В даний час обсяги споживання вугілля на світовому конкурентному ринку палива складають 30%, нафтопродуктів - 23,2%, природного газу - 22,6%. Вугільна промисловість є єдиною галуззю ПЕК, що при відповідному рівні розвитку може цілком задовольнити необхідність у паливі всіх галузей народного господарства, а також населення за рахунок власних ресурсів. Останні властивості забезпечують надійне функціонування об'єктів енергетики й інших споживачів, що використовують вугілля в якості енергоносія.

Однак необхідність у споживанні вугілля диктує потребу в збільшенні обсягів видобутку вугілля, у результаті чого шахти зіштовхуються з деякими проблемами, основними з яких є надійна підтримка гірничих виробок.

У результаті незадовільного стану кріплення, на шахтах України щорічно ремонтується близько 10% усіх підтримуваних і більше 65% вперше пройдених виробок. При цьому дані цифри відображують не тільки обсяг ремонтованих підготовчих виробок, але і капітальних, стан яких у значній мірі визначає нормальну роботу як окремих блоків і горизонтів, так і всього технологічного комплексу шахти.

Проблемами стійкості підземних виробок з металевим кріпленням займались такі відомі вчені, як М.С. Буличьов, В.В. Виноградов, В.Т. Глушко, Є.Б. Дружко, В.П. Друцко, Ю.З. Заславський, А.М. Зорін, В.М. Каретніков, Б.А. Картозія, І.Г. Косков, К.В. Кошелев, Г.Г. Литвинський, А.П. Максимов, Л.Я Парчевський, Г.С. Піньковський, А.М. Роєнко, Г.А. Симанович, Б.М. Усаченко, О.М. Шашенко та інші. Їх зусиллями вирішено багато проблем прогнозування й оцінки стійкості, кріплення й підтримування виробок, розроблені нормативно-методичні документи з вибору кріплення капітальних виробок.

Разом з тим аналіз стану гірничих виробок з металевим кріпленням, що знаходяться в умовах значних водопритоків, показав, що питання підвищення стійкості виробок залишається актуальним. Спостереження за умовами експлуатації металевого кріплення в умовах вугільних шахт свідчать про те, що значна частина металевих арок піддається корозії. При цьому корозія є одним з основних факторів, що впливають на зниження стійкості гірничих виробок, закріплених металевим кріпленням в умовах агресивних шахтних вод. Протягом тривалого часу експлуатації виробки у результаті дії корозії змінюється товщина профілю кріплення і, як наслідок цього, поступово знижується несуча здатність металевої конструкції.

В Україні щорічно проводиться понад 700 км гірничих виробок. Зважаючи на те, що вартість 1 комплекту аркового кріплення складає близько 600 грн., вартість щорічно використаного на кріплення металу - близько 1 млрд. грн. Прийнято вважати, що близько 10% металу безповоротно втрачається в результаті корозії, тобто для України це означає щорічні втрати в 100 млн. грн.

На основі проведених шахтних спостережень встановлено, що однією з основних задач є збереження тривалої несучої здатності металевого кріплення протягом терміну експлуатації. Таким чином, розробка способу підвищення несучої здатності кріплення через захист металу від корозії в шахтних умовах є важливою народногосподарською задачею, що вимагає наукового та інженерного вирішення, чому і присвячена дана дисертація.

Рішення поставлених задач виконувалося з використанням аналітичних, лабораторних і натурних досліджень, проведених з залученням методів будівельної механіки підземних споруд, фізичного моделювання процесів корозії, електротехніки й електрохімічних методів потенціометрування.

Шахтні дослідження проводилися на шахтах “Алмазна”, “Благодатна”, “Західно-Донбаська”, ім. Героїв Космосу, ім. Сташкова у капітальних й основних підготовчих виробках, що характеризуються найбільш складними умовами експлуатації, тому що розташовані в гірничих породах зі значним водопритоком мінералізованих шахтних вод. Проводились інструментальні обстеження корозійного зносу металевих аркових кріплень з урахуванням терміну експлуатації. Загальна кількість обстежених арок склала понад 2000. Шахтні води є коррозійно-активними стосовно металевого кріплення, сильномінералізованими, зі значним змістом іонів Cl- і SO--2. З глибиною кількість сульфатів, що містяться у воді, зменшується за рахунок зростання хлоридів.

