Статья посвящена обоснованию возможности и целесообразности модернизации технологии приготовления и размещения бетонных смесей при строительстве шахтных стволов. Систематизированы сведения об использовании в их составе отходов смежных производств, в том числе малоактивных твердых компонентов. Показана роль механической активации вяжущих в дезинтеграторе и дана технология размещения бетона с его участием. Рекомендована технология спуска бетонной смеси в ствол в контейнерах с повышением эффективности применения высокопрочных бетонов.

При разработке месторождений полезных ископаемых подземным способом и шахтном строительстве неотъемлемой частью горных работ является приготовление твердеющих бетонных смесей. Для этого используют дефицитный цемент и природные заполнители, которые добываются из верхних слоев земной коры.

На промышленных предприятиях в отвалах накапливаются отходы производства (золы и шлаки, хвосты обогащения и металлургии руд, вскрышные породы и некондиционные руды), которые по химико-минералогическому составу близки к природному сырью для приготовления бетонных смесей [1].

В горном деле, в том числе для крепления ствола, используют вещества, измельченные до удельной поверхности 600-4000 см²/г и размеров частиц до 10 мкм. Это относится к тампонажным материалам, глинопорошкам, утяжелителям, некоторым видам химических реагентов, вторичным продуктам металлургической, горнорудной, химической и энергетической отраслей промышленности.

Среди продуктов, специально изготавливаемых промышленностью в качестве химических добавок, более перспективными являются суперпластификаторы на основе меламиновых смол, нафталинсульсмол и модифицированных лигносульфонатов [2].

Суперпластификаторы вводят в бетонную смесь в количестве 0,2-1,0% от массы цемента. Этим достигается разжижение бетонной смеси, улучшение гидратации и возможность регулирования реологических свойств бетона.

К суперпластификаторам можно добавлять хлорид, нитрат и глюконат кальция, тиосульфат и бикарбонат натрия, полиоксиэтилен, карбоксиметилцеллюлозу, соли винной кислоты, производные сахаров и другие вещества. Введение в суперпластификаторы дополнительных компонентов позволяет регулировать сроки схватывания и темп твердения бетона; увеличить сроки сохранения подвижности бетонной смеси; уменьшить водоотделение и расслоение бетонной смеси; регулировать ее воздухосодержание, поровую структуру бетона и проницаемость. Тем самым обеспечивается заданная морозостойкость; повышается плотность, водонепроницаемость и прочность бетона.

Исследования бетонов с включением химических добавок в объеме 0,2-1,0% от массы цемента подтверждают перспективность применения таких бетонов при креплении вертикальных стволов.

В качестве вяжущего был использован портландцемент М500 с расходом 350 кг/м3. Составы бетона показали ускоренный набор прочности в возрасте 1-3 суток, высокую подвижность бетонной смеси, что позволяет обеспечить быстрое включение крепи в работу, эффективную транспортировку бетона по трубам к забою стола и его укладку за опалубку.

При ускоренной проходке стволов к скорости твердения крепи предъявляются более жесткие требования. Применяемые бетоны должны позволять провести распалубку уже через 2-4 часа после укладки бетонной смеси и начать работы по уборке породы через 1,5 часа после окончания бетонирования [3].

При разработке быстротвердеющих бетонов исходят не из их прочности, а из времени выдержки бетона до распалубки, при котором прочность бетона должна составлять не менее 0,8 МПа. В связи с этим быстротвердеющие бетоны должны иметь повышенный класс по прочности, что может быть обеспечено применением специальных бетонов: сталефибробетонов, полимербетонов, шлакощелочных и др.

При введении в бетонную смесь полимерных добавок более 2% от массы цемента получают цементно-полимерные бетоны, отличающиеся высокой прочностью на сжатие и изгиб, а также водонепроницаемостью. Введение в бетон композиций из полимерных добавок в количестве 15-30% от веса цемента увеличивает прочность бетона на изгиб примерно в 3 раза и в 2 раза на растяжение. Полученные бетоны обладают повышенной адгезией к различным материалам, хорошим сопротивлением к ударным воздействиям и стойкостью к химической агрессии [4].

Используя доменные шлаки и низкомодульное жидкое стекло, получают высокоактивный шлакощелочной бетон классов В10-В100, обладающий высокой водонепроницаемостью, морозостойкостью, повышенными адгезионными свойствами и устойчивостью к воздействию сульфатных агрессивных вод. Использование в составе бетона отходов производства уменьшает его себестоимость.

