Міністерство освіти і науки України

Національний гірничий університет

КОВАЛЕНКО Владислав Вікторович

УДК 622.281.7:620.197

ПІДВИЩЕННЯ НЕСУЧОЇ ЗДАТНОСТІ МЕТАЛЕВОГО КРІПЛЕННЯ КАПІТАЛЬНИХ ГІРНИЧИХ ВИРОБОК В УМОВАХ

АГРЕСИВНИХ ШАХТНИХ ВОД

Спеціальність 05.15.04 – “Шахтне та підземне будівництво”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ-2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі будівельних геотехнологій і конструкцій Національного гірничого університету

Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ)

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Шашенко Олександр Миколайович, завідувач кафедри будівельних геотехнологій і конструкцій Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ)

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, с.н.с.

Друцко Віталій Павлович, завідуючий відділом проведення і кріплення гірничих виробок і випробування конструкцій Науково-дослідного інституту організації і механізації шахтного будівництва Міністерства палива та енергетики України (м. Харків)

кандидат технічних наук

Ковалевська Ірина Анатоліївна, докторант кафедри підземної розробки родовищ Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ)

Провідна установа: Донецький національний технічний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра будівництва шахт і підземних споруд.

Захист дисертації відбудеться “_15_” травня 2003 р.

о _14-00_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.04

при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України

(49027, Україна, м. Дніпропетровськ, просп. К. Маркса, 19)

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного гірничого університету (49027, м. Дніпропетровськ, просп. К.Маркса, 19).

Автореферат розіслано “_14_” квітня 2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук, доцент С.В.Бєгічев

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Вугільна промисловість має важливе значення для економіки України, забезпечуючи видобуток цінного енергоносія і сировини для металургійного виробництва.

Сучасний стан гірничопрохідницьких робіт характеризується постійним ростом довжини підтримуваних виробок, складними гірничо-геологічними умовами і, як наслідок, збільшенням витрат на проведення гірничих виробок і підтримку кріплення. Основним видом кріплення на вугільних шахтах України є металеве рамне. Понад 90% усіх виробок на шахтах Донбасу закріплені металевим арковим кріпленням з профілю СВП.

У процесі експлуатації ефективність використання металу для кріплення виробок істотно знижує його корозійна здатність. Агресивні шахтні і підземні води, вологонасичене середовище, в якому працює кріплення, наявність блукаючих електричних струмів, а також інтенсивне провітрювання у виробці сприяють окисним процесам у металі і відносно швидко, впродовж 7...10 років, виводять металеве кріплення з ладу. Це гальмує роботу шахт, порушує безпеку виробництва і викликає часту заміну кріплення, що в остаточному підсумку приводить до перевитрати коштів. Досить великі і непрямі збитки від корозії, до яких можна віднести витрати на боротьбу з корозією металу, роботи з перекріплення виробок.

У цьому зв'язку розробка недорогого, простого у використанні й надійного способу підвищення несучої здатності металевого кріплення капітальних виробок, які експлуатуються в умовах впливу агресивних шахтних вод, та розробка розрахункових методик для обґрунтування його параметрів є актуальною задачею, що має важливе наукове і практичне значення, вирішенню якої й присвячена дисертація.

Робота виконана в рамках комплексної галузевої програми РН.Ц.001 “Удосконалення технічної бази паливно-енергетичного комплексу та підвищення ефективності використання енергоресурсів” та приоритетного напрямку розвитку науки і техніки України №4 “Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології” відповідно плану найважливіших держбюджетних робіт Міністерства освіти і науки України за програмою №20 “Розробити і впровадити ресурсозберігаючі та екологічно чисті технології видобутку та переробки вугілля”.

Ціль роботи складається в обґрунтуванні параметрів способу захисту металевого аркового кріплення, який забезпечує підвищення несучої здатності конструкції в умовах агресивної дії шахтних вод.

Основна ідея роботи складається у використанні захисних властивостей набризкбетону на основі зол виносу стосовно металевого кріплення в умовах агресивних шахтних вод для обґрунтування способу і параметрів захисту металевого кріплення від корозії.

