Обоснование технологических решений по сохранению несущей способности анкерной крепи подготовительных выработок в период эксплуатации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.22, кандидат технических наук Чавкин, Александр Иванович

• Чавкин, Александр Иванович
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Чавкин, Александр Иванович

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Анализ условий поддержания выработок, закреплённых анкерной крепью, на шахтах Российского Донбасса.

1.2 Анализ исследований взаимодействия анкерной крепи с породами кровли в неблагоприятных условиях эксплуатации.

1.3 Цель и задачи исследований.

Выводы.

2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1 Выбор объектов исследований.

2.2 Основные методические положения исследований

3 ШАХТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ КОРРОЗИОННОГО РАЗРУШЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ АНКЕРНОЙ КРЕПИ.

3.1 Исследования коррозионного разрушения элементов анкерной крепи распорно-замковых конструкций.

3.2 Влияние различных факторов на скорость коррозионного разрушения элементов анкерной крепи распорно-замковых конструкций

3.3 Исследования коррозионного разрушения элементов анкерной сталеполимерной крепи.

3.4 Ресурс анкерной крепи на шахтах Российского Донбасса.

3.5 Прогноз сроков сохранения проектных параметров анкерной металлической крепи по фактору допустимой степени коррозионного износа.

4. АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ

КРОВЛИ ВЫРАБОТОК.

4.1 Исследование устойчивости незакреплённой кровли выработок

4.2 Влияние анкерной крепи на устойчивость пород кровли выработок

4.3 Метод определения необходимости применения способов сохранения параметров анкерной сталеполимерной крепи в различных условиях эксплуатации.

5 РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ СПОСОБОВ СОХРАНЕНИЯ

ПРОЕКТНЫХ ПАРАМЕТРОВ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ АНКЕРНОЙ КРЕПИ В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ.

5.1 Выбор способов сохранения проектных параметров анкерной крепи.

5.2 Шахтные испытания способов сохранения проектных параметров анкерной крепи.

5.3 Экономическая эффективность применения способов сохранения проектных параметров анкерной крепи.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование технологических решений по сохранению несущей способности анкерной крепи подготовительных выработок в период эксплуатации»

На угольных шахтах Российской Федерации и за рубежом для крепления горных выработок широко применяются различные виды металлических анкерных крепей. Обладая рядом преимуществ по сравнению металлическими рамными крепями, они имеют определённую область применения, которая существенно уже области применения металлических рамных крепей. Одним из существенных факторов, сужающих область применения металлических анкерных крепей, является их ограниченный срок службы.

Срок службы анкерных металлических крепей ограничивается двумя причинами:

- снижением прочности закрепления анкеров в шпурах;

- коррозионным износом элементов анкерной крепи.

На шахтах Российского Донбасса по этим причинам имели место случаи внезапного отказа анкерных крепей после 5-10 лет эксплуатации, которые приводили к обрушениям заанкерованных пород и даже к травмированию рабочих, в том числе и со смертельным исходом.

Исходя из этого действующая с 2000 года «Инструкция по расчёту и. применению анкерной крепи на угольных шахтах России» предусматривает проведение периодических обследований длительно поддерживаемых выработок, закреплённых анкерной крепью с целью определения несущей способности анкеров, степени их коррозионного износа и работоспособности крепи в целом.

Практика показала, что по истечении нормативного срока эксплуатации анкерная крепь во многих выработках имеет существенный коррозионный износ, ограничивающий срок остаточной эксплуатации крепи по этому фактору до нескольких лет. Имеют место случаи и полного исчерпания ресурса анкерной крепи по фактору коррозии до истечения нормативного срока эксплуатации. По этой причине органы Ростехнадзора РФ препятствуют применению анкерной крепи в длительно эксплуатируемых выработках. Применение рамных металлических крепей в этих условиях существенно увеличивает расходы на проведение и поддержание выработок. Размер экономических потерь от вынужденной замены анкерной крепи на металлическую рамную достигает 5,0-6,0 млн. рублей на 1 км проводимых выработок.

Техническое перевооружение угольной отрасли с целью всемерного снижения себестоимости добываемого угля привело к тому, что за последние десять лет металлические анкерные крепи распорно-замковых и клино-щелевых конструкций практически полностью были вытеснены сталеполимерными анкерными крепями, которые обладают рядом преимуществ по сравнению с ранее применявшимися анкерными крепями. Это, прежде всего, высокая несущая способность и надёжность закрепления анкерных стержней в шпуре. В настоящее время объёмы применения анкеров распорно-замковых и клино-щелевых конструкций незначительны; они применяются в основном для вспомогательных целей (временного крепления, крепления коммуникаций и т.п.).

Как показали многочисленные исследования несущей способности и технического состояния анкерных крепей, сталеполимерные анкеры практически не теряют прочности закрепления стержней в шпурах с течением времени. Но они также подвержены коррозионному разрушению, как и анкеры распорно-замковых и клино-щелевых конструкций.

В связи с изложенным актуальной является задача увеличение ресурса анкерных металлических крепей по фактору коррозионного износа. Её решение позволит существенно увеличить область применения анкерной металлической крепи (прежде всего, за счёт длительно поддерживаемых капитальных выработок) с соответствующим снижением стоимости их проведения и поддержания.

Целью работы является выявление закономерностей изменения несущей способности сталеполимерной анкерной крепи в зависимости от коррозионного износа её элементов для разработки эффективных технологических решений по сохранению ресурса работоспособности крепи в течение всего периода эксплуатации подготовительных выработок в условиях высокой относительной влажности воздуха и обводнённости породного массива.

Идея работы заключается в использовании фрактальной модели заанке-рованной кровли для выявления вероятности устойчивого состояния подготовительной выработки и обоснования проектных параметров анкерной крепи, обеспечивающих сохранение ресурса работоспособности в течение всего срока эксплуатации в условиях высокой относительной влажности воздуха и обводнённости породного массива.

Методы исследований. В работе использован комплексный метод исследований, включающий аналитические методы с привлечением фрактального моделирования, инструментальные наблюдения в натурных условиях с использованием апробированных методик, разработанных с участием автора, с последующей обработкой результатов методами математической статистики, шахтные исследования коррозионных потерь элементов анкерной крепи, а также опытно-промышленная проверка принятых решений.

