CC BY
13
24. Eronko S.P., Gorbatyuk S.M., Oshovskaya E.V., Starodubtsev B.I. New Engineering Solutions in Creation of Mini-BOF for Metallic Waste Recy-cling // 3rd International Scientific and Technical Conference on Scientific and Technical Progress in Ferrous Metallurgy (STPFM3). Cherepovets: IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2017. V. 287. 012004. DOI: 10.1088/1757-899X/287/1/012004.
25. Chistyakov A. N., Khairutdinov M. M., Artyukhov E. V. Influence of various activation methods on the physical and mechanical properties of the bookmark // Mining information and analytical Bulletin. 2009. No. 3. Pp. 232-246.
26. Industrial waste in concrete mixes for construction of underground structures and minerals extraction / Ch. Kongar-Syuryun, Y. Tyulyaeva, A. Khairutdinov, T. Kowalik // Construction the Formation of Living Environment (FORM-2020). Hanoi: IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2020. V. 869. 032004. DOI: 10.1088/1757-899X/869/3/032004.
27. Stovmanenko A. Yu., Anushenkov A. N. Pipeline transport of cast hardening filling mixtures with reduced water content // Bulletin of the Kuzbass state technical University. 2016. no. 2. Pp. 99-104.
УДК 622.283.4
ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ВОССТАНОВЛЕННОЙ КРЕПИ УЧАСТКА ШАХТНОГО СТВОЛА СИБАЙСКОГО ПОДЗЕМНОГО РУДНИКА
В.Н. Калмыков, П.В. Волков, М.В. Котик, Е.В. Леонтьева
Представлены результаты мониторинга состояния восстановленной шахтной крепи ствола «Скиповой» в отметках -200м -400м. Проведено моделирование напряженно-деформированного состояния массива, по результатам которого получены эпюры распределения коэффициента запаса прочности, деформации, осевых усилий и напряжений в анкерах по различным технологическим вариантам. При геомеханическом моделировании учитывалось влияние глубины расположения крепи, степень нарушенности породного массива, толщина бетонной крепи, диаметр прутка металлической сетки, диаметр стержня анкера. Оценена интенсивность процессов коррозии металлической сетки в течение 2 лет эксперимента. Рассчитано прогнозное уменьшение диаметра проволоки металлической сетки за 5... 7 лет. На основе исследований показано, что устойчивость ствола в процессе его эксплуатации обеспечивается применением сталеполимерных анкеров и металлической сетки.
Ключевые слова: ствол, крепь, анкеры, бетон, коррозия, крепление.
Согласно проекту ООО «Уралгеопроект» «Приведение в безопасное состояние бетонной крепи вертикального ствола «Скиповой» в отметках -200-400 м» проведены следующие работы: монтаж водоулавливающих колец с трубопроводами, оборка разрушенной бетонной крепи, крепление нарушенных участков с помощь анкеров и металлической сетки.
Использовались листы металлической сетки, размером 2900х1600мм, с диаметром проволоки 5 мм, ячейкой 40х40мм. Сетка
укреплялась 7 сталеполимерными анкерами, установленными в шпурах глубиной 1,5м.
Необходимость восстановления крепи вызвана тем, что в стволе диаметром в свету 7,5м, глубиной 773м, в отметках -200... 400м имели место протечки в виде струй, обводненные места бетона, в крепи фиксировались раковины площадью 2.10м и глубиной 100.250мм. В местах "холодных" швов отмечались значительные отслоения бетона. Бетон в результате химических процессов разрушился до сыпучего, местами - пастообразного состояния. Глубина нарушения целостности крепи соизмерима с ее проектной толщиной. Породы по трассе проходки ствола крепкие (коэффициент крепости по шкале проф. М.М. Протодьяконова f = 15-19), но раздробленные, трещины заполнены хлоритами, карбонатами.
В связи с большим различием механических свойств пород в зоне восстановленной крепи и толщины бетонной крепи в нарушенной зоне, действием коррозионных процессов было проведено моделирование геомеханических процессов в период эксплуатации ствола. При геомеханическом моделировании учитывались влияние глубины расположения крепи (200-400 м), степень нарушенности породного массива (размер структурного блока 2000-100 мм), толщина бетонной крепи (0-100-300 мм), диаметр прутка металлической сетки (2-4 мм), диаметр стержня анкера (22 мм).
