CC BY
44
УДК 622.228.015/.016
В.С. Сальников, аспирант, (4872) 35-20-41, g-sps@mail.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
А.Б. Копылов, д-р техн. наук, проф., зам. декана, (4872) 35-20-41, g-sps@mail.ru, (Россия, Тула, ТулГУ),
О.В. Коновалов, канд. техн. наук, доц. (4872) 35-20-41, g-sps@mail.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
Л.Э. Шейнкман, д-р техн. наук, проф. (4872) 35-21-60, g-sps@mail.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА БЕЗОПАСНОСТЬ ПОВТОРНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК
Проведен анализ коррозионных факторов и выделены наиболее существенно влияющие на несущую способность крепи капитальных горных выработок.
Ключевые слова: горные выработки, железобетон, коррозия.
В настоящее время при исследовании взаимодействия железобетонных крепей с породами, оценке их несущей способности и перемещений принимается, что бетон и арматура работают совместно без пластических деформаций арматуры и разрушений бетона. Такой подход, существенно упрощая расчеты, повышает запас прочности крепи и приводит к перерасходу дефицитных материалов. Поэтому область его применения должна ограничиваться капитальными выработками особо важных долговременных подземных сооружений и сооружений, к которым предъявляется требование трещиностойкости, вытекающее, например, из условия водонепроницаемости. Однако во многих случаях железобетонные шахтные крепи могут считаться эксплуатационно пригодными и при наличии трещин с ограниченной шириной раскрытия. Образование трещин увеличивает кинематическую подвижность крепи, приводит к перераспределению давления на контакте крепи с породами и более; благоприятному режиму работы конструкции, что не учитывается в существующих методах. Кроме того, на работу железобетонной крепи оказывает влияние нелинейность деформирования составляющих ее материалов (арматуры и бетона), учет которой при расчетах также позволяет выявить резервы несущей способности крепи.
Несмотря на актуальность задачи, в настоящее время отсутствует универсальный метод расчета железобетонных шахтных крепей любой формы, учитывающий все особенности их работы. Имеющиеся методы расчета железобетонных крепей, основанные на решениях контактных задач механики деформируемого твердого тела, решают ограниченное число задач (замкнутые осесимметричные сплошные монолитные конструкции, рассчитанные в упругой постановке). Для реальных же условий эксплуата-
ции железобетонных крепей горизонтальных горных выработок аналитическое решение крайне затруднено из-за чрезвычайной математической сложности. В связи с этим большое значение приобретают численные методы расчета, позволяющие использовать огромные возможности современных вычислительных средств. Одним из таких методов является метод реальных конечных элементов, разработанный в ТулГУ и основанный на универсальных уравнениях метода начальных параметров.
Особое значение, пересмотр методики расчета железобетонных крепей принимает в свете необходимости повторного использования капитальных горных выработок, расконсервированных после длительного простоя. Проблема повторного использования горных выработок, образованных в результате добычи полезных ископаемых, для целей размещения в них различных объектов народного хозяйства и отходов производства, особенно в связи с массовым закрытием угольных шахт и освобождением огромных подземных пространств, приобретает все большее значение для решения экономических, экологических и социальных проблем. В фондах государственного учета подземных выработок, пригодных для повторного использования, на долю горных предприятий приходится всего около 10%.
Однако в настоящее время при существующей технологии добычи полезных ископаемых только в угольной промышленности ежегодно выбывает из оборота более 2,2 тыс. км горных выработок, в т.ч. более 2 тыс. км выработок, закрепленных долговечными металлическими, железобетонными и бетонными крепями.
Анализируя опыт повторного использования подземных сооружений, их новое функциональное назначение можно классифицировать по пяти основным направлениям: энергетика, промышленность, экология, социальная сфера и аграрный сектор. При этом надо отметить, что повторное использование подземных сооружений в любом новом функциональном качестве благоприятно сказывается на экологической обстановке (освобождение и рекультивация земель, отсутствие вредного влияния на окружающую природную среду и др.). Классификация производилась по типу выработок (вертикальные стволы, штольни, камеры околоствольных дворов, капитальные, подготовительные и очистные выработки) и по их возможному новому функциональному назначению при повторном использовании. Причем, для размещения горной породы, отходов обогатительных фабрик, ТЭЦ, доменного производства можно использовать очистные и подготовительные выработки, расположенные в сложных горногеологических условиях, а капитальные горные выработки - в новом функциональном качестве: объекты промышленного назначения (заводы, склады), объекты аграрного назначения (хранилища продуктов, холодильники), объекты социальной сферы (архивы, хранилища) объекты ГО
Свойства агрессивных сред и условия их воздействия на строительные конструкции весьма разнообразны. Не менее разнообразны свойства
бетона и железобетонных конструкций. Поэтому нет возможности перечислить все коррозионные процессы, которые могут протекать при взаимодействии внешней среды с бетоном и железобетоном Для оценки характера коррозионного процесса и степени агрессивного действия различных веществ, содержащихся во внешней среде на бетоны необходима классификация таких воздействий по общим признакам.
Анализ большого экспериментального материала и результатов исследований сооружений, подвергавшихся действию различных агрессивных сред, позволил выделить три основных вида коррозии бетона.
Первый вид коррозии включает процессы, возникающие в бетоне при действии жидких сред, способных растворять компоненты цементного камня. Составные части цементного камня растворяются и выносятся из структуры бетона. Особенно интенсивно эти процессы происходят при фильтрации воды через толщу бетона.
