Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ применения анкерного крепления в горных выработках 10
1.1 Взаимодействие анкерной крепи с горными породами 10
1.2 Область применения анкерной крепи в угольных шахтах 12
1.3 Анализ развития конструкций анкерных крепей 14
1.4 Цель и задачи исследований 21
2 Лабораторные исследования свойств сырья, обоснование и разработка состава минерального закрепителя анкеров 23
2.1 Тенденция разработки безусадочных цементов и минеральных закрепителей анкеров 23
2.2 Отбор проб, исследование химического и минералогического составов глинистых шлаков, сравнительный анализ портландцементов и природного гипса 29
2.3 Исследования гранулометрии, влажности и энергоемкости измельчения шлаков 33
2.4 Методика, приборы и оборудование для предварительной подготовки сырья и физико-механических испытаний минеральных смесей 39
2.5Исследование влияния химического состава глиноземистого шлака на физико-механические свойства минеральных закрепителей анкеров 43
2.6 Исследование физико-механических свойств минеральных смесей на основе гипсо-глиноземистого цемента (ГГРЦ) 47
2.7Исследование влияния химических добавок, тонкости измельчения, температуры и цементно - водного соотношения на физико-механические свойства твердеющих составов 49
3. Разработка анкерной крепи на минеральном закрепителе 69
3.1 Разработка технологии производства минеральных закрепителей в патронированном виде 69
3.2 Разработка несущих конструкций анкерных стержней (АСМ-1,АСМ-2) 72
3.3 Разработка технологии закрепления анкеров при ведении горных работ 75
4. Стендовые исследования силовых параметюв анкер ных крепей на минеральных закрепителях 79
4.1 Оборудование и приборы для испытаний анкеров 79
4.2 Определение необходимого количества испытаний 81
4.3 Выбор критериев оценки работоспособности системы «анкер - закрепляющая втулка - искусственная скважина» в зависимости от управляемых факторов 82
4.4 Последовательность проведения лабораторных экспериментов на стенде. 83
4.5 Результаты лабораторных исследовании силовых параметров анкерных крепей на минеральных закрепителях : 84
5. Шахтные испытания анкеров на минеральных закрепителях 101
5.1 Выбор места проведения шахтных экспериментов 101
5.2 Результаты шахтных экспериментов 101
Заключение 108
- Область применения анкерной крепи в угольных шахтах
- Исследования гранулометрии, влажности и энергоемкости измельчения шлаков
- Исследование физико-механических свойств минеральных смесей на основе гипсо-глиноземистого цемента (ГГРЦ)
- Определение необходимого количества испытаний
Введение к работе
Анкерное крепление широко применяется в горнодобывающей промышленности и подземном строительстве. При подземной разработке полезных ископаемых, оно является экономически выгодным для крепления капитальных, подготовительных и очистных горных выработок (независимо от формы поперечного сечения и срока службы) как самостоятельно, так и в сочетании с рамными крепями. Применение такого вида крепления позволяет не только снизить затраты на крепление, но и значительно увеличить темпы проведения горных выработок. По сравнению с подпорными конструкциями, анкерное крепление имеет ряд преимуществ: повышает безопасность ведения горных работ; обладает возможностью полной механизации процесса крепления; требует меньшего расхода крепежных материалов и меньших затрат на их доставку; позволяет уменьшить сечение горной выработки и аэродинамическое сопротивление.
Основными элементами анкерной крепи являются анкер (стержень) и закрепляющее его устройство или материал. До 80-х годов прошлого столетия наибольшее распространение в нашей стране получили анкерные крепи с закреплением анкеров в забойной части шпура с помощью различных механических замков (точечное закрепление). С появлением надежных и удобных в эксплуатации химических составов на основе быст-ротвердеющих синтетических смол и минеральных закрепителей, позволяющих обеспечить закрепление анкера по всей длине или значительной его части (сплошное закрепление)* наибольшее распространение из них получили сталеполимерные анкера.
Анкерное крепление в России, в частности в Кузбассе, развивается быстрыми темпами и становится основным способом крепления шахтных выработок [1]. По данным авторов [2,3] в Южном Кузбассе в 2001г. анкерной крепью закреплено более 80% горных выработок. В большинстве своем она используется для крепления подготовительных выработок, срок
службы которых колеблется в широких пределах - от нескольких месяцев до 20 лет и более. Однако вопросы длительного нагружения подобных конструкций не исследовались. Кроме того, закрепление сталеполимерных анкеров в обводненных скважинах затруднено, а повышение температуры в забое приводит к выгоранию закрепителя анкера и обрушению всей выработки. Опасны также выделяющиеся при химической реакции в момент закрепления анкеров токсичные вещества. Альтернативными закрепителями являются цементные смеси, содержащие добавки, улучшающие тиксо-тропию, регулирующие время схватывания и прочность [3,4].
Этим объясняется интенсивный поиск материала закрепителя на минеральной основе, позволяющий избежать указанных недостатков и разработать адаптивные к нему конструкции анкерного стержня. В связи с вышеизложенным, настоящая работа направлена на обоснование параметров и разработку анкерной крепи, использующей в качестве закрепляющих материалов новые расширяющиеся быстротвердеюшие цементные составы.
