1 INTRODUCTION. OBJECTIVATION OF THE THEME ACTUALITY The carring out of measures concerning the construction and reconstruction of the productive mines and new mines, that are afforded by the programm “Ukrainian Coal”, is impossible without development of a great amount of permanent mine openings, among which vertical well bores take a special place in technological specificity and functional significancy. As you know, the shaft equipment has a great impact on the total cost (up to 15%) and terms of the shaft construction as well as on the productivity and operational reliability of the winding machine during the period of service.
In present economic environment the problem of lowering cost for a vertical shaft equipment repairment become very important. The partial solution of this problem is the operation of the yielding repairable shaft equipment that have a lot of advantages over the hard shaft equipment that is prevailing in this country.
The main reasons of the shaft equipment dislocation can be divided into three groups: planning, operating and mining-and-geological (including hydrogeological). The first two groups of reasons are very diverse, but most often they are specific for separate mining companies or pit-shafts.
It should be pointed out that almost every vertical pit-shaft of Donbass is constructed and operated in the conditions of more or less significant inflows of corrosive waters, the contact of which with the surface of the shaft equipment metall leads to the shaft equipment corrosion and its further breakdown. As it can be seen from the practice, the cost of overreinforcement during the operation of the pit-scaft in some cases can meet 30-40% from the cost of its construction. That is why to one of the main ways of the lowering cost for construction and operation of the pit-shafts can be subsumed the increase of the shaft equipment elements corrosion resistance.
2 AIMS AND OBJECTIVES OF THE RESEARCH
The aim of the research is the increase of the corrosion resistance of the vertical shaft equipment elements.
Objectives of the research:
to analyse and generalize the literary sources concerning the theme of the research; to carry out the laboratory analysis of the mineral waters influence on the process of the vertical shaft equipment elements’ corrosion course with the permissible speed of the air motions in the vertical pit-shafts; to carry out the laboratory analysis of the pecularities of the corrosion course process in the shaft equipment elements that are under the load of the winding vehicles motion and rock mass; to make a calculation of the VAT parameters of the shaft equipment elements that are subjected to the operating load of the winding vehicles and rock mass for the specified conditions; to base the parameters of the effective way of the shaft equipment elements protection from the agressive inflows of mine waters.
3 THE ASSUMED SCIENTIFIC NOVELTY
The assumed scientific novelty of the research is:
in identification of the pecularities of the vertical shaft equipment elements’ corrosion process taking into account the influence of mine mineral waters with the permissible speed of the air motions in the vertical pit-shafts; in identification of the pecularities of the vertical shaft equipment elements’ corrosion process that are under the influence of the winding vehicles and rock mass operating load;
4 ПРЕДПОЛАГАЕМАЯ ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ
Предполагаемая практическая ценность работы состоит в обосновании параметров эффективного способа защиты элементов армировок вертикальных шахтных стволов от агрессивного действия шахтных вод.
5 ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Впервые исследование процесса коррозии металлов было начато М.В.Ломоносовым еще в 1748 г. Русским ученым была проведена серия экспериментов по прокаливанию металлов в запаянном сосуде. Коррозионное взаимодействие наблюдалось только тогда, когда в сосуд впускался воздух. Похожие опыты проводил и Лавуазье, который впервые установил, что окисление металла есть процесс его взаимодействия с кислородом.
В 1819 г. Холл впервые показал, что при отсутствии воздуха железо и медь не корродируют. Важнейшее значение для обоснования электрохимической природы коррозии имели работы английского физика М. Фарадея, открывшего ряд законов электролиза.
Новый этап в развитии науки о коррозии металлов связан с именами В.А. Кистяковского, Н.А. Изгарышева, Ю.Р. Эванса, Г.В. Акимова, А.Н. Фрумкина, Г.Г. Улига, Н.Д. Томашова и других ученых [1].
Значительный опыт, накопленный за 250 с лишним лет, прошедших с момента начала исследований процесса коррозии в металлах, позволил ученым всего мира разработать огромное количество различных противокоррозионных покрытий. В настоящее время известно около 2000 пигментов, свыше 300 синтетических смол, более 150 растворителей и около 300 пластификаторов. [2–5].
Из исследований последних лет необходимо выделить [5]. В данной работе В.В. Коваленко [5] решал задачи довольно схожие с задачами, поставленными в данной магистерской работе, однако для условий металлической арочной крепи.