Основные научные положения: доминирующим фактором, влияющим на несущую способность анкерной сталеполимерной крепи подготовительных горных выработок, эксплуатирующихся в условиях высокой относительной влажности воздуха и обводнённости породного массива, является коррозионный износ её элементов; использование фрактальной модели заанкерованной кровли обеспечивает объективное выявление вероятности устойчивого состояния подготовительной выработки и обоснование проектных параметров крепи для сохранения ресурса работоспособности в течение всего срока эксплуатации в специфических условиях; применение сталеполимерных анкеров с антикоррозионными покрытиями является наиболее эффективным технологическим решением по сохранению ресурса работоспособности анкерной крепи в течение всего срока эксплуатации.

Научная новизна работы заключается в следующем: выявлена доминирующая роль среди коррозионных факторов шахтной среды относительной влажности воздуха и обводнённости поддерживаемых анкерами вмещающих пород в окрестностях подготовительных выработок; разработан на основе применения фрактальной модели нагруженного дерева метод обоснования необходимости реализации способов сохранения проектных параметров анкерной крепи* в различных условиях длительной эксплуатации; доказана возможность сохранения эксплуатационного состояния подготовительной выработки в течение всего срока эксплуатации при креплении её сталеполимерными анкерами с антикоррозионным покрытием.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: представительным объёмом шахтных исследований, выполненных по разработанным и апробированным методикам (исследовано состояние 140 горных выработок, общей длиной 102 км на 21 шахте Российского Донбасса); корректным использованием современных методов (фрактального моделирования, теории вероятностей, математической статистики); положительными результатами эксплуатационных испытаний антикоррозионных покрытий металлических анкерных крепей.

Научное значение диссертации состоит в выявлении закономерностей изменения несущей способности сталеполимерной анкерной крепи,в зависимости от коррозионного износа её элементов для обоснования с использованием фрактальной модели заанкерованной кровли технологических решений по сохранению эксплуатационного состояния выработки в условиях высокой относительной влажности воздуха и обводнённости породного массива.

Практическое значение диссертации заключается в: разработке способа сохранения проектных параметров анкерной крепи в процессе длительной эксплуатации за счёт применения антикоррозионных покрытий; разработке технических требований к средствам антикоррозионной защиты металлической анкерной крепи; внесении дополнений в технические условия на анкерные сталеполи-мерные крепи ACPI и АСГ1 в части выбора антикоррозионных средств и определения ресурса крепи в сложных условиях эксплуатации.

Реализация результатов работы. Результаты исследований использованы при разработке «Руководства по повышению несущей способности анкерной крепи распорно-замкового и клино-щелевого типов на шахтах Ростовской области», (Шахты, 2001), а также дополнений в технические условия на анкерные сталеполимерные крепи ACPI и АСГ1 в части выбора антикоррозионных средств и величины среднего расчётного ресурса анкерных крепей в различных условиях эксплуатации.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и получили одобрение на заседаниях ученого совета ШахтНИУИ (2006, 2007), Международном симпозиуме в рамках «Недели горняка» МГГУ (Москва, 2005), научном семинаре кафедры «Подземная разработка пластовых месторождений» МГГУ (Москва, 2005-2007).

Публикации. Основные положения диссертации изложены в четырёх опубликованных работах, включая одну статью в журнале, рекомендованном ВАК Минобрнауки России.

Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 разделов, заключения, 5 приложений и содержит 19 рисунков, 20 таблиц, список литературы из 103 наименований.

Заключение диссертации по теме «Геотехнология(подземная, открытая и строительная)», Чавкин, Александр Иванович

Выводы

Кратко рассмотрев и проанализировав основную совокупность применяемых в промышленности защитных покрытий, а также имеющийся опыт защиты в шахтных- условиях металлоконструкций и оборудования производим предварительное выделение наиболее перспективных из них для решения задач антикоррозионной защиты анкерной крепи в неблагоприятных шахтных условиях. К таким покрытиям можно отнести:

1) цинковые металлические покрытия;

2) оксидно-фосфатные плёнки;

3) лакокрасочные покрытия (используемые для покрытия днищ морских судов; стандартные битумная и небитумная системы, многослойная эпоксидная система, используемая для этих же целей; цинксиликатные покрытия и другие);

4) покрытия из термопластиков: пентона, полиэтилена и др.; полиэтиленовые и эпоксидные порошки, наплавляемые на поверхность металла;

5) твёрдые и мягкие защитные плёнки временных защитных покрытий.

Все они, за исключением последнего, должны наноситься на тщательно очищенные металлические поверхности подготавливаемых к установке анкеров.

Для защиты уже эксплуатирующихся анкеров возможно использование авиамасла с присадкой ингибитора или консистентных смазок типа солидола, шахтола и т. п.

Поскольку ни один из перечисленных выше типов антикоррозионных покрытий не испытывался в шахтных условиях для защиты анкерной крепи, для первичных испытаний следует отдать предпочтение тому из них, который обеспечивает наиболее простые средства и условия для формирования антикоррозионных покрытий. К такому типу в полной мере можно отнести только лакокрасочные покрытия.

5.2 Шахтные испытания способов сохранения проектных параметров анкерной крепи

5.2.1 Технические требования к средствам антикоррозионной защиты металлической анкерной крепи

Средства антикоррозионной защиты предназначены для формирования на элементах металлической анкерной крепи антикоррозионных покрытий, спо

139 собных предотвращать их коррозионное разрушение или уменьшать скорости коррозионного износа до значений, позволяющих иметь для всех элементов анкерной крепи ресурс по допустимой степени коррозионного износа, превышающий срок эксплуатации выработки.

