книги из ГПНТБ / Бетонная крепь, технология и механизация ее возведения

в меньшей степени. Если взять бетон марки 200 вместо

Коррозия бетона

Коррозия бетонной крепи происходит в результате воздействия на бетон агрессивных шахтных вод. По ха­ рактеру воздействия и в зависимости от реакций, возни-

31

кающих в бетоне и особенно в цементном камне под действием агрессивных вод, коррозия по классификации проф. В. М. Москвина бывает трех видов [29].

При коррозии первого вида основным процессом, раз­ рушающим бетон, является фильтрация. Вода раство­ ряет и выносит составные части цементного камня. Та­ кое явление называется выщелачивающей агрессией.

При коррозии второго вида возникают обменные ре­ акции, развивающиеся в бетоне под действием агрессив­ ных вод, содержащих химические вещества, которые образуют хорошо растворимые составные части цемент­ ного камня и аморфные вещества, не обладающие вя­ жущими свойствами. Такая агрессия называется угле­ кислой, магнезиальной и общекислотной.

При коррозии третьего вида происходит образование и рост кристаллов солей, которые получаются в резуль­ тате взаимодействия агрессивной среды с цементным камнем. Кристаллы новых солей накопляются в порах, капиллярах и трещинах бетона. В процессе роста они разрушают цементный камень. Такое явление называет­ ся сульфатной агрессией.

Как правило, в бетоне происходят различные комби­ нации двух или трех типов агрессии. На различных уча­ стках бетонной крепи в зависимости от состава агрес­ сивных вод могут протекать различные коррозийные про­ цессы. : Іаиболыиее распространение в шахте получила выщелачивающая и сульфатная агрессия.

По составу шахтных вод определяют возможность появления различной коррозии. В каждом случае необ­ ходимо устанавливать закономерность разрушения бе­ тона и разрабатывать меры, обеспечивающие его долго­ вечность. Скорость процессов разрушения бетона зави­ сит от ряда взаимосвязанных между собой факторов: его физических свойств (в основном плотности), минерало­ гического и химического состава цемента, химического состава шахтной воды и свойств заполнителей. В глубо­ ких шахтах бетонное крепление кроме воды иногда под­ вергается воздействию высоких и низких (при охлажде­ нии воздуха) температур. При этом важное значение имеет термостойкость бетона.

Сущность выщелачивающей агрессии заключается в том, что вода в контакте с бетоном растворяет гидрат окиси кальция, который образуется при твердении це-

32

мента, и выносит его из бетона. Тем самым уменьшается прочность, увеличивается пористость и водопроницае­ мость бетонной крепи. По данным В. М. Москвина, по­ тери прочности бетона в зависимости от количества вы­ щелоченной извести характеризуются следующими дан­ ными:

жены агрессии бетоны в раннем возрасте. Этому способ­ ствует и относительно небольшая толщина крепи. Коли­ чество растворимого и выносимого из бетона вещества пропорционально скорости движения и количеству воды. С ростом агрессии увеличиваются поры в бетоне и, сле­ довательно, растет скорость фильтрации, зависящая от напора, толщины конструкции, трещин и качества бетотона.

Агрессивность воды возрастает с уменьшением жест­

ным уплотнением бетона осадками, выпадающими из

агрессии способствует также образование на поверхно­ сти бетона защитной карбонатной корки.

Стойкость бетона против выщелачивания резко повы­ шается при введении в него тонкомолотого трепела. Сле­ дует отметить, что шлакопортландцемент является более стойким к процессу выщелачивания, чем портландце­ мент. Среднее положение занимает глиноземистый це­ мент.

Основными мерами защиты бетона от коррозии пер­ вого вида является применение в конструкциях крепи

действует с гидратом окиси кальция,который выделяет­ ся при твердении портландцемента, и углекислым каль­ цием, образующимся на поверхности бетона. При этом образуется более растворимый и легко выщелачиваю­ щийся бикарбонат кальция. Внешние признаки углекис­ лой агрессии такие же, как выщелачивающей. Опреде­ лить характер агрессии можно химическим анализом после исследования новообразований. Интенсивность уг­ лекислой агрессии зависит от содержания в воде ССЬ, временной жесткости воды, притока и силы ее напора. Коррозия второго вида не наблюдается при фильтрации воды через известняки и при малом водопритоке. В усло­ виях углекислой агрессии бетоны, приготовленные на портландцементе, не стойки. Большей стойкостью в этом случае обладает бетон на шлакопортландцементе и гли­ ноземистом цементе, которые обеспечивают большую плотность цементного камня.