Об'єктом досліджень є капітальні гірничі виробки вугільних шахт, що протягом тривалого періоду експлуатуються в умовах дії агресивних шахтних вод.

Предметом досліджень є металева арка, що піддається корозійному зносу.

Основні задачі досліджень:

-

-

-

-

-

Методи досліджень. В основу досліджень покладений комплексний підхід, що містить аналіз й узагальнення літературних джерел за темою дисертації, шахтні інструментальні спостереження, аналітичні і лабораторні дослідження на основі прискорених корозійних випробувань із застосуванням методів будівельної механіки, електротехніки і електрохімічних методів потенціометрування.

Наукові положення, що захищаються в дисертації:

-

-

Наукова новизна одержаних результатів досліджень полягає в тому, що:

- вперше для умов вугільних шахт встановлені закономірності протікання процесів корозії від впливу концентрації нейтральних солей і діючого навантаження, що дозволило розробити спосіб підвищення несучої здатності металевого аркового кріплення;

- визначені залежності зміни несучої здатності СВП профілю від корозійного зносу та часу експлуатації (при постійній швидкості корозії, а також для реальних умов шахт), що дозволяє визначати необхідний з трьох параметрів корозії (корозійний знос, термін експлуатації, швидкість корозії) за відомими двома параметрами;

- доведено, що наявність окалини на поверхні металевого кріплення знижує швидкість корозії в початковий період експлуатації кріплення на 20-40% у залежності від показника рН шахтних вод;

- вперше встановлені залежності зміни швидкості корозії металу під захисним шаром з набризкбетону і швидкості корозії металу без захисного покриття при різних значеннях мінералізації шахтних вод і товщини захисного покриття з набризкбетону, що дозволяє вибирати раціональні параметри товщини набризкбетону в залежності від умов експлуатації.

Наукове значення роботи полягає в дослідженні закономірностей зміни несучої здатності металевого аркового податливого кріплення від дії корозії, що викликана наявністю мінералізованих шахтних вод.

Практичне значення роботи. Обґрунтований спосіб підвищення несучої здатності металевого аркового кріплення при використанні набризкбетону для захисту від корозійної дії шахтних вод; розроблено склад набризкбетонного покриття на основі місцевих матеріалів для захисту металевого кріплення від корозії в умовах шахт ДХК “Добропіллявугілля”.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується використанням апробованих методів аналітичних, лабораторних і шахтних досліджень, коректністю поставлених задач, задовільною збіжністю (до 10...15%) результатів лабораторних, натурних, і аналітичних досліджень.

Реалізація результатів досліджень. Основні результати роботи рекомендовані до впровадження на шахті “Алмазна” ДХК “Добропіллявугілля” і шахтах ДХК “Павлоградвугілля” з подібними умовами експлуатації.

Особистий внесок автора полягає в розробці ідеї підвищення несучої здатності металевого кріплення капітальних виробок в умовах мінералізованих шахтних вод, виборі методів досліджень, у виконанні натурних, лабораторних і аналітичних досліджень, видачі практичних рекомендацій з вибору параметрів набризкбетонного захисного покриття, які відповідають умовам експлуатації гірничої виробки.

Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи повідомлені, обговорені і схвалені на засіданні науково-технічної ради ДВАТ шахти “Алмазна”, на засіданнях кафедри будівельних геотехнологій і конструкцій НГУ (2000, 2001, 2002 р.), а також на науково-технічній конференції “Проблеми створення нових машин та технологій” (м. Кременчук, 2001 р.), міжнародній науково-технічній конференції “Форум гірників 2002” (м. Дніпропетровськ, 2002 р.) і на студентських науково-технічних конференціях 2001-2002 р.р. (м. Дніпропетровськ, НГУ).

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 6 наукових праць, у тому числі 3 у фахових виданнях та 3 у збірниках матеріалів науково-технічних конференцій.

Обсяг і структура роботи. Дисертація складається з вступу, п'яти глав, висновку, списку літератури з 118 найменувань і додатків. Вона містить 148 сторінок машинописного тексту, 68 рисунків і 27 таблиць. Загальний обсяг 185 сторінок.