Целью работы является разработка, и обоснование параметров анкерной крепи на основе минеральных закрепителей.
Идея работы заключается в использовании экологически безопасного способа анкерного крепления на базе минеральных закрепителей с расширяющимися цементами.
Задачи исследований:
- изучить изменения физико-механических свойств минеральных
смесей и обосновать их состав, обеспечивающие необходимую несущую
способность анкерной крепи;
разработать новые конструкции несущих стержней;
исследовать в лабораторных и шахтных условиях закономерности изменения силовых параметров анкерной крепи;
- разработать нормативные документы по применению анкерной
крепи на минеральном закрепителе для горнодобывающих предприятий.
Методы исследовании. Для решения поставленных задач использовались анализ и обобщение результатов предыдущих исследований и практического применения анкерного крепления, экспериментальные испытания в лабораторных и шахтных условиях новых типов анкеров с минеральными закрепителями.
Научные положения, защищаемые автором.
Закрепление анкера в шпуре достигается применением закрепителя анкеров минерального патронированного (ЗАМП), изготовленного на основе расширяющейся смеси глиноземистого шлака, портландцемента, гипса и активатора твердения в виде кальцинированной соды, полученной совместным помолом до конечной удельной поверхности 5300-5600 см2/г ;
Минимальное время установки анкера обеспечивается использованием арматурного анкерного стержня с заострением в виде 4-х угольной пирамиды с углом при вершине - 30, разрушающего при поступательном движении и вращении нетканую оболочку ЗАМП;
Несущей способности анкера определяется временем предварительного затворения ЗАМП в воде, которая после его выдержки в шпуре 20 мин составляет 40-50 кН при смещениях 4,5-7,0 мм, и после 40 мин - 80-100 кН при смещении до 10 мм.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертации обоснована: достаточным объемом экспериментальных данных при исследовании физико-химических свойств минеральных смесей (360 опытов); стендовыми испытаниями анкерной крепи в условиях нагруже-ния, соответствующих реальным; натурными исследованиями несущей способности анкеров на минеральных закрепителях в шахтных условиях.
Личный вклад автора состоит в научном обобщении средств анкерного крепления; экспериментальных исследованиях новых составов минерального закрепителя; обосновании и разработке конструкции анкерного силового элемента; разработке методик и проведении стендовых и натурных экспериментов при исследовании силовых и деформационных пара-
метров анкерного крепления; обработке и интерпретации полученных данных.
Научная новизна:
для условий длительной эксплуатации горных выработок обоснована анкерная крепь на основе использования в качестве материала минеральных закрепителей, состоящих из расширяющегося портландцемента, глиноземного шлака, гипса и активатора твердения для закрепления анкера в шпуре;
разработана анкерная крепь, позволяющая обеспечить закрепление стержня минеральной смесью в скважине с минимальным временем установки;
определена несущая способность анкера и установлено время за-творения ЗАМП в воде, влияющее на прочность закрепления анкера в шпуре.
Практическое значение работы. Результаты исследований позволяют обеспечить повышение надежности функционирования шахт и рудников, улучшение условий труда и снижение затрат на крепление и поддержание выработок в работоспособном состоянии. Выявлены и разработаны новые типы минеральных закрепителей и анкерных крепей.
Внедрение результатов и рекомендаций работы.
Научные результаты положены в основу нормативных документов: Технические условия на анкерные крепления АСМ-1 (ТУ 3142-001-47210319-2001) и АСМ-2 (ТУ 3142-002-47210319-2001) и закрепитель анкеров минеральный патронированный (ТУ 5738-02-00284635-2001). Разработаны новые типы анкеров с минеральными закрепителями, которые защищены авторскими свидетельствами и по результатам эксплуатационных испытаний в шахте рекомендованы межведомственной комиссией для применения на предприятиях угольной и горнорудной промышленности. В ЗАО «СибТрансУголь» создано производство по выпуску крепей типа АСМ и минерального патронированного закрепителя анкеров.
Апробация работы, Основные результаты работы докладывались на технических советах в ЗАО «СибТрансУголь», ЗАО «Междуреченскуголь» (2000 - 2003 гг); Международных конференциях «Динамика и прочность горных машин» (Новосибирск, 2001, 2003 гг.), «Неделя горняка» (Москва, 2003, 2004 гг).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 9 печатных работах, включая 5 патентов РФ.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 135 страницах машинописного текста, содержит 24 рисунка, 26 таблиц, список литературы из 92 наименований работ отечественных и зарубежных авторов и приложений.
Автор выражает глубокую признательность сотрудникам лаборатории подземной разработки угольных месторождений ИГД СО РАН и ЗАО «СибТрансУголь» за оказанную помощь и содействие при выполнении работы.