Армированный фибробетон получают методом торкретирования, что позволяет исключить необходимость применения опалубки. В сравнении с набрызг-бетоном он имеет большую несущую способность и может применяться в широком диапазоне условий. Эти бетоны не проявляют заметной ползучести из-за быстрого формирования жесткого каркаса с малой деформацией под нагрузкой.

Утилизируемые добавки – обычно малоактивные в химическом отношении и трудноперерабатываемые вещества. Для применения их в составе вяжущих при изготовлении бетонов необходимо тонкое диспергирование и многокомпонентное смешение, а иногда и перевод в состояние достаточно высокой химической активности [5].

Наиболее эффективна механическая активация веществ, обладающая преимуществами: гибкость и широкий диапазон регулирования; универсальность; сравнительная простота, позволяющая применять ее даже на отдельных буровых.

Высокооборотный дезинтегратор осуществляет диспергирование и гомогенизацию многокомпонентных веществ. Обработка в дезинтеграторе со скоростью соударения частиц более 160 м/с повышает активность вещества за счет ударного действия мгновенных импульсов с высокой кинетической энергией [6-10].

Важными аспектами дезинтеграторной технологии являются рост прочности смеси за счет увеличения активных фракций крупностью до 0,076 мм до 50% и повышение однородности и подвижности смесей [11].

Используемый феномен основан на известном положении, что физико-химические и технологические процессы в твердых веществах протекают тем быстрее и полнее, чем больше поверхность участвующего в процессе вещества. При разрушении вещества каждая новая открывающаяся поверхность активна. Диапазон вызванных механической активацией изменений вещества зависит от структуры материала, воздействующих на него механических сил, амплитуды и частоты вибрации и колебаний [12].

Слипание зерен компонентов бетонной смеси при ее приготовлении предупреждается тем, что в процессе дезинтеграции на нее дополнительно воздействуют вибрацией в горизонтальной плоскости и подбрасыванием с колебаниями от 30 до 1500 Гц – при амплитуде горизонтальных колебаний от 2 до 50 мм и амплитуде вертикальных подбрасываний до 30 мм (рис. 1) [13-15].

Более стойкий в условиях высоких температур – цементный камень, состоящий из низкоосновных гидросиликатов с содержанием кремнезема 1,6-2 моля. Для получения указанных фаз на ранней стадии твердения цемента необходимо активировать компоненты вещества путем дезинтеграторной обработки.

Концентрация гидроксида кальция в жидкой фазе после 3-4 ч гидратации при температуре 750°С различна не только для разных смесей, но и для смеси одного и того же состава в зависимости от режима обработки в дезинтеграторе. Для цемента, не прошедшего активацию, остаточная концентрация извести в жидкой фазе цементного раствора в конце схватывания составляет 760 мг/л, что близко к ее насыщенному раствору. При дезинтеграторной же обработке остаточная концентрация извести при частоте вращения роторов дезинтегратора 6000 об/мин составляет 470 мг/л, а при 12000 об/мин – 180 мг/л.

При активации в режимах 6000-12000 об/мин в процессе твердения активированных составов термодинамически устойчивые низкоосновные гидросиликатные соединения образуются в более ранние сроки твердения.

В дезинтеграторе поверхностный слой вещества постепенно разрушается, что приводит к уменьшению потенциала энергии безводного вяжущего. Разность свободных энергий с активацией и без нее достигает свободной энергии образования соли из оксидов. Активация увеличивает свободную энергию твердого вяжущего из-за возрастания ее абсолютного значения. Гидратация активированного вещества сопровождается образованием гидратов.

Эффективность применения того или иного состава бетона определяется технологией крепления ствола. На качество бетона значительное влияние оказывают способы приготовления, транспортировки и укладки бетонной смеси в опалубку [16-17].

Наилучшее качество бетонной смеси достигается при приготовлении ее на приствольных бетонорастворных узлах, оборудованных дозаторами. Это позволяет уменьшить подвижность смеси, повысить ее однородность, применить быстротвердеющие бетоны и обеспечить непрерывную подачу за опалубку.

Спуск бетонной смеси в ствол по трубам имеет недостатки. Так, подвижность смеси до спуска по трубопроводу при глубине 200 м должна быть 9-11 см и увеличиваться на 1 см на каждые последующие 150 м глубины ствола. Для этого вводят избыточное количество воды – до 50-60% от массы цемента, в то время как для гидратации цемента необходимо всего 20-30% воды. Это увеличивает пористость бетона и снижает его прочность. При спуске бетонной смеси по трубам на глубину более 400-500 м наблюдается ее расслоение, снижающее однородность бетона.

