CC BY
122
© А.В. Быков, 2004
УДК 622.281.4:693.546.3 А. В. Быков
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ КРЕПЛЕНИЯ ВЫРАБОТОК НАБРЫЗГБЕТОНОМ
течественный и зарубежный опыт строительства горных выработок и в особенности тоннелей показывает, что в настоящее время все чаще и чаще при проходке таких выработок используют новоавстрийский способ, основным элементом которого является максимальное использование несущей способности пород приконтурного массива и дифференцированное включение в работу по периметру контура конструкции крепи. Причем в качестве последней используют анкерную в сочетании с набрызгбетон-ной. Поэтому во всем мире сейчас особое внимание уделяют технологии возведения такой крепи и составу используемой набрыз-гбетонной смеси.
Первое сообщение о возможности процесса набрызгбетонирования было сделано еще в 1910 г. [1]. Использование такой конструкции крепи в отечественном шахто-строении впервые было осуществлено на шахте им. К. Маркса в 1967 г. В дальнейшем было установлено, что использование на-брызгбетонной крепи в горизонтальных капитальных выработках обеспечивает экономию ресурсов. Это связано со значительным уменьшением толщины слоя крепи из на-брызгбетона по сравнению с монолитной бетонной или железобетонной крепью; с меньшей трудоёмкостью и энергоемкостью ее возведения. Кроме того, повышается устойчивость вмещающего массива из-за лучшего проникновения цементного молока в зону приконтурного слоя нарушенных пород. Более того, при одинаковом сечении выработки в свету приходится меньше вынимать породы вчерне из-за меньшей толщины слоя набрызгбетона по сравнению с толщиной крепи из монолитного бетона или железобетона.
Дальнейшие исследования по совершенствованию крепления выработок привели к созданию крепи регулируемого сопротивле-
ния. Впервые такая технология крепления была применена на экспериментальном участке шахты «Ворошилов-градская» № 1, а в 1984 г. было начато ее опытнопромышленное внедрение на шахте «Комсомолец Донбасса». Всего было испытано и внедрено 6 вариантов крепи. В качестве базовой была принята набрызгбетонная крепь толщиной 6 см в сочетании с анкерами.
Как известно, крепь регулируемого сопротивления основана на принципе ресурсосберегающей технологии и предназначена для обеспечения устойчивого состояния капитальных горных выработок в различных по сложности горногеологических условиях шахт за счет регулирования (в сторону увеличения) несущей способности крепи в зависимости от изменения геомеханической ситуации по длине выработки. Она позволяет повысить производительность труда проходчиков на 25 - 30 % и сэкономить 0,3 - 0,6 т металла на 1 м выработки [2].
Указанная крепь разработана РО «Укр-шахтострой», Московским горным институтом, институтом «Южгипрошахт», институтом ВНИИОМШС, отраслевой лабораторией МикИСИ, трестом «Оргтехшахтострой», ШСУ №2 треста «Артёмшахтострой» и трестом «Артёмшахтострой» при непосредственном участии автора статьи. Эта крепь внедрена на шахтах «Ворошиловтрадская» № 1 п.о. «Ворошиловградуголь», «Суходольская Восточная» п.о. «Краснодонуголь»,
«Комсомолец Донбасса» п.о. «Шахтерскан-трацит». Всего было закреплено 3290 м и полученный значительный экономический эффект.
По результатам внедрения были рекомендованы следующие составы набрызгбе-тонных смесей (на 1 м3): цемент марки М350
- 390 кг, песок - 1560 кг; цемент - 312 кг, песок - 1664 кг; цемент - 260 кг, песок - 1728 кг; цемент - 390 кг, песок - 1560 кг; NaF - 7,8
кг (1 : 3 + 5 % CaCl). Причем набрызгбетон-ная смесь со щебнем должна имеет следующие составы (цемент : песок : щебень): 1 : 2 : 1 или 1,0 : 2,2 : 1,1. Крупность щебня должна быть в пределах 10 - 25 мм.
В качестве добавок-ускорителей схватывания для набрызгбетонных смесей применяют хлористый натрий (№0), нитрат натрия (NaNO2), сульфат натрия (Na2SO4), сульфат калия (K2SO4), хлористый кальций (CaCl2), нитрат кальция (Ca(NOз)2), жидкое стекло, алюминат натрия, фтористый натрий, добавка ОЭС, хлорное железо, ННК, АНХК. Количество добавок должно быть от 1 до 5 % от массы цемента, т.к. добавление в смесь добавок более 5 % ведет к снижению прочности набрызгбетона и уменьшению адгезионных свойств бетона.