Обычная схема работы антикоррозионного покрытия предусматривает защиту металлической поверхности от коррозионных разрушений в течение некоторого срока, называемого сроком службы покрытия. В течение этого срока происходит ухудшение состояния покрытия и его постепенное разрушение. После того; как в результате разрушения антикоррозионного*покрытия начинается коррозия защищаемого металла, срок службы покрытия можно считать законченным. Но и после этого наличие на защищаемой поверхности остатков антикоррозионного покрытия способно существенным образом снижать скорость коррозионных разрушений. Таким образом, в отношении к задаче защиты от коррозии элементов анкерной металлической крепи работа антикоррозионного покрытия может быть разделена на два этапа:

1) антикоррозионное покрытие полностью предотвращает коррозию защищаемого металла;

2) антикоррозионное покрытие в результате разрушения уже не может полностью предотвратить коррозионное разрушение защищаемого металла, но сдерживает развитие коррозионных процессов, ограничивая скорость их течения и область их распространения.

Как показано в главе 3 настоящей диссертации анкерная металлическая крепь в выработках с непродолжительным сроком службы (выемочные штреки, ходки, печи, сбойки и т.п.), как правило, не нуждаются в антикоррозионной-защите даже в самых агрессивных условиях шахтной среды. Поэтому область применения металлической анкерной крепи с антикоррозионными покрытиями распространяется, прежде всего, на капитальные, вскрывающие и другие подготовительные выработки угольных и рудных шахт со сроком службы не менее 5 лет, эксплуатируемые в неблагоприятных условиях шахтной среды (выделения воды из кровли, конденсация на анкерной крепи влаги или относительная влажность воздуха свыше 85 %).

Для определения допустимой скорости коррозионных разрушений эле1 ментов анкерной крепи после окончания срока службы антикоррозионного покрытия необходимо знать сам этот срок службы и срок поддержания выработки. Эффективно работающие в самых жёстких условиях эксплуатации антикоррозионные'покрытия имеют срок службы обычно не превышающий .10-15 лет. Срок поддержания капитальных выработок на угольных шахтах в настоящее время находится в пределах от 15 до 50 лет. Наиболее реальные значения предельных сроков поддержания выработок находятся в пределах 35-40 лет.

Рассчитаем допустимую скорость Vdon коррозионных разрушений стержня анкера по резьбовой части (наиболее типичный случай коррозионных разрушений) после выхода из строя антикоррозионного покрытия, проработавшего Т„окР = 10 лет. Срок службы выработки принимаем Твыр = 40 лет. у. = = 20,319-17,4 ,0 0973 в01 мм/год. доп Т -Т 40-10 выр покр

Производим такой же расчёт для опорных элементов для случая применения полосового подхвата толщиной 8 мм и опорной пластины такой же толщины.

V = h""+h™~h"""'" ~11опш,п = 16,0-11,7 = од43 мм/год.

Т -Т 40-10 выр покр

Таким образом, скорость коррозионных разрушений после завершения срока службы антикоррозионного покрытия не должна превышать ОД мм/год.

Средства антикоррозионной защиты металлической анкерной крепи представляют собой лакокрасочные материалы, которые при нанесении на элементы анкерной крепи образуют антикоррозионное покрытие.

Нанесение на элементы анкерной крепи средств антикоррозионной защиты (формирование антикоррозионного покрытия) производится по завершении процесса изготовления анкерной крепи.

Технические требования к средствам антикоррозионной защиты металлической анкерной крепи заключаются в следующем. Антикоррозионные покрытия должны:

- формировать сплошное лакокрасочное покрытие;

- сохранять свои свойства при нагружении элементов анкерной крепи в процессе её эксплуатации до уровня расчётного сопротивления;

- наноситься на поверхность элементов анкерной крепи, по возможности без трудоёмкой предварительной подготовки (допускается очистка от окалины, ржавчины, пригара, остатков формовочной смеси и других неметаллических слоёв до степени очистки от окислов 2 (ГОСТ 9.402-80) или 02 (СТ СЭВ 573286) [92]: при осмотре невооружённым глазом не обнаруживаются окалина, ржавчина, пригар, остатки формовочной смеси и другие неметаллические слои); класс покрытия в соответствии с ГОСТ 9.032-74 [93] - IV-VII.

- наноситься простейшими способами (окунанием, кистью, валиком или распылением);

- наноситься в один-два слоя;

- иметь время высыхания на отлип не более одних суток, полного отвердения — не более 2 суток при естественной сушке (температура воздуха от 5°С и выше);

- обеспечивать равномерное сплошное покрытие элементов анкерной крепи при толщине слоя 0,1-0,5 мм;

- обеспечивать хорошую адгезию к поверхностям элементов анкерной крепи (оцениваемую по ГОСТ 15140 [94]: методом решётчатых надрезов — 1 балл, методом параллельных надрезов 11 балл) без их дополнительной обработки, шпатлевания или грунтования;

- обладать эластичностью и высокой ударопрочностью (не менее 50 см при массе груза 1000 г по ГОСТ 4765-73 [95]);

- обладать высокой стойкостью к истиранию (износостойкостью);

- быть водостойкими (сохранять свойства при любом воздействии воды, не допускать водонасыщения, быть водонепроницаемыми);

- обладать высокой укрывистостью (не менее 4 м /л); обладать минимальной стоимостью; наноситься с использованием несложного и недорогого оборудования при минимальных затратах труда и времени.

Требования к блеску, светостойкости, цветостойкости, шлифуемости, по-лируемости антикоррозионных покрытий элементов анкерной металлической крепи не предъявляются.

Требования к шероховатости поверхностей элементов анкерной крепи для нанесения покрытий не предъявляются. I

Требования к уровню унификации и стандартизации заключаются в том, что формирование антикоррозионных покрытий на различных элементах анкерной крепи должно осуществляться с использованием одного антикоррозионного средства, выпускаемого в промышленных масштабах, которое также обеспечивает возможность формирования антикоррозионного покрытия с заданными свойствами на элементах металлических анкерных крепей любых типов и конструкций.

Требования к безопасности применения антикоррозионного средства: защита от выделяющихся при формировании антикоррозионного покрытия газов и испарений должна обеспечиваться проветриванием производственного помещения и применением простейших средств индивидуальной защиты; антикоррозионные покрытия на элементах металлической анкерной крепи должны быть нетоксичными, не выделять в рудничную атмосферу вредных и ядовитых веществ даже в случае пожара; допустимость применения антикоррозионного средства должно быть подтверждено соответствующим сертификатом.