Для спуска бетонной смеси используют дорогостоящие трубы из углеродистой или легированной стали с наружным диаметром 168 мм и толщиной стенки 8-12 мм. Расход труб на крепление ствола диаметром в свету 7,5 м и глубиной 800 м монолитной бетонной крепью толщиной 500 мм составляет 1600 м, или 56,5 т, а затраты труда на монтаж и демонтаж бетонопроводов достигают 1800 чел./см.

В связи с недостатками спуска смеси по трубам интерес представляет контейнерная доставка смеси. Способ не нашел широкого применения из-за необходимости монтажа подъемных установок и повышения трудоемкости работ на погрузочно-разгрузочных операциях.

Оснащение проходческих комплексов высокопроизводительными подъемными установками с большими концевыми нагрузками создает предпосылки к возвращению контейнерной доставки бетонной смеси в ствол. Зарубежные шахтостроительные фирмы транспортируют бетонные смеси в бадьях-контейнерах, что сокращает количество лебедок, уменьшает расход труб и повышает качество бетона за счет снижения водоцементного отношения, исключения расслоения и повышения однородности смеси.

Значительное влияние на качество бетонной крепи оказывает технология проходки ствола. При применении совмещенной схемы заходки бетонной крепи в призабойной зоне подвергаются неоднократному динамическому воздействию буровзрывных работ, вследствие чего образуются трещины, вывалы, смятия и нарушается структура бетона. Создаются неблагоприятные условия для набора его прочности из-за интенсивного нагружения крепи на ранних этапах твердения. В этих условиях целесообразно применение бетонов с повышенными деформационными свойствами.

Параллельная технологическая схема позволяет использовать жесткие бетонные смеси со спуском их в ствол в контейнерах, создавая предпосылки для широкого применения высокопрочных бетонов.

Процесс бетонирования начинают с затворения цемента водой на поверхности. Раствор порциями спускают в контейнерах на проходческий полок, где его перегружают в приемный бункер, а затем активируют в дезинтеграторе. Активированный раствор загружают в барабан механической мешалки, где к нему добавляют песок и щебень. Полученную бетонную смесь перегружают в накопительный бункер, откуда по распределительным трубопроводам подают за опалубку. Песок и щебень спускают по трубопроводу в приемный бункер (рис. 2).

Механическая активация цементного раствора увеличивает прочность бетонной смеси в 1,2-1,4 раза и повышает скорость набора прочности в 1,5 раза.

Экономическая эффективность крепления выработки с использованием дезинтегратора [18-20]:

,

где П – прибыль от комбинирования составов бетонной смеси; Зб – затраты на крепление при базовой технологии; Зд – затраты на крепление с использованием дезинтегратора; Эб – эксплуатационные и капитальные расходы базового варианта; Эд – приведенные эксплуатационные и капитальные расходы на крепление с использованием дезинтегратора; Аб – объем крепления по базовой технологии; Ад – объем крепления с использованием дезинтегратора; А – годовой объем крепления стволов; r – коэффициент риска рыночных операций.

Комплекс проектирования крепи вертикальных стволов должен учитывать весь спектр факторов, включая горно-геологические и гидрогеологические условия проходки, технические требования к бетонной крепи на этапах ее существования, технологические схемы проходки ствола, технологию приготовления, транспортирования и укладки бетонной смеси в опалубку.

УДК 504.55.054: 622(470.6)

С.Г. СТРАДАНЧЕНКО, доктор техн. наук, профессор, ректор Института сферы обслуживания и предпринимательства (филиал) ДГТУ, специалист в области разработки месторождений полезных ископаемых, Ростовская область, г. Шахты, С.А. МАСЛЕННИКОВ, канд. техн. наук, доцент, зав. кафедрой строительства и техносферной безопасности Института сферы обслуживания и предпринимательства (филиал) ДГТУ, Ростовская область, г. Шахты, В.И. ГОЛИК, доктор техн. наук, профессор кафедры технологии разработки месторождений Северо-Кавказского государственного технологического университета, г. Владикавказ, В.В. ВЕРНИГОР, аспирант Горного института НИТУ МИСиС, г. Москва

