Основные направления совершенствования качества крепи вертикальных стволов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

© С.Г. Страданченко, М.С. Плешко, В.Н. Армейсков, 2010

УДК. 622.25.(06)

С.Г. Страданченко, М.С. Плешко, В.Н. Армейсков

ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ КА ЧЕСТВА КРЕПИ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ

Рассмотрены особенности совмещенной схемы проходки. Приведены результаты испытаний модифицированных бетонов и фибробетонов. Сделан вывод о перспективности их применения при строительстве вертикальных стволов

Ключевые слова: проходка стволов, монолитная бетонной крепь, призабойная зона

ствола, фибробетон.

Яачиная с 70-х годов прошлого века и по настоящее время, в нашей стране доминирующее положение занимает совмещенная схема проходки стволов с креплением их монолитным бетоном.

Профессором Н.С. Булычевым было предложено рассматривать две стадии взаимодействия крепи с массивом при совмещенной схеме проходки:

1) взаимодействие твердеющей монолитной бетонной крепи с деформирующимся массивом пород в призабойной зоне ствола;

2) взаимодействие крепи проектной прочности со стабилизировавшимся массивом на протяженном участке ствола.

В практике проектирования стволов большое распространение получили методы расчета на основе принципа контактного взаимодействия крепи с массивом, основанные на аналитических решениях соответствующих задач теории упругости в плоской постановке. Этот метод позволяет с необходимой точностью оценить напряженно-

деформированное состояние крепи на второй стадии взаимодействия крепи с массивом.

Семинар № 3

Расчеты показывают, что область применения монолитной бетонной крепи при увеличении класса бетона возрастает по параболической зависимости, и при переходе с класса бетона В15 на В30 несущая способность крепи толщиной 250 мм возрастает на 40-80% в зависимости от горно-геологических условий. Это существенно больше, чем при увели-чении толщины крепи в 2 раза.

Призабойная зона ствола представляет собой пространственный объект, в котором с массивом взаимодействует толстостенная бетонная оболочка переменного сопротивления, физико-

механические свойства которой определяются видом и скоростью твердения бетона, а также темпами проходки ствола. Влияние этих параметров при оценке проектной несущей способности крепи, как правило, не учитываются.

Оценку напряженно-деформированного состояния крепи призабойной зоны удобно выразить через отношение напряжений в крепи к прочности бетона <У\№т (здесь о - максимальные нормальные тангенциальные напряжения в сечении крепи; Rт - прочность бетона при сжатии в рассматриваемый момент времени).

Таблица 1

Результаты испытаний бетонов различного состава на сжатие

№ состава Состав бетона (тип и расход) Осадка конуса, см Прочность бетона при сжатии, МПа, в возрасте, сут

Цемент ПЦ М500, кг/м3 Щебень Песок, кг/м3 Вода, л/м3 (В/Ц) Добавка, (%*) 1 3 28

1 350 1000 700 175 (0,5) - 5 6,3** (0,195) 14,8 (0,46) 32,3

2 350 1000 700 165 (0,47) Реламикс -2 (1,0%) 18 15,3 (0,39) 25,4 (0,65) 39,2

3 350 1000 700 165 (0,47) Biseal SCC (0,8%) 17 6 7) о 36,5 (0,78) 47,0

4 350 1000 700 165 (0,47) SikaViscoCrete (1,0%) 16 15,9 (0,30) 2 8) 52,6

Примечания: * - масса добавки в процентах от массы цемента; ** - значение отношения RT /К28

К, МПа

Г, сут

Рис. 1. Набор прочности бетона: 1 - контрольный состав; 2 -модифицированный состав с добавкой «Реламикс-2» в объеме 1% от массы цемента и полипропиленовой фибры в количестве 0,9 кг/м3

Наиболее интенсивному воздействию подвергается ближайшая к забою заходка крепи в момент снятия опалубки, запас несущей способности которой может быть в 1,52 раза ниже чем у крепи проекторной прочности, удаленной от забоя ствола.

На практике, для увеличения несущей способности твердеющей крепи применяют ускорители твердения бетона, которые увеличивают прочность и жесткость бетона в раннем возрасте. Так как на величину проектной прочности эти добавки не оказывают заметного влияния, их использование может привести к увеличению интенсивности напряжений в крепи вследствие снижения податливости бетона в начальный период твердения.