Требования к технологии нанесения антикоррозионных покрытий на элементы металлической анкерной крепи заключаются в том, что она должна: обеспечивать проведение всего производственного процесса в одном помещении; исключать выполнение ручных операций, требующих больших усилий.

Эстетические требования к антикоррозионным покрытиям элементов анкерной крепи не предъявляются.

Требования к транспортированию и хранению определяются техническими условиями на металлическую анкерную крепь, на элементы которой наносится антикоррозионное покрытие.

При погрузке и разгрузке анкеров с антикоррозионным покрытием не допускается их сбрасывание, бросание и другие операции, приводящие к повреждению покрытия.

Анкеры с нанесёнными на них антикоррозионными покрытиями должны храниться под навесом или в неотапливаемых помещениях. Условия хранения очень жёсткие (ОЖ4) по ГОСТ 15150-69 [58].

Антикоррозионные покрытия элементов анкерной крепи должны обеспечивать эксплуатацию анкерной крепи в условиях высокой относительной влажности шахтной атмосферы (более 85 %), наличия в ней вредных примесей от взрывных работ, угольной и породной пыли, при любой температуре воздуха^ и вмещающих пород, а также в условиях обводнённых пород.

Антикоррозионные покрытия после истечения срока их службы должны обеспечивать снижение максимальных скоростей коррозии элементов анкерной крепи до значений не более 0,1 мм/год, в условиях эксплуатации В5 по ГОСТ 15150-69 и ГОСТ 9.104-79 [96] (в выработках шахт, где происходят выделение воды из кровли на анкеры, частая конденсация влаги, или относительная влажность воздуха составляет более 85 %).

5.2.2 Шахтные испытания антикоррозионных покрытий анкерной крепи

Целью шахтных испытаний являлась проверка эффективности защиты элементов анкерной крепи от коррозии в условиях агрессивной шахтной среды.

Для проведения испытаний была разработаны программа и методика шахтных испытаний средств антикоррозионной защиты металлической анкерной крепи. В ходе проведения испытаний решались следующие задачи. определялась прочность и износостойкость антикоррозионных покрытий (при транспортировании и установке); уточнялись коррозионные факторы шахтной среды; определялась стойкость антикоррозионных покрытий к воздействию агрессивной шахтной среды.

В-настоящее время в России и за рубежом производится в промышленных масштабах огромное количество самых разнообразных антикоррозионных средств, имеющих различные назначение, свойства и область применения.

Анализ свойств большого количества антикоррозионных средств, производимых в России и за рубежом, позволил установить, что в полной мере предъявляемым к ним техническим требованиям не отвечает ни* одно из них. Поэтому при выборе антикоррозионных средств для анализа и определения возможности их применения в качестве антикоррозионных покрытий элементов анкерной металлической крепи учитывалось, прежде всего, соответствие их свойств наиболее важным (определяющим) требованиям.

Определяющим требованием к средствам антикоррозионной защиты элементов металлических анкерных крепей является способность создавать сплошные, прочные, эластичные, водостойкие, водонепроницаемые покрытия, имеющие хорошую адгезию к металлическим поверхностям и сохраняющие свои свойства длительное время в самых агрессивных условиях эксплуатации.

Все остальные требования к средствам антикоррозионной защиты, а также требования к подготовке поверхностей, хотя и являются важными (прежде всего с экономической точки зрения), но не являются определяющими, так как не оказывают прямого отрицательного влияния на выполнение антикоррозионным покрытием его защитных функций, и поэтому могут допускать существенную корректировку.

Выбор антикоррозионных средств на основе разработанных технических требований к средствам антикоррозионной защиты металлической анкерной крепи осуществлялся путём контактов и консультаций со специалистами крупнейших фирм, осуществляющих поставку антикоррозионных средств на рынок

Российской Федерации. В результате проведенных поисковых работ были приняты к испытаниям и получены следующие антикоррозионные средства: антикоррозионная краска Novax (Компания «НОВА», г. Москва); антикоррозионный материал Epiter TF130 (ЗАО «АМВИТ», г. Москва); грунт-эмаль СБЭ-11 «Унипол» марки В (ЗАО НПК «КоррЗащита», г. Москва); антикоррозионная композиция Лаптекс ЦН (НЛП «Уником-Сервис», г. Первоуральск); антикоррозионная композиция Лаптекс ТУ (НЛП «Уником-Сервис», г. Первоуральск); антикоррозионная цинкнаполненная композиция Цинотан (ЗАО НПП «Высокодисперсные Металлические Порошки» г. Екатеринбург); защитный материал Прим антигравий (ООО «Мангуста», г. Санкт-Петербург); антикоррозионный материал Прим барьер W (ООО «Мангуста», г. Санкт-Петербург); эпоксидная краска Текнотар 100 (НПО «Вилана», АО «Текнос», г. Санкт-Петербург).

В таблице 5.1 приведены свойства и характеристики принятых к испытаниям антикоррозионных средств.

Все указанные антикоррозионные покрытия обладают высокой адгезией к стали (за исключением Novax), влагостойкостью, стойкостью в агрессивных средах, высокой прочностью, т.е. всем определяющим требованием к средствам антикоррозионной защиты элементов металлических анкерных крепей.

Шахтные испытания антикоррозионных покрытий металлической анкерной крепи проводились в конвейерном штреке № 25 ОАО «Шахтоуправление «Обуховская». Выработка расположена по пласту К2.