Наиболее эффективными мерами по увеличению стойкости бетона к углекислой агрессии является повы­ шение плотности бетона и приготовление его из быстротвердеющих шлакопортландцементов и пуццолановых портландцементов.

Магнезиальная агрессия происходит от воздействия сернокислого магния на цементный камень. При этом ернокислый магний реагирует с гидратом окиси каль­ ция, гидросиликатами и гидроалюминатами кальция. Малорастворимые продукты реакции выпадают в оса­ док. В результате образуются гидраты окиси магния и глинозема, представляющие собой непрочную аморфную массу. Магнезиальная агрессия не опасна для бетонной

34

крепи горных выработок, но ее действие на бетон уве­ личивается, когда ей сопутствует сульфатная агрессия.

водах присутствует только серная кислота, которая вза­ имодействует с цементным камнем и образует легко смы­ ваемый гипс. В стволах такого вида агрессия практиче­ ски не наблюдается. Кислые воды чаще встречаются в водосборниках, насосных камерах и сточных канавках. В этом случае нельзя применять портландцемента. Для защиты бетона от кислотной агрессии повышают его плотность, устраивают гидроизоляцию поверхности, при­ меняют глиноземистый цемент.

Сущность сульфатной агрессии заключается в воз­ действии сульфатных вод на цементный камень, которые повышают растворимость его составляющих и развивают

значительному увеличению объема. Кристаллы образу­ ются и накопляются в порах, капиллярах и трещинах бегона и по мере роста разрушают его.

Сульфатная агрессия вызывает интенсивное разру­ шение бетона даже при относительно замедленном обме­ не воды у его поверхности.

Признаками коррозии третьего вида является выте­ кание из трещин бетона сметанообразной массы. На по­ верхности бетонной крепи образуется карбонатная кор­ ка. Под коркой находятся продукты разложения—белая масса густой консистенции. В некоторых случаях карбо­ натная корка препятствует проникновению сульфатных вод в бетон и приостанавливает разрушение.

Интенсивному развитию сульфатной агрессии спо­

и большие водопритоки. Использование в бетонной сме­ си поверхностно-активных добавок (сульфитно-спиртовой барды) повышает стойкость бетона к сульфатной агрес­ сии и выщелачиванию.

Наименее стоек к коррозии третьего вида бетон, при­ готовленный на обычном портландцементе. Применение шлакового портландцемента увеличивает сульфатостойкость бетона по сравнению с обычным портландцемен­ том. Положительно влияет на сульфатостойкость бетона добавка к портландцементу трепела, который связывает гидрат окиси кальция и однокальциевый гидросиликат. Однако предельное количество добавки трепела к порт­ ландцементу не должно превышать 25%.

Наиболее стойким к сульфатной агрессии является глиноземистый цемент, который не содержит трехкальциевого алюмината и обеспечивает получение высоко­ плотного бетона.

Общие мероприятия по борьбе со всеми видами агрес­ сий в горных выработках — обеспечение высокой плот­ ности бетона, применение быстротвердеющих сульфатостойких шлакопортландцементов, а в исключительных случаях — глиноземистого цемента, использование в бе­ тонной смеси поверхностно-активных добавок и тонко­ молотого трепела. Наиболее эффективным мероприятием

остающаяся после реакции с цементом, испаряется, оставляя после себя поры, которые нарушают плотность бетона. Уменьшить водосодержание смеси, не снижая ее

ходимо отбирать пробы шахтной воды для анализа. При обнаружении агрессивной шахтной воды следует подо­ брать соответствующий вид цемента для приготовления бетона. Надо помнить, что опасность агрессии в стволах большая, чем в горизонтальных и наклонных выработ­ ках.

36

щих выработку пород, где нагрузки, обусловленные сме­ щением горного массива, не постоянны, а существенно изменяются по величине и направлению и зависят от на­ пряженного состояния и прочностных свойств горных по­ род, степени их метаморфизма, размеров сечения выра­ ботки, режима работы крепи, принятой технологии гор­ нопроходческих работ и др. Поэтому к конструкции кре­ пи предъявляется ряд требований, вытекающих из осо­ бенностей проявления горного давления в конкретных горно-геологических условиях.

Характер проявления горного давления в выработке предопределяется напряженным состоянием горного мас­ сива, а также прочностными и реологическими свойства­ ми пород, вмещающих выработку. С ростом глубины уве­ личивается напряжение пород. Если напряжение горно­ го массива превышает прочность пород, то они разру­ шаются или деформируются. В результате вокруг выра­ боток образуется область пород, перешедших в стадию неупругих деформаций. Контур выработки при этом сме­ щается до нескольких десятков сантиметров, а крепь на­ гружается.