Автор висловлює глубоку вдячність науковому керівнику д.т.н., професору О.М. Шашенко за цінні поради й постійну увагу при подготовці дисертації, а також співробітникам кафедр БГТіК, електротехніки (НГУ), порошкової металургії (НМетА України), аерогідромеханіки (ДДУ) за сприяння й допомогу в проведенні експериментів.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

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 (рис. 1).

Рис. 1. Вплив наявності окалини на швидкість корозії металу в умовах з різним значенням рН середовища

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.

Результати експериментальних досліджень зміни швидкості корозії металу від мінералізації вод (рис. 2, б) при порівнянні з результатами шахтних спостережень за корозійним зносом металевого аркового кріплення в шахтах з різною мінералізацією вод (рис. 2, а) показали, що швидкість корозії значною мірою залежить від мінералізації вод.

Рис. 2. Шахтні спостереження (а) і експериментальні дані (б) зміни корозії металевого аркової кріплення від мінералізації вод

На рис. 2 (а) представлені дані щодо мінералізації вод на шахтах: ім. Сташкова (0,7 г/л), “Благодатна” (14 г/л), ім. Героїв Космосу (17 г/л), “Західно-Донбаська” (23 г/л). 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. Розрахункова схема наведена на рис. 3. Результати визначення впливу напружень на зміну швидкості корозії наведені на рис.4.

Рис. 3. Розрахункова схема проведення випробувань по визначенню залежності зміни швидкості корозії від діючого навантаження

Рис. 4. Залежність швидкості корозії від діючих напружень

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) (рис. 5).

Рис. 5. Порівняльний аналіз зміни несучої здатності профілю СВП-22 від терміну експлуатації в умовах зміни швидкості корозії

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

Залежності зміни несучої здатності від терміну експлуатації

Шахта ім. Сташкова

Шахта “Алмазна”

Шахта ім. Героїв Космосу

Шахта “Благодатна”

Шахта “Західно-Донбаська”

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 100?50Ч3 ?м. Досліджувалися покриття товщиною 10 і 25мм (рис. 6).

Рис. 6. Зміна потенціалу експериментальних покрить, товщиною 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 (рис. 7).

Рис. 7. Зміна опору металевих зразків (дроту), захищених експериментальними сумішами

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 (рис. 8).

Рис. 8. Залежність швидкості корозії металу під захистним покриттям із набризкбетону від мінералізації вод

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 (рис. 9).

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):

Рис. 9. Номограма з визначення товщини покриття залежно від мінералізації вод

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 на рис. 10, яка одночасно являє собою схему визначення очікуваної області раціонального використання способу підвищення несучої здатності кріплення для умов шахт ДХК “Добропіллявугілля” та ДХК “Павлоградвугілля”.

Рис. 10. Схема визначення очікуваної області раціонального використання способу підвищення несучої здатності кріплення для умов шахт

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

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, в якій отримане нове рішення актуальної науково-прикладної задачі, що полягає в підвищенні тривалої стійкості капітальних виробок вугільних шахт, на основі вперше встановлених закономірностей кородирування металевого кріплення.

Основні наукові і практичні результати дисертації полягають у наступному:

1. Наведений аналіз факторів, які впливають на корозію металевого кріплення. Виділені основні фактори, що мають найбільший вплив на процес корозії.

2. На основі проведених прискорених корозійних випробувань (ПКВ) визначені залежності протікання процесу корозії від наявності окалини, мінералізації шахтних вод, а також зміна швидкості корозії від діючих навантажень, що дозволило прогнозувати корозійний знос у залежності від умов експлуатації.

3. Визначені кутові координати максимальних моментів, що впливають на несучу здатність кріплення. На підставі цього запропонований диференційований підхід у використанні набризкбетону як захист металевого кріплення від корозії в умовах дії максимальних вигинаючих моментів.

