Современные материалы для возведения гидромеханическим способом изолирующих сооружений в шахте

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 622.686.42:006.88

Н.В. Каледин , канд. техн. наук, замдиректора по научной работе, Г.И. Пефтибай, завотделом, Э.Г. Чайковская, мл. науч. сотр. НИИГД «Респиратор»

Современные материалы для возведения гидромеханическим способом изолирующих сооружений в шахте

Проведены информационные исследования современных материалов для возведения изолирующих сооружений в шахте гидромеханическим способом. Представлены физико-механические показатели и пределы прочности некоторых смесей. Определены составы для дальнейшего изучения.

Ключевые слова: шахта, изолирующие сооружения, гидромеханический способ, смеси для перемычек, взрывоустойчивость.

Условия добычи угля со временем усложняются, в том числе и за счет увеличения глубины выработок. Анализ аварийных ситуаций на предприятиях угольной промышленности Украины показывает, что шахтные пожары продолжают составлять значительную долю от общего числа аварий и оставаться реальным источником угрозы здоровью и жизни горняков и горноспасателей. Часть пожаров можно только изолировать.

В 80-х годах ХХ в. была разработана нормативная база возведения изолирующих взрывоустойчивых сооружений. По этим документам работают и сейчас, хотя произошло много изменений. Сегодня изолирующие и взрывоустойчивые сооружения делают из разных материалов и с применением оборудования, которые не гарантируют качества и нужных параметров.

История развития этого направления технической деятельности при решении вопросов изоляции горных выработок во время ликвидации аварий насчитывает много лет. Сначала существовали немеханизированные способы ведения работ. Потом появились первые успешные исследования по возведению шахтных изолирующих сооружений в выработках угольных шахт из разных строительных материалов, которые были проведены в Европе в конце 60-х годов ХХ в. в связи с разработкой оборудования беспрерывного действия для приготовления и перекачивания строительных растворов, в том числе и быстротвердеющих [4]. Положительные результаты применения гидромеханического способа возведения шахтных взрывоустойчивых изолирующих сооружений положили начало усовершенствованию технологии их возведения.

В связи с необходимостью дистанционного возведения шахтных взрывоустойчивых изолирующих сооружений разрабатывали соответствующие материалы с разными физико-механическими характеристиками, которые обеспечивают необходимую дальность подачи приготовленных растворов, быстрый рост прочности сооружений, возведенных из приготовленных растворов, и высокую конечную прочность, которая обеспечивает изоляцию выработанного пространства [6, 10, 11, 15]. Одновременно начались также разработки и производство оборудования для приготовления и нагнетания быстротвердеющих растворов, которое позволит возводить в шахтах несущие и изолирующие сооружения с минимальными сроками введения их в эксплуатацию [5, 7, 8, 13]. Это оборудование начали применять для возведения изолирующих взрывоустойчивых сооружений на шахтах Донбасса. Пожары в шахтах изолировали в основном гипсовыми взрывоустойчивыми перемычками. Широкому применению этого содействовали скорость твердения гипса и простота технологии приготовления раствора. Однако гипсовые вяжущие имеют недостатки: быстрое схватывание раствора ограничивает дальность транспортирования его гидромеханическим способом и затрудняет эксплуатацию оборудования, слабая водостойкость материала снижает надежность работы конструкции и исключает возможность его применения в обводненных выработках и при затоплении изолированного участка. Поэтому НИИГД разработаны технология и оборудование для возведения шахтных взрывоустойчивых сооружений из быстротвердеющих смесей с бетоном [3]. В то же время для возведения шахтных изолирующих взрывоустойчивых сооружений из гипсового вяжущего (марок Г-5, Г-7 и гипсового вяжущего из фосфогипса) применялось оборудование типа агрегатов «Монолит» и комплексов «Темп».

Согласно требованиям ДНАОП 1.1.30 - 4.01.97 (Устав ГВГСС по организации и ведению горноспасательных работ) при возведении гипсовых взрывоустойчивых перемычек, предназначенных для изоляции участков с действующим пожаром, рекомендуется применять пластифицированный или строительный гипс.

В последние годы на предприятия угольной промышленности Российской Федерации стал поступать фосфогипс, являющийся отходом производства фосфорных удобрений. По своим качествам (скорость твердения, механическая прочность, перекачиваемость насосами) фосфогипс лучше, чем гипс. Учитывая, что фосфогипс - отход производства, его цена значительно ниже, чем цемента. Исследован фосфогипс в качестве заменителя цемента при создании противофильтрационных завес при проходке горных выработок в обводненных условиях для упрочения породных массивов и обеспечения устойчивости горных выработок в зонах геологических нарушений, а также для возведения перемычек различного назначения (табл. 1).

