Виды крепежных материалов

Для возведения крепи применяются лесоматериалы (дерево), бетон, цемент, металл и химические закрепляющие и упрочняющие растворы. Приведем их краткую характеристику.

Дерево при возведении крепи применяется в качестве грузонесущих элементов крепи (стойка, верхняки) затяжки, забутовки и для вспомогательных целей (опалубка для возведения бетонной крепи). Для возведения крепежных рам применяются бревна из хвойных пород. Для затяжки и забутовки могут применяться: подтоварник, обаполы и бревна. Опалубка для возведения крепи должна изготовляться из обрезной доски

Лесоматериалы довольно широко применяются для крепления горных выработок, так как древесина имеет относительно высокую прочность при небольшой массе, обладает упругостью, легко обрабатывается и сравнительно дешевы. Основные недостатки дерева _ неогнестойкость, значительный разброс прочностных показателей и недолговечность в связи с подверженностью гниению. Вследствие гниения срок службы сосновой крепи в среднем составляет всего 2-3 года, а при неблагоприятных условиях (в выработках с исходящей вентиляционной струей и повышенной влажностью) – менее 1 года.

Чтобы увеличить срок службы крепежного леса в подземных выработках, его предохраняют от загнивания пропитыванием специальными растворами химических веществ (антисептиками).

В качестве крепежного материала применяют круглые лесоматериалы – бревна, подтоварник, стойки и пиломатериалы – пластины (распилы), брусья, доски, обаполы (горбыли). Наибольшее применение для крепления выработок имеют стойки и обополы. Бревно- отрезок ствола дерева длиной от 5 до 9 м и толщиной в верхнем торце 12 см и больше.

Подтоварник – круглый лесоматериал длиной от 3 до 9 м и толщиной в верхнем торце от 8 до 11 см. Рудничная стойка – круглый лесоматериал длиной от 0.5 до 5 м и толщиной в верхнем торце от 7 до 30 см. Распилы – стойки, распиленные пополам вдоль продольной оси. Брусья – пиломатериалы, толщина которых равна ширине и более половины ширины. Доски (плахи, тес) – пиломатериалы, ширина которых более двойной толщины. Обаполы или горбыли – крайние части ствола дерева, распиленного на брусья или доски.

Металл является одним из наиболее совершенных крепежных материалов, так как обладает высокой прочностью, возможностью многократного использования, долговечностью, огнестойкостью, значительной деформируемостью без потери несущей способности. Металл при возведении крепи может применяться в качестве несущих конструкций (стойка, верхняки, арки), в качестве арматуры и для вспомогательных целей (болты, скобы и др.). Для стоек, верхняков, арок применяются двутавровые, швеллерные балки, рельсы, толстостенные трубы и сталь специального взаимозаменяемого профиля типа.

Сталь – упругопластический материал, поэтому металлические крепи могут претерпевать пластические деформации без потери несущей способности. После выправления деформируемых элементов металлическая крепь может быть повторно использована для крепления горных выработок. Недостатком металла является подверженность его коррозии.

Для крепления применяют чугунное и стальное литье, прокатную сталь различных профилей и типоразмеров. Чугунное и стальное литье применяют для тюбингов и некоторых элементов крепи (башмаков, фигурных накладок).

Для изготовления металлических рамных крепей применяется преимущественно специальный желобчатый шахтный профиль проката СВП (специальный взаимозаменяемый профиль) из горячекатаной стали марки Ст.5 шести типоразмеров: 14, 17, 19,22,27 и 33 кг/м. Геометрические характеристики профиля СВП приведены в табл.. при изготовлении металлических крепей применяют в меньших объемах профили проката общего назначения – двутавровые балки, швеллеры, рельсы, уголковая сталь и др.

