Материалы для крепи стволов шахт

Основным строительным материалом для возведения крепи ствола шахты служит бетон. Бетон в значительной части ствола, наряду с выполнением функций несущего конструкционного материала подвергается постоянному или систематическому воздействию воды (среды), а также воздействиям знакопеременных температур и других климатических факторов, господствующих в данном районе строительства и в стволе. В связи с этим в целях повышения эксплуатационных качеств ствола шахты и его долговечности, для постоянной крепи ствола применяется специальный вид цементного бетона, именуемый по комплексу придаваемых ему свойств гидротехническим. Современные вертикальные стволы достигают больших глубин (1500 м. и более), их диаметры достигают 9—10 м, толщина бетонной крепи — от 40—50 до 100—120 см (верхние участки ствола). В зависимости от расположения бетона крепи ствола шахты по отношению к уровню воды (среды) различают подводный бетон, находящийся в воде постоянно, бетон зоны переменного уровня, в которой в результате систематического смачивания и. капиллярного подсоса на ту или иную высоту над уровнем воды бетон насыщается водой и одновременно подвергается воздействию знакопеременных температур окружающего воздуха, а также надводный бетон, находящийся в надводной части ствола (район устья и иногда ниже) выше переменного уровня воды, включая высоту капиллярного подсоса.

Подводный бетон так же, как и бетон зоны переменного уровня, должен быть в первую очередь водостойким, т. е. стойким против возможного агрессивного действия воды (среды) при соответствующем ее химическом составе.

Кроме того, бетон в зоне переменного уровня, подвергающийся разрушающему действию попеременного замораживания: и оттаивания в водонасыщенном состоянии, должен быть вполне морозостойким.

Надводный бетон подвергается обычным для многих наземных открытых сооружений атмосферным воздействием, соответствующим климатическим условиям данного района, и должен быть, в частности, морозостойким.

Бетон участков крепи, подвергаемых напору шахтных и подземных вод, в зависимости от действующего напора воды должен обладать той или иной степенью водонепроницаемости. Поскольку крепь ствола шахты не является массивной конструкцией, при твердении бетона будет иметь место малое тепловыделение (экзотермия) и отсюда возможность появления в ней трещин в результате неравномерного нагрева и остывания, а также исключается опасность возникновения значительных температурных напряжений. Учитывая, что в стволах всегда имеют место остаточные притоки, и иногда значительные, крепь может подвергаться истирающему действию угольной пыли и мелочи, взвешенных в потоках воды. При этом происходит механическое повреждение бетона (истирание, удары). Разрушение бетона возможно также в результате процессов, происходящих в зонах кавитации при больших скоростях движения воды. В указанных выше местах бетон должен обладать повышенной механической прочностью и износоустойчивостью (сопротивлением истиранию и кавитационному разрушению).

Наконец, к бетону крепи ствола шахты на разных участках по глубине, находящихся в различном напряженном состоянии, предъявляются соответствующие требования по прочности на сжатие и растяжение. Хорошо приготовленная и рационально подобранная по составу бетонная смесь должна обладать минимально необходимой внутренней связностью, исключающей возможность ее расслоения при транспортировании к месту укладки в большинстве своем по трубам.



По пределу прочности бетона при сжатии в соответствии с требованиями ГОСТ 4795—68 установлены следующие проектные марки бетона: 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400 и 500.

Под маркой бетона по прочности на сжатие понимается предел прочности при сжатии (ОД МПа) бетонных образцов — кубов размером 20x20x20 см, изготовленных стандартным способом из бетона рабочего состава и испытанных в возрасте 180 дней нормального твердения при 20±2 °C и относительной влажности не менее 90 %.

По пределу прочности при осевом растяжении установлены следующие проектные марки бетона: PU, P15, P18, Р20, Р23. Р27, Р31 и Р35.

Под маркой бетона по прочности на осевое растяжение понимается предел прочности при растяжении (0,1 МПа) бетонных образцов восьмерок при испытании непосредственно на осевое растяжение цилиндров и кубов (при испытании раскалыванием), изготовленных стандартным способом из бетона рабочего состава и испытанных в возрасте 180 дней нормального твердения.

Прочность бетона как материала конгломератного строения при применении в качестве заполнителя прочных и плотных каменных пород зависит при сжатии от прочности цементного камня в бетоне, цементирующего отдельные зерна и куски заполнителя в единый монолитный материал, от формы зерен, чистоты и характера поверхности заполнителя, обусловливающих прочность сцепления между составляющими, а также от характера строения бетона в целом, его плотности, однородности и качества контакта между зернами заполнителя и цементным камнем.

