Реферат по теме магистерской работы

Введение

Развитие горнодобывающей отрасли предусматривает освоения новых месторождений и реконструкцию действующего шахтного фонда, что неотъемлемым образом связано с сооружением и углубкой вертикальных стволов.

Преобладающее большинство вертикальных стволов закреплено монолитным быстротвердеющим бетоном, который обеспечивает высокие технико–экономические показатели при их сооружении (90% от общего объёма).

Оценивая состояние крепи, на современном этапе развития горнодобывающей отрасли, монолитная бетонная крепь стволов не полностью отвечает возросшим требованиям и условиям её работы.

Отсутствие водонепроницаемости и коррозионной стойкости бетонной крепи, способности воспринять возросшее горное давление, гидростатический и динамический напоры подземных вод, вызывает необходимость капитального ремонта многих стволов шахт и увеличения затрат на откачку остаточного водопритока при их эксплуатации.

Актуальность темы

Крепь должна отвечать возросшим требованиям, не только как грузонесущая ограждающая конструкция, но и как гидроизоляционный материал.

Вышесказанное поднимает необходимость выполнения анализа накопленного опыта по гидроизоляции монолитной бетонной крепи стволов шахт, особенностей возведения монолитной бетонной крепи и формирования технологических швов, изучения параметров и нахождения зависимостей с целью решения поставленных задач.

Цель и задачи работы

Целью магистерской работы является обоснование параметров монолитной бетонной крепи в районе технологических швов при сооружении вертикальных стволов шахт по совмещённой схеме проходки для улучшения технико-экономических показателей их строительства и эксплуатации.

Поставленная цель определила следующие задачи, решению которых посвящена настоящая работа:

1. Проанализировать и обобщить современные исследования, проектно-конструкторских и исследовательских институтов по данной теме. Выполнить анализ накопленного опыта по гидроизоляции монолитной бетонной крепи стволов шахт и борьбы с водопритоками.

2. Изучить особенности возведения монолитной бетонной крепи, формирования технологических швов, расслоения бетонной смеси, вымывания цементного молока из состава бетонной смеси. Разработать рекомендации по повышению качества производства работ по укладке бетонной смеси и твердения бетона.

3. Проанализировать силы, возникающие в районе стыков бетона разных заходок. Исследовать радиальные размеры области неупругих деформаций в приконтурном породном массиве ствола.

4. Исследовать приток воды через технологические швы заходок бетонирования. Разработать альтернативные меры для его уменьшения и защиты крепи ствола от коррозии и выволообразования. Рационализовать геометрию стыка между заходками.

5. Провести лабораторные исследования бетонных образцов на основе расширяющихся цементов на предмет их объёмного расширения, прочности на сжатие, водонепроницаемости, обеспечения необходимого «подпора» и сцепления бетонной смеси и затвердевшего бетона. Определение снижения остаточного водопритока через технологические швы в сравнении с известной технологией.

6. Разработать технологические схемы предлагаемой технологии и ее основные параметры. Выполнить их экономическую оценку, определить область применения.

Идея работы

Повышение гидроизиляционных свойств монолитной бетонной крепи, значительное снижение остаточных водопритоков в ствол, увеличение сроков безремонтной эксплуатации крепи, совершенствование технологии производства работ за счёт применения расширяющихся цементов в составе бетонной смеси для обеспечения необходимого распора в месте техноло-гического шва, способствующего сращиванию старого бетона с новым.

Методы исследования:

Анализ и обобщение современного состояния проходки и крепления вертикальных стволов; обработка массива накопленных материалов с привлечением методов статистического анализа с использованием апробированных программных средств; математическое моделирование напряженно-деформированного состояния породного массива вертикального ствола с использованием положений теории сплошных сред и технико-экономические расчеты.

Научная новизна магистерской работы:

– установлены зависимости изменения прочностных характеристик монолитной бетонной крепи в районе «холодных» стыков от объёма расширяющейся бетонной смеси;

– усовершенствован технологический процесс возведения бетонной крепи;

– разработана оптимальная технология герметизации технологических швов между заходками.

Научное значение работы

Заключается в установлении зависимостей прочностных и гидроизоляционных свойств монолитной бетонной крепи на основе расширяющихся цементов и взаимосвязи ее основных параметров и технико-экономических показателей, установлении особенностей формирования напряженно-деформированного состояния в системе «породный массив - крепь» в районе технологических швов между заходками.

Практическое значение

Заключается в совершенствовании технологии крепления вертикальных стволов монолитным бетоном по совмещённой технологической схеме проходки, с максимальной интенсивностью производственных процессов, разработке практических рекомендаций улучшения качества производства работ по креплению.