Таблица Характеристика балок спецпрофиля

Профиль	Масса, 1м, кг	Площадь сечения, см^2	Размеры, мм
В	b	M	m	H	δ	h
СВП 17 СВП 19 СВП 22 СВП 27 СВП 33	17.06 19.2 21.9 26.98 33.40	21.73 24.44 27.91 34.37 42.53	131.5 145.5 149.5	91.5 99.5 99.5	59.5 66.5	51.5 50.6		8.5 9.5 14.5	25.5

Стержень штанги изготавливается из горячекатаной арматурной стали периодического профиля диаметром 12 – 16 мм. Для изготовления стержней железобетонных штанг можно применять гладкую круглую сталь и обезжиренные пряди стальных канатов. На стержнях штанг, изготовленных из гладкой круглой стали и стальных труб, для увеличения удельного сцепления с бетоном целесообразно нанести насечку через 5-10 см.

Вяжущие вещества представляют собой тонко измельченные порошкообразные строительные материалы, которые при смешивании с водой постепенно твердеют, образуя прочную окаменевшую массу, связывающую между собой зерна песка и куски щебня.

Цемент – гидравлическое вяжущее, твердеющее в воде и на воздухе. Для производства бетонных работ на подземном рудниках можно использовать портландцементы или быстротвердеющие глиноземистые цементы. Марка цемента должна быть не ниже 300. Бетон применяется для возведения собственно бетонных крепей, а также для установки железобетонных штанг, нанесения набрызгбетона и цементации массива. Цемент должен храниться в закрытых помещениях и транспортироваться в закрытых транспортных средствах, исключающих попадание влаги и посторонних примесей.

Цемент получают в результате тонкого измельчения обожженной до спекания минеральной смеси (клинкера). Эта смесь состоит примерно из трех частей известняка и одной части глины. Такие смеси иногда встречаются в природе и называются мергелями, но чаще для производства цемента используют искусственные смеси. При помоле спекшейся смеси добавляют различные минеральные добавки, чтобы удешевить и улучшить качество цемента. Чем тоньше измельчен цемент, т.е. выше тонкость помола, тем лучше качество цемента и больше его склеивающая способность.

Густую смесь цемента с водой называют цементным тестом. Вследствие химического взаимодействия вяжущего с водой с момента образования цементного теста начинает увеличиваться его вязкость (плотность). Процесс, при котором цементное тесто постепенно теряет пластичность, но еще не приобретает прочности, называют схватыванием. Срок схватывания обыкновенного цемента должен быть не менее 45 мин и не более 12 часов. Процесс схватывания потом постепенно переходит в процесс твердения. Когда тесто постепенно твердеет, его механическая прочность непрерывно нарастает и в конечной стадии оно превращается в плотный цементный камень, обладающий значительной механической прочностью.

Прочность цемента, т.е. способность затвердевшего песчано-цементного теста противостоять воздействию внешних нагрузок, называют маркой цемента. Марку цемента определяют в лабораторных условиях на прочность при изгибе образцов балочек размером 40х40х160 мм и сжатии их половинок, изготовленных за 28 дней до испытания из смеси, состоящей их одной части цемента (по массе), трех частей песка и не менее 0,4 части воды.

По минералогическому составу и содержанию добавок различают следующие виды цементов, применяемых для изготовления крепи: портландцементы (обыкновенный, сульфатостойкий, гидрофобный и пластифицированный); шлакопортландцемент; пуццолановый портландцемент; расширяющиеся цементы; водонепроницаемый безусадочный цемент.

Портландцемент – наиболее распространенное вяжущее. Он представляет собой тонкий порошок серого цвета, полученный в результате совместного размола клинкера и некоторого количества гипса.

Сульфатостойкий портландцемент применяют в тех случаях, когда требуется повышенная стойкость крепи против разрушающего действия агрессивных шахтных вод.

Пластифицированный портландцемент позволяет получить более подвижные бетоны, обладающие высокой удобоукладываемостью, повышенной морозостойкостью и водонепроницаемостью. Его получают добавлением к портландцементу при помоле пластифицирующих соответствующих органических веществ (сульфатно-спиртовойбарды и др.).