Крепление выработок набрызгбетоном вполне технологично и с точки зрения механизации процесса, т.к. все операции, начиная с загрузки бетономашины и кончая нанесением набрызгбетона на поверхность выработки, можно механизировать [3].
В настоящее время набрызгбетонирова-ние (торкретирование) осуществляется с помощью специальных установок, в которых в качестве транспортирующей среды чаще всего используется сжатый воздух, нагнетающий бетонную смесь по шлангу в сопло. Существует два способа набрызгбетонирования
- сухой и мокрый. При мокром способе подается обычная бетонная смесь, при сухом
- сухая смесь, в которую вода подается на выходе смеси из сопла. Набрызгбетониро-вание мокрым способом распространено гораздо шире, чем сухим. Однако пыль, выделяющаяся при сухом способе, менее опасна для здоровья, чем тончайшая аэрозоль, образующаяся при работе мокрым способом.
В Германии разработаны мероприятия по повышению безопасности работ по набрыз-гбетонированию «сухим способом». Выделены три основных вида вредных воздействий на человека: отравление парами ускорителей схватывания бетона; поражение компонентами бетонной смеси, отскакивающими от бетонируемой поверхности и пылеобразова-ние.
Токсичные ускорители твердения бетона наиболее вредны для здоровья работающего персонала. При их применении необходимо пользоваться рукавицами, закрытой спец-
одеждой и специальными защитными шлемами. С помощью смонтированного на шлеме вентилятора загрязненный воздух всасывается в фильтр грубой очистки, оттуда попадает во вторичный фильтр. Визир защищает лицо рабочего от попадания бетонной смеси. Смонтированный на нем светопрозрачный лист легко можно снять при загрязнении и заменить новым.
У рабочего-бетонщика чаще всего поражаются глаза и лицо разбрызгивающейся бетонной смесью. Установлено, что 30 % общего объема расходуемого торкрет бетона не закрепляется на бетонируемой поверхности. Следовательно, мероприятия, направленные на снижение частоты поражения при отскоке бетонной смеси, сводятся к отказу от применения заполнителя с острой ломаной поверхностью, использованию в качестве добавок клеев, оптимизации рабочего давления в торкрет-пушке, торкретированию при оптимальном положении мундштука по отношению к поверхности тоннеля (которое составляет под прямым углом 1,5 м).
Пылеобразование при «сухом» способе торкретирования в той или иной степени неизбежно. Мелкая пыль образуется как в самой торкрет-пушке (например, в уплотнительных шайбах), так и в зоне распылительного сопла. Часто высокая концентрация мелкой пыли образуется в месте загрузки исходной смеси в бункер торкрет-пушки. Пылеобразование можно существенно снизить за счет оптимального увлажнения исходной смеси (но не менее чем на 3 %), снижения высоты падения исходной смеси при загрузке бункера, применения жидкого ускорителя твердения вместо порошкообразного, а также дополнительного оснащения бункера защитным кожухом.
При этом способе торкретирования вода подается к распылительному соплу. Время смешивания добавляемой воды с сухой смесью на траектории полета от сопла до обделки тоннеля составляет 0,1 с. Этого времени недостаточно для смачивания пылеобразных частиц смеси. Снижение содержания пыли в зоне сопла можно достигнуть правильным подбором состава смеси путем оптимизации рабочего давления в бетонопроводе за счет совершенствования конструкции сопла, а также разработки других способов нанесения на стенки выработки торкрет бетона. Например, с помощью подмешивания в исходную
смесь специальных вяжущих добавок содержание пылеобразных частиц можно уменьшить в 10 раз. Рабочее давление в системе должно быть по возможности низким, но в то же время достаточным для того, чтобы избежать ее засорения. Для установления наиболее низкого давления в системе диаметр бетонопровода должен быть по возможности мал, но не менее трехкратного размера наиболее крупной фракции заполнителя. Длина трубопровода должна быть в пределах 30 - 100 м.
В случае применения очень сухой смеси (влажность менее 1,5 %) эффективными могут оказаться распылители специальной конструкции, которые обеспечивают образование вокруг разбрызгиваемой смеси водяную защиту. Для смесей влажностью от 3 - 4 % такие распылители не дают ощутимого снижения содержания мелкой пыли.