Более перспективным направлением является применение модифицированных бетонов на основе современных комплексных добавок.

Авторами был выполнен ряд лабораторных испытаний, некоторые результаты которых представлены в табл. 1. Состав 1 является контрольным.

Полученные данные показывают, что включение комплексов Реламикс - 2, Biseal SCC и SikaViscoCrete в объеме 0,8 - 1,0% от массы цемента, обеспечивают прирост прочности бетона возрасте 1 - 3 суток в пределах 36,2 - 64,2%, а в про-

Е, МПа

40000 35000 30000 25000 20000 15000 10000

5 10 15 20 25 30 35 40 45

Д, МПа

ектном возрасте - 12,9 - 38,6% при высокой подвижности бетонной смеси.

Для увеличения деформативных свойств бетона целесообразно включение в состав бетона элементов с низким модулем упругости, к которым в частности относится полипропиленовая фибра.

Для оценки эффективности ее влияния были выполнены испытания 15 образцов бетона состава № 2 с включением полипропиленовой фибры в объеме 0,9 кг/м3. Основные характеристики фибры представлены в табл. 2.

На рис. 1 представлена динамика набора прочности бетона контрольного состава и бетона состава № 2 с полипропиленовой фиброй.

На рис. 2 представлена динамика из-

Рис. 2. Зависимость начального модуля упругости бетона контрольного и модифицированного составов от прочности на сжатие

менения начального модуля упругости данных составов в зависимости от прочности бетона на сжатие.

В результате обработки данных получена следующая зависимость начального модуля упругости фибробетона от прочности на сжатие:

Е = 3521,4 • R0’57б. (1)

Коэффициент корреляции по зависимости (1) составил 0,994.

На основе полученных результатов выполнена сравнительная оценка напряженно-деформированного состояния крепи из обычного и модифицированного фибробетона с помощью расчета конечно-элементных моделей с физикомеханическими характеристиками бетона крепи, принятых в соответствии с рис. 1 и 2. На рис. 3 показана динамика изменения относительной интенсивности напряжений в бетоне крепи призабойной зоны ствола в зависимости от расстояния крепи от забоя.

Сравнительное исследование в различных условиях показало, что применение модифицированного фибробетона позволяет увеличить несущую способность твердеющей крепи в призабойной зоне в 1,53 - 2,04 раза, а крепи проектной прочности в среднем в 1,5 раза.

сп/Ят

Н, м

Таблица 2

Характеристика полипропиленовой фибры

№ п/п Наименование показателя Значение показателя

1 Материал Чистый полипропилен С3Н6 с замас-ливателем

2 Тип Мультифиламентная

3 Длина волокна 18 мм

4 Диаметр волокна 15 микрон

5 Форма Круглая

6 Плотность при 20 °С, г/см3 0,91 г/см3

7 Модуль упругости, МПа 5700

8 Температура размягчения 160 оС

9 Температура воспламенения >320 °С

Полученные результаты говорят о перспективности

применения модифицированных бетонов и фибробетонов при строительстве вертикальных стволов. Однако для обеспечения необходимых проектных

свойств нужен тщательный контроль за приготовлением, транспортированием и укладкой бетонной смеси, и переход в частности на контейнерную доставку смеси в забой ствола.

---------------------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Баженов Ю.М. Технология бетона: 2. Булычев Н.С. Механика подземных со-

Учебник для вузов / М.: Изд-во АСВ, 2003. - оружений. Учеб. для вузов. - М.: Недра, 1994. 500 с. ' - 382 с. ЕШ '

г Коротко об авторах

Страданченко С.Г. - доктор технических наук, профессор, директор Шахтинского института Южно-Российского государственного технического университета, зав. кафедрой «Подземное, промышленное, гражданское строительство и строительные материалы», si-ш^и@ siurgtu.ru

Плешко М.С. - кандидат технических наук, доцент, докторант кафедры «Подземное, промышленное, гражданское строительство и строительные материалы» Шахтинского института Южно-Российского государственного технического университета,

Армейсков В.Н. - горный инженер, заместитель директора Шахтинского института ЮжноРоссийского государственного технического университета, siшrgtu@ siurgtu.ru

Рис. 3. Относительная интенсивность напряжений в бетоне крепи призабойной зоны