Текнотар 100 Прим барьер W Прим антигравий Цинотан Лаптекс ТУ Лаптекс ЦН СБЭ-111 «Унипол» марки В Epiter TF 130 Novax Наименование антикоррозионного средства to Р to Р to Р to Р to Р to р to Р to Р Стойкость в агрессивных средах Свойства и характеристики антикоррозионного средства

Высокая Высокая Высокая Высокая Н.д. Высокая 5 МПа Высокая д h Прочность при ударе to Р to Р to Р ' to р to Р to Р to Р to Р to Р Влагостойкость

- >—А 1—1 - - - - - ы Адгезия к окрашиваемой поверхности, балл

Кисть, безвоздушное распыление Безвоздушное распыление, кисть, валик Безвоздушное рас- j пыление, кисть, валик Кисть, валик, пневматическое и безвоздушное распыление Кисть, валик, распыление Кисть, валик, распыление Кисть, валик, распыление Кисть, валик, безвоздушное распыление Кисть, валик, распыление Способ нанесения

X н X 3 X п> н X о н . Очистка, Нет обеспыливание X а н X о н Нет X о н Необходимость нанесения грунтового слоя

Очистка, обезжиривание Обезжиривание Очистка, обезжиривание Очистка, обезжиривание ! Очистка, обезжиривание Очистка, обезжиривание Очистка, обезжиривание | Очистка, 1 обезжиривание Подготовка поверхности оо OJ ■ о. to ! Зависит от условий сушки Зависит от условий сушки Зависит от условий сушки э р 2 се я 5 w § о н 0 Е н я «с Я о 1 оо о Д h - ^ я Ы р § н 1 Высыхание, час о Д Д ь Lh ы Я я О § Л) И

OJ "ы 1 O-N to OJ 3,5-5,0 0\ 1 -j 4*. 9-12 2 Укрывистость, м /л

НПО «Вилана», АО «Текнос», г. Санкт-Петербург ЗАО ООО «Мангуста» ЗАО ООО «Мангуста» НПО «Высокодисперсные металлические порошки», г. Екатеринбург ООО НПП «Уни-ком-Сервис» ООО НПП «Уни-ком-Сервис» ЗАО «НПК Кор-рЗащита», г. Москва ЗАО «Амвит», г. Москва Компания «Нова», г. Москва Производитель о\ Й Я к и> I

Я н Я я о

43 о W

Я о я я сг1 CD о 43 CD to о н ся рз я

43 Я я tc н

СГ1

CD to й tc В и> X н я Е X я о Я

Е н fa Я Я Яс

В выработках, пройденных по этому пласту на шахте «Обуховская» зафиксированы максимальные для шахт Российского Донбасса скорости коррозии элементов анкерной крепи (до 2 мм/год для стержней и до 1 мм/год для опорных плиток). Анкеры с антикоррозионными покрытиями были установлены в кровлю выработки на участках ПК40-ГЖ43 и ПК197-ПК198, которые отличаются наличием обводнённых пород в кровле. Помимо этого из кровли наблюдаются водовыделения в виде капежа и прерывистых струй.

Конвейерный штрек № 25 в настоящее время проветривается обособленной воздушной струёй. Температура воздуха находится в пределах от 21 до 23°С, а относительная влажность - в пределах от 79 до 87 %. Наибольшие значения обоих параметров соответствуют летнему периоду, наименьшие - зимнему. Температура вмещающих пород - 28°С.

Срок остаточной эксплуатации конвейерного штрека № 25 составляет не менее 10 лет.

Для испытаний антикоррозионных средств были использованы распорно-замковые анкеры типа АШ1 длиной 1,6 м. Выбор для испытаний антикоррозионных средств распорно-замковых анкеров обусловлен их извлекаемостью. Для контроля состояния антикоррозионных покрытий и процессов коррозионного разрушения элементов анкерной крепи эти анкеры, в отличие от сталеполимер-ных или клинощелевых, могут быть в любое время извлечены из шпуров и установлены туда вновь.

Экспериментальные антикоррозионные покрытия были нанесены кистью в соответствии с ТУ 4253.004.00173931 - 2004 «Способы нанесения антикоррозионных покрытий на металлическую анкерную крепь» на стенде ОАО «ШахтНИУИ», а именно:

- элементы анкерной крепи были очищены от окалины, ржавчины, пригара, остатков формовочной смеси и других неметаллических слоёв до степени очистки от окислов 2 (ГОСТ 9.402 [92]); при осмотре невооружённым глазом окалина, ржавчина, пригар, остатки формовочной смеси и другие неметаллические слои не обнаружены; очистка производилась металлическими щётками и наждачной бумагой; после завершения очистки в соответствии с ГОСТ 9.402 производилось обезжиривание всей поверхности элементов анкерной крепи растворителями; позволяющими производить эту операцию вручную, для этих целей применялись: растворитель 646 ГОСТ 18188 [97] и ацетон ГОСТ 2768 [98];

- формирование антикоррозионного покрытия производилось нанесением антикоррозионного средства кистью в один слой без применения грунтовочного слоя.

Температура воздуха в помещении, где производилось нанесение антикоррозионных покрытий, находилась в пределах от 11 до 18°С, а влажность воздуха - от 62 до 85 %. Эти значения не выходят за пределы допустимых значений температуры и влажности воздуха, при которых допустимо нанесение антикоррозионных покрытий в соответствии с инструкциями по применению каждого из них.

Свойства полученных антикоррозионных покрытий и их соответствие техническим требованиям приведены в таблице 5.2'.

Практически все предъявленные к испытаниям антикоррозионные покрытия получены путём нанесения одного слоя антикоррозионного средства. Лишь на один из анкеров было нанесено два слоя антикоррозионной цинкна-полненной композиции Цинотан. Однослойные покрытия, полученные на основе этого антикоррозионного средства, отличались ярко выраженной неравномерностью толщины, которая визуально воспринималась как волнистость с просвечиванием металлической поверхности в местах с меньшими значениями толщины слоя. При этом потёки практически отсутствовали. После нанесения второго слоя на один из анкеров просвечивание металлической поверхности прекратилось, но возникли заметные потёки.

Толщина полученных покрытий во многих случаях оказывалась меньше требуемой минимальной толщины антикоррозионного покрытия, указанной в Технических требованиях на средства антикоррозионной защиты металлической анкерной крепи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, являющейся научно-квалификационной работой, на основании выполненных автором исследований изложены научно обоснованные технологические разработки по сохранению ресурса работоспособности крепи в течение всего периода эксплуатации подготовительных выработок в условиях высокой относительной влажности воздуха и обводнённости породного массива.

Основные научные и практические результаты исследований, полученные лично автором, состоят в следующем:

1. На основании анализа опыта эксплуатации подготовительных горных выработок установлено, что ресурс работоспособности сталеполимерной анкерной крепи в первую очередь определяется процессами коррозионного разрушения её элементов.