Таблица 1 Пределы прочности образцов фосфогипса при различных условиях хранения

Также по результатам исследования было отмечено, что при увеличении доли воды в растворе от 0,35 до 0,70 прочность образцов в 28-суточном возрасте снижается в 4-5 раз. Наибольшего значения прочность образцов, твердевших в камере и в воде, достигает в одно- и семисуточном возрасте. В дальнейшем прочность снижается. Процесс снижения прочности замедляется после 28 суток, но не останавливается полностью, как показали испытания отдельных образцов фосфогипса в возрасте 90 суток.

С учетом изложенного, фосфогипс, а также гипс как быстротвердеющие вяжущие рекомендуются для возведения перемычек в необводненных горных выработках с относительной влажностью шахтного воздуха не более 75 % или на срок не более 30 суток.

Основной недостаток растворов на основе фосфогипса - их низкая водостойкость. Преимуществом фосфогипсового вяжущего является быстрый набор прочности - 80 % прочности набирает через 2 ч после затворения, остальные 20 % - в течение 28 суток. Для регулирования сроков схватывания фосфогипсового раствора применяют различные минеральные добавки: песок, горелую породу, золу-уноса и др. Однако все они снижают прочностные свойства тампонажного камня. Лабораторные испытания физико-механических свойств вяжущего из фосфогипса выявили его прочностные свойства, которые приемлемы для возведения жестких полос без породных наполнителей или с частичным наполнителем в соотношении не более 1:1, что считается не рациональным при применении фосфогипса для возведения околоштрековых полос [2].

При добавлении песка (соотношение фосфогипса, песка, воды 1:1:0,4) прочность камня на сжатие через 28 суток снижается до 12…21 МПа. Для повышения водостойкости фосфогипсового камня применяют состав из фосфогипса (50 %), тонкомолотого доменного шлака (33 %), портландцемента(10 %) и извести (7 %). Однако и он не обладает достаточной водостойкостью при использовании в обводненных выработках [2].

За последние годы развернуто промышленное производство смесей для возведения шахтных сооружений в Украине и России. Например, российско-германское ООО «Минова ТПС» вместе с РосНИИГД специально для горной промышленности разработали и изготовляют из отечественного сырья цементные смеси «Текбленд», «Текформ», «Текхард».

«Текбленд» представляет собой быстросхватывающееся, однокомпонентное, гидравлическое минерально-цементное вяжущее, которое после смешивания с соответствующим количеством воды (от 1:1 до 2,5:1) по месту использования схватывается до образования прочного минерального материала [16].

Свойства вяжущего «Текбленд» зависят, прежде всего, от соотношения воды и порошка. В табл. 2 представлены средние физико-химические свойства вяжущего, взятые для примера при соотношении воды и порошка от 1:1 до 2:1. Кроме того, на поведение материала оказывает влияние температура и качество используемой воды. Не рекомендуется использовать очень загрязненную воду, а также воду с температурой ниже 10 єС в ситуации, когда ключевым параметром является прочность на ранней стадии твердения [16].

Таблица 2 Физико-химические свойства вяжущего «Текбленд»

В зависимости от соотношения между водой и порошком время, в течение которого материал может находиться в нагнетательных трубах до начала схватывания - от 2 до 5 мин. Время схватывания увеличивается с увеличением количества воды [16].

Преимущества «Текбленда»: высокая производительность; устойчивость к воздействию агрессивных факторов; низкие расходы на транспортировку; легкость и безопасность применения; негорючесть. Госгортехнадзор России на основании актов и протоколов эксплуатационных испытаний и заключения промышленной безопасности выдал разрешение на применение цементной смеси «Текбленд» для возведения взрывоустойчивых перемычек (табл. 3). Дальность транспортирования смеси по рукавам 25…32 мм достигает 360 м, расход на перемычку по сравнению с гипсом уменьшается в 4 раза, срок возведения перемычки сокращается до 3…4 ч, утечки воздуха через перемычку снижаются до нуля.

Таблица 3 Параметры взрывоустойчивых перемычек из цементной смеси «Текбленд»

Кроме того, РосНИИГД и ВостНИИ в 2007 г. разработана «Инструкция по предупреждению и тушению подземных эндогенных пожаров в шахтах Кузбасса» с методикой расчета безврубовых взрывоустойчивых перемычек.