В Японии фирма Кумагаи-гуми разработала технологию набрызгбетонирования поверхностей сооружений подземного строительства с пониженным пылеобразованием. Данная технология (метод К-С) может применяться для сухого и мокрого способа нанесения смеси. Суть технологии заключается в добавлении в смесь мелкого и крупного заполнителей специальной сухой обеспыливающей добавки. Дальнейший технологический процесс приготовления бетонной смеси осуществляется по любой известной схеме (в том числе с предварительным увлажнением заполнителя и пониженной пластичностью смеси). Пылеобразование при использовании метода К-С составляет 5 мг/м3 и менее. В настоящее время технология беспыльного набрызгбетонирования применяется в Японии на ряде объектов подземного строительства
[4].
В практике мирового тоннелестроения при устройстве обделок получило распространение применения набрызгбетона с примесью стальных волокон. При использовании этого материала отпадает операция укладки арматурных сеток, а в некоторых случаях установки стальных арок, и в результате каждый цикл проходки тоннеля сокращается примерно на час. Водонепроницаемость набрызгбетона со стальными волокнами и его устойчивость против трещинообразова-ния позволяют работать с односторонней опалубкой. При строительстве тоннелей неглубокого заложения, например в пределах
города, такой метод значительно сокращает продолжительность их сооружения и приводит к экономии средств.
В Бельгии фирма BEKAERT разработала технологию изготовления бетона Dramix, армированного стальными волокнами, для применения в строительстве различных сооружений (где требуются повышенные требования к прочности, износостойкости, ударной прочности), в том числе при устройстве обделок шахт и тоннелей способом набрызгбетонирования .
Для избежания образования комков волокон при приготовлении бетонной смеси приняли решение изготавливать их в виде склеенных пучков и загружать непосредственно в бетонную смесь. Склеенные пучки волокон при перемешивании бетонной смеси перераспределяются в бетонной массе, а затем под действием воды и трения заполнителя разделяются на отдельные волокна. Равномерное и однородное распределение волокон в бетонной смеси обеспечивает стандартное смесительное оборудование. Опыт показал, что волокна следует загружать при помощи бункера-дозатора после перемешивания всех составляющих бетонной смеси. Время смешивания бетонной смеси со стальными волокнами обычно такое же, что и для других бетонных смесей. Способ транспортирования бетонной смеси с волокнами такой же как и обычной смеси, а ее укладку можно производить, используя стандартное оборудование. Смесь можно укладывать вручную, подавать бетононасосом, наносить торкретированием.
На приготовление 1 м3 бетонной смеси Dramix берут от 20 до 100 кг стальных волокон. Для изготовления волокон используют обычную сталь, сталь с коррозионным покрытием и нержавеющую. Из обычной стали изготавливают волокна длиной 25; 30; 50; 60 мм, диаметром 0,4; 0,5; 0,8; 1,0 мм. Из стали с антикоррозионным покрытием вытекают волокна длиной 40 и 60 мм, диаметром 0,6 и 0,8 мм, а из нержавеющей стали волокна длиной 30 и 50 мм, диаметром 0,4 и 0,5 мм. Прочность бетона на сжатие в зависимости от процентного содержания стальных волокон в смеси 50 - 65 МПа, при растяжении 4,2
- 5,5 МПа.
В Японии фирма Тейсей разработала высокопроизводительный (6 - 12 м3/ч) автоматизированный комплекс для приготовления и
набрызга бетонной смеси с дистанционно управляемым соплом на стреле экскаватора. Метод успешно применен при строительстве ряда железнодорожных тоннелей. Основой технологической схемы являются две параллельные технологические линии, объединенные операцией смешивания SEC - раствора на стадии бетонной смеси. На одной технологической линии изготавливается цементный раствор по методу SEC (дозировка, промывка, контроль влажности песка, смешивание с цементом, водой и добавками, перекачка растворонасосом в нагнетательную установку). На другой технологической линии приготавливаются компоненты для сухого торкретирования (гравий, песок, стальная фибра, цемент, химические добавки-ускорители схватывания и твердения). Перемешанные компоненты поступают в набрыз-гмашину, а затем по трубопроводу в смеситель с SEC - раствором. Из смесителя готовая смесь через сопло набрызгивается на бетонируемую поверхность [4].
