is 24 – 40 MPa.

Studies from 90-s have shown that aggregate produced from oil shale mining waste rock with destructibility M400-M600 and frost resistance 25 cycles can be used in road building with low traffic volume and to guarantee a compressive strength of concrete M300 and frost resistance F150-F200 in accordance with GOST. In order to utilize aggregate in road building and civil engineering, the maximum limit of water absorption 5% was determined. Also, conclusion was made that undersized fine aggregate is usable for backfilling of the mined areas in concretes, where ashes from powdered combustion are used as a binder. Different schemes of crushing and screening showed that the best type of crusher is impact crusher because it uses selective crushing, a method that liberates weak oil shale particles from hard limestone waste rock.

In 2001/02, aggregate from waste rock from “Estonia” underground mine and “Aidu” open cast was produced with a two-stage crushing plant with impact crushers. Tests show that aggregates resistance to fragmentation LA is lower than 35% and resistance to freezing and thawing F is 4 … 14%. The conclusion was made that in order to increase the quality of coarse aggregate, a third impact crusher shall be installed to crush additionally oversized 20 mm aggregate. In 2006, a three-stage crushing plant with impact crushers was installed in “Aidu” open cast. The production scheme guarantees aggregates resistance to fragmentation LA ! 35% and resistance to freezing and thawing F ! 4%.

The main problem of the properties of aggregate is low resistance to fragmentation and resistance to freezing and thawing, which is caused by fine and weak oil shale particles. It is essential to find ways to extract oil shale and limestone separately.

This study shows that resistance to freezing and thawing determines areas utilization of aggregate. Tests show that properties, which depend on content on oil shale, are correlated with resistance to freezing and thawing. Resistance to freezing and thawing of oversized coarse aggregate increases after every stage of crushing because weaker and finer aggregate is screened out. Particles of oil shale have greater impact on resistance to freezing and thawing than on resistance to fragmentation. There is no correlation between destructibility (in accordance with GOST) and resistance to fragmentation (in accordance with EN). Correlation between frost-resistance (GOST) and resistance to freezing and thawing (EN) exists. The heating value of the aggregate, which is usable for road building and civil engineering Qb d is lower than 1.4 MJ/kg. Water absorption depends on content of rock and W < 2.5…5%. Based on heating value, the interlayers A/B and C/D are usable in civil engineering and road building. Other interlayers are usable for backfilling of the already mined areas.

The conclusion for utilisation of aggregate in concrete, which is made in accordance with GOST is not suitable in EN conditions and there is a need to study aggregate behaviour in concrete in accordance with EN requirements. A rapid way to estimate aggregates resistance to freezing and thawing is to determine the heating value of aggregate.

Knowing properties of aggregate and applying a selective crushing and highly selective mining method, it is possible to utilize more oil shale waste rock.