Разработка и исследование способов упрочнения искусственного массива тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Аникеев Артем Алексеевич

• Аникеев Артем Алексеевич
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Аникеев Артем Алексеевич

ГЛАВА 1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ 10 ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Опыт использования различных способов закладки на горных 10 предприятиях

1.2 Типизация способов улучшения физико-механических параметров 22 искусственных массивов

1.3 Цель и идея работы. Постановка задач исследования

1.4 Выводы по главе

ГЛАВА 2 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 45 НАПРАВЛЕННОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СВОЙСТВ

ИСКУССТВЕННОГО МАССИВА

2.1 Методы исследования прочностных и деформационных параметров 45 образцов полимерных составов и искусственных массивов

2.2 Материалы и методика проведения экспериментальных испытаний 50 упрочняющих растворов

2.3 Выводы по главе

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ СОСТАВА ДЛЯ 56 УПРОЧНЕНИЯ ИСКУССТВЕННОГО МАССИВА

3.1 Обоснование выбора способа направленного изменения параметров 56 гидрозакладочного массива

3.2 Состав для упрочнения искусственного массива после его 58 формирования

3.3 Влияние концентрации отвердителя на прочностные и 60 деформационные характеристики искусственного массива

3.4 Характер разрушения образцов упрочненного искусственного 65 массива

3.5 Прочностные и деформационные свойства полимерного состава для 70 формирования искусственных опор

3.7 Выводы по главе

ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА СПОСОБА УПРОЧНЕНИЯ 85 ИСКУССТВЕННОГО МАССИВА.

4.1 Способ упрочнения искусственного массива

4.2 ^особ возведения искусственной опоры для упрочнения 93 формируемого искусственного массива

4.3 Выводы по главе 4 102 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 104 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование способов упрочнения искусственного массива»

Актуальность работы. Зарубежный опыт добычи разнообразных полезных ископаемых предусматривает вторичное использование подземного пространства в разнообразных вариациях, определенных проектными решениями. Требования, диктуемые различными горно-геологическими и инженерно-техническими условиями в соответствии с принимаемыми проектными решениями, которые предъявляются к создаваемым искусственным массивам, со временем ужесточаются.

Искусственный массив является инородным телом, расположенным внутри горного массива, и характеризуется особыми, присущими только ему свойствами, зависящими от качества исходных материалов, технологии возведения и условий его формирования. Горный и искусственный массивы взаимодействуют между собой, что оказывает влияние на их напряженно-деформированное состояние. Требования к искусственному массиву устанавливаются в зависимости от его назначения и типа.

Оптимальным и своевременным решением проблемы негативного экологического влияния на окружающую среду при размещении отходов горнообогатительного производства на поверхности является их консервация в выработанном пространстве в шахте рудников. Однако создаваемые при этом искусственные массивы, обладая минимальной прочностью не выполняют функцию несущей способности и не позволяют отрабатывать целики, в которых остается до шестидесяти процентов руды, поскольку в основном формируются без использования вяжущих материалов. Поэтому, в настоящий момент наиболее актуальной становится проблема проведения мероприятий, направленных на увеличение прочностных и деформационных характеристик, а также нормативного срока службы создаваемых искусственных гидрозакладочных массивов. Это побуждает исследовать различные рецептуры потенциально пригодных к ис-

пользованию в определенных условиях вяжущих веществ, разрабатывать новые технологии упрочнения и закрепления, задействовать комбинации разнообразных способов. Кроме того, не все известные способы упрочнения искусственных массивов позволяют в дальнейшем извлекать полезные компоненты из законсервированных отходов обогащения. Этот аспект необходимо учитывать при создании новых способов упрочнения искусственного массива.

Следовательно, создание искусственного гидрозакладочного массива с заданными физико-механическими характеристиками представляет собой актуальную научно-техническую задачу.

Целью работы является установление новых и уточнение существующих закономерностей изменения прочностных и деформационных параметров искусственного массива для направленного регулирования его состояния и создания и усовершенствования прогрессивных способов его упрочнения.

Идея работы заключается в том, что направленное преобразование свойств искусственного массива, которое обеспечивает повышение его прочности, достигается применением полимерного раствора, состоящего из карбамид-ной смолы и изо-метилтетрагидрофталевого ангидрида, путем создания упрочняющих элементов в формируемом массиве и инъецирования в массив после его формирования.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Направленное регулирование пределов прочности при одноосном сжатии искусственного массива на основе сгущенных отходов обогащения мокрой магнитной сепарации (ММС) железистых кварцитов при сжатии достигается путем изменения концентрации изо-метилтетрагидрофталевого ангидрида.

2. Инъецирование полимерного раствора, включающего карбамидную смолу плотностью 1,257 г/см3 и изо-метилтетрагидрофталевый ангидрид плотностью 1,203 г/см3, в мелкодисперсный искусственный массив на основе сгущенных отходов обогащения железистых кварцитов позволяет достигнуть пре-

делов прочности при одноосном сжатии 7,4 МПа.

3. Искусственный массив на основе отходов обогащения (ММС) железистых кварцитов, упрочненный разработанным полимерным составом, не подвержен усадке, но за время набора прочности проявляет способность к расширению.

4. Характер разрушения образцов упрочненного полимерным составом массива зависит от концентрации изо-метилтетрагидрофталевого ангидрида.

5. Несущие опоры на основе полимерного состава, включающего карба-мидную смолу и изо-метилтетрагидрофталевый ангидрид, для упрочнения формируемого искусственного массива достигают прочности более 81 МПа.

Новизна основных научных и практических результатов заключается в следующих положениях:

1. Установлена экспоненциальная зависимость относительных изменений предела прочности при сжатии образцов искусственного массива от концентрации изо-метилтетрагидрофталевого ангидрида.