Прочность цементного камня, в свою очередь, зависит от активности (марки) цемента, плотности цементного камня, определяемой, как известно, водоцементным отношением, а также от возраста бетона и условий его твердения (температура и влажность среды). Под водоцементным отношением понимается отношение массы воды затворения (за вычетом количества воды, поглощенной заполнителем в воздушно-сухом состоянии) к массе цемента.

Прочность бетона при растяжении зависит от прочности цементного камня на растяжение, и в еще большей степени, чем при сжатии,— от качества сцепления между зернами заполнителя и цементным камнем, а также от остальных факторов прочности бетона на сжатие.

При расчетах бетонных и железобетонных конструкций крепи на прочность надо руководствоваться СНиПами.

В последнее время при расчетах прочности бетонной крепи стволов шахт и назначениях допускаемых напряжений стали учитывать то обстоятельство, что в стволах бетон крепи находится в сложном напряженном состоянии, когда все главные нормальные напряжения или по крайней мере два из них не равны нулю.



Бетон как материал обладает пористостью и водопроницаемостью, хотя и малой. В зависимости от марки бетона его коэффициент фильтрации колеблется от A*10в-4 до A*10в-8 см/с. Потери воды через бетон не имеют значения, однако фильтрация воды через бетон оказывает на него физико-химическое и механическое воздействия. Физико-химическое воздействие фильтрующейся воды, зависящее от ее качества, рода цемента и состава бетона, влияет на структуру бетона и его долговечность. Причины агрессивного действия воды (среды) на бетон могут быть сведены в три группы:

1) фильтрация сквозь бетон крепи ствола шахты мягких пресных вод, растворяющих гидрат окиси кальция Ca(OH)2 и другие растворимые структурные составляющие цементного камня, с непрерывным выносом продуктов растворения из тела бетона фильтрующейся водой (коррозия выщелачивания). Коррозия этого вида связана с постепенным, прогрессирующим во времени уменьшением плотности бетона, увеличением скорости фильтрации и потерей бетоном его эксплуатационных качеств;

2) наличие в минерализованных природных водах (среде) сульфатных и магнезиальных солей, которые, взаимодействуя с гидратом окиси кальция в цементном камне, в результате обменных реакций образуют легкорастворимые соли (сульфаты, хлориды) и бесструктурный гидрат окиси магния, легко вымываемые из бетона. При взаимодействии с гидроалюминатом кальция в цементном камне соли сульфатов дают комплексные соли гидросульфоалюмината кальция, образование которых вследствие соединения большого количества воды связано со значительным увеличением объема цементного камня в бетоне с его разрушением;

3) наличие в природных и шахтных водах (среде) растворенных свободных минеральных кислот, в первую очередь угольной, которые, взаимодействуя с гидратом окиси кальция в цементном камне, образуют легкорастворимые соли этих кислот, например кислые углекислые соли Ca (HCO3)2, сернокислые соли CaSO4, солянокислые соли CaCl2 и другие, которые выносятся из бетона под действием омывающей бетонную поверхность крепи или фильтрующейся сквозь бетонную крепь подземной или шахтной воды (среды).

Наличие агрессивности воды (среды) по отношению к бетону, вид и степень агрессивности определяются в соответствии с анализом химического состава воды, скоростью фильтрации воды и другими факторами по CH 249—63.

Физическая коррозия («выветривание») бетона может предшествовать процессу его разрушения под воздействием химических факторов и ускорять ход этого процесса. Поэтому основным средством увеличения сопротивляемости бетона агрессивным воздействиям воды является повышение его структурной плотности; меры по повышению плотности бетона аналогичны рекомендовавшимся для повышения водонепроницаемости гидротехнического бетона.

Основными мерами по повышению водонепроницаемости бетона являются: обеспечение однородно-плотного бетона, сведение к возможному минимуму неизбежной капиллярной пористости цементного камня в бетоне, получение бетона без таких дефектов в структуре, как неплотности, вызванные расслоением бетонной смеси, а также трещинами усадочного и температурного характера.

Повышение плотности и создание благоприятной структуры бетона с минимально возможной капиллярной пористостью может быть достигнуто:

- соответствующим составом бетона, в частности ограничением верхнего предела водоцементного отношения величиной 0,5—0,58 в зависимости от требуемой степени водонепроницаемости, некоторым в связи с этим увеличением расхода цемента в бетоне, а также повышением относительного содержания песка в смеси заполнителей;

- улучшением удобоукладываемости бетонной смеси, исключающей возможность ее расслоения при транспортировании и укладке, и тщательном уплотнении смеси при бетонировании крепи ствола шахты;

- применением в качестве добавок к бетонной смеси поверхностно-активных веществ, позволяющих снизить начальное содержание воды в смеси и повысить ее устойчивость против расслоения;

- хорошим уходом за уложенным бетоном и благоприятным влажностным режимом твердения, увеличивающим полноту гидратации цемента и уменьшающим размер усадки.