Основные положения

Вопросами повышения прочностных и гидроизоляционный свойств бетонных конструкций длительный период времени обширно занимаются ведущие научно-исследовательские, проектно-конструкторские организации, ряд учёных и инженеров Украины и стран СНГ что позволило накопить достаточный уровень научных и инженерно-технических знаний, пополнить научную базу, созданную учёными в бывшем СССР.

Основным назначением крепи является поддержание породных стенок ствола от обрушения, сохранение необходимых размеров поперечного сечения и поддержание ствола в рабочем эксплуатационном состоянии [9].

Развитие техники и технологии сооружения шахтных стволов происходит в непосредственной связи с применяемыми видами крепи. Вид крепи и способ её возведения в значительной степени обуславливают и общую технологическую схему сооружения стволов [3].

Для крепления стволов, проходимых буровзрывным способом, применяют в основном монолитную бетонную крепь. Так, в угольной и горнорудной промышленности объем применения бетонной крепи стволов составляет 90-95%, в горнохимической промышленности - 40-45% [9].

Вопросы разработки ресурсосберегающих технологий проходки вертикальних стволов в условиях повышенных водопритоков неразрывно связаны с решением ряда сложных технических и технологических задач уже на этапе составления проектов производства работ, до начала самой проходки.[6]

Применение монолитной бетонной крепи, возводимой с помощью инвентарных забойных металлических опалубок, обусловило переход к совмещённой технологической схеме [3] с подачей быстротвердеющей бетонной смеси за опалубку по трубам.

Кроме напряжений, связанных с неравномерностью распределения горного давления, монолитная крепь вертикальных стволов испытывает нагрузки от статического и динамического напора подземных вод, что в условиях фильтрации воды через крепь приводит к растворению и выносу из состава бетона цементного камня. Омывая бетон, вода растворяет гидрат окиси кальция, который выделяется при твердении цемента, и выносит его из бетона, снижая его прочность. Одновременно увеличивается пористость и водопроницаемость бетонной крепи [4].

Однако в настоящее время ещё не создано универсальной технологии защиты ствола от фильтрующих шахтных вод. Основным направлением снижения водопритоков является тампонаж закрепного пространства как с поверхности, так и из забоя сооружаемого ствола, что приводит к значительному снижению поступления воды в ствол, но полностью проблемы не решает, т.к. монолитная бетонная крепь в силу ряда конструктивных причин не является гидроизоляционным материалом.

С увеличением глубины возрастает количество пересекаемых водоносных горизонтов. Более половины всех стволов Донбасса имеют остаточные водопритоки в ствол более 10 м3/ч [7].

Исследования показывают, что фильтрация воды в основном происходит не через основную поверхность бетонной крепи, а через отдельные трещины, технологические швы бетонирования и прилегающие к ним зоны, составляющие 6% от высоты заходки бетонирования, применяемой при совмещённой схеме производства работ [7] т.е. 12-24 см.

Сомещённая схема проходки предусматривает образование таких зон каждые 2-4 метра, что влечёт за собой разрывы сплошности бетонной креми, рост водопритоков, коррозии и как следствие в дальнейшем ремонта крепи, снижения безопасных условий её эксплуатации.

Причина кроется в развитии усадочных явлениях в процессе твердения бетонной смеси новой заходки, низкой адгезии к уже затвердевшему бетону, неполном заполнении стыков между заходками.

Через технологические швы поступает основное количество воды – от 30 до 100% остаточных притоков. Средняя величина притока через швы достигает 75% от остаточного. Водоприток происходит не только через зону технологического шва, но и через нижележащую зону шва бетонной крепи высотой 10-40 см [7].

Проницаемость технологического шва в десятки раз больше проницаемости бетона и зависит от состава бетона, вида применяемого цемента, условий формирования зоны шва, типа добавок, других факторов. Конструкция стыка старого бетона с новым оказывает существенное влияние на прочность шва, однако не сказывается на его водопроницаемости. Прочность шва увеличивается в зависимости от площади соприкасаемых поверхностей. Подбор состава бетонной смеси повышает адгезию старого и нового бетонов в 1,2-1,5 раза, однако полностью вопроса плотности шва не решает. Способ укладки и уплотнения бетонной смеси на 10-15% увеличивает прочность и непроницаемость технологического шва. Выбор оптимальной технологии укладки бетона позволяет снизить в 1,3-5 раз проницаемость швов за счёт уменьшения расслаиваемости бетонных смесей. Условия укладки и твердения бетона оказывают отрицательное влияние на качество омоноличивания технологических швов. Однако влажные условия твердения и насыщенность старого бетона водой способствуют улучшению прочности шва на 20-25% за счёт снижения в бетоне усадочных напряжений.

На толщину зоны шва по данным [7] влияет ряд условий: а) структурообразование (связанное с расслоением смеси); б) технологические (перерыв в бетонировании и др.); в) условия твердения (температура, влажность); г) условия укладки (капёж, потоки и др.)

