Совершенствование параметров монолитной бетонной крепи вертикальных стволов шахт в районе стыков

Д.т.н., проф. Борщевский С.В., студ. Руднев А.И., маг. Торубалко Д.Т.
Донецкий национальный технический университет

Источник: Материалы международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых учених, организованных кафедрой «Строительства шахт и подземных сооружений». Выпуск 17.

Вертикальные шахтные стволы, отличаясь своей уникальностью и важностью, требуют постоянного поиска и разработки эффективных решений по интенсификации их строительства и безремонтной эксплуатации, что в свою очередь является актуальной научно-технической проблемой. Оценивая состояние крепи, на современном этапе развития горнодобывающей отрасли, монолитная бетонная крепь стволов не полностью отвечает возросшим требованиям и условиям её работы.

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 является весьма актуальной задачей подземного строительства горнодобывающих предприятий. Идея данной работы заключается в увеличение сроков безремонтной эксплуатации крепи ствола, совершенствование технологии производства работ, повышение гидроизоляционных свойств монолитной бетонной крепи за счёт применения расширяющихся цементов в составе бетонной смеси для обеспечения необходимого распора в месте технологического шва, способствующего сращиванию старого бетона с новым.

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. 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. При применении расширяющегося цемента сила расширения вызывает распор, содействующий сращиванию старого бетона с новым. К явлениям химическим, таким образом, присоединяются и физические.

Для совершенствования технологии возведения и применения новых расширяющихся материалов проведены лабораторные исследования бетонов, проведенные в строительной лаборатории кафедры «Строительство шахт и подземных сооружений» Донецкого национального технического университета на основе расширяющегося шлакопортландцемента М 400 (РШПЦ ТУ У В.2.7-26.5-24478901-002:2007).

Для исследования величины объёмного расширения принималось 4 различных состава цементного теста: образцы цементные, без добавления песка; цементно – песчаные образцы в соотношении 1:1; цементно – песчаные образцы в соотношении 1:3; образцы «цемент-песок-гранитный отсев» состава 1:2:3 и два разных условия твердения образцов: твердение в воде в течение 72 часов и твердение в воздушных условиях.

Через 1 час после затворения образцы помещались в специально созданную установку, состоящую из емкости с герметичной крышкой, в которой имеется стеклянная трубка со шкалой позволяющая измерять объем вытесняемой из емкости жидкости, где выдерживались в воде в течение 72 часов.

В образцах из цементного теста после 72 часов твердения в воде вследствие значительного объёмного расширения (до 25,50%) образовывались трешины, в отличие от образцов из цементно-песчаного теста в пропорциях 1:1 и 1:3 и бетона, в которых трещинообразования не наблюдалось, а максимальный показатель объёмного расширения составил 14,7%; 6,10% и 2,25% соответственно.

По экспериментальным данным был построен график расширения образцов, показанный на рис. 2. Анализ данных зависимостей показал, что образцы различных составов по истечении 48 часов твердения в воде замедляют объёмное расширение и асимптотически стремятся к пределу данного значения.

Для определения линейного расширения растворов различного состава на РШПЦ готовилась серия образцов-цилиндров, которые  через 1 ч от начала затворения измерялись и погружались в воду. Через 72 ч образцы извлекали из установки и повторно измеряли их длину по ГОСТ 11052-74.

Результат измерений выражается в процентах и подсчитывается по формуле:

где l - линейное расширение, %;

n₁ – длина свежеизготовленного образца при первоначальном измерении, мм;

n₁ – длина образца при последующих измерениях образца, мм;

l – первоначальная длина цилиндра, равная 100 мм.

Результаты проведенных исследований линейного расширения образцов приведены в таблице 1.

На основании исследований сделан вывод, что расширение бетонов на расширяющемся шлакопортландцементе прямопропорционально зависит от показателя расширения на образцах из цементного теста и содержания вяжущего в бетоне.

Расширение цементно-песчаных образцов, твердевших в воздушных условиях полностью компенсировало усадку. В отдельных случаях наблюдалось незначительное расширение (0,08…0,12%). При комбинированном режиме твердения остаточное линейное расширение растворов на РШПЦ в возрасте 28 суток составляет 0,23…0,54%.

Сравнительное проектирование выполнено для совмещенной технологической схемы, с комбинированным креплением бетоном на быстротвердеющем сульфатостойком портландцементе основной части заходки и бетоном на основе расширяющегося шлакопортландцемента в зоне технологического шва между заходками и безремонтной эксплуатацией ствола в сравнении с традиционным креплением быстротвердеющим бетоном и последующими затратами на перекрепление нарушений крепи в зонах технологических швов.

Таблица 1 - Линейное расширение образцов различного состава