Студ. Торубалко Д.Т., проф., д.т.н. Борщевский С.В., ДонНТУ, Украина, проф., д.т.н. Заровняев Б.Н., Якутский государственный университет им. М.К. Амосова, г. Якутск 

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

       Вертикальные  стволы являются наиболее сложными техническими сооружениями горно–добывающих предприятий, как с точки зрения их строительства, так и с точки зрения эксплуатации.

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

       Как показывает анализ состояния 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.

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

       С увеличением глубины возрастает количество пересекаемых водоносных горизонтов. Более половины всех стволов Донбасса имеют остаточные водопритоки в ствол более 10 м³/ч. Проблема частично решается с применением последующего тампонажа, что требует дополнительных затрат и не всегда даёт положительный эффект.

       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 [1].

       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.

       Одним из направлений решения  вышеприведенных  проблем является применение бетонов на основе расширяющихся в процессе гидратации вяжущих веществ. Это позволит создать высокопрочную, водонепроницаемую монолитную бетонную крепь, в которой учтена стыковка старого бетона с новым, при выполнении работ по возведению, увеличить стойкость бетонной крепи к водопритокам, коррозии, горному давлению.

       Проанализировав разработанные отечественными и  зарубежными учёными цементы, способные к расширению и производимые в нашей стране были выбраны для исследований: водонепроницаемый расширяющийся цемент (ВРЦ), предложенный В. В. Михайловым, гипсоглиноземистый расширяющийся цемент (ГОСТ 11052-64), расширяющийся портландцемент (РПЦ), разработанный И. В. Кравченко и гидроизоляционный цемент (ГИР-1, ГИР-1МП), разработанный ГП «Харьковский исследовательский цементный завод».

       Данные  цементы в данное время применяются для создания самонапряжённых железобетонных конструкций, заделки стыков сборных бетонных и железобетонных конструкций, омоноличивания и усиления конструкций, герметизации швов тюбингов и раструбов, производстве безусадочных водонепроницаемых бетонов и растворов.

       Водонепроницаемый расширяющийся цемент (ВРЦ) представляет собой быстросхватывающее и быстротвердеющее гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем совместного помола и тщательного смешивания в шаровой мельнице измельченных глиноземистого цемента (70-76%), гипса (20-22%) и высокоосновного гидроалюмината кальция (10-11%).

       Отличительной особенностью данного вида вяжущего является его быстрое схватывание  и твердение. Через трое суток  изделия на основе ВРЦ должны иметь  предел прочности при сжатии не менее 300 кгс/см кв. (30 МПа), а через 28 суток – 500 кгс/см кв. (50 МПа). Через сутки после начала твердения изделия должны быть абсолютно водонепроницаемы при давлении до 6 атм.

         Начало схватывания цементного  теста на основе водонепроеницаемого расширяющегося цемента происходит уже через 4 минуты после затворения его водой. Через 10 минут происходит окончание схватывания. Наибольшее расширение ВРЦ показывает при твердении во влажных условиях. Величина расширения изделий на основе данного вида цемента в течение первых суток составляет 0,2-1,0%.

       Замедление  схватывания ВРЦ в 5-8 раз достигается  при добавлении СДБ, буры, уксусной и виннокаменной кислоты.

       Гипсоглиноземистый  расширяющийся цемент - это вяжущее гидравлическое быстротвердеющее вещество, которое получают при совместном помоле высокоглиноземистых шлаков и гипса, либо смешением этих заранее измельченных компонентов. Требования ГОСТ 11052-64 определяют, что начало схватывания цементной массы должно наступить не раньше 20 мин., а конец - не позже 4 часов с момента затворения водой.

       Расширение  образцов гипсоглиноземистого цемента  осуществляется только в воде, если цемент твердеет на воздухе - он становится безусадочным.

       По  прочности расширяющийся цемент подразделяют на марки 400, 500 и 600. Начало схватывания этих видов цемента  происходит не ранее 30 мин, а конец  завершается к 12 часам после затворения. Расширение цемента за сутки составляет от 0,15 до 1.0%.