О добавках для бетона крепи ствола шахты следует сказать особо.

Различают две группы добавок, вводимых в приготовляемую бетонную смесь: 1) тонкомолотые или природно-дисперсные минеральные гидравлические активные, 2) неактивные и поверхностно-активные вещества.

Минеральные активные добавки бывают природные — осадочного (диатомиты, трепелы, опоки) или вулканического (пеплы, туфы, пемзы) происхождения и искусственные (доменные гранулированные шлаки, топливные шлаки, золы — уноса некоторых видов углей и др.). Эти добавки применяются для повышения плотности и стойкости бетонов в пресных и минерализованных водах, а также с целью, снижения расхода цемента без уменьшения прочности бетона.

Минеральные неактивные добавки — наполнители бывают природные (известняки, пески, глины) и искусственного происхождения — из промышленных отходов (топливные золы и шлаки, доменные шлаки и пр.). Добавки эти вводят с целью снижения расхода цемента без понижения плотности бетона в тех случаях, когда марки применяемых цементов заведомо выше фактически требуемых, а также с целью уменьшения тепловыделения бетона в массивных конструкциях. Поскольку крепь ствола нельзя отнести к массивным конструкциям, этот фактор не является решающим.

Основной пластифицирующей добавкой, вводимой в приготовляемую бетонную смесь с целью повышения ее подвижности и удобоукладываемости, а также морозостойкости и отчасти водонепроницаемости бетона, является концентрат сульфитноспиртовой и сульфитно-дрожжевой барды, или сокращенно соответственно ССБ и СДБ.

Количество вводимой добавки ССБ (СДБ) вместе с водой затворения находится в пределах 0,15—0,25 % от массы цемента в перерасчете на сухое вещество добавки.

Помимо пластифицирующих добавок в бетонные смеси гидротехнического бетона с целью улучшения их удобоукладываемости и структуры, а также снижения водопотребности могут вводиться гидрофобизирующие (воздухововлекающие) добавки, к которым относятся различные технические мыла, абиетаты натрия, мылонафт, а также газовыделяющие пластифицирующие добавки, к которым относится гидрофобизирующая добавка ГКЖ-94.

Механическое воздействие фильтрующейся воды, заключающееся в создании силовых воздействий на бетон, влияет на напряженное состояние крепи ствола шахты.

В результате механического воздействия воды в порах бетона частицы материала (зерна) подвергаются всестороннему обжатию, взвешиванию (по закону Архимеда); гидродинамическому давлению в результате трения движущейся воды о поверхность частиц. Всестороннее обжатие частиц по существу не имеет значения, так как уменьшение их объема ничтожно и не влияет на напряженное состояние бетонной крепи в целом. Взвешивающее давление фильтрующейся воды, а также гидродинамическое давление воды в крепи ствола может не учитываться. Это давление, направленное по линиям токов фильтрации, пропорционально градиенту фильтрационного потока, во внешней статике крепи оно вообще может не учитываться, если учтено полное гидростатическое давление на поверхность крепи.

По водонепроницаемости установлены следующие марки гидротехнического бетона: В2, В4, В6, В8 и В12. Марка бетона по водонепроницаемости назначается в зависимости от напорного градиента, равного отношению максимального напора к толщине бетонной или железобетонной крепи.

В зависимости от вида гидротехнического бетона рекомендуются следующие марки бетона по водонепроницаемости:

- для бетона зоны переменного уровня — В6 для бетонных и малоармированных конструкций (армирование до 0,5 %) и В8 для железобетонных конструкций;

- для подводного бетона — В4 для бетонных и малоармированных конструкций и В6 для железобетонных конструкций;

- для внутренней зоны массивных конструкций — В2 в возрасте 180 сут.

Бетонная и железобетонная крепь вертикального ствола шахты должна характеризоваться тремя важнейшими марками — по прочности, водонепроницаемости и морозостойкости.