Моделирование напряженно-деформированного состояния массива производилось в программном комплекс Rocsience RS3. Данный программный комплекс позволяет производить численное моделирование объемных моделей [2,8]. В качестве критерия прочности горных пород принят критерий прочности Мора - Кулона. Критерий прочности Мора — Кулона представляет собой билинейную зависимость касательных напряжений материала от величины приложенных нормальных напряжений. Эта зависимость может быть представлена как:
т = а- tg(ф) + с, (1)
где т— величина касательных напряжений; а— величина нормальных напряжений; с— пересечение кривой критерия прочности с осью т; tg(ty)— тангенс угла наклона кривой критерия прочности. Величину с называют сцеплением, а угол ф — углом внутреннего трения. Принято, что направление сжатия имеет положительный знак.
Для кругов Мора:
a = am -Tm ■sin (ф); (2)
T = Tm • cosO), (3)
где Tm = -ст3)/2; am = Ц + a3)/2; (4)
а1— максимальное главное напряжение, а а3— минимальное главное напряжение.
Следовательно, критерий прочности Мора — Кулона может быть представлен как:
тт = ат ■ Бт(»+с ■ еов(^). (5)
Этот вид критерия прочности Мора — Кулона соответствует разрушению на плоскости, параллельной направлению главного напряжения.
Критерий прочности Мора - Кулона обычно используется для анализа несущей способности породных массивов. При нагружении породы работают преимущественно на сдвиг по поверхности с наименьшей несущей способностью. Поэтому сдвиговая прочность является определяющей прочностной характеристикой. Разрушение реализуется в тот момент, когда величина сдвигового (касательного) напряжения достигает предела прочности породы на сдвиг.
В качестве горной породы приняты туфы базальтового состава. Горное давление задавалось согласно соотношению главных напряжений (о1 :о 2 :о3 = 1:0,55:0,5), действующих на Сибайском месторождении.
Всего исследовано 14 вариантов геомеханической ситуации. На рисунке 1 представлен общий вид модели участка ствола.
Рис. 1. Общий вид модели участка ствола
В результате моделирования получены эпюры распределения коэффициента запаса прочности, деформации, осевых усилий и напряжений в анкерах по вариантам.
В качестве примера на рис. 2 а-г приведены данные моделирования для одной из геомеханических ситуаций.
а
Рис. 2. Данные моделирования геомеханических ситуаций: а - коэффициент запаса прочности по горным породам на контакте «порода-бетон»; б - коэффициент запаса устойчивости пород на контакте «порода-бетон»; в - деформация поверхности крепи (бетон + металлическая сетка); г - напряжения в анкерах
в
Варианты моделирования предусматривают возможность уменьшения в процессе эксплуатации ствола параметров крепи - толщины бетона и диаметра проволоки сетки.
По результатам моделирования установлено, что минимальный коэффициент запаса прочности горной породы на контакте «бетон-порода» составил 2,94, деформации - менее 1 мм. Деформации крепи (бетон, металлическая сетка) на исследуемом участке составили менее 1 мм.
Максимальные растягивающие и сжимающие напряжения в анкерах соответственно составили 6,9 МПа и 0,4 МПа, что ниже предела прочности для данного типа анкеров. Сжимающие и растягивающие усилия в анкерах составили 2,65 кН и 0,16 кН.
Для оценки состояния ствола во время его эксплуатации были проведены контрольные расчеты параметров комбинированной крепи. Расчет нагрузок на крепь и её параметров для нарушенных участков ствола производился в соответствии с требованиями [16] и геологическими данными участка ствола в отметках 200-400 м.
Расчеты показали, что крепь, состоящая из анкеров, металлической сетки, обеспечивает устойчивость ствола при его эксплуатации.
В связи с агрессивностью шахтной среды были проведены исследования коррозионной стойкости металлической сетки крепи.
В качестве объектов исследования приняты фрагменты металлической решетки, размером 150х150 мм, отобранные с отметок -200м и -400м. На начальном этапе отбор производился 1 раз в месяц. Образцы маркировались с указанием сроков пребывания в шахтных условиях и места отбора
проб.
Визуальный осмотр показал, что на прутках образцов имеются коррозионные наслоения по типу «сплошная коррозия», в основном плотно сцепленные с поверхностью.
Предварительно производился химический анализ шахтной воды, использованной в модельном опыте (табл.1).
Таблица 1
Результаты химического анализа шахтной воды *
Водородный показатель рН, усл.ед. Железо общее, мг/дм3 Железо растворенное, мг/дм3 Медь общая, мг/дм3 Медь растворенная, мг/дм3
6,5+0,2 0,230+0,046 0,052+0,012 0,39+0,10 0,130+0,034
Примечание: * анализ проведен в филиале ФГБУ «ЦЛАТИ по УФО» по Челябинской области
Инструментально степень сплошной коррозии металла оценивалась согласно положениям [4] с использованием [5].