Область применения анкерной крепи в угольных шахтах
Анкерная крепь применяется в широком диапазоне горнотехнических условий [3,4,5,6]. По сравнению с обычными подпорными конструкциями она имеет следующие преимущества: -удельное снижение расходных материалов на крепление выработок; -позволяет на 18. „25% уменьшить сечение выработки по сравнению с рамной крепью; -упрощает возможность механизации всех операций процесса крепления. Из горно-геологических условий и принципа взаимодействия анкерной крепи с массивом выделяют три основные схемы анкерования [7]; - Первая схема применяется для слоистых пород- метод «сшивки» (рис. 1.1а). Скрепленные анкерами слои породы работают как единая балка. Суммарное сопротивление «сшитых» слоев значительно выше отдельно взятых, что обеспечивает высокую устойчивость закрепленного пространства выработки. - Вторая схема - метод «подшивки» (рис.1.16). Расслоенные породы кровли посредством анкерных стержней прикрепляются к монолитному вышележащему слою, таким образом, предотвращая обрушение первых. - Последняя, третья схема - используется как предупреждающая или страхующая от отдельных случайных выпадений кусков из массива, состоящего из прочных, но трещиноватых пород (ряс. 1.1 в).
Таким образом, анкерная крепь - это система закрепленных в скважинах несущих силовых элементов, предназначенных для упрочнения массива пород и повышения его устойчивости благодаря скреплению различных по прочности слоев или отдельных блоков. Анкерная крепь применима для крепления выработок любого назначения различной формы поперечного сечения, для временного и длительного срока службы. Область применения анкерной крепи [5] практически охватывает все многообразие проводимых горных выработок. В качестве самостоятельной она может устанавливаться на полный их срок службы. В этих случаях необходим селективный выбор конструкции крепи, адаптивной к конкретным условиям работы. Анкерование может вестись в сочетании с рамными крепями и другими видами известных конструкций, если предполагаемое смещение контура выработки превышает безопасную расчетную величину, т.е., когда горно-геологические условия не позволяют применять ее самостоятельно ]. На возведение рамной крепи или сплошной крепи (монолитная бетонная, тюбинговая и др.) требуется значительное время и происходит отставание их монтажа от забоя, В этих случаях целесообразно применять анкерную крепь как временную предохранительную, обеспечивающую безопасность работ в призабойной части до установления постоянной крепи. Есть примеры применения анкерной крепи для предотвращения пучения пород почвы.
Однако этот спектр их применения недостаточно изучен, ввиду чего имеет весьма ограниченное применение. 1.3. Анализ развития конструкций анкерных крепей Анкерная крепь, используемая в горной промышленности, получает все большее распространение [ЗДО]. В индустриально развитых странах она служит основным средством креплений подземных выработок. За последнее десятилетие в мире на крепление выработок израсходовано свыше 2 млрд. анкеров. Несмотря на длительное применение анкерного крепления, освоенная область эффективного использования анкеров не охватывает всего многообразия горно-геологических условий разработки месторождений полезных ископаемых. Между тем неограниченные возможности совершенствования технологии и техники анкерования, конструкций и схем установки анкеров позволяют приспособить анкерную крепь к различным, в том числе и постоянно усложняющимся условиям ведения горных работ. Ретроспективный анализ показывает, что развитие анкерного крепления тесно связано с созданием принципиально новых типов анкеров, стимулировавших резкое поэтапное увеличение объемов и расширение области их применения. К ним относятся юшнощелевые, распорные, железобетонные, и трубчатые распорные анкеры [11... 16]. На первом этапе промышленного освоения нового способа крепления нетрадиционные виды крепи использовали в незначительных объемах для їфепления выработок с благоприятными условиями эксплуатации и испытывающих незначительное горное давление. С появлением распорных анкеров способ анкерного крепления получил всеобщее признание и быстрое распространение. Наиболее широко его использовали в СССР, Америке, Канаде, Англии, Германии, Австралии, КНР, Полыни и др. странах. Основная (свыше 60%) часть распорных анкеров расходуется при камерной и камерно-столбовой системе разработки месторождений для крепления выработок с шириной пролета 6-12 м и более, имеющих малый срок службы, расположенных на небольшой (200-300 м) глубине от поверхности, испытывающих незначительные деформации, бистро погашаемых очистными работами и не подвергающихся влиянию остаточного опорного давления, В кровле таких выработок залегают преимущественно слаботрещиноватые слоистые породы средней и выше средней устойчивости с пределом прочности на сжатие не менее 30 МПа.