Одним из принципиальных вопросов при проектиро­ вании крепи капитальных выработок является выбор це­ лесообразного режима ее работы: жесткого или подат­ ливого. На обычных глубинах в выработках, находящих­ ся вне зоны влияния очистных работ, в основном приме­ няют жесткую крепь. Такую же крепь, но с повышенной грузонесущей способностью часто используют для креп­ ления выработок на глубоких шахтах.

На обычных глубинах применение жесткой крепи оправдано тем, что в породах, испытывающих относи­ тельно малые напряжения, происходят, в основном, упругие деформации. Явления разрушения и ползучести пород проявляются слабо или вовсе отсутствуют. По­ этому некоторые зазоры между жесткой крепью и поро­ дой, неминуемо образующиеся при проходке выработки, оказываются достаточными для компенсации тех неболь-

37

датливую крепь меньше влияют нагрузки, чем на жест­ кую [39].

Существенное значение имеет форма крепи особенно для выработок, расположенных в сложных горно-геоло­ гических условиях. Сводчатая крепь с прямыми стенка­ ми на больших глубинах часто деформируется, так как прямые стенки не могут противостоять большим смеще­ ниям боковых пород. Такая конструкция удовлетвори­ тельно работает, когда преобладают вертикальные на­ грузки. Форма верхнего свода крепи должна иметь до­ статочную кривизну. Практика показывает, что чаще всего деформируется крепь с коробовой формой свода, который при больших сечениях выработок практически представляет собой плоское перекрытие и поэтому не может воспринимать большие нагрузки со стороны кров­ ли. В условиях всестороннего горного давления лучшей является кольцевая или близкая к ней форма крепи.

Важным требованием при проектировании крепей на современном уровне является обеспечение минимального количества и унификации типоразмеров сечений, при­ годных для крепления всех выработок с различным рас­ положением транспортных средств. Конструкции крепей надо разрабатывать с учетом их унификации и взаимо­ заменяемости узлов и деталей, что позволяет применить для изготовления наиболее прогрессивную технологию, улучшить качество изделий и поставить производство крепи на индустриальную основу. Такие крепи приме­ нять более выгодно, так как при этом повышаются тем­ пы сооружения выработок и снижается их стоимость.

Уменьшение количества типоразмеров бетонных и металлобетонных крепей позволяет разработать конст­ рукции унифицированных передвижных опалубок, обес­ печить укладку бетонной смеси с помощью бетоноуклад­ чиков и таким образом полностью механизировать про­ цесс крепления выработок.

Итак, основные требования к конструкциям крепи ка­ питальных выработок заключаются в следующем:

система «порода—крепь» должна быть податливой. Эту податливость, обеспечивающую возможность смеще­ ния вмещающих выработку пород, в зависимости от гор­ но-геологических условий можно достичь путем сжатия забутовочного слоя, изменения геометрических размеров самой крепи, имеющей конструктивную податливость,

39

или за счет «технологической податливости». Под послед­ ней подразумевается установка постоянной крепи через какое-то время после проходки выработки за зоной ин­ тенсивных смещений пород;

крепь должна иметь криволинейное очертание, обес­ печивающее высокое сопротивление конструкции за счет уменьшения изгибающих моментов и растягивающих напряжений, которым плохо противостоит бетон. Чаще всего в выработках, размещенных в сложных горно-гео­

новлено, что влияние обратного свода крепи на смеще­ ние пород почвы значительно сказывается только при расслаивании пород в процессе их деформации. При со­ хранении сплошности породного массива почвы роль обратного свода менее существенна;

конструкции крепи надо разрабатывать с учетом уни­ фикации и взаимозаменяемости узлов и деталей, они должны иметь минимальное количество типоразмеров,, быть технологичными в изготовлении и обеспечивать достаточно высокий уровень механизации при возведе­ нии в шахте.

В настоящее время для крепления капитальных вы­ работок шахт применяются различные типы крепей из монолитного бетона и железобетона, сборные шар­ нирные конструкции из бетонных блоков и железобетон­

ской сетчатой затяжкой. Все типы крепей используются в определенной горнотехнической обстановке в зависимо­ сти от горно-геологических условий, размеров сечения и назначения выработки, срока ее службы и глубины шахты.

Вертикальные стволы, сооружаемые в обычных гор­ но-геологических условиях (без применения специаль­ ных способов проходки), крепят, как правило, жесткой кольцевой крепью из монолитного бетона.

Бетонная крепь

Широкое распространение при сооружении капиталь­ ных выработок получила монолитная бетонная крепь. Ею крепят выработки и камеры околоствольных дворов, раз­ мещенные в устойчивых породах на малых и средних

40