Гидрофобный портландцемент получают введением в портландцемент при его помоле специальной гидрофобизирующей поверхностно-активной добавки (мылонафт, асидол и др.). Гидрофобный цемент при перевозках и хранении даже в очень влажных условиях сохраняет свои вяжущие свойства. Содержащаяся в нем добавка оказывает пластифицирующие действие на бетонные или растворные смеси, а также уменьшает водопроницаемость и повышает коррозийную стойкость бетона.

Обыкновенный гидрофобный и пластифицированный портландцементы выпускают марок 300, 400, 500 и 600. Сульфатостойкий портландцемент выпускают двух марок – 300 и 400.

Шлакопортландцемент получают совместным помолом клинкера портландцемента и доменного гранулированного шлака или смешиванием тех же материалов, измельченных раздельно. Его применяют для изготовления сборной железобетонной крепи. Бетон в таком цементе твердеет в воде и на воздухе, более устойчив против воздействия шахтных вод. Марки шлакопортландцемента – 200, 300, 400 и 500.

Пуццолановый портландцемент отличается от шлакопортландцемент только тем, что в качестве добавки используют не шлак, а особые активные минеральные вещества – трепел, пемзу, туф и др. Бетон на пуццолановом портландцементе твердеет в воде и во влажных условиях. Марки пуццоланового цемента те же, что и шлакопортландцемента.

Глиноземистый цемент – быстротвердеющее гидравлическое вяжущее, получаемое путем тонкого помола глиноземистых шлаков и клинкера, содержащего значительного количество глинозема. Нарастание прочности идет интенсивно и заканчивается практически через три дня. Выпускается трех марок: 400, 500 и 600. Глиноземистый цемент расширяется при твердении под водой. При твердении на воздухе он в отличие от обыкновенного портландцемента не дает усадку, которая является одной из причин образования трещин в цементном камне. Стоимость глиноземистого цемента значительно (в 3-4 раза) превышает стоимость обыкновенного портландцемента, поэтому применение его в горном деле ограничено.

Расширяющие цементы получают совместным помолом клинкера, глиноземистого цемента и гипса. Расширяющийся цемент применяют там, где требуется обеспечить водонепроницаемость крепи или стыков в ней. Этот цемент при затворении водой твердеет, увеличиваясь в объеме, самоуплотняется, чем обеспечивает водонепроницаемость. По сроку схватывания различают быстросватывающийся (водонепроницаемый расширяющийся цемент ВРЦ) и с замедленным схватыванием (гипсо-глиноземистый) расширяющиеся цементы. Начало схватывания быстросхватывающего цемента – не ранее 4 мин, конец – не позднее 10 мин. Цемент с замедленным схватыванием должен иметь начало схватывания не ранее 20 мин, конец – не позднее 4 ч.

Водонепроницаемый безусадочный цемент (ВБЦ) является быстросхватывающимся (начало схватывания 1 мин, конец – 5 мин) и быстротвердеющим вяжущим, получаемым путем смешивания тех же компонентов, что и при производстве расширяющихся цементов, но в других соотношениях. Безусадочный цемент применяют при устройстве гидроизолирующей торкрет-бетонной оболочки крепи для прекращения фильтрации черз нее воды.

Для крепления подземных выработок набрызгбетоном, наносимым на стенки выработки с помощью сжатого воздуха, созданы специальные виды сульфатостойкого быстросхватывающегося (2-5 мин) и быстротвердающего цемента, при котором прочность бетона, равная 5-7 МПа, достигается в возрасте 2 ч. Применение такого цемента упрощает технологию возведения крепи, позволяет крепить обводненные выработки.

Силикатное (бесцементное) вяжущие по составу является известково-кремнеземистым. В качестве одного из компонентов этого вяжущего применяют строительную известь, в качестве второго- молотый песок. В отличие от цемента твердение в короткие сроки затворенного водой силикатного вяжущего возможно только при автоклавной обработке в условиях насыщенного пара с весьма высокими температурой (175-190 ⁰С) и давлением (0,9-1,3 МПа). Этот вид вяжущего можно применять для изготовления в заводских условиях таких элементов крепи, как бетониты, посадочные тумбы и т.п.