Рентгенофазовым и комплексным термическим анализом был определен состав «Текбленда».

Доля основных компонентов в смеси указывается в следующих пределах: портландцемент - до 65 %; глиноземистый цемент 15…25 %; гипс 10…15 % с присутствием в смеси доменного или топливного шлака, природного ангидрита.

В состав данного материала входит добавка - замедлитель схватывания и твердения. Поэтому «Текбленд» относят к быстросхватывающимся материалам (табл. 4), чем и объясняется введение добавки замедлителя схватывания [2].

Таблица 4 Прочность материала на основе «Текбленда»

изолирующий шахта гидромеханический

Характеристика бетона на основе смеси «Текбленд»

*В работе [10] предел прочности при сжатии в возрасте 24 ч указан не менее 7,0.

Чтобы получить легкий бетон, необходимо следующее.

Однако некоторые специалисты считают «Текбленд» дорогостоящим. Учитывая это, предлагается цементно-минеральная смесь для возведения околоштрековых полос из местных материалов [2].

Одной из таких созданных смесей является «БИкрепь» - цементно-минеральная сухая смесь, разработанная ОА «Шахта “Красноармейская-Западная” № 1» [1]. Данная смесь содержит портландцемент, кварцевый песок с модулем крупности 1,0…3,0, аморфный кремнезем, ускоритель твердения в виде обезвоженных солей (хлористый кальций), при таком соотношении компонентов, %: портландцемент 35…45; кварцевый песок 50…60; кремнезем аморфный 3,0…5,0; ускоритель твердения 1,4…3,0 (табл. 5).

Для увеличения прочности твердеющих материалов в изолирующем сооружении в смесь дополнительно может быть введена дробленная карбонатная порода, от пылевидной до фракции 2,0 мм, в количестве 1…20 %, вместо таких же частей цемента и песка. Для увеличения времени пребывания затворенного раствора в вязкожидком состоянии в него добавляют сахарозу в количестве 0,05…0,15 % от массы цемента.

Таблица 5 Физико-механические показатели твердеющего материала на основе «БИкрепь»

Кроме вышеуказанных материалов, известны и другие промышленно производимые смеси. В России разработаны и внедряются цементные смеси «Распор» [14] и «Барьер» [12]. Сухая смесь СШЗ № 21 «Распор» разработана для ликвидации источников воздуха и заполнения пространства между двумя изолирующими перемычками. Смесь является гидравлическим, самотвердеющим легким бетоном. Бетон выходит путем смешивания порошка СШЗ № 21 с водой в соотношении 1/0,6. Сухую смесь СШП № 22 «Барьер» поставляют в виде сухого серого порошка, который является гидравлическим, самотвердеющим легким бетоном. Материал не горючий, взрывобезопасный, не токсичный (класс опасности 4). Смесь готовят на месте применения путем смешивания порошка СШП № 22 с водой.

Проанализировав информационные материалы, можно сделать следующие выводы. Для возведения изолирующих сооружений в шахтах наиболее известны в Украине материалы на основе гипсовых вяжущих «Текбленд», «БИкрепь». В то же время надо отметить, что в силу разных причин, в том числе и ввиду новизны некоторых материалов, зависимости характеристик прочности от условий применения, необходим учет конкретных горно-геологических условий.

Широкому применению гипсовых вяжущих содействовали скорость твердения и простота технологии приготовления раствора. В то же время они имеют важный недостаток - быстрое схватывание раствора ограничивает дальность транспортирования его гидромеханическим способом и затрудняет эксплуатацию оборудования. С учетом ряда факторов возможность возведения изолирующих сооружений с применением гипсовых вяжущих, особенно на длительный период и в обводненнях условиях, можно считать ограниченной. Однако гипсовые перемычки прошли испытание на стойкость к взрыву на моделях в ударной трубе и в штольне в натурных условиях. Испытания показали, что сооружения достаточно крепкие и выдерживают нагрузку детонационной волны от взрыва метановоздушной смеси, герметичны, что послужило основанием для применения гипса при сооружении взрывоустойчивых перемычек.

Материалы на основе минеральных вяжущих типа «Текбленд» обеспечивают необходимую прочность сооружения. Перемычки, которые сооружены с применением этого материала, прошли испытание на стойкость к взрыву [9]. Испытания были проведены на опытной шахте «Барбара» Главного института горного дела (г. Катовице, Польша). Разработанная россиянами методика успешно применяется на шахтах угольной компании «Южный Кузбасс» (г. Междуреченск, Россия).