Другую часть распорных анкеров используют для їфепления подготовительных выработок при системах разработки наклонными слоями и длинными столбами по простиранию, а также при комбинированной и щитовой системах разработки [17,18]. Указанные системы разработки по сравнению с предыдущими характеризуются более длительным и интенсивным проявлением горного давления, связанного с ведением очистных работ. В этих условиях при глубине разработки до 600 м анкерную крепь применяют выборочно и только в том случае, если наряду с другими предпосылками (отсутствие дизъюнктивных нарушений, водонасьнпенных и влагочувствительных пород) толщина слоев закрепляемого массива кровли, представленного слаботрещиноватыми или слоистыми породами с пределом прочности на сжатие соответственно более 8 и 30 МПа, составляла не менее 0,2 м, а средняя скорость смещения - не более 0,5 мм в сутки. Выработки шириной 1,5-5 м со сроком службы 3-15 лет с анкерным креплением дополнительно охранялись, по меньшей мере, целиками угля шириной более 4 м или специальной крепью со стороны выработанного пространства [ 19,20]. Следующий этап развития анкерного крепления связан с созданием и совершенствованием железобетонных анкеров, используемых в горнорудной промышленности и угольных шахтах в выработках с различным сроком службы, не подверженных интенсивному влиянию очистных работ и пройденных в породах с пределом прочности на сжатие более 20Mna[22J23]. В капитальных выработках и камерах околоствольных дворов их комбинируют с набрызгбетоном. В 70-х годах с появлением станков для направленного бурения глубоких скважин в стесненных условиях зародился способ цементации отрезков стального каната длиной 10-50 м и более в породном массиве, нашедших применение в креплении камер, образующихся при сплошной выемке и разработке рудных залежей системами подэтажного и блокового обрушения. Зацементированные канатные анкеры позволяют вести послойную выемку под зашитой постоянно закрепленной кровлей. Поиски надежных средств крепления выработок в сложных условиях эксплуатации привели к разработке для крепления анкеров патронированных быстротвердеющих составов на полимерной основе [19].
Разработанные в ФРГ сталеполимерные анкеры получили широкое применение на шахтах и рудниках Западной Европы с глубиной отработки более 600м. С начала 70-х гг, в угольной промышленности многих стран анкера распорного типа, устанавливаемые в слабоустойчивых породах, стали вытесняться сталеполимерными и комбинированными (распорный анкер и сочетании с химзакреплением) анкерами [1,2,27,28,29]. Анкеры с химическим и комбинированным закреплением используют в выработках различного назначения и сроков службы при сплошной, камерной и камерно-столбовой системах разработки, а также при отработке угольных пластов длинными столбами по простиранию. Современные конструкции сталеполимерных анкеров обеспечивают устойчивость выработок при смещениях кровли достигающих 10% высоты выработки, что в 1,5—2 раза выше критической величины смещения горных пород, закрепленных механическими распорными анкерами [7]. Дальнейшее развитие анкерного крепления характеризуется созданием и быстрым распространением конкурирующих друг с другом трубчатых фрикционных и гидрораспорных анкеров, объем производства которых достиг 1 Омлн. штук в год [30... 3 8]. Фрикционные анкеры типа «сплит-сет» фирмы «Ингерсолл рэнд» (США) используют около 20 стран мира» в основном на рудниках, а также в угольных шахтах для крепления выработок при камерной и камерно-столбовой системах разработки, пройденных по слабоустойчивым боковым породам и испытывающих незначительное влияние очистных работ.
Исследования гранулометрии, влажности и энергоемкости измельчения шлаков
Крупность кусков шлака на шлаковом поле за счет измельчения и перелопачивания бульдозером не превышает 300 мм. Затем шлак дробится в цехе с помощью молотковой дробилки. Рассев пробы дробленого шлака на стандартных ситах дал следующие результаты: Из данных таблицы 2.4 видно, что шлак после дробления имеет полифракционный состав с преобладающим размером частиц от 2,5 до 40 мм. Установлено, что гигроскопическая влажность шлака на шлаковом поле, в зависимости от времени года и количества атмосферных осадков, может быть в пределах от 2 до 12 %. Гигроскопическая влажность шлака после дробления может достигать 10 %. Наличие указанного количества влаги обусловливает необходимость его сушки перед помолом в шаровых мельницах. Большое влияние на свойства минерального закрепителя оказывает тонкость помола [86,87]. Поэтому в лабораторных условиях были проведены работы по исследованию измельчения сырьевой основы закрепителей. Глиноземистый шлак относится к абразивным трудноизмельчаемым материалам. Поэтому были проведены исследования эффективности измельчения глиноземистого шлака в сравнении с измельчением портланд-цементного клинкера
Тонкинского цементного завода. Измельчение этих материалов определяли по методике «Гипроце-мента» с помощью лабораторной мельницы МБА. В мельницу загружали предварительно дробленые шлак и клинкер с размерами частиц от 3 до 10 мм. Эту фракцию получали отсевом на ситах с размером ячейки, соответственно, 3 и 10 мм. В камеру мельницы загружали по 100 Н указаниях материалов. По мере измельчения через каждые 10 минут производили отбор проб для определения остатков на ситах № 02 (размер ячейки в свету - 200 микрон) и № 008 (размер ячейки в свету - 80 микрон). Измельчение каждого материала производили до получения остатка на сите № 008, равном 7,5 %. Результаты определения размалываемости представлены в таблице 2.5. Из данных таблицы 2.5 видно, что для получения остатков на сите № 008, равном 7,5 %, требуется молоть клинкер 100 мин, а глиноземистый шлак 140 мин. Размолоспособность согласно методике Гипроцемента определяется в виде двух параметров: затраты электроэнергии на измельчение одной тонны материала, определяемые по формуле Величина Э составила для клинкера 49 кВт-ч/т, а для шлака значительно выше -63,3 кВт ч/т. Исходя из полученных результатов, следует, что глиноземистый шлак и ТопкинскиЙ клинкер необходимо измельчать раздельно, для исключения переизмельчения последнего. В процессе экспериментальных работ по разработке рецептуры минеральных смесей для крепления анкеров в угольных шахтах использовались портландцементы цементных заводов - Красноярского, Топкинского, Горнозаводского и Искитимского. Химический состав портландцементов представлен в таблице 2.6 Из данных таблицы 2.6 видно, что портландцементы этих четырех заводов имеют довольно близкий химический состав и не имеют ярко выраженных отличительных признаков. Исключением является то, что в цементах Топкинского и Горнозаводского заводов содержание важного минерала СзА на 1-2% превышает содержание его в цементах Красноярского и Искитимского заводов. Во время лабораторных исследований в составы минеральных смесей вводили природный гипсовый камень. В основном использовали гипсовый камень Заларинского (Иркутская обл.) и Ергачинского (Пермская обл.) гипсовых рудников.