Растворы, применяемые в качестве крепежного материала, представляют собой правильно подобранные смеси, состоящие из цемента, песка и воды. Растворы применяют в пластичном состоянии при каменной кладке, торкретировании стенок выработки, тампонировании пустот за крепью, для закрепления анкеров и при других процессах. Для горной крепи применяют растворы марок 50, 75 и 100. Существенным показателем качества раствора является его удобоукладывемость, т.е. способность смеси укладываться тонким однородным слоем. При небольшом объеме работ раствор приготавливают вручную, а при значительном объеме – в растворомешалках. Готовят также сухие растворные смеси в упаковке, которые перед применением затворяют водой. В последнее время начато изготовление гидрофобных сухих смесей для растворов. Такие смеси, содержащие гидрофобизующую добавку, можно долго хранить без упаковки. При этом они не комкуются и не теряют активности. Кроме того, при применении этих смесей улучшаются некоторые свойства растворов.

Бетоном называется искусственный строительный материал, получаемый путем смешивания цемента, песка, гравия или щебня и воды. Цемент и вода являются активными составляющими, а песок, гравий или щебень – инертными заполнителями.

Железобетон – материал, состоящий из бетона и введенного в него стальной арматуры, работающих в конструкции совместно, Такие конструкции способны вынести значительные сжимающие, изгибающие, а в некоторых случаях и растягивающие нагрузки.

Цементно-песчаный раствор – смесь в определенных пропорциях одного или нескольких веществ с мелким заполнителем (песком), хорошо перемешанный и затворенный водой.

Бетон как крепежный материал обладает высокой прочностью (при действии сжамающих нагрузок), долговечностью, огнестойкостью и относительно невысокой стоимостью, поскольку приготовляется из местных материалов. Особенности бетона – хрупкость при ударе и незначительная сопротивляемость растягивающим и изгибающим усилиям (в 8-10 раз меньше прочности при сжатии).

Для бетонных и железобетонных подземных конструкций применяются конструкционные бетоны: тяжелый средней плотности (2200-2500 кг/м³); мелкозернистый средней плотности свыше 1800 кг/м³; легкий плотной и поризованной структуры.

При проектировании бетонных и железобетонных конструкций крепи в зависимости от их назначения и условий работы следует устанавливать показатели качества бетона, основными из которых являются: класс по прочности на сжатие В; класс по прочности на осевое растяжение В_t (назначают в случаях, когда эта характеристика имеет главенствующее значение и контролируется на производстве); марка по водопроницаемости W (должна назначаться для конструкций, к которым предъявляются требования ограничения проницаемости).

Классы бетона по прочности на сжатие и осевое растяжение отвечают значению гарантированной прочности бетона (МПа) с вероятностью 0,95.

Для бетонных и железобетонных конструкций крепи можно предусматривать бетоны следующих классов и марок:

-классов по прочности на сжатие – тяжелый бетон – В15; В20; В25; В30; В35; В40; В45; В50; В55; В60;

Мелкозернистый бетон групп:

А- естественного твердения или подвергнутый тепловой обработке при атмосферном давлении на песке с модулем крупности свыше 2 – В15; В20; В25; В30; В35; В40;

Б – то же, с модулем крупности 2 и менее - В15; В20; В25; В30;

В – подвергнутый антоклавной обработке - В15; В20; В25; В30; В35; В40; В50; В55; В60;

Легкий бетон при марках по средней плотности:

D1400, D1500 - В15; В20; В25; В30;

D1600, D1700 - В15; В20; В25; В30; В35;

D1800, D1900 - В15; В20; В25; В30; В35;

D2000 - В20; В25; В30; В35; В40;

Классов по прочности на осевое растяжение – тяжелый мелкозернистый и легкий бетоны - В_t 1,2; В_t 1,6; В_t2; В_t 2,4; В_t2,8; В_t3,2;

Марок по водонепроницаемости – тяжелый, мелкозернистый и легкий бетоны – W2, W4, W6, W8, W10, W12;

Марок средней плотности – легкий бетон - D1400, D1500, D1700, D1800, D1900, D2000;

Поризованный бетон - D1200, D1300, D1400.