Корозія металу в шахтних умовах проходить з кисневою деполяризацією. Якщо в ланцюгу сполучених процесів корозії процес надходження кисню до катода є найбільш повільним, то загальна швидкість корозії, в основному, визначається саме цією найбільш повільною ступінню. Таким чином, швидкість надходження кисню до поверхні металу лімітує собою загальну швидкість корозійного процесу. В шахтних умовах на швидкість корозійних процесів безпосередньо впливає сукупність факторів, основними з яких при атмосферній корозії є швидкість руху повітряного струменя, а також вологість повітря.

Проведення корозійних досліджень в натурних умовах представляє собою надто складну задачу, тому що не забезпечує однакових умов для всіх зразків і не дозволяє провести весь цикл досліджень. Тому було проведене моделювання корозійних процесів у лабораторних умовах. Дослідження закономірностей кородування металевого кріплення проведено на основі прискорених корозійних випробувань (ПКВ).

Даний метод проведення корозійних випробувань детально описаний у роботах Й.Л. Розенфельда, К.А. Жигалової, Я.М. Колотиркіна, рекомендації яких були використані при проведенні даних досліджень.

Під час досліджень було проведено 7 випробувань зразків (3 з визначення закономірностей кородирування металу, 4 з визначення антикорозійних властивостей покриття). Усього випробувані 243 зразки. Мінімальна кількість випробуваних зразків за кожним варіантом моделі була прийнята рівною 3.

Спочатку були проведені дослідження з визначення впливу основних факторів на зміну швидкості корозії металу кріплення. Дані дослідження включали експериментальні й аналітичні роботи. На основі експериментальних досліджень був визначений вплив наявності окалини, мінералізації вод і напружень, що виникають у кріпленні на зміну швидкості корозії. З використанням аналітичних розрахунків були визначені кутові координати максимальних вигинаючих моментів, що виникають у кріпленні при різних видах навантажень (розподіленого і зосередженого), а також вплив швидкості корозії на зміну несучої здатності кріплення з профілю СВП.

На корозію кріплення впливають фізико-хімічні властивості металу. Вважається, що окалина є корозійно-активною. Дані, отримані в результаті ПКВ, свідчать про захисну дію окалини на метал кріплення в початковий період (6...8 місяців) в умовах шахтних вод із рН=7...8. Наявність окалини на поверхні металу дозволяє знизити швидкість корозії від 28% (рН=6) до 40% (рН=7,5) при експлуатації металевого кріплення в умовах мінералізованих вод, характерних для більшості вугільних шахт України. Це пояснюється корозійними властивостями окалини, що виявляються за даних умов

Лабораторні випробування з визначення впливу мінералізації вод на швидкість корозії проводилися з використанням аеродинамічної труби замкнутого типу. Моделювалися умови найбільш сприятливі для інтенсифікації і розвитку процесів корозії: швидкість руху повітряного струменя 8 м/с (максимально припустима при провітрюванні капітальних виробок), відносна вологість 70%, температура повітря +25 °С.

Також встановлено, що умови експлуатації (провітрювання) дуже впливають на швидкість корозії, тому що значно впливають на дифузію кисню до поверхні металу.

Під час руху повітря по виробках на поверхні металу, у присутності кисню, в результаті пасивації утворюється захисна плівка, що надалі перешкоджає розвитку корозії. При досягненні визначеного рівня напружень відбувається руйнування природних захисних окисних плівок, що істотно впливає на корозію. З метою визначення ступеня впливу напружень, що виникають у металі кріплення в результаті дії вигинаючих моментів, виконані лабораторні дослідження. Металева пластина, довжиною 400 мм, шириною 10 мм і товщиною 3 мм по краях завантажена статичним навантаженням. Виміри корозії виконуються на робочий поверхні, що знаходиться між опорами.