Результаты химических анализов приведены в таблице 2.7. Физико-механические испытания минеральных смесей проводили по методикам ГОСТ 310.1.76—ГОСТ 310.3.76 «Цементы. Методы испытаний» с некоторыми изменениями и дополнениями. Консистенцию замеса цементного теста и сроки схватывания определяли с помощью прибора Вика. Ввиду того, что тесто, получаемое за-творением водой минеральных смесей, обладало в большинстве случаев способностью быстро схватываться, время перемешивания смеси с водой было сокращено до одной минуты. Это время во всех опытах было постоянным и определялось с помощью секундомера. В большинстве опытов готовили тесто с водоцементным отношением (В/Ц), равным 0,28. При этом погружение пестика прибора Вика составляло 5-7 мм, что согласно ГОСТ 310.3-76 соответствует консистенции теста нормальной густоты. Было установлено, что отдельные составы минеральных смесей имели нормальную консистенцию при других В/Ц. Поэтому в случаях явного изменения реологии цементного теста В/Ц подбирали, исходя из нормального погружения пестика прибора Вика (5-7 мм). В результате некоторые составы минеральной смеси испытывали при В/Ц от 0а25 до 0,32. Для определения механической прочности и линейного расширения твердеющих минеральных смесей из цементного теста готовили образцы -балочки размером 40 х40 х 160 мм. Для этого использовались металлические разъемные формы по ГОСТ 310.4-81. Каждая форма позволила изготовить три образца - балочки. Минеральные смеси перемешивались в течение 1 минут с водой в сферической чаше с помощью специальной лопатки. Полученное тесто закладывали в металлическую форму с «шапкой». После этого форму с тестом для уплотнения последнего вибрировали на виброплощадке с амплитудой 0,35 и частотой 50 герц. По окончании виброуплотнения избыток теста из форм удаляли ножом, заглаживая тесто вровень с краями формы. Нож предварительно протирали влажной тряпкой. Затем образцы в формах помещали на решетку ванны с гидравлическим затвором.
На дно ванны ниже уровня решетки наливалась вода для поддержания постоянной влажности внутри ванны. Спустя 10 минут после момента схватывания смеси образцы - балочки извлекались из форм и снова помещались на решетку ванны, так чтобы не допускалось соприкосновение образцов. Линейное расширение образцов определяли путем замера длины образца - балочки с помощью индикатора часового типа, позволяющего определить размер образца с точностью до 0,001 мм. При этом величину линейного расширения вычисляли по следующей формуле: AL = i xl00% (2.3) L - фактическая длина образца в мм; 160 - первоначальная длина образца - балочки в форме, равная 160 мм. Для определения механической прочности на изгиб образцов - бало-чек использовали прибор МИИ -100. Из трех балочек, после испытания каждой смеси на изгиб, получилось 6 половинок, которые испытывались на прочность при сжатии с помощью гидравлического пресса ПГ - 50. Для более точного испытания затвердевших смесей на сжатие пресс дополнительно оборудован специальным приспособлением, ГИБ - 1, обеспечивающим более плотное прилегание накладных пластин на плоскости половинок образца - балочки. При испытании на сжатие среднюю скорость роста нагрузки поддерживали на уровне, 2,0.. .0,5 МПа /с. Следует отметить, что согласно ГОСТ 310.6 - 76 температура во время физико-механических испытаний смесей поддерживалась на уровне 20 ± 2 С, а относительная влажность не менее 50 %. Для испытаний при более низких температурах были использованы бытовые холодильники, позволяющие придавать температуру исходным минеральным смесям, воде, формам и другому лабораторному оборудованию в пределах от 5 до 20 С. Известно, что на физико-химические свойства цементных растворов большое влияние оказывает крупность помола составляющих компонентов.