4. Отримана аналітична залежність зміни несучої здатності СВП профілів від корозійного зносу К, а також від терміну експлуатації кріплення Т (при постійній швидкості корозії К), що дозволило визначати несучу здатність профілю кріплення, по кожному з відомих факторів (тривалість експлуатації кріплення Т, корозійний знос К).

5. На підставі аналітичних обчислень , використовуючи емпіричні дані, отримана математична модель зміни несучої здатності профілів СВП протягом терміну експлуатації для умов шахт ДХК “Добропіллявугілля”, ДХК “Павлоградвугілля”, що дозволило визначати несучу здатність профілю кріплення в залежності від терміну експлуатації кріплення з урахуванням специфіки умов експлуатації.

6. Розроблені склади сумішей набризкбетону з використанням золи виносу як заміну частини цементу і проведений аналіз захисної дії даних видів покриття стосовно металу кріплення. Використовуючи потенциостатичний метод, розглянуте поводження металу, покритого різними складами набризкбетону. На основі омічного методу отримані кількісні характеристики захисної дії різних складів. У результаті порівняльного аналізу рекомендований склад набризкбетонної суміші, при використанні якої досягається мінімальна швидкість корозії металу.

7. Розроблена номограма для визначення параметрів товщини набризкбетонного покриття, спосіб підвищення несучої здатності металевого кріплення, а також визначена очікувана область раціонального використання способу підвищення несучої здатності металевого кріплення для умов шахт ДХК “Добропіллявугілля” і ДХК “Павлоградвугілля”, що дозволить істотно підвищити (у 1,4...1,6 разів при експлуатації кріплення 15 років) несучу здатність металевого аркового кріплення капітальних виробок і знизити обсяги ремонтних робіт.

8. Установлені закономірності та отримані на їх основі технічні рішення були рекомендовані до використання в умовах шахти “Алмазна” ДХК “Добропіллявугілля”. Очікуваний економічний ефект від реалізації запропонованого способу підвищення несучої здатності металевого кріплення капітальної виробки при її довжині 1000 м складе приблизно 102 тис.грн. за рік.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

АНОТАЦІЯ

Коваленко В.В. Підвищення несучої здатності металевого кріплення капітальних гірничих виробок в умовах агресивних шахтних вод. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.15.04. – “Шахтне та підземне будівництво”. Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України, Дніпропетровськ, 2003.

У дисертації викладені результати досліджень стійкості капітальних виробок, закріплених металевим крепленням в умовах агресивних минералізованих вод вугільних шахт ДХК “Добропіллявугілля”, ДХК “Павлоградвугілля”.

На основі прискорених корозійних випробувань отримані залежності зміни корозії від наявності окалини, мінералізації шахтних вод, напружень, що виникають у кріпленні. Розроблено склади сумішей набризкбетону з використанням золи виносу як заміни частини цементу і проведений аналіз захисної дії даних покрить стосовно металу кріплення.

Отримані залежності лягли в основу номограми визначення товщини набризкбетонного покриття в залежності від умов експлуатації, способу підвищення несучої здатності металевого кріплення в умовах агресивних шахтних вод.

Результати досліджень опубліковані в 6 наукових статтях.

Ключові слова: металеве кріплення, корозійний знос, швидкість корозії, вигинаючий момент, несуча здатність, набризкбетон, зола виносу.

АННОТАЦИЯ

Коваленко В.В. Повышение несущей способности металлической крепи капитальных горных выработок в условиях агрессивных шахтных вод. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.04. – “Шахтное и подземное строительство”. Национальный горный университет Министерства образования и науки Украины, Днепропетровск, 2003.

В диссертации изложены результаты исследований устойчивости капитальных выработок, закрепленных металлической крепью в условиях агрессивных минерализованных вод угольных шахт ГХК “Добропольеуголь”, ГХК “Павлоградуголь”.

На основе выполненного анализа факторов, влияющих на снижение несущей способности металлической крепи, доказана актуальность выполняемых исследований, суть которых состоит в разработке способа повышения несущей способности металлической крепи защитой ее от коррозии в условиях агрессивного действия шахтных вод и рудничной атмосферы.