Випробуваннями моделі в умовах дії значних вигинаючих моментів встановлено, що збільшення швидкості корозії при роботі кріплення, що зазнає значних навантажень, відбувається тільки при значеннях напружень, починаючи з 150 МПа, при менших значеннях граничних напружень швидкість корозії не змінюється і дорівнює номінальній при даній мінералізації вод (К0=2,6 г/дм2·міс при вмісті у воді 3% NaCl).

Проведено аналітичні дослідження впливу характеру навантаження на несучу здатність металевого аркової кріплення. Розрахунки виконані для випадку дії зосередженого і розподіленого несиметричного навантажень. Були визначені кутові координати максимальних вигинаючих моментів, що впливають на несучу здатність кріплення в шахтних умовах. На підставі чого запропонован диференційований підхід у використанні набризкбетону як захист металевого кріплення від корозії в умовах дії максимальних вигинаючих моментів.

Отримана аналітична залежність зміни несучої здатності профілів СВП від корозійного зносу, а також від терміну експлуатації кріплення (при постійній швидкості корозії), що дозволяє визначати несучу здатність профілю кріплення, за кожним з відомих факторів (тривалість експлуатації кріплення, корозійний знос).

Зроблений порівнювальний аналіз зміни несучої здатності профілів СВП від корозійного зносу і отримані наступні залежності:

Профіль СВП 22:

Профіль СВП 27:

Профіль СВП 33:

На підставі даних шахтних спостережень, використовуючи аналітичні обчислення, отримана математична модель зміни несучої здатності СВП профілів протягом терміну експлуатації для умов шахт “Алмазна”, ім. Сташкова, “Благодатна”, ім. Героїв Космосу, “Західно-Донбаська” (табл.).

Таблиця 1 Залежності зміни несучої здатності від терміну експлуатації

Визначено основні вимоги до вихідних компонентів набризкбетонної суміші, призначеної для захисту металевого кріплення від корозії в умовах дії мінералізованих шахтних вод.

Проведені випробування з визначення захисних характеристик набризкбетонних сумішей з різним змістом вихідних компонентів (цементу і золи виносу) на межу міцності на одноосьове стиснення. На основі проведених випробувань для виконання подальших досліджень з визначення антикорозійних властивостей набризкбетонного покриття розглянуті 3 склади сумішей набризкбетону з використанням золи виносу як заміну частини цементу (10, 30 і 50%).

Використання золи виносу замість частини в'язкого забезпечує велику щільність суміші, а також водонепроникність, що в підсумку позначається на антикорозійних властивостях набризкбетонного покриття.

Для визначення поводження металу під захисним шаром набризкбетону використаний потенціостатичний метод. Цей метод дозволяє отримати інформацію про якісні зміни характеристик набризкбетонного покриття. За зміною величини потенціалу, покриття визначалися на водонепроникність, тобто наскільки швидко вода проникає через бетонне тіло до поверхні металу, а також здатність самого покриття пасивувати металеву поверхню на початковому етапі розвитку процесів корозії. Для випробувань використовувались зразки сталі Ст.5 з розмірами 100Ч50Ч3 мм. Досліджувалися покриття товщиною 10 і 25мм

Найбільш високий потенціал зафіксований у покрить з наявністю в складі 30% золи, що виступала в якості активної мінеральної добавки.

На основі омічного методу отримані кількісні характеристики захисної дії різних складів. Корозійні процеси, що приводять звичайно до зміни поперечного перетину зразків, звичайно, повинні привести і до зміни омічного опору. Тому методом виміру омічного опору зразків до корозії і після її отримані цінні результати, на основі яких можна судити про захисні властивості досліджуваних покрить стосовно металу кріплення в даних умовах. За зразки були використані відрізки дроту (сталь Ст 5), довжиною 1м і діаметром 1мм, згорнуті в спіраль. У ході випробувань визначався корозійний знос металевих зразків за зміною омічного опору. При проведенні експерименту реєструвався опір металевих зразків , з наступним перерахуванням їх на величину корозійних утрат D0 за формулою:

, (1)

де D0 - початковий діаметр зразків (D0=1мм),

К - корозійні втрати (мм).