Морозостойкость бетона — один из важнейших факторов долговечности бетонной и железобетонной крепи, подвергаемой многократному совместному воздействию воды и отрицательных температур. Морозостойкость бетона, подвергающегося систематическому или эпизодическому воздействию воды, характеризуется наибольшим числом циклов попеременного замораживания и оттаивания, которое выдерживают при испытании насыщенные водой образцы 28-суточного возраста без снижения прочности бетона более чем на 15 %, по сравнению с прочностью образцов такого же бетона в эквивалентном возрасте, не подвергавшихся замораживанию. Непосредственной причиной разрушения бетона при его многократном замораживании и оттаивании является расширение воды, заполняющей поры в бетоне, при превращении ее в лед и развивающееся при этом давление на стенки пор. Для повышения морозостойкости бетона, кроме уменьшения его общей пористости, необходимо улучшать структуру этой пористости, т. е. стремиться к более равномерному распределению пор в виде тонких, по возможности не сообщающихся между собой капилляров (в тонких капиллярах вода замерзает при более низких отрицательных температурах). Это достигается применением бетона с достаточным для получения плотной структуры расходом цемента, а также принятием пониженных значений водоцементного отношения (не более 0,5—0,55 в зависимости от заданной марки бетона по морозостойкости).

Составляющие морозостойкого бетона — цемент, заполнители— должны быть сами по себе морозостойкими с малым водопоглощением и с малой густотой цементного теста. Морозостойкость бетона может быть существенно повышена применением поверхностно-активных органических добавок.

По морозостойкости установлены следующие марки гидротехнического бетона: Мрз50, Мрз100, Мрз150, Мрз200, Мрз300, Мрз400 и Мрз500. Цифры означают, что бетон должен выдержать соответственно 50, 100, 150, 200, 300, 400 и 500 циклов замораживания и оттаивания при испытании образцов бетона.

Согласно правилам безопасности в угольных и сланцевых шахтах, при стволах и штольнях с поступающей струей должны быть калориферные устройства, обеспечивающие поддержание температуры воздуха не менее +2 °C в 5 м ниже сопряжения канала калорифера со стволом шахты. Выполнение этого требования должно исключить возможность обмерзания крепи стволов при нормально действующих калориферных устройствах. Однако на многих шахтах крепь вертикальных стволов ежесменно подвергается обмерзанию и оттаиванию.

Крепь стволов шахт обмерзает на значительную глубину. Попеременное обмерзание крепи приводит к ее разрушению. Требуемая марка по морозостойкости бетона для крепи ствола шахты назначается в зависимости от климатических условий района строительства и числа расчетных циклов попеременного замораживания и оттаивания в течение года.

Калориферное хозяйство некоторых шахт находится в неудовлетворительном состоянии, например, часть калориферных установок необходимо срочно ремонтировать, на других требуется увеличение поверхности нагрева. Это приводит к настолько сильному обмерзанию крепи стволов, что затрудняет передвижение подъемных сосудов по стволу и требует систематического скалывания льда.

В очень суровых климатических условиях (температура ниже -20 °С) марка бетона по морозостойкости назначается в обосновывается в каждом отдельном случае особо (табл. 4.2). Для надводного бетона (часть крепи ствола выше уровня грунтовых вод) марка по морозостойкости назначается с учетом характера атмосферных воздействий на него и числа переходов через 0 °C температуры воздуха в зимнее время, но не ниже Мрз50 при среднемесячной температуре от 0 до -10 °C в Мрз100 — при среднемесячной температуре от 10 до -20 °C.



Поверхность бетонной крепи, по которой движется водяной поток, подвергается в процессе эксплуатации значительному износу и эрозии в результате истирающего и ударного воздействия потока воды с большим содержанием механических взвесей.

Зоны бетонной поверхности, где возникает явление кавитации, разрушаются в результате многократно повторяющейся ударной нагрузки кавитационных пузырьков, которая создает в бетоне почти непрерывные знакопеременные напряжения значительной величины.

Используя малейшие дефекты и неплотности в зоне контакта цементного камня и зерен заполнителя, кавитация приводит к постепенному, все прогрессирующему расшатыванию зерен заполнителя в обойме из цементного камня и образованию микроразрывов на контактах цементного камня с заполнителем.

Для повышения кавитационной стойкости бетонной крепи и ее сопротивляемости истиранию следует применять бетон высокой плотности и прочности (марки не ниже 350—400 и до 500) с мелким среднезернистым (до 40 мм) заполнителем с минимумом микродефектов в структуре. Для приготовления износостойкого бетона должны быть тщательно подобраны материалы плотный и прочный цементный камень (цемент повышенных марок с водоцементным отношением не выше 0,4—0,45) должен равномерно распределяться между зернами заполнителя по возможности тонкими прослойками. Щебень (гравий не допускается) следует готовить из прочного камня с повышенной ударной вязкостью. В Донбассе широко используют щебень из каранского гранита. Песок должен применяться кварцевый крупно-зернистый с зернами остроугольной формы.