Поэтому для помола составляющих минеральных смесей использовались лабораторные мельницы типа МБЛ. Данные мельницы имеют две раздельные камеры диаметром 500 мм и шириной 280 мм. Каждую камеру заполняли мелющими стальными шарами по методике «Гипроцемента»; - стальные шары диаметром 65 мм (4 шт.) - 50 Н, / / 55 мм (6 шт.) - 45 Н / /. 45 мм (20 шт.) - 80 Н / А .35 мм (50 шт.) - 100 Н - стальной баланс 275 Н ИТОГО: 550 Н. Скорость вращения мельницы - 48 об/мин. Количество загружаемого в каждую камеру МБЛ материалов для измельчения составляло 60 - 80 Н. Рассчитанное для каждой заданной загрузки (как правило, 80 Н) необходимое количество исходных компонентов минеральной смеси (портландцемент, глиноземный шлак, гипс, химическая добавка- активизатор твердения) тщательно взвешивалось на технических весах с точностью до 0,5 г, после чего загружались в мельницу для помола. Выгруженные из мельницы, измельченные минеральные смеси пропускали через сито № 09 (размер ячейки в свету 0,9 мм) с целью удаления неразмола. Тонкость измельчения минеральных смесей определяли двумя способами: 1) Просевом на стандартных ситах № 02 (размер ячейки в свету 200 микрон) и № 008 (размер ячейки в свету 80 микрон). Сита удовлетворяли требованиям ГОСТ 3584-73. 2) Определением удельной поверхности (Sya см г) по ГОСТ 310.2-76 с помощью прибора ПСХ методом воздухопроницаемости.
Исследование физико-механических свойств минеральных смесей на основе гипсо-глиноземистого цемента (ГГРЦ)
На ПМЦЗ наряду с прочими видами цемента изготавливается гипсо-глиноземистый цемент - ГГРЦ, представляющий собой продукт совместного помола глиноземистого шлака (примерно 70%) и природного гипсового камня (30%). ГГРЦ выпускается в соответствии с ГОСТ 11052-74. Тонкость измельчения ГГРЦ соответствует остатку на сите № 008 не более 10%. Учитывая исходное тонкомолотое состояние ГГРЦ и наличие в нем в нужных пропорциях шлака и гипса, для упрощения технологии производства минеральной смеси было предложено подобрать оптимальное соотношение его с портландцементом и ИагСОз. В целом технология приготовления смеси в этом случае значительно упрощается. Опыты показали (табл. 2.10.), наилучшим требованиям к качеству минеральной смеси отвечает смесь, состоящая из 50% ГГРЦ и 50% портландцемента М500 ДО Горнозаводского цементного завода при введении в состав смеси 1% НагСОз- Было также установлено, что удельная поверхность готовой минеральной смеси должна быть 5300-6000 см2/г. Характерной особенностью минеральной смеси на основе ГГРЦ является ее повышенная пластичность. Поэтому стало возможным водоцемент-ные соотношения для получения нормальной консистенции уменьшить до 0,25. Важным моментом, который дает предпочтение при использовании ГГРЦ в составе смеси, является предварительное знание состава глиноземистого шлака, используемого на ПМЦЗ при производстве ГГРЦ, т.к. лаборатория завода ведет постоянный технологический контроль качества используемого глиноземистого шлака.
В таблице 2.11. сведены наиболее характерные результаты экспериментов по изучению влияния на свойства минеральных смесей различных химических добавок. Выводы по результатам этих экспериментов сводятся к следующим: а) А1(ОН)3 гидрат окиси алюминия вводили в состав смеси в ком бинации с 0,5% №гС1з. Количество А1(ОН)з составляло 1,2 и 3% от массы смеси. Ввод 1% АЬОз оказался оптимальным и привел к увеличению 30- минутной прочности до 9,5 МПа. На изменение линейного расширения до бавка А1(ОН)з не оказала существенного влияния. б) Спек глинозема Ачинского глиноземного комбината, применен ный в качестве добавки, заменяющей глиноземистый шлак, в количестве 5 и 15% дал отрицательные результаты - произошло резкое снижение рас ширения смеси вплоть до ее усадки. в) Строительный гипс (полугидрат) введенный в состав смеси в ко личестве 10Д4 и 16% взамен гипсового камня мало повлиял на изменение прочности, но увеличил величину расширения смесей. г) известь-кипелка (СаО) - резко снизила начальную прочность сме си и вызвала усадку цементного камня в первые сроки твердения. д) поташ (К2СО3)- не увеличил начальную прочность смеси, однако, при дозировке 1,0 и 1,5% увеличил расширение смеси. и) A SO/t) - сульфат алюминия - в пределах испытанных дозировок (1,0 и 1,5%) не оказал существенного влияния на свойства смеси. к) КОН гидрат окиси калия - при вводе в количестве 1% повысил расширение смеси в 30- минутный период твердения до 0,9%. л) NaOH - гидрат окиси натрия - в количестве 1,0 и 1,5% от массы смеси снизил начальную прочность смеси.
Наилучшие результаты по активизации процессов схватывания и твердения дало введение в состав смесей кальцинированной соды. Результаты серии опытов (таблица 2.11.), в которых тонкость помола смесей была недостаточно велика, и при этом использовался малоактивный шлак сорта «В» добавка соды (NajCCb) в количестве 1,5% позволила увеличить 30- минутную прочность смеси до 5,5 МПа при довольно высоком расширении (0,94%). Влияние добавки ИагСОз было исследовано на минеральной смеси, изготовленной из соотношения 50% портландцемента и 50% гипсо-глиноземистого цемента (ГГРЦ), Со дерзание шлака сорта «С» в смеси составило 35%, а гипса - 15%. Смеси, не содержащие №гСОз и с добавкой 1% NasCO; после их твердения в период 15 мин; 30 мин; 1 часа; 1 суток; 28 суток анализировали на содержание химически связанной воды и степени химического усвоения гипса (S03). Данные анализы выполняли по методикам [47]. В выше указанные промежутки времени (от 30 мин до 28 суток), определялись также прочность смесей на сжатие и линейное расширение. Результаты, представленные в таблице 2.11, показывают, что введение в состав смеси 1% ИагСОз увеличивает скорость химических реакций, особенно в начальный период твердения. Количество химически связанной воды увеличивается, а количество несвязанного гипса уменьшается.