2. В результате шахтных исследований было установлено, что эксплуатационное состояние выработок, закреплённых анкерной сталеполимерной крепью, может быть сохранено в течение всего срока эксплуатации при выполнении следующих условий:

- предотвращение снижения несущей способности анкеров за счёт устранения их коррозионного износа путём использования антикоррозионных покрытий; выполнение расчётов параметров анкерной сталеполимерной крепи с обязательным учётом снижения в функции времени прочности и устойчивости анкеруемых пород.

Предотвращение снижения несущей способности анкеров может быть также достигнуто применением анкеров из коррозионностойких марок сталей, а также из полимерных материалов, не подверженных старению.

3. Выявлена доминирующая роль среди коррозионных факторов шахтной среды относительной влажности воздуха и обводнённости поддерживаемых анкерами вмещающих пород в окрестностях подготовительных выработок.

4. Предложено для объективного выявления вероятности сохранения устойчивого состояния подготовительной горной выработки и обоснования проектных параметров крепи использовать фрактальную модель заанкерованной кровли.

5. Разработан на основе применения фрактальной модели нагруженного дерева методический подход к установлению необходимости применения антикоррозионных покрытий анкерной крепи в различных условиях эксплуатации, позволяющий на стадии проектирования определять параметры анкерной крепи, обеспечивающие устойчивость заанкерованных пород кровли в течение всего срока эксплуатации выработки.

6. Осуществлена технико-экономическая оценка альтернативных вариантов технологических решений по сохранению ресурса работоспособности крепи подготовительных выработок, в результате которой подтверждена большая экономическая эффективность применения анкерной сталеполимерной крепи с антикоррозионными покрытиями.

7. Разработаны технические требования к средствам антикоррозионной, защиты анкерной металлической крепи, осуществлены шахтные испытания ряда антикоррозионных средств, из которых выделены наиболее приемлемые для защиты элементов анкерной крепи от коррозии (Epiter TF 130).

8. Результаты исследований вошли в технические условия на анкерные сталеполимерные крепи ACPI и АСГ1 в качестве указаний по выбору антикоррозионных средств и величины среднего расчётного ресурса крепи без антикоррозионного покрытия (с антикоррозионным покрытием) в различных условиях эксплуатации, а также в «Руководство по повышению несущей способности длительно эксплуатируемой анкерной крепи распорно-замкового и клино-щелевого типов на шахтах Ростовской области».

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Чавкин, Александр Иванович, 2008 год

1. Юрченко И А. Энергетический подход к расчету параметров штанговой крепи. — В сб. Физико-техн. проблемы разработки полезн. ископаемых/ ЦНИЭИуголь. 1970. — №1. - С. 18-21.

2. Юрченко И.А. Определение рациональных параметров штанговой крепи для подготовительных выработок // Уголь Украины. 1971. - № 8. - С. 1617.

3. Курганский Е.В., Юрченко И.А. Факторы, определяющие несущую способность клинощелевых штанг: Сб. Проектирование и стр-во угольн. Предприятий. М.: Недра, 1965. - №3. - С. 26-29.

4. Юрченко И.А. Опыт расчета параметров штанговой крепи на шахтах комбината Ростовуголь. Тр. ШахтНИУИ. Вып.5. -Шахты, 1965. - С. 44-46.

5. Курганский Е.В. Исследование работы металлической анкерной крепи при ее длительной эксплуатации (применительно к условиям шахт Ростовского угольного района): Дис. канд. техн. наук. Новочеркасск, 1972. - 144 с.

6. Юрченко И.А., Курганский Е.В. Расчёт анкерной крепи с учётом фактора времени. Сб. Проектирование и строительство угольных предприятий: ЦНИЭИуголь. -М.,1970. -№3 (134). -С. 45-48.

7. Кулешов Е.С. К методике кратковременных испытаний распорно-замковых анкеров/УРесурсосберегающие методы разработки угольных месторождений: Тез. докл. научн. конф. ШИ НГТУ. Новочеркасск: НГТУ, 1995. -С. 21-23.

8. Инструкция по расчёту и применению анкерной крепи на угольных шахтах России/ ВНИМИ. СПб, 2000. - 70 с.

9. Руководство по повышению несущей способности длительно эксплуатируемой анкерной крепи распорно-замкового и клино-щелевого типов на шахтах Ростовской области/ ШахтНИУИ. Шахты, 2001. — 42 с.

10. ТУ 31-4253. 001. 00173931 2006 Анкер сталеполимерный АСГ1.000 Технические условия.11'. ТУ 4253. 003. 00173931 2006 Анкер сталеполимерный ACPI.ООО Технические условия.

11. Привалов А.А. Взаимодействие анкерной крепи и вмещающих пород вблизи выработок. Ростов-на-Дону: Изд-во СКНЦ ИШ. 2002. - 56 с.

12. Привалов А.А. Крепление выработок на тонких пологих пластах ста-леполимерными анкерами. Ростов-на-Дону: Изд-во СКНЦ ИШ. 2002. - 76 с.

13. ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике. Основные понятия, термины и определения. Введен с 01.07.90. М.: Издательство стандартов, 1990. — 37 с.

14. Штанговая крепь/ Семевский В.Н., Волжский В.М., Тимофеев О.В. и др. Под ред. В.Н. Семевского. М.: Недра, 1965. - 327 с.

15. Юрченко И.А. Энергетический подход к расчету параметров штанговой крепи. — В сб. Физико-техн. проблемы разработки полезн. ископаемых/ ЦНИЭИуголь. 1970. - № 1. - С. 18-21.

16. Юрченко И.А. Определение рациональных параметров штанговой крепи для подготовительных выработок // Уголь Украины. 1971. - № 8. - С. 16-17.

17. Coates D.F. Cochrane T.S. Rock bolting: research and design specifications// Can Mining J.-1971.-№3.-p.37-40.

18. Galczynski S., Dudek J., Wojtaszek A. Neue Gesichtspunkte die Dimen-sionierung des Ankerausbaus in Grubenraumen // Gluckauf-Forschungshefte. 1973, 34. -№1. - s. 14-18 (Нем).

19. Методические рекомендации по выбору и расчету анкерной крепи для сложных горно-геологических условий шахт Прокопьевско-Кисилевского района Кузбасса / Широков А.П., Лидер В.А., Петров А.И. и др. Прокопьевск, 1988.-112 с.