Для уменьшения влияния первого фактора необходимо применение более пластичных составов бетонной смеси, использование всевозможных добавок в бетон, новых конструкций гасителей скорости и др. Условия твердения обеспечиваются подачей в ствол подогретого воздуха. Снижение влияния перерыва в бетонировании возможно при переходе от совмещённой к параллельной технологии проходки, что к тому же снижает количество технологических швов. Но параллельная схема имеет ряд существенных недостатков, как с точки зрения экономики, так и организации работ, ограничивающих её широкое применение. Поэтому необходима разработка решений по снижению негативного влияния перечисленных факторов для совмещённой схемы проходки.

Решением данного ряда вопросов может явиться применение в шахтном строительстве, и креплении вертикальных стволов в частности, бетонов на основе расширяющихся видов цементов.

Бетоны, применяемые в настоящее время для крепления стволов, при воздушном и водо-воздушном твердении дают усадку, что негативно сказывается на качестве крепи, стойкости к восприятию горного давления, агрессии шахтных вод. Это объясняется тем, что в результате усадочных деформаций, в цементном камне, заполняющем пространство между зёрнами песка и гравия, возникают большие растягивающие напряжения, приводящие к появлению в нём микротрещин [8]. Такие внутренние разрывы ведут к тому, что в больших бетонных массивах появляются трещины, видимые простым глазом, и, помимо того, во всех случаях значительно повышается водопроницаемость и газопроницаемость цементного камня.

Усадка, а также различие в усадке нового и старого бетона или раствора являются одной из важнейших причин, вызывающих нарушение или ослабление сцепления старого бетона с новым в швах. Наибольшее влияние на величину сцепления оказывают условия твердения бетона. В условиях влажного хранения образцов была получена значительно более высокая прочность сцепления, чем при воздушном хранении [8].

При применении расширяющегося цемента сила расширения вызывает распор, содействующий сращиванию старого бетона с новым. К явлениям химического свойства таким образом, присоединяются и физические. Прочность и непроницаемость шва на расширяющемся цементе должны быть поэтому выше, чем на обычном усадочном [8].

Заключение

В результате анализа литературных источников определены цель и задачи данной магистерской работы. Получены зависимости в качестве граничных условий при проведении компьютерного вычислительного экспиримента.

Библиографический список

Белый В.В., Шульга А.С. Беркович И.М., Цурпал Г.М. Ретроспективный обзор – «История Донецкого шахтостроя». Второе издание, дополненное и исправленное. Донецк - 2003 г. - С. 54-356.
Абрамсон Х.И., Бейсбейн Д.А., Черемисин Л.П. О повышении качества стыков бетонной крепи шахтных стволов / Шахтное и подземное строительство. - Москва. – 1980. - №9. - С. 16-18.
Булычёв Н.С., Абрамсон Х.И. Крепь вертикальных стволов шахт / Недра. - Москва - 1978. - С. 13-22.
Казакевич Э.В. Крепление вертикальных стволов шахт монолитным бетоном / Недра. - Москва - 1970 г. - С. 32-33.
Новик Е.Б., Пшеничный Ю.А. Опыт водоизоляции бетонной крепи вертикальных стволов на объектах ГОАО «Трест Донецкшахтопроходка» // Проблемы подземного строительства и направления развития тампонажа и закрепления горных пород: Материалы научно – практической конференции / Восточноукраинский национальный университет им. В.Даля. - Луганск - 2006. - С. 106-114.
Борщевский С.В., Дрюк А.А., Сирачев А.Ж. К вопросу об увеличении водонепроницаемости монолитной бетонной крепи вертикальных стволов большого диаметра//Проблемы подземного строительства и направления развития тампонажа и закрепления горных пород: Материалы научно – практической конференции / Восточноукраинский национальный университет им. В.Даля. – Луганск - 2006. - С. 152-162.
Шилин А.А. Повышение гидроизоляционных свойств монолитной бетонной крепи стволов шахт: Автореф. дис. канд. тех. наук: 05.15.04/ МГИ. - Москва. - 1976. - С. 9-12.
Кравченко И.В. Расширяющиеся цементы / Государственное издательство литературы по строительству, архитектуре и строительным иатериалам. - Москва. - 1962. - С. 7-89.
Б.Л. Картозия, Федунец Б.И., Шуплик М.Н., Малышев Ю.Н., Смирнов В.И., Лернер В.Г., Рахманинов Ю.П., Корчак А.В., Филимонов Б.А., Резуненко В.И., Левицкий A.M. Высшее горное образование: Шахтное и подземное строительство. Учебник для вузов, 2-е издание, переработанное и дополненное. Том I / Академия горных наук. - Москва. - 2001.