В качестве базовых объектов исследований были определены шахты “Алмазная” (ГХК “Добропольеуголь”), “Благодатная”, “Западно-Донбасская”, им. Героев Космоса, им. Сташкова (ГХК “Павлоградуголь”). В выработках были выполнены замеры коррозионного износа металлической крепи с различным сроком эксплуатации. В результате полученной информации и последующей ее статистической обработки были установлены зависимости развития процесса коррозии в течение срока эксплуатации для условий соответствующих шахт.

На основе ускоренных коррозионных испытаний получены зависимости изменения коррозии от наличия окалины, минерализации шахтных вод, напряжений, возникающих в крепи. Установлено, что зависимость скорости коррозии нагруженной металлической крепи от напряжений в одних и тех же физико-химических условиях носит нелинейный характер и определяется физико-химическими условиями эксплуатации крепи, что позволяет учитывать изменение скорости коррозии при различных значениях действующих нагрузок.

Разработаны составы смесей набрызгбетона с использованием золы уноса в качестве замены части цемента и проведен анализ защитного действия данных покрытий по отношению к металлу крепи. Используя потенциостатический метод, рассмотрено поведение металла, покрытого различными составами набрызг-бетона. На основе омического метода получены количественные характеристики защитного действия различных составов. В результате сравнительного анализа рекомендован состав набрызгбетонной смеси, обладающей хорошими коррозионными характеристиками.

Определены аналитические зависимости изменения несущей способности профиля СВП металлической арочной крепи в зависимости от коррозионного износа и срока эксплуатации. Также установлено, что несущая способность профилей СВП в течение срока эксплуатации находится в нелинейной зависимости от начальной несущей способности, времени эксплуатации крепи и коррозионного износа, что позволяет определять несущую способность профиля в зависимости от срока эксплуатации или коррозионного износа.

Аналитические исследования, выполненные на основе экспериментальных данных, позволили спрогнозировать повышение несущей способности металлической крепи от использования разработанного способа.

Полученные зависимости легли в основу методики определения толщины набрызгбетонного покрытия в зависимости от условий эксплуатации, способа повышения несущей способности металлической крепи в условиях агрессивных шахтных вод.

Результаты исследований опубликованы в 6 научных статьях.

Ключевые слова: металлическая крепь, коррозионный износ, скорость коррозии, изгибающий момент, несущая способность, набрызгбетон, зола уноса.

THE SUMMARY

Kovalenko V.V. The increase of bearing ability of metal support of capital workings in conditions of aggressive mine waters. - Manuscript.

The dissertation of obtaining a scientific degree of the candidate of engineering science in speciality 05.15.04. - " Mine and Underground Construction ". National Mining University of the Ministry of Education and Science of Ukraine, Dnipropetrovsk, 2003.

The results of researches of stability of the capital workings fixed with metal support in conditions of aggressive mineralized waters of coal mines SHC “Dobropolyecoal”, SHC “Pavlogradcoal” are stated in the dissertation.

On the basis of accelerated corrosion tests the dependences of corrosion change on scale presence, a mineralization of mine waters, the pressure arising in support are received.

Structures of throwconcrete mixes with use of ashes of ablation are developed as replacement of a part of cement and the analysis of protective action of the given coverings concerning metal support is carried out.

The received dependences have lain in a basis of throwconcrete coverings thickness definition technique on conditions of operation in presented way of increase of bearing ability metal support in conditions of aggressive mine waters.

Results of researches are published in 6 scientific articles.

Key words: metal support, corrosion deterioration, speed of the corrosion, the bending moment, bearing ability, throwconcrete, ash of ablation.

КОВАЛЕНКО Владислав Вікторович

Підвищення несучої здатності металевого

кріплення капітальних гірничих виробок

в умовах агресивних шахтних вод

(Автореферат)

Підписано до друку 08.04.2003. Формат 30х42/4.

Папір Captain. Ризографія. Умов. друк. арк. 0,9. Облік.-видавн. арк. 0,9.

Тираж 120 прим. Зам. №___. Безкоштовно.

РВК НГУ

49027, м. Дніпропетровськ-27, просп. К. Маркса, 19.