Для решения задач, поставленных в [5] была проведена серия ускоренных коррозионных испытаний (УКИ). Методика УКИ описана в работе И.Л. Розенфельда и К.А.Жигановой [6].
Условия эксплуатации конструкций имитировались методом переменного погружения металла в электролит. Данный способ широко используют не только для изучения коррозионной стойкости металлов и средств защиты конструкций, предназначенных для эксплуатации в воде.
Для увеличения скорости коррозии был применен метод периодического смачивания испытуемых образцов (пластинки стали марки Ст5, толщиной 3 мм и размерами 100×50 мм).
Согласно [6], наибольшее увеличение скорости коррозии можно получить при смачивании приблизительно один раз в час.
В работах [1,2,3,5] достаточно полно изучено влияние окалины на коррозию стали Ст5 в зависимости от водородного показателя рН водного раствора.
Автор [5] провел испытания нескольких образцов Ст5 в 5 растворах электролитов с рН равным 3; 4,5; 6; 7,5; 9. Был использован 3%-й раствор NaCl.
На основании испытаний, проведенных в течение 1 месяца были получены зависимости, графики которых даны на рис. 1 и 2.
Вторая серия экспериментов [5] была проведена с целью установления влияния концентрации нейтральных солей на скорость коррозии стали Ст5.
Для определения степени влияния минерализации на протекание процесса коррозии проведены лабораторные испытания. В данной работе использованы растворы NaCl с концентрациями: 0,1%; 1%; 3%; 5%; 7%;10%. Растворы имели водородный показатель рН=7. Автор [5]отмечает, что в шахтных условиях скорость коррозии усиливается за счет облегчения доступа кислорода к поверхности металла. Для определения максимальной скорости коррозии при различной минерализации вод, с учетом фактора проветривания, проведены испытания с использованием аэродинамической трубы.
Рис.1. Влияние рН среды на коррозию металла защищенного окалиной, где:
1 – влияние (рН 3);
2 – (рН 4,5);
3 – (рН 6);
4 – (рН 7,5);
5 – (рН 9)
Рис.2. Влияние наличия окалины на скорость коррозии металла в условиях с различным рН среды
УКИ проводились в течение 30 дней. Образцы смачивались 2 раза в сутки и подвергались коррозионным испытаниям на аэродинамической трубе в течение 10 часов в сутки. При проведении эксперимента моделировались условия, наиболее характерные для большинства горных выработок угольных шахт Украины. Скорость движения воздушной струи – 8 м/с, относительная влажность воздуха 70%, температура воздуха 25°С. Для сравнения также были проведены коррозионные испытания с образцами без использования аэродинамической трубы при данных температурно-влажностных условиях. Результаты проведенной работы представлены на рис. 3.
Рис. 3. Зависимость скорости коррозии от концентрации соли в воде
Результаты данных исследований хорошо согласуются с результатами исследований, проведенных В.Г. Акимовым [2].
В заключительной фазе УКИ автор [5]провел исследования особенностей протекания процесса коррозии в металлических образцах, испытывающих действие изгибающих моментов.
Для определения зависимости скорости коррозии от действия внешних нагрузок были смоделированы характерные условия: шарнирно-опертая балка, загруженная по краям постоянной силой Р, кг.
На образцы в опорных точках действуют моменты М=150(мм)×Р. Рабочая поверхность, на которой производились наблюдения, равна 100 мм. Перед проведением эксперимента рабочая поверхность очищалась от окалины и жировых пятен механическим путем, при помощи абразивных материалов. Затем остальная поверхность образцов, включая боковые грани, покрывалась защитным слоем битума марки IV. Стальные пластинки загружались нагрузкой 1, 2, 3, 4, 5 кг. Условия атмосферной коррозии моделировались при помощи распыления 3%-ного раствора NaCl. Результаты исследований представлены на рис. 4 и 5.
Рис. 4. Зависимость протекания процесса коррозии во времени при различных нагрузках:
1- 5кг (250МПа);
2- 4кг (200МПа);
3- 3кг (150МПа);
4- 2кг (100МПа);
5- 1кг (50МПа)
Рис. 5. Зависимость скорости коррозии от действующей нагрузки
Исследования влияния эксплуатационной нагрузки от движения подъемных сосудов и со стороны породного массива на параметры напряженно-деформированного состояния (НДС) элементов армировки проводились А.Ю Прокоповым и Р.О.Саакяном. В частоности, в работе [7] приведены методика и результаты таких исследований, проведенных с использованием метода конечных элементов (МКЭ) для некоторых горно-технических условий:
при скоростях движения подъемных сосудов 2; 4; 6; 8; 10 и 12 м/с; при значениях шага армировки 4,168 и 6,250 м; при глубине ствола 200; 400; 600; 800; 1000 м.