Второй вид коррозии включает процессы, при которых происходят химические взаимодействия - обменные реакции - между компонентами цементного камня и агрессивной среды, образующиеся продукты реакции или легко растворимы и выносятся из структур ы в результате диффузии влаги, или отлагаются в виде аморфной массы.
Третий вид коррозии включает процессы, при развитии которых происходит накопление и кристаллизация малорастворимых продуктов реакции с увеличением объема твердой фазы в порах бетона. Кристаллизация этих продуктов создает внутренние напряжения, которые приводят к повреждению структуры бетона.
Кроме перечисленных видов коррозии, возникающих преимущественно при действии на бетон жидких агрессивных сред, отдельно выделяются электро- и биокоррозия. Электрокоррозия включает процессы растворения металлического анода, образование гидратных соединений железа, объем которых в несколько раз превышает объем исходного металла, и развитие в результате этого значительных давлений, вызывающих деструкцию бетона.
Агрессивность внешней среды - условное понятие, которое может быть конкретизировано только тогда, когда мы будем рассматривать и оценивать взаимодействие внешней среды и конкретного бетона. При нормировании агрессивности и оценке степени агрессивности следует всегда иметь в виду, по отношению к какому материалу, какому бетону эта агрессивность определяется и оценивается.
В разных странах действуют нормативные документы, классифицирующие агрессивные среды по степени их разрушительного воздействия на бетон и железобетон. При этом нормы, принятые в нашей стране, наиболее детализированы. СНиП 2.03.11-85 содержит показатели агрессивности и оценку ее степени применительно к бетонам различной проницаемости, изготовленным на различных цементах. При этом они
дифференцированы для бетона и железобетона. В нормах приняты три степени агрессивности: слабая, средняя и сильная. Затем указываются пределы содержания агрессивного агента в окружающей среде, при котором данная среда относится к той или иной степени агрессивности по отношению к бетону на определенном цементе при определенной его проницаемости. Для жидкой среды учитываются также условия ее контакта с бетоном. Получается достаточно сложная система, в которой среда, определенная как слабая, средняя или сильная, является таковой только к определенному бетону и в определенных условиях. Это создает некоторые трудности при оценке агрессивности среды, так как связано с необходимостью одновременно с проектом конструкций предъявлять требования к бетону, ограничивая выбор способа придания стойкости в данной среде.
Наибольшую опасность для бетона и железобетона представляют жидкие среды, постоянно или периодически действующие на конструкции, так как большинство коррозионных процессов является химическими реакциями, для прохождения которых при обычных температурах необходима жидкая среда.
Действие на бетон больших количеств жидкостей всегда приводит к коррозии. На кинетику коррозии влияют следующие факторы: вид вяжущего, добавок и заполнителей;
химический и петрографический состав вяжущего, и заполнителей; гранулометрический состав вяжущего и заполнителей; способ приготовления, состав бетонной смеси и условия ее твердения;
сроки твердения и воздействия во время твердения (карбонизация и
др.);
состояние поверхности соприкосновения бетона с жидкостью; вид, химический состав (концентрация растворов) и количество жидкости по отношению к бетону;
условия соприкосновения жидкости с бетоном (скорость движения жидкости, наличие смены или без смены объема соприкасающейся с бетоном жидкости, постоянное или переменное воздействие);
механизм реакции, растворение, обмен основаниями, гидролиз, образование и рост кристаллов, образование комплексов, образование рыхлых структур или плотных пленок-оболочек;
химические свойства продуктов реакции; различные внешние влияния (газовая среда, микроорганизм); температура, ее равномерность, величина; продолжительность воздействия.
Этот перечень практически охватывает все основные факторы, влияющие на коррозионные процессы при контакте бетона с жидкостями.
На настоящее время существующие методики расчета крепей капитальных горных выработок не учитывают факторов коррозии, существенно
снижающих несущую способность крепей капитальных горных выработок. В связи с образованием значительного фонда законсервированных капитальных горных выработок и возможной перспективой их повторного использования, необходимо внести коррективу в существующую методику расчета крепей с учетом длительного воздействия агрессивной среды, чтобы предсказать снижение несущей способности крепи и определится с возможностью и направлением повторного их использования.
Список литературы
1. Долговечность бетона в агрессивных средах / С.Н. Алексеев [и др.]. М.: Стройиздат, 1990. 320 с.
2. Семенов И.В., Флорианович Г.М., Хорошилов А.В. Коррозия и защита от коррозии. М.: Физматлит, 2002. 336 с.
V. Salnikov, A. Kapylov, O. Konovalov, L. Sheinkman
Factors influencing safety reusing mine workings
The review and the analysis of factors defining prospect and possibility of reusing mine workings is made.
Key words: mining tunnels, ferroconcrete, corrosion.
Получено 17.03.2010
УДК 622.016.34-047.43
А.А. Насонов, аспирант (Россия, Новочеркасск, Шахтинский институт Южно-Российского государственного технического университета)
ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ ПОРОД ПОВТОРНО ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ШТРЕКОВ ПРИ ОХРАНЕ ТУМБАМИ
Приведены характеристики тумб БДБ для охраны выработок. Описана объемная конечно-элементная модель штрека с бермовой частью. Рассмотрены основные результаты расчета напряженно-деформированного состояния пород бермы. Сделаны выводы о механизме управляющих воздействий.
Ключевые слова: тумбы, породы бермы штрека, лава, выработанное пространство.
В условиях отработки тонких пластов, залегающих в массивах прочных пород, наиболее эффективным техническим решением является бесцеликовые способы охраны, предусматривающие проведение выработки в нетронутом массиве с последующим её поддержанием на границе выработанного пространства для повторного использования.