Ключевые слова: бетонная смесь, шахтный ствол, механическая активация, вяжущие, дезинтегратор, контейнер
Keywords: concrete mixture, shaft, mechanical activation, binders, disintegrator, container

Библиографический список

1. Голик В.И. Природоохранные технологии разработки рудных месторождений. – М.: Инфра, 2014, – 190 с.
2. Грехнев Н.И. Минеральные отходы горных предприятий – экономические и экологические проблемы недропользования в Дальневосточном регионе. – М.: ГИАБ, №8, 2014, с. 123-128.
3. Масленников С.А., Галенко А.А., Шинкарь Д.И., Михалко И.В., ­Беляков Е.С. Технология возведения крепи с управляемым режимом работы // Горный информационно-аналитический бюллетень. – М.: МГГУ, №1, 2013, с. 53-60.
4. Плешко М.С., Страданченко С.Г., Масленников С.А., Пашкова О.В. Study of technical solutions to strengthen the lining of the barrel in the zone of influence of construction near-wellbore production // ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, №1, 2015, с. 14-19.
5. Golik V.I., Komashchenko V.I., Razorenov Yu.I. Activation of technogenic resources in desintegrator // Mine Planning and Equipment Selection Proceedings of the 22nd MPES Conference. Editors: Carsten Drebenstedt, Raj Singhal, 2013, с. 1101-1106.
6. Голик В.И., Комащенко В.И., Моркун В.С. Механохимические процессы извлечения металлов из некондиционных руд. Монография. – Saarbrucken: LAP LAMBERT Academic Publishing, – 140 р.
7. Golik V., Komashchenko V., Morkun V. Feasibility of using the mill tailings for preparation of self-hardening mixtures // Metallurgical and Mining Industry, №3, 2015, p. 38-41.
8. Golik V., Komashchenko V., Morkun V. Innovative technologies of metal extraction from the ore processing mill tailings and their integrated use // Metallurgical and Mining Industry, №3, 2015, p. 49-52.
9. Golik V., Komashchenko V., Morkun V. Geomechanical terms of use of the mill tailings for preparation // Metallurgical and Mining Industry, №4, 2015, р. 321-324.
10. Zarema M. Khasheva and Vladimir I. Golik. The Ways of Recovery in Economy of the Depressed Mining Enterprises of the Russian Caucasus // International Business Management, №9(6), 2015, p. 1209-1216.
11. Vladimir Golik, Vitaly Komashchenko, Vladimir Morkun, Tatiana Gvozdkova. The theory and practice of rock massifs control in the ore mining // Metallurgical and Mining Industry, №1, 2016, р. 209-212.
12. Хинт И.А. УДА-технология: проблемы и перспективы. – Таллин, 1981, – 167 с.
13. Голик В.И., Масленников С.А., Пушкина В.В., Меренкова Н.В., ­Голодов М. Дезинтегратор. Патент №134448 от 12 февраля 2013 г.
14. Голик В.И., Страданченко С.Г., Масленников С.А., Прокопов А.Ю., Ткачёва К.Э. Блочная крепь вертикального ствола. Патент №2474693 от 10 февраля 2013 г.
15. Масленников С.А., Прокопов А.Ю., Шинкарь Д.И. О влиянии специфических условий строительства вертикальных стволов на формирование прочностных характеристик бетона // Научное обозрение. – М.: МГГУ, №11, 2013, с. 102-107.
16. Голик В.И., Комащенко В.И., Качурин Н.М. Концепция комбинирования технологий разработки рудных месторождений // Известия ТулГУ. Науки о Земле, вып. 4, 2015, с. 76-88.
17. Golik V.I., Hasheva Z.M. Economical Efficiency of Utilization of Allied Mining Enterprises Waste // The Social Sciences, 10(5): 682-686, Medwell Journals, 2015.
18. Golik V.I., Hasheva Z.M., Galachieva S.V. Diversification of the Economic Foundations of Depressive Mining Region // The Social Sciences. 10(5): р. 678-681, 2015. Medwell Journals, 2015.
19. Golik V., Komaschenko V., Morkun V., Khasheva Z. The effectiveness of combining the stages of ore fields development // Metallurgical and Mining Industry, №5, 2015, p. 401-405.
20. Golik V., Doolin A., Komissarova M., Doolin R. Evaluating the Effectiveness of Utilization of Mining Waste // International Business Management. 9(5), p. 1993-5250. Medwell Journals, 2015.