20. Лавров С.И. Исследование различных типов анкеров в условиях шахты «Капитальная» концерна «Кузнецкуголь»//Уголь. 1991. - №4. - С. 37-39.

21. Рогинский В.М., Лисин М.А. Методика количественной оценки качества крепи // Шахтное строительство. 1989. - №4. - С. 14-17.

22. Заславский Ю.З., Дружко Е.Б. Новые виды крепи горных выработок. -М.: Недра, 1989.-256 с.

23. ГОСТ Р 52042-2003 Крепи анкерные. Общие технические условия.

24. Штумпф А.Г. Работоспособность анкерной крепи АК-8// Шахтное строительство 1973. -№5. С. - 14-15.

25. Вальштейн Г.И., Дик Я.Г., Школяр А.П. Исследование работоспособности распорных замков'штанг из капрона и стекловолокнита АГ-4.: Тр. Кара-гандинск. н.-и. угольн. ин-та. Вып.25. -1969. С. 278-281.

26. Широков А.П., Давыдов В.В., Дзауров М.А. Армополимерная анкерная крепь // Уголь Украины. -1977. №12. - С. 8-12.

27. Дзауров М.А. Исследование работоспособности армополимерной крепи горных выработок// Шахтное строительство. -1983. №6. - С. 15-16.

28. Талве Л.Г. Оценка работоспособности и применяемости определенных конструкций штанговой крепи // Добыча и переработка горючих сланцев. Вып. 15-Л. 1966.-С. 26-36.

29. Рогинский В.М. Проектирование и расчет железобетонной штанговой крепи. М.: Недра, 1971. - 86 с.

30. Кулешов Е.С. Учёт временного фактора при проектировании выработок с анкерной крепью // Системный подход в горном деле: Тез. докл. Всесоюзной научн.-техн. конференции молодых ученых и специалистов угольн. промышленности. М., 1991. - С. 31-32.

31. Кулешов Е.С. О взаимодействии анкерной крепи и пород во времени // Струговая выемка. Сб. научн. тр. ШахтНИУИ. - Шахты, 1990. - С.15-18.

32. Кулешов Е.С., Бондаренко А.П., Мартыненко И.И. Влияние прочности и обводнённости пород на несущую способность анкерной крепи при длительной эксплуатации// Струговая выемка. Сб. научн. тр. ШахтНИУИ. - Шахты, 1990. -С.19-27.

33. Анкерная крепь: Справочник / Широков А.П., Лидер В.А., Дзауров М.А. и др. М.: Недра, 1990. - 205 с.

34. Широков А.П. Теория и практика применения анкерной крепи. — М.: Недра, 1981.-381 с.

35. Широков А.П., Гарбуз П.И. Внедрение анкерной крепи при бесцели-ковой технологии выемки угля // Уголь Украины. 1989 - №9. - С. 8-10.

36. Махно Е.Я. К вопросу о расчете штанговой крепи // Уголь. 1959. — №5. -С. 41-42.

37. Борисов А.А. Новые методы расчёта штанговой крепи.- М.: Госгор-техиздат. 1961. 62 с.

38. Баклашов И.В. Тимофеев О.В. Конструкции и расчет крепей и обделок. М.: Недра, 1979. - 344 с.

39. Югон А., Кост А. Штанговое крепление горных пород. М.: Госгор-техиздат, 1962. - 217 с.

40. Курганский Е.В., Юрченко И.А. Факторы, определяющие несущую способность клинощелевых штанг: Сб. Проектирование, и стр-во угольн. Предприятий. М.: Недра, 1965. - №3. - С. 26-29.

41. Мельников Н.И. Анкерная крепь. -М.: Недра, 1980. 252 с.

42. Юрченко И.А. Опыт расчета параметров штанговой крепи на шахтах комбината Ростовуголь. Тр. ШахтНИУИ. Вып.5. -Шахты, 1965. - С. 44-46.

43. Аллик' A.M. Штанговая крепь на сланцевых шахтах. М.: Недра, 1964.-219 с.

44. Курганский Е.В. Исследование работы металлической анкерной крепипри ее длительной эксплуатации (применительно к условиям шахт Ростовского угольного района): Дис. канд. техн. наук. - Новочеркасск, 19721-144 с.

45. Фридлянд A.M., Аллилуев В;Н. Повышение эффективности крепления горных выработок // Шахтное строительство: -1989; №7. - G. 13-15.

46. Давыдович И.ЛМС вопросу о влиянии физико-механических свойств пород и горнотехнических факторов на условия поддержания капитальных горных выработок глубоких шахт. Труды ВНИМИ, сб. 72, 1969.

47. Айзаксон Э. Давление горных пород в шахтах. Госгортехиздат. М.,1961.

48. Алфёров О.С. Влияние геологических факторов на прочностные свойства горных пород и устойчивость их в подземных выработках. Автореферат диссертации, представленной на соискание учёной степени канд. геол.-минер. Наук, Днепропетровск, Изд. ДГИ, 1964.

49. Беликов В.П., Залесский Б.В. и др. Методы исследования физико-механических свойств горных пород. Сборник «Физико-механические свойства горных пород». Изд. ИГЕМ АН СССР, 1964.

50. Инструкция по расчёту и применению анкерношкрепи на шахтах Ростовской области/ШахтНИУИ им. A.M. Терпигорева. Шахты* 1993. - 121 с.

51. Беликов В.В., Чавкин А.И. Поддержание■ выемочных штреков, охраняемых угольными, целиками шириной 5-15 м// Изв. вузов. Сев;-Кавк. регион. Техн. науки. Приложение 7. 2004. - С. 54-63.

52. ГОСТ 15150-69 Машины, приборы и другие технические изделия. Исполнения для различных климатических районов. Категории, условия эксплуатации, хранения и транспортирования в части воздействия климатических факторов внешней среды.

53. Й. Тейндл. Борьба с коррозией оборудования угольных шахт. М., «Недра», 1966, 132 с.

54. Шубович А.Я., Шкитов К.С., Макаров К.Ф. Динамика поражения коррозией металлических расстрелов шахтных стволов на рудниках Горной Шо-рии. Колыма. -1968. - №10. - С. 33-34.