Коррозионный эффект характеризуется двумя факторами:
- потерей массы на единицу площади (удельная потеря массы) по формуле:
АМ3 = АМ / 5; (6)
- скоростью убыли массы (интенсивность коррозии) по формуле:
И = ЛМ / 5 Т, (7)
кор
где ДМ - масса прокорродировавшего железа, г; 5 - площадь поверхности
2
прутков, см ; Т - длительность коррозии, сутки.
Масса прокорродировавшего железа ДМ рассчитывалась исходя из массы продуктов коррозии, удаленных с поверхности образца, и содержания в них железа, определенного химическим анализом. Масса продуктов коррозии определялась по разности масс прутков до и после удаления с них коррозионных наслоений (табл.2).
Таблица 2
Расчет интенсивности коррозии
Горизонт 200 м 400 м
Номер образца 2 4 6 8 1 3 5 7
Площадь прутков, покрытая продуктами коррозии см2 235,6 6 447,61 1978 525 110,53 350,11 1870 672
Масса прокорродировавшего железа (ДМ), г 7,1 11,616 75,5 14,7 1,864 9,98 63,0 29,2
Потеря массы на единицу площади (ДМs) х10-3 г/ см2 30,13 25,95 38,2 28,0 16,86 28,51 33,7 43,4
Время коррозии сутки 150 180 420 450 60 150 360 510
Интенсивность коррозии (Икор) х!0-5г/см^сутки 20,09 14,42 9,1 6,2 28,11 19,00 9,4 8,5
Контрольные замеры интенсивности коррозии проведены через 1
год.
При визуальном осмотре образцов установлено, что продукты коррозии на прутках решеток плотно сцеплены с поверхностью металла и покрывают всю поверхность прутков (тип «сплошная коррозия»).
Для удобства проведения операций взвешивания и травления в ходе оценки степени коррозии каждая решетка разделялась на прутки, которые распиливались на части, длиной 10.30 см. Осыпавшиеся при этом наслоения с поверхности прутков собирались.
Поскольку первоначальная масса решеток до установки в шахте не известна, то масса прокорродировавшего железа ДМ рассчитывается по значению массы продуктов коррозии, удаленных с поверхности образца, и содержания в них железа, определенного химическим анализом.
Рис. 3. Элементы решетки с частично осыпавшимися коррозионными
наслоениями
Расчет интенсивности коррозии металлической сетки показал, что данный процесс активно протекает в первые месяцы, а с течением времени постепенно снижается.
Удельная потеря массы решеток (ДМ8) на горизонтах 200м и 400м
3 2
за 12.. .17 месяцев составила (28,0 - 43,4)-10 г/см . Расчетная интенсив-
5 2
ность коррозии в среднем составила 9 • 10 г/см •сутки.
Поскольку основное назначение сетки - предупредить выпадение кусков разрушенной бетонной крепи ствола, проведен прогнозный расчет толщины прутков сетки в процессе эксплуатации ствола (табл. 4).
Таблица 4
Расчет уменьшения диаметра проволоки металлической сетки
в результате коррозии
Время экс-
плуатации крепи, мес 1 2 3 4 5 6 12 24 36 60 120
Дельта, г 0,12 0,24 0,35 0,4 0,59 0,71 1,41 2,83 4,24 7,07 14,1
Полученный диаметр, мм 4,98 4,96 4,94 4,9 4,90 4,88 4,76 4,51 4,25 3,67 1,39
Уменьшение
диаметра, мм 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,24 0,49 0,75 1,33 3,61
Диаметр проволоки с учетом интенсивности коррозионных процессов находился по формуле:
\ п^р^I
где Р - исходный вес образца, г (р = пхёх/хг, где ё=0,5см - диаметр проволоки; I - суммарная длина прутков проволоки, см.; р - плотность металла, принимается 7,8 г/см ); Д - снижение веса образца в течение заданного периода эксплуатации, г:
Д = Икор п-а- I- г, (9)
где г - интервал времени эксплуатации крепи, сут.
5 2
В расчете принята интенсивность коррозии Икор=25-10" г/см •сутки. Исходный вес образца - 15,31 г.
Прогнозное уменьшение диаметра проволоки металлической сетки за 1 год составляет 0,24 мм. Таким образом, металлическая сетка без слоя набрызгбетона будет находиться в устойчивом состоянии на протяжении 5 - 7 лет. Для более точного прогноза состояния металлической сетки в процессе эксплуатации ствола необходимо уточнить зависимость интенсивности коррозии от времени.