Смесь «БИкрепь» успешно применяют на шахтах Украины для возведения околоштрековых охранных полос, но информации по исследованию и испытанию сооруженных в подземных условиях взрывоустойчивых перемычек не найдено.

Более широкое внедрение существующих промышленно освоенных материалов и нового оборудования позволит, применяя современные технологии возведения шахтных сооружений и нормативную документацию, возводить сооружения высокого качества, эффективно и при минимальных затратах.

Список литературы

1. Байсаров Л.В. Обоснование параметров и разработка технологии комбинированного способа поддержания повторно используемых выработок / Л.В. Байсаров: автореф. дис. …канд. техн. наук: 05.15.02/ НГУ Украины. - Днепропетровск, 2004. - 20 с.

2. Булат А.Ф. К выбору строительных смесей для горных технологий / А.Ф. Булат, Б.М. Усаченко, Л.В. Левченко // Институт геотехнической механики НАНУ: межвед. сб. науч. тр. - Днепропетровск, 2005. - Вып. 61.- С. 28-40.

3. Доценко В.Ф. Оборудование для возведения шахтных взрывоустойчивых перемычек из быстротвердеющих смесей / В.Ф. Доценко, А.С. Омельченко, А.Н. Соломахин // Уголь Украины. - 1989. - №1. - С. 36-37.

4. Имхоф Б. Сорок лет деятельности компании «Монтанбюро» / Б. Имхоф // Глюкауф. - 1991. - № 23/24. - С. 65-66.

5. Каледин Н.В. Оборудование для приготовления и перекачивания быстротвердеющих растворов / Н.В. Каледин, Е.В. Курбацкий, А.С. Омельченко // Пути развития горноспасательного дела: тр. науч.-практ. конференции, 21-23 окт. 1997 г., Донецк, Украина.- Донецк: НПО «Респиратор», 1997. - С. 52-53.

6. Каммер В. Системы крепи высокой несущей способности с быстротвердеющими смесями / В. Каммер // Глюкауф. - 1992. - № 4. - С. 38-41.

7. Кондаков В.М. Оборудование для возведения шахтных гипсовых перемычек / В.М. Кондаков // Безопасность угольных предприятий: сб. науч. тр. / Науч. центр по безопас. работ в угольн. пром-сти. - Кемерово: Изд-во ВостНИИ, 2001. - С. 60-64.

8. Крупин Н.Н. Комплект оборудования для доставки, приготовления и подачи твердеющей смеси ОДПФ / Н.Н. Крупин, В.М. Роменский, Г.П. Тищенко // Уголь Украины. - 1994. - № 2. - С. 18-21.

9. Мальцева М. «Минова ТПС»: основы безопасности / М. Мальцева [Электронный ресурс], 21.08.2008. - 3 с.- Режим доступа к информации: http: // delkuz.ru/content/view/6823/179.

10. Монтянова А.Н. Бесцементные и малоцементные закладочные смеси для подземных рудников АК «АЛРОСА» / А.Н. Монтянова // Актуальные проблемы разработки кимберлитовых месторождений: современное состояние и перспективы решения: сб. докл. Междунар. науч.-практ. конф. «Мирный-2001», 1-9 июля 2001 г. - М.: Руда и мет, 2002. - С. 258-265.

11. Симанович Г.А. Твердеющие смеси на основе фосфогипсового вяжущего для крепления и охраны горных выработок / Г.А. Симанович, Э.И. Фрадкин // Подземное и шахтное строительство. - 1991.- № 11. - С. 22-24.

12. Смесь сухая СШП № 22 «Барьер» / Торговый дом «МирС»-продукция [Электронный ресурс], 8.10.2008. - 2 с. - Режим доступа к информации:http: // www.tdmirs.ru/?p=prod&do=dir&id=28.

13. Соломахин А.Н. Шахтные испытания оборудования для возведения бетонных перемычек / А.Н.Соломахин, А.С.Омельченко, А.И.Христофоров // Уголь. - 1993. - № 2.- С. 17-18.

14. Сухая смесь СШ № 21 «Распор» для возведения изолирующих полос // Уголь. - 2006. - № 10. - С. 30.

15. Тин П. Состав, транспортирование и опыт применения строительных смесей для подземных горных работ / П. Тин // Глюкауф.- 1992. - № 10/12. - С. 30-37.

16. Minova Ekochem S.A. - Режим доступа: minova.ekochem@minovaint.com./ май 2007.

Размещено на Allbest.ru