55. Л.Д. Меделян, Н.М. Сулима, А.С. Анистрат. Устойчивость антикоррозийных покрытий конструкций армировки шахтных стволов Кривбасса. -Шахтное строительство, 1980. -№ 3. с. 19-20.

56. ГОСТ 10587-84 Смолы эпоксидно-диановые неотверждённые. Технические условия.

57. ГОСТ 7313-75 Эмали ХВ-785 и лак ХВ-784. Технические условия.

58. Чавкин А.И. Причины, динамика коррозионного износа и прогноз срока службы анкерной крепи в условиях коррозионно-активной среды // Уголь. 2004. - № 3 - С 15-16.

59. Holfrich Н.К. The durability of rock bolts // World Mining Eguip. 1990. - 14,-№4,-p.19-22 (Англ.).

60. ГОСТ 5632-72 Стали высоколегированные и сплавы коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные. Марки.

61. ГОСТ 2590-88 Прокат стальной горячекатаный круглый. Сортамент.

62. Васильев В.В. Полимерные композиции в горном деле. М.: Наука, 1986.-294 с.

63. П.А. Евсеев, И.И. Мартыненко, В.А. Крапивин, И.А. Капралова. Анкерная полимерная композиционная крепь // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. Приложение 9. 2006. - С. 116-121.

64. Луганцев Б.Б. Исследование процесса образования трещин в породах,вмещающих выемочные выработки с использованием фрактальных моделей // Уголь. -1996. -№12. С. 54-56.

65. Луганцев Б.Б. Обеспечение устойчивости подземных горных выработок в трещиноватом породном массиве. Дис. докт. техн. наук. Москва, 2003. -287 с.

66. Луганцев Б.Б., Лущик А.Г., Кулешов Е.С. Имитационные модели разрушения пород и угля в подземных горных выработках // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. Приложение 7. 2004. - С. 23-25

67. С. Солла. Разрушение нагруженных фрактальных деревьев. (Sara А. Solla IBM Thomas J. Watson Research Center, Yorktown Heights, New York 10598, USA).

68. Временная инструкция по расчёту и применению анкерной крепи на шахтах Восточного Донбасса/ ВНИМИ. СПб, 1997. - 50 с.

69. Методика оценки технического состояния металлической анкерной крепи по истечении нормативного срока службы/ ШахтНИУИ. Шахты, 1994. - 16 с.

70. Жук Н.П. Курс теории коррозии и защиты металлов. М., «Металлургия», 1976.-472 с.

71. Кулешов Е.С. О взаимодействии анкерной крепи и пород во времени // Струговая выемка. Сб. научн. тр. ШахтНИУИ. - Шахты, 1990. - С.15-18.

72. Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. Приложение 7. - 2004. - С. 63-66.

73. ГОСТ 5781-82 Сталь горячекатаная для армирования железобетонных конструкций. Технические условия.

74. Завьялов Р.Ю. Теория и методы расчёта анкерной крепи протяжённыхвыработок. Тула, изд. ТулГУ. - 2000. - 121 с.

75. Широков А.П., Писляков Б.Г. Расчёт и выбор крепи сопряжений горных выработок. М., Недра. 1978 - 304 с.

76. Коррозия. Справ, изд. под рук. Л.Л. Шрайера, пер. с английского М., Металлургия. — 1981 — 632 с.

77. X. Рачев, С. Стефанова. Справочник по коррозии, пер. с болгарского. М., «Мир», 1982-520 с.

78. Дж. Скалли. Основы учения о коррозии и защите металлов, пер. с английского. М., «Мир», 1978 224 с.

79. Е.Я. Люблинский. Что нужно знать о коррозии. «Лениздат», 1980192 с.

80. М.Ю. Гизатуллина. «Антикоррозийная защита горношахтного оборудования экологически чистыми лакокрасочными покрытиями». Научные сообщения. ИГД им. А.А. Скочинского, вып. № 294, М., 1993, с. 57-60.

81. М.Ю. Гизатуллина. «Защита металлоконструкций цинксиликатными покрытиями». Научные сообщения. ИГД им. А.А. Скочинского, выпуск № 291, М., 1993, с. 61-64.

82. Противокоррозионная защита трубопроводов и резервуаров: Учеб. для вузов. М.В. Кузнецов, В.Ф. Новоселов, П.И. Турунов, В.Ф. Котов М., «Недра», 1992-238 с.

83. Ю.В. Королев, В.Е. Путилов. Защита оборудования от коррозии, Л., «Машиностроение», 1973 136 с.

84. ГОСТ 9.402-80 (СТ СЭВ 5732-86) ЕСКС. Покрытия лакокрасочные. Подготовка металлических поверхностей перед окрашиванием.

85. ГОСТ 9.032-74 Единая система защиты от коррозии и старения. Покрытия лакокрасочные изделий, предназначенных для эксплуатации в районах с умеренным климатом. Технические требования и методы ускоренных испытаний.

86. ГОСТ 15140-78 Материалы лакокрасочные. Методы определения адгезии.

87. ГОСТ 4765-73 Материалы лакокрасочные. Метод определения прочности при ударе.

88. ГОСТ 9.104-79 Единая система защиты от коррозии и старения. Покрытия лакокрасочные. Группы условий эксплуатации.

89. ГОСТ 18188-72 Растворители марок 645, 646, 647, 648 для лакокрасочных материалов. Технические условия.

90. ГОСТ 2768-84 Ацетон технический. Технические условия.

91. ГОСТ 9.072-77 Единая система защиты от коррозии и старения. Покрытия лакокрасочные. Термины и определения.

92. Чавкин А.И. Выбор средств антикоррозионной защиты металлических анкеров и предварительные результаты их испытаний // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. Спецвыпуск «Техника и технологии угольных предприятий» 2005. - С. 87-94.

93. Инструкция по выбору рамных податливых крепей горных выработок. Изд. 2-е, перераб. И доп. СПб, 1991 - 125 с.

94. Единые нормы выработки (времени) для шахт Донецкого и Львовско-Волынского угольных бассейнов. М., 1980.