Было исследовано влияние вида использованной кальцинированной соды - химически чистой и технической. Эксперимент, результаты которого сведены в таблицу 2.12, не выявил существенного различия во влиянии этих 2-х видов соды на свойства смесей. Для исследований влияния тонкости измельчения компонентов на физико - химические свойства твердеющих образцов на основе шлака сорта «С» готовили минеральные смеси следующего состава: - Портландцемент М500 ДО Горнозаводской -54% - Глиноземистый шлак - 30% - Гипс -16% - NaCl-хлористый натрий (свыше 100%) -1% Количество каждой смеси - 8 кг. Смеси готовили следующим образом: глиноземистый шлак, предварительно измельченный до остатка на сите №008, равном 10%, в количестве 2,4 кг загружали и мололи в мельнице МБЛ в течение 10 мин, после чего в мельницу засыпали остальные компоненты в вышеуказанной пропорции. Затем смеси измельчали до получения удельной поверхности от 3600 до 6710 см /г. При этом фиксировалось общее время помола и проводили замеры на определение остатка на сите №008. Полученные смеси испытывали на сроки схватывания, прочность и линейное расширение через 30 мин. В/Ц было постоянным - 0,28. Результаты исследований отражены в таблице 2.13, из данных которой следует: а) по мере увеличения удельной поверхности с 3600 до 6710 см2/г время начала схватывания смесей сокращается с 2,5 до 1,5 мин, а время конца схватывания уменьшается с 4,5 до 2,5 мин. б) прочность смеси в период 30 мин твердения увеличивается с 4,1 МПа при Sy -3600 см /г до 11,25 МПа при Sy=5640 см2/г (рис.2.1). При более тонком измельчении (Sy=5640 см2/г) прочность смеси снижается, так как тесто становится непластичным и цементный камень получается более
Определение необходимого количества испытаний
Требуемый объем «п» испытаний для определения математического ожидания предельного значения силы (F пред.) с заданной интервальной оценкой «Е» определяется по формуле: пЛ гУ\ (4.1) Є где SF = її— среднеквадратическое отклонение результатов изме- li «-1 рений F пред., t(l+f)/2 - квантиль распределения Стьюдента уровня (1 + 70/2 со степенью свободы (п-1). Значение «п» находится итерационным методом. Т.е. первоначально на испытание ставят приемлемое число «п0» анкеров. По результатам испытаний вычисляют S р и по формуле (4.1) определяют новое приближенное значение необходимого объема испытаний «Пі». Если Пі п0, то по результатам испытаний «Пі» анкеров получают уточненное значение S ь После этого по формуле (4.1) находят второе приближение щ, В случае если Пг пі или «пг» незначительно больше «Пі», испытания заканчиваются. Итерационный процесс продолжается до получения условия щ+\ п і или до тех пор, пока «nj+i» будет незначительно отличаться от «п;». На первом этапе испытаниям на прочность закрепления было подвержено 5 анкеров. Значение интервальной оценки принято равным s = 5 кН с вероятностью у = 0,9. 4.3 Выбор критериев оценки работоспособности системы "анкер -закрепляющая втулка - искусственная скважина" в зависимости от управляемых факторов Управляемыми в процессе стендовых испытаний факторами являются: Х-] -тип анкера Х2 - тип смеси Хво - продолжительность времени ожидания отвердения Хз - продолжительность времени замачивания. На практике для расчетов длины закрепляющей втулки необходимо знание прочности на сдвиг «т» закрепляющего состава в зависимости от прогнозируемой нагрузки.
На различных этапах нагружения анкера в закрепляющей втулке может иметь место чистый сдвиг анкера относительно втулки или скольжение втулки с анкером относительно скважины. Такие случаи наблюдались в шахтных условиях и при стендовых испытаниях. Поэтому «т» можно назвать адгезионной прочностью закрепления. Адгезионная прочность вычисляется по формуле: т=—,МПа (4.2) где F - максимальное усилие нагружения; d - диаметр анкера или скважины в зависимости от того, по какой поверхности произошел сдвиг; h - длина закрепляющей втулки. Другим критерием оценки работоспособности системы "анкер -закрепляющая втулка - искусственная скважина" является работа А сопротивления системы деформациям, которые происходят под действием внешней нагрузки F. Работа А определяется как площадь под нагрузочной кривой F(U). A= J F(U)dU (4.3) Если нагружение происходит с различной скоростью, целесообразно представлять информацию в виде: которая характеризует интенсив- dt ность совершаемой работы, обозначив ее как: N=— (4.4) Параметр N является критерием работоспособности составов при фиксированных параметрах анкера и длины ампул. 4.4. Последовательность проведения лабораторных экспериментов на стенде Испытания анкерной крепи производились в следующей последовательности. Подготовленный к испытаниям корпус- имитатор (9) поворотом вокруг оси (8)(рис. 4.1,6) на 15-20 выводится нижней частью из струбцины для доступа к отверстию скважины. После чего в скважину вставляли не-обходимое количество патронированной смеси и с помощью колонкового электропривода, одновременно вращая и делая осевую подачу, вводили в скважину стальной анкерный стержень (10). С установленным анкером корпус- имитатор (9) вновь поворотом на оси (8) возвращали в исходное положение, при этом концевая часть анкерного стержня входила в прорезь (А) траверсы (4) (рис.4.1,а).