По плотности различают бетоны тяжелые и легкие. Тяжелый бетон приготавливают из тяжелых заполнителей – песка, гравия или щебня из гранита, известняка, кварца и других тяжелых пород. Легкий бетон – из пористых легких заполнителей, например, шлаков. В качестве легкого заполнителя применяют также искусственный материал в виде гравия или щебня – керамзит.

Прочность бетона определяется по истечении 28 дней с момента его изготовления при твердении в стандартных условиях. При изготовлении в заводских условиях разрешается принимать проектную прочность изделий после окончания тепловой обработки. Качество бетона в основном зависит от прочности качества воды, способа приготовления и укладки бетона, условий твердения и т.п. Прочность бетона с течением времени нарастает.

Смесь цемента, воды и заполнителей до затвердения называют бетонной смесью. Состав бетонной смеси обозначают отношением масс входящих компонентов I: II: III. Это означает, что на одну часть цемента (по массе) приходятся две части песка и три части щебня или гравия. Для горной крепи наиболее часто применяют бетоны состава: 1:2:3; 1:3:5; 1:4:6.

Состав бетонной смеси может быть выражен также в виде расхода (по массе) материалов на 1 м³ бетонной смеси. Например, на 1 м³ бетонной смеси (для получения бетонной крепи класса В15) потребуется: цемента марки 400-300 кг, песка –600 кг, щебня – 1200 кг и воды –180 л (всего 2280 кг материалов).

Подбор состава бетонной смеси производится в лаборатории. При этом преследуется цель – при наименьшем расходе цемента получить удобную для укладки бетонную смесь, обеспечивающую после твердения заданную прочность бетона.

В зависимости от количества воды бетонная смесь бывает жесткой, пластичной и литой.

Жесткая бетонная смесь содержит 130-170 л воды на 1 м³ смеси. При использовании такой бетонной смеси необходимо усиленное ее уплотнение- трамбование или вибрирование. При этом бетонная смесь разжижается, становится текучей и хорошо заполняет форму или заопалубочное пространство. По окончании выбрирования бетонная смесь становится твердой. Бетон из жесткой смеси не дает осадки конуса, обладает более высокой прочностью по сравнению с бетоном из пластичной и литой бетонных смесей аналогичного состава.

Пластичная бетонная смесь содержит в 1 м³ 170-230 л воды. Укладка пластичной бетонной смеси требует небольшого уплотнения, осадка конуса до 13 см.

Литая бетонная смесь содержит в 1 м³ свыше 230 л воды. При укладке литой бетонной смеси не требуется уплотнения трамбованием или выбрированием. Осадка конуса более 13 см.

Отношение массы воды к массе цемента в бетонной смеси называют водоцементным отношением В/Ц. Это один из главных факторов, влияющих на прочность бетона. Максимальное количество воды, необходимое для химической реакции с цементом, составляет 10-20% его массы (В/Ц=0,1¸0,2). Вода свыше этого количества испаряется и образует в бетоне поры, снижая его прочность. Однако при водоцементном отношении, равном 0,1-0,2, бетонная смесь настолько жесткая (сухая), что не невозможно хорошо перемешать и плотно уложить в форму или за опалубку. Поэтому для жестких бетонных смесей количество воды несколько увеличивают (В/Ц=0,3¸0,4), а для повышения удобоукладываемости (способности бетонной смеси заполнять форму) применяют пластифицированные цементы и сильную вибрацию.

Состав бетонной смеси определяют чаще всего, пользуясь расчетно-экспериментальным методом, предложенным Б.Г.Скрамтаевым и Ю.М. Баженовым. Расчет ведется для сухих материалов, а затем корректируется с учетом фактической влажности заполнителей.

В горном деле кроме обычных цементных бетонов иногда применяют