На підставі отриманих закономірностей визначені захисні властивості досліджуваних сумішей

В результаті порівняльного аналізу рекомендований склад набризкбетонного покриття, використання якого дозволяє одержати мінімальний корозійний знос металу, що захищається. Використання золи виносу як мінеральної добавки з заміною до 30% цементу забезпечує найкращі корозійні характеристики для захисного покриття. Для даного складу набризкбетону проведені випробування з визначення швидкості корозії під захисним покриттям в залежності від товщини набризкбетону

За аналогією з випробуваннями з визначення впливу на корозію мінералізації вод, дані дослідження також проводилися з використанням аеродинамічної труби. Досліджувалися зразки з товщиною покриття 10, 25 і 50 мм. Результати даних досліджень лягли в основу номограми.

Проведені дослідження дозволили рекомендувати диференційований підхід при визначенні параметрів товщини покриття і розробити спосіб підвищення несучої здатності кріплення. У якості базової - використана технологія АНТ (арка-набризк-тампонаж), що розроблена на кафедрі БГТіК НГУ.

Сутність способу полягає в утворенні з тріщинуватих порід, що вміщають, за допомогою ущільнення тампонажним розчином породонесучої оболонки, що ізолює кріплення від зовнішніх водопритоків і вирівнює епюру вигинаючих моментів; очищення поверхні металу від окалини, корозії і слідів бруду; а також нанесення набризкбетонного покриття з товщиною, яка змінюється в залежності від очікуваної швидкості корозії на даній ділянці.

На підставі встановлених закономірностей розроблена математична модель, що дозволяє визначати параметри набризкбетонного покриття в залежності від умов експлуатації і вигинаючих моментів, що діють на кріплення. Формула для визначення коефіцієнта зміни швидкості корозії від впливу гірничотехнічних факторів у підсумку приймає вигляд:

, (2)

де КГТФ - коефіцієнт впливу гірничотехнічних факторів на зміну швидкості корозії;

КУСЛ - коефіцієнт впливу умов експлуатації на швидкість корозії;

КМ - коефіцієнт впливу максимальних вигинаючих моментів, реалізованих в елементах кріплення на швидкість корозії.

Товщина набризкбетонного покриття визначається за номограмою з використанням формули (2):

Розроблений метод розрахунку відрізняється тим, що вперше врахована дія згинального моменту і вплив технологічних параметрів (умови експлуатації, наявність складного профілю, кут нахилу до горизонталі) при розробці параметрів захисту від корозії.

Спосіб призначений для застосування в капітальних виробках шахт ГХК “Добропіллявугілля” і “Павлоградвугілля”, для умов з підвищеним змістом іонів Cl (SO2) і рН=7...8, може бути використаний як у тяжких умовах, коли традиційні металеві кріплення не забезпечують необхідної стійкості виробок, так і в порівняно сприятливих як попереджувальні міри з утворення і розвитку корозії.

Доцільність застосування способу визначається за схемою, яка одночасно являє собою схему визначення очікуваної області раціонального використання способу підвищення несучої здатності кріплення для умов шахт ДХК “Добропіллявугілля” та ДХК “Павлоградвугілля”.

Експлуатація капітальних виробок з металевим кріпленням, захищеним від корозії розробленим способом, дозволить одержати очікуваний загальний економічний ефект за рахунок ліквідації перекріплень - 102 тис. грн. за рік для капітальної виробки довжиною 1000 м при експлуатації впродовж 15 років.

Таким чином, у результаті проведених досліджень вирішена актуальна задача з обґрунтування способу і параметрів підвищення стійкості виробок, закріплених металевим арковим кріпленням, в умовах шахт з агресивними шахтними водами.

Висновки