Выводы
В процессе осмотра ствола не выявлено нарушений бетона и металлической крепи, отсутствуют участки шелушения и увеличения размеров каверн по площади и в глубину.
Оценка геомеханической обстановки на глубинах 200.400 м для варианта наибольшей трещиноватости пород показали, что устойчивость ствола в процессе эксплуатации обеспечивается применением комбинированной крепи на основе анкеров и металлической сетки.
Прогнозное уменьшение диаметра проволоки металлической сетки за 2 года составляет 0,24 мм. Таким образом, металлическая сетка без слоя набрызгбетона будет находиться в устойчивом состоянии на протяжении 5...7 лет. Для более точного прогноза состояния металлической сетки в процессе эксплуатации ствола необходимо уточнить зависимость интенсивности коррозии от времени. До получения этих результатов ставить вопрос об изоляции элементов крепи с помощью набрызгбетона или полимерных покрытий не целесообразно.
Список литературы
1. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Положение по безопасному ведению горных работ на месторождениях, склонных и опасных по горным ударам»: нормативные акты от 04.04.2014 №31822 // Министерство юстиции Российской Федерации. Москва, 2014.
2. Еременко В.А., Разумов Е.А., Заятдинов Д.Ф. Современные технологии анкерного крепления // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2012. № 12. С. 38-45.
3. Совершенствование конструкции и технологии установки крепей с фрикционным закреплением / А.А. Зубков, А.В. Зубков, И.М. Кутлубаев, В.В. Латкин // Горный журнал. 2016. № 5. С. 50-53.
4. ГОСТ 9.908-85 «Металлы и сплавы. Методы определения показателей коррозии и коррозионной стойкости».
5. ГОСТ 9.907-2007 «Металлы, сплавы, покрытия металлические. Методы удаления продуктов коррозии после коррозионных испытаний».
6. Balg C., Roduner A. Geobrugg AG. Ground support applications // International Ground Support Conference. AGHUniversity, Lungern, Switzerland. 2013. P. 311-320.
7. Баранов А.О. Проектирование технологических схем и процессов подземной добычи руд: справ. пос. М.: Недра, 1993. 283 с.
8. Крепление горных выработок в условиях деформируемых и уда-роопасных массивов горных пород / В.Н. Лушников, В.А. Еременко, М.П. Сэнди, Р. Бухер // Горный журнал. 2014. № 4.
9. Зотеев О.В. Методические указания по использованию программного комплекса FEMP. Екатеринбург: УГГН, 2001. 76 с.
10. Potvin Y., Wesseloo J., Heal D. An interpretation of ground support capacity submitted to dynamic loading // Transactions of the Institution of Mining and Metallurgy, Section A: Mining Technology. 2010. V. 119. № 4. Р. 233-245.
11. Anderson O.L., Grew P.S. Stress-Corrosion Theory of Crack Propagation with Application to Geophisics // Rev. Geophys. Space Phys. 1977. V. 15. Р. 77-104.
12. Future Challenges of Positioning in Underground Mines / L. Thry-bom, J. Neander, E. Hansen, K. Landemas // IFAC-PapersOnLine. Elsevier Ltd. 2015. V. 48. Issue 10. Р. 222-226.
13. Using the Q-system // Rock mass classification and support design. NGI. Oslo, 2015.
14. Дик Ю.А., Котенков А.В., Танков М.С. Практика опытно-промышленных испытаний технологий разработки рудных месторождений. Екатеринбург: Изд-воУрал. ун-та, 2014. 480 с.
15. Rationale for sustainable-safeparameters of highwall slopes in Kamagan occurrence while underground cleaning-up / A.M. Mazhitov, S.A. Korneyev, I.A. Pytalev, T.S. Kravchuk // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2017. Р. 052017.
16. СП 91.13330.2012 Подземные горные выработки.