2. Выявлены полиномиальные зависимости (второго порядка) относительной деформации расширения образцов искусственного массива от концентрации изо-метилтетрагидрофталевого ангидрида при различных сроках твердения.

3. Обоснованы экспоненциальнциальные и полиномиальная (второго порядка) зависимости изменения предела прочности при одноосном сжатии образцов полимерного состава от концентрации изо-метилтетрагидрофталевого ангидрида при различных сроках твердения.

4. Установлены экспоненциальные зависимости относительной деформации усадки образцов полимерного состава от концентрации изо-метилтетрагидрофталевого ангидрида.

5. Разработан состав для упрочнения искусственного массива, содержащий карбамидную смолу и изо-метилтетрагидрофталевый ангидрид при следу-

ющем соотношении компонентов, масс. %: карбамидная смола марки КФ-МТ-15 плотностью 1,257 г/см3 - 83,3 % и изо-метилтетрагидрофталевый ангидрид плотностью 1,203 г/см3 - 16,7.

6. Усовершенствован способ упрочнения искусственного массива, который включает закладку выработанного пространства камеры мелкодисперсными отходами обогащения (ММС) без использования вяжущих материалов, отличающийся тем, что после дренажа воды, дозакладочных работ после усадочных деформаций, достижения оптимальной влажности массива (не более 7%), в междукамерных целиках по их длинным сторонам по периметру выработанного заложенного пространства проходятся снизу вверх буровые орты на расстоянии около 20 м по вертикали друг под другом, из них бурятся веерные скважины, из которых через забивные инъекторы в упрочняемые участки массива в восходящем порядке инъецируется раствор полимерной композиции, содержащий карбамидную смолу марки КФ-МТ-15 и отвердитель изо-метилтетрагидрофталевый ангидрид (изо-МТГФА) в следующих пропорциях ингредиентов, масс. %: карбамидная смола плотностью 1,257 гр/см3 - 83,3 % и изо-метилтетрагидрофталевый ангидрид плотностью 1,203 гр/см3 -16,7%.

7. Создан способ возведения искусственной опоры для упрочнения искусственного массива путем сооружения опалубки из отработанных автошин, укладываемых в штабель от почвы до кровли выработки, последовательно скрепляя между собой соединительными скобами, и заполняют ее упрочняющим раствором, после схватывания которого камеру изолируют от сопредельных выработок перемычками и заполняют гидравлической закладкой, отличающийся тем, что до сооружения опалубки заранее подготавливают основание с выпусками армировки в виде арматурных стержней из стекловолокна в качестве направляющих элементов, на которые последовательно нанизывают отработанные шинычерез прорезанные по их окружности сквозные отверстия, до подведения которых под кровлю камеры выполняют специальные технологиче-

ские отверстия в потолочине камеры, закрепляют в них стержни, после чего устанавливают заключительную разрезанную по диаметру на две равные составные части и вырезанным профилем по окружности автошину, при этом в местах стыков составных частей автошины производят крепление соединительными скобами и в области крепления протектора заключительной автошины обустраивают специальное технологическое отверстие, через которое производят нагнетание упрочняющего раствора, в качестве которого применяют полимерный состав при следующем соотношении компонентов, масс. %: карбамид-ная смола, плотностью 1,257 г/см3 - 77,7-95,4%; изо-метилтетрагидрофталевый ангидрид, плотностью 1,203 г/см3 - 4,6-22,3%.

Методы исследований. Исследования выполнены с применением комплекса методов, которые объединяют системный анализ первоочередных проблем в соответствующей области; информационный и патентный анализы; методы лабораторных испытаний, направленных на изучение физико-механических параметров и выявление зависимостей.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций может быть подтверждена значительным объемом и количеством проведенных лабораторных исследований (более 250 образцов); статистической обработкой полученных результатов; использованием при решении поставленных задач программно-компьютерных и информационных комплексов; корректной постановкой вопросов в решаемых задачах; высокой степенью достоверности аппроксимации экспериментальных данных, результаты которых говорят об эффективности предлагаемых к использованию решений с удовлетворительными показателями технико-экономической составляющей.

Практическая значимость работы состоит в создании состава для упрочнения искусственного массива; усовершенствовании способа упрочнения искусственного массива; разработке способа создания системы искусственных опор для упрочнения формируемого искусственного массива. Это повысит без-

опасность и эффективность разработки месторождения полезных ископаемых способом.

Реализация результатов работы. Инженерные решения и теоретические результаты применяются в учебных курсах по дисциплинам: геомеханика, подземная геотехнология, горнопромышленная экология, техническая мелиорация грунтов в НИУ БелГУ.

Личный вклад автора заключается в анализе результатов ранее проведенных исследований; подготовке и проведении лабораторных исследований в установленной области, направленных на разработку и создание различных рецептур упрочняющих растворов и способов упрочнения искусственных массивов; обобщении и обработке полученных в ходе лабораторных испытаний и исследований практических данных с установлением зависимостей.

Апробация работы. Практические рекомендации и основные научные положения исследований в области диссертационной работы как в целом, так и отдельные разделы выводились на обсуждение на научных конференциях: 17-ой Международной Конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики, проводимой в г. Туле 1-3 ноября 2021 года; IX Международной научной конференции, посвященной «Проблемам природопользования и экологической ситуации в Европейской России и на сопредельных территориях» проводимой в городе Белгород 20-23 октября 2021 года

Публикации. По результатам выполненных исследований было опубликовано 6 научных работ, в том числе 4 статьи в изданиях, определенных Пере-ченем ВАК Минобрнауки России, получено 2 патента РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 121 страницах печатного текста, состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников. Настоящая работа включает 17 таблиц и 41 рисунков. Библиографический список составляет 136 наименований.