6 ПЕРЕЧЕНЬ НЕРЕШЕННЫХ ПРОБЛЕМ, ЗАДАЧ
Зависимость скорости коррозии от степени минерализации шахтных вод получена автором [5] для максимальной скорости движения воздуха в магистральных выработках 8 м/с, тогда как в стволах последняя может достигать и 12 м/с. Таким образом, в данной магистерской работе необходимо установить зависимость скорости коррозии элементов армировки стволов от концентрации соли в воде при максимально допустимой скорости движения воздуха в стволе (12 м/с); исследования особенностей протекания процесса коррозии в металлических образцах, находящихся в напряженно-деформированном состоянии [5] проводились при величинах нагрузок на образцы 1…5 кг, что соответствует напряжениям 50…250 МПа. Следует отметить, что согласно [7] напряжения в элементах податливых армировок вертикальных стволов, вызванные движением подъемных сосудов и влиянием породного массива, в некоторых случаях могут значительно превышать 250 МПа. Таким образом, в данной магистерской работе необходимо провести аналогичные [5] испытания при больших нагрузках на образцы; в работе [7] параметры НДС элементов армировки под действием эксплуатационной нагрузки от подъемных сосудов и со стороны породного массива рассчитаны только для конкретных горно-технических условий, при изменении которых появляется необходимость новых расчетов.
7 ПЛАНИРУЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
Результаты должны состоять в успешном решении сформулированных выше задач исследований, что обеспечит достижение поставленной в данной работе цели.
8 ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате анализа литературных источников определены цель и задачи данной магистерской работы.
На базе лабораторных исследований установлено влияние минерализации вод на процесс протекания коррозии элементов армировки вертикальных шахтных стволов при максимально допустимых скоростях движения воздуха в вертикальных стволах.
Экспериментально установлены особенности протекания процесса коррозии в элементах армировки, находящихся под нагрузкой от подъемных сосудов и со стороны породного массива.
В результате моделирования при использовании ЭВМ найдены параметры напряженно-деформированного состояния элементов армировки, находящихся под действием эксплуатационной нагрузки от подъемных сосудов и со стороны породного массива для заданных горно-технических условий.
В результате проведенных исследований предложен способ защиты элементов армировок стволов от агрессивного действия шахтных вод
CONCLUSION
The master's thesis goals and objectives were specified as a result of the literary review.
On the base of laboratory researches there was found the influence of water salinity on corrosive process in the shaft furniture under the maximum safe air speed into the vertical shafts.
The features of corrosive process in the shaft furniture under the load due to buckets and rock mass were specified as the experimental results.
The parameters of deflected mode for the shaft furniture under the load due to buckets and rock mass were found for given mining and technical conditions as a computer simulation output.
As a result of the researches there was suggested corrosion-protection method for the shaft furniture in the presens of corrosive water.
Рис.6. Продольный разрез ствола в проходке (рисунок анимирован)
9 СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Красноярский В.В., Цикерман Л.Я. Коррозия и защита подземных металлических сооружений. – М.: Высшая школа, 1968. – 296 с.
2. Акимов Г.В. Основы учения о коррозии и защите металлов. – М.: Металлургиздат, 1946. – 463 с.
3. Жук Н.П. Курс теории коррозии и защиты металлов. – М.: Металлургия, 1976. – 472 с.
4. Борисенко А.И., Вященко К.А. Повышение антикоррозионных свойств защитных покрытий. – Л.: Наука, 1983. – 40 с.
5. Коваленко В.В. Повышение несущей способности металлической крепи капитальных горных выработок в условиях агрессивных шахтных вод: Автореф. дис. канд. техн. наук: 05.15.04 / Нац. гірн. ун-т. – Дніпропетровськ, 2002. – 16 с.
6. Розенфельд И.Л., Жигалова К.А. Ускоренные методы коррозионных испытаний металлов. – М.: Металлургия, 1966. – 347 с.
7. Саакян Р.О. Обоснование параметров ремонтопригодной податливой армировки вертиальных стволов для русловий деформирующегося породного массива: Автореф. дис. канд. техн. наук: 25.00.20 / Южно-Российский гос. техн. ун-т. – Новочеркасск, 2005. – 20 с.
| 