Калмыков Вячеслав Николаевич, д-р техн. наук, проф., [email protected], Россия, Магнитогорск, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова,
Волков Павел Владимирович, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Магнитогорск, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова,
Котик Максим Вадимович, нач. производственно-технического отдела, Россия, Магнитогорск, АО «Работы Взрывные Специальные»,
Леонтьева Елена Вячеславовна, канд. техн. наук, технолог хим. лаборатории, Россия, Магнитогорск, ООО «УралЭнергоРесурс»
ASSESSMENT OF THE CONDITION RESTORED SUPPORT AREA SHAFT OF THE SIBAY UNDERGROUND MINE
V.N. Kalmykov, P.V. Volkov, M. V. Kotik, E. V. Leontyeva
The results of monitoring the state of the restored mine lining of the Skipovoy shaft at elevations of -200m -400m are presented. The modeling of the stress-strain state of the rock mass was carried out, according to the results of which the diagrams of the distribution of the safety factor, deformation, axial forces and stresses in the anchors were obtained for various technological options. In geomechanical modeling, the influence of the depth of the support location, the degree of disturbance of the rock mass, the thickness of the concrete support, the diameter of the metal mesh bar, and the diameter of the anchor rod were taken into account. The intensity of the metal mesh corrosion processes was estimated during the 2-year experiment. The predicted reduction in the diameter of the wire of the metal mesh for 5-7 years is calculated. Based on the research, it has been shown that the stability of the shaft during its operation is ensured by the use of steel-polymer anchors and a metal mesh.
Key words: shaft, support, anchors, concrete, corrosion, fastening.
Kalmykov Vyacheslav Nikolaevich, doctor of technical science, professor, [email protected], Russia, Magnitogorsk, Magnitogorsk State Technical University named after G.I. Nosova,
Volkov Pavel Vladimirovich, candidate of technical science, docent, wolf1709@yandex. ru,Russia, Magnitogorsk, Magnitogorsk State Technical University named after G.I. Nosova,
Kotik Maxim Vadimovich, head of production and technical department, [email protected],Russia, Magnitogorsk, JSC "Explosive Special Works",
Elena Vyacheslavovna Leontyeva, candidate of technical science, technologist chem. laboratories, [email protected], Russia, Magnitogorsk, LLC "UralEnergoResurs"
Reference
1. Federal norms and rules in the field of industrial safety "Regulations on safe mining operations in fields prone and dangerous to mining impacts": regulations of 04.04.2014 No. 31822 // Ministry of justice of the Russian Federation. Moscow, 2014.
2. Eremenko V. A., Razumov E. A., Zayatdinov D. F. Modern technologies of anchor fastening // Mining information and analytical Bulletin. 2012. no. 12. Pp. 38-45.
3. Improving the design and technology of installation of fasteners with friction fixing / A. A. Zubkov, A.V. Zubkov, I. M. Kutlubaev, V. V. Latkin // Mining magazine. 2016. No. 5. S 50-53.
4. GOST 9.908-85 " Metals and alloys. Methods for determining the indicators of corrosion and corrosion resistance".
5. GOST 9.907-2007 " Metals, alloys, metal coatings. Methods for removing corrosion products after corrosion tests".
6. Balg C., Roduner A. Geobrugg AG. Ground support applications // International Ground Support Conference. AGH University, Lungern, Switzerland. 2013. P. 311-320.
7. Baranov A. O. Design of technological schemes and processes of underground mining of ores: sprav. POS. M.: Nedra, 1993. 283 p.
8. Lushnikov V. N., Eremenko V. A., sandy M. P., Bucher R. Fixing of mine workings in conditions of deformable and impact-prone rock massifs. 2014. No. 4.
9. Zoteev O. V. Methodological guidelines for the use of the FEMP software package. Yekaterinburg: UGGN, 2001. 76 p.
10. Potvin Y., Wesseloo J., Heal D. An interpretation of ground support capacity submitted to dynamic loading // Transactions of the Institution of Mining and Metallurgy, Section A: Mining Technology. 2010. Vol. 119. No. 4. P. 233-245
11. Anderson O. L., Grew P.S. Stress-Corrosion Theory of Crack Propagation with Application to Geophisics // Rev. Geophys. Space Phys. 1977. Vol. 15. Pp. 77-104
12. Future Challenges of Positioning in Underground Mines / L. Thrybom, J. Nean-der, E. Hansen, K. Landemas // IFAC-Paperonline. Elsevier Ltd. 2015. Vol. 48. Issue 10. P. 222-226.
13. Using the Q-system // Rock mass classification and support design. NGI. Oslo,
2015.
14. Dik Yu. a., Kotenkov A.V., Tankov M. S. Practice of experimental and industrial testing of ore Deposit development technologies. Yekaterinburg: Ural publishing House. UNTA, 2014. 480 p.
15. Rationale for sustainable-safeparameters of highwall slopes in Kamagan occurrence while underground cleaning-up / a.m. Mazhitov, S. A. Korneyev, I. A. Pytalev, T. S. Kravchuk // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2017. P. 052017.
16. SP 91.13330.2012 Undergroundmining