Данная технология с предложенной системой позволяет получить однородный с большим сцеплением с породой высокопрочный бетон, хорошо работающий как на сжатие, так и на растяжение. Прочность на сжатие 50 - 60 МПа, прочность на растяжение - 10 МПа. Бетон устойчив на динамическое воздействие (землетрясения) за счет введения стальной фибры и химических добавок. Кроме того, значительно уменьшается величина отскока с 30 % для традиционного до 10 % по предложенной технологии.
На кафедре «Строительство шахт и подземных сооружений» ДонНТУ разработан безлюдный способ набрызгбетонирования (установлены его безопасные и эффективные параметры), при котором жидкие покрытия наносятся на поверхность защищаемых объектов с помощью энергии взрыва.
Сущность данного способа состоит в том, что подготовка обрабатываемой поверхности и набрызгбетонирование производится путем диспергирования соответствующих составов (смесей, растворов) из легкоразрушаемых
1. Ростовцев Д.С. Торкретбетон, его свойства и применение в горном деле. - Издание Донугля, 1930. -385 с.
(полиэтиленовых) сосудов (мешков) при помощи взрыва размещенного в каждом из них заряда взрывчатого вещества (ВВ). Снаряженные таким образом сосуды рассредоточиваются в выработке (камере или в другом защищаемом объекте). Количество сосудов определяется их вместимостью и общим объемом состава, необходимого для подготовки обрабатываемой поверхности либо нанесения защитного покрытия. Все расширяющиеся заряды взрываются за один прием. В случае необходимости увеличения толщины покрытия процесс повторяется.
Данный способ обладает рядом преимуществ перед традиционными видами набрызгбетонирования, в частности, это использование только энергии взрыва для подготовки поверхности и нанесения на нее омоноличи-вающего раствора. Раствор наносится на всю поверхность одновременно, что повышает производительность и исключает образование неоднородного покрытия. Кроме того, в результате воздействия взрыва на компоненты смеси и саму смесь, набрызгбетон дополнительно уплотняется, образуя более прочный по своим характеристикам материал. Некоторые авторы, проводившие исследования свойств бетонной смеси, подвергнутой воздействию взрыва, отмечают также, что такая смесь схватывается и твердеет быстрее.
В заключении можно отметить, что современный технический уровень используемых машин позволяет создавать технологии, при которых устройство набрызгбетонных крепей является высокомеханизированным процессом, а проходка горизонтальных выработок в угольных шахтах - скоростной. Контроль динамики смещения пород кровли при набрызгбетонной крепи позволяет сократить расход материалов за счёт выявления участков выработки, требующих усиления крепления, а инструментальные замеры и анализ смещений пород кровли позволяет научно управлять процессом устройства набрызгбетонной крепи.
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
2. Заславский ИЮ., Быков А.В., Компанеец В.Ф. Набрызгбетонная крепь. - М.: Недра, 1986. - 197 с.
3. Воронин B.C. Набрызгбетонная крепь. - М.: Не- tunnel-driving equipment in underground construction. Mos-дра, 1980. - 199 с. cow, 1990. - 241 p.
4. Underground construction. Research of efficiency of usage and prospects of development of shaft-sinking and
— Коротко об авторах --------------------------------------------------
Быков Алексей Владимирович - кандидат технических наук, НТЦ «Шахтострой», Украина.
----------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
НОВОЧЕРКАССКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
КУЛИНИЧ Константин Валерьевич Исследование и проектирование оптимальных параметров анкер-инъекторных конструкций в подземных сооружениях 05.23.02 25.00.22 к.т.н.
ПЛЕШКО Михаил Степанович Совершенствование конструкций безрас-стрельной армировки вертикальных подземных сооружений 05.23.22 25.00.22 к.т.н.
СИЛЬЧЕНКО Юрий Александрович Совершенствование конструкции и технологии крепления скважин большого диаметра 25.00.22 к.т.н.
ШМАЛЕНЮК Александр Анатольевич Обоснование эффективных технологических схем подготовки и отработки выемочных полей на тонких и средней мощности угольных пластах 25.00.22 к.т.н.
УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
БЫЧКОВ Направления повышения эффективности техно- 25.00.22 Д.т.н.
Геннадий логий добычи и обработки природного камня на
Васильевич Урале