Затем на резьбовую часть анкера ставили шайбу и навинчивали гайку до упора шайбы в нижнюю часть траверсы. Силовое нагружение анкера производилось включением насосной станции пресса и регулируемой подачей масла под плунжер с плитой. После включения насоса струбцина (7), с закрепленной в ней корпусом- имитатором (9), начинали перемещение вверх, а хвостовая часть анкера, закрепленная в прорези (А) траверсы (4), оставалась неподвижной. Регулируя расход насоса и давление, подаваемое в цилиндр пресса, изменялись такие параметры как скорость нагружения и величина усилия воздействия на анкер. Параметры нагружения и перемещения анкерного стержня во времени фиксировали соответствующие датчики, и после усилия их сигналов записывались регистрирующей аппаратурой. В соответствии с планом экспериментов и техническим обеспечением (Таблица 4.1) были проведены стендовые испытания анкеров типа АСМ-1 и АСМ-2 [48,49]. Конструкция анкера АСМ-2 отличается от АСМ-1 тем, что на головке анкера добавлена двухзаходная винтовая спираль. Для исследований силовых характеристик анкеров на стендовой установке для их закрепления в искусственной скважине применялись лучшие образцы минеральных смесей, отобранных в процессе работ, выполненных и описанных в разделе 3. В дальнейшем им присвоили названия: композиция 1(смесь№ 174), композиция 2 (смесь Ш 162) и композиция 3 (смесь №161). Исследования параметров закрепления анкеров проводились при варьировании следующих условий: - продолжительности замачивания (t зам - 4 5, 6, 7, 8, 9,10 с); - времени ожидания твердения состава (t ожид = 0, 5,10,15,30 мин; 1 час; сутки); - длительность перерыва нагружения после предварительного распора (taepep= 0» 5,10,15, 30 мин; 1 час; сутки). Из практики ведения монтажных работ анкерных крепей в горных выработках предварительный натяг анкерного стержня во время проведения стендовых исследований был принят равным 20кН. 4.5.
Результаты лабораторных исследований силовых параметров анкерных крепей на минеральных закрепителях По результатам стендовых испытаний анкерных крепей типа АСМ-1 и АСМ-2 построены графические зависимости, характеризующие несущую способность этих анкеров в зависимости от многофакторных вариаций с закрепляющими составами. На рис.4.2 показана схема условных обозначений, принятых на всех графиках, построенных по результатам стендовых испытаний анкерных крепей. Используя схему обозначений, рассмотрим наиболее характерные режимы работы анкеров во время стендовых исследований. На рис. 4.3, 4.4, 4.5, 4.6 отражены графики несущей способности анкерной крепи АСМ-1, стальной стержень которой, закреплялся двумя патронами композиции №1 с различным временем предварительного замачивания t, последних. Время предварительного замачивания на графиках (рис.4.3)- равнялось % = 4с., на графиках (рис.4.4) - Ь =5с., на графиках (рис.4.5)-1э= 6 с, и на графиках (рис.4.6)- t =8 с. Как видно из графиков рис.4.3 (tj = 4с), максимальная несущая способность анкерной крепи не превысила 80 кН.
Рост нагружения сопровождался высокой податливостью анкерного стержня. Самую низкую несущую способность имел анкер, нагружаемый с постоянной скоростью без перерыва после достижения на стержне анкера предварительного нагружения to =0. Продолжительность предварительного замачивания в воде патронированных композиций №1 (рис.4.4) до 5 с (t, =5с) несколько повысило среднюю несущую способность анкеров АСМ-1.Например, на графике № 3 кривая превысила 120 кН и дальнейшее нагружение было прервано для сохранения резьбовой части анкерного стержня. Наблюдалось характерное повторение в нагрузочной характеристике (график Хй1) анкера работавшего с постоянной скоростью нагружения без перерыва после достижения усилия предварительного натяга. Анкер имел высокую податливость, а рабочее сопротивление не превысило 40кН. На рис.4.5 представлены графики нагружения анкеров после предварительного замачивания патронированных композиций №1 в течение U =6с. Анкер (график №1) после установки и десятиминутной выдержки нагружался с постоянной скоростью без остановки. Наблюдалась высокая податливость анкерного стержня, а конечная максимальная величина несущей способности не превысила 30 кН, В остальных опытах анкера после достижения предварительного нагружения выдерживались от 10 до 60 минут, и затем нагружение возобновлялось.