       РПЦ является гидравлическим вяжущим веществом, получаемым совместным тонким измельчением еле дующих компонентов (в масс. %) —портландцементного клинкера (58—65%), высокоглиноземистого шлака (5— 7%), двуводного гипса (7—10%), доменного гранулированного шлака или другой активной минеральной добавки (20—28%). Количество ангидрида серной кислоты в цементе должно быть не меньше 3,3% и не больше 5%. сумма оксидов кальция и натрия не должна превышать 1%.

       Линейное  расширение призм размером ,40X40X160 мм, изготовленных из чистого цементного теста нормальной густоты, должно быть при водном твердении через сутки не менее 0,15 %, через 28 сут, — в пределах 0,2—2,0%; при комбинированном режиме — через 1 сут не менее 0,15 и через 28 сут — не менее 0,05 %. Его прочность при сжатии через 1 сут—19, 7 сут — 51, 28—70, 1 год — 65, 5 лет — 73 МПа.

       Наиболее  благоприятным режимом для РПЦ  является твердение в воде. Бетонные образцы с расходом РПЦ 400 кг/м куб. при  В/Д=0,5, твердеющие в воздушно-влажных  условиях, через сутки выдерживают  гидравлическое давление воды до 0,4 МПа, через 3 сут — до 1,1 МПа и через 7 сут —до 1,6 МПа. Морозостойкость РПЦ марки 400 достаточно высока. Бетон, содержащий 450 кг/м куб. РПЦ при В/Д=0,5, выдерживает 300 циклов попеременного замораживания и оттаивания в пресной воде при снижении прочности всего лишь на 14—15%.

       Расширение бетонов на этих цементах зависит от показателя их расширения (на образцах из теста) и содержания вяжущего в бетоне. Приблизительно можно считать, что свободное расширение бетона при содержании в нем цемента 250— 300 кг/м куб. составляет 0,1 показателя для образцов из теста; при содержании цемента 400 кг/м куб. оно равно 0,2; при содержании цемента 600 кг/м куб. — 0,45. Для получения эффекта увеличения исходного объема бетона на требуемую величину в начальный период твердения (1—10 сут) в указанные цементы вводят в необходимом количестве расширяющиеся добавки.

       Дальнейшие  исследования этой темы будут направлены на получение зависимостей характеристик  прочности холодных стыков от объёма расширяющейся бетонной смеси, водонепроницаемости  технологического шва, совершенствование  технологического процесса возведения монолитной крепи, разработку оптимальной  технологии герметизации швов между  заходками и, как следствие, уменьшение притока воды в ствол и улучшение условий труда проходчиков.

       На  данном этапе изготовлена лабораторная установка - стенд для определения  объёмного расширения бетонной смеси  в процессе гидратации (рис.1), состоящий из емкости с герметичной крышкой, в которой имеется стеклянная трубка со шкалой позволяющая измерять объем вытесняемой из емкости жидкости. 
 
 

Рис.1. Установка для определения объёмного расширения бетонной смеси.

       С помощью данной установки в дальнейшем будут проведены необходимые  лабораторные исследования, которые  позволят определить оптимальный состав бетонной смеси, а также объём  смеси, необходимый для надёжного  подпора и герметизации технологического шва между заходками.

       В работе будут проанализированы напряжения, возникающие в районе стыка, для  различных условий, изучены особенности  возведения расширяющейся монолитной крепи, вымывания цементного молока, исследованы притоки воды через  швы, учтена геометрия стыка между  заходками.

       Выполнение  поставленных задач поможет увеличить  прочность монолитной бетонной крепи  в районе стыка между заходками, уменьшит процесс вывалообразования, приведёт к уменьшению притока воды в выработку и увеличит срок  эксплуатации вертикального ствола. 

       Библиографический список 

       1. Шилин А.А. Повышение гидроизоляционный свойств монолитной бетонной крепи стволов шахт. Автореферат. М. 1976г.

       2. Михайлов В.В., Литвер С.Л. Расширяющийся и напрягающий цементы и самонапряжённые железобетонные конструкции. М., Стройиздат. 1974г.

       3. Кравченко И.В. Расширяющиеся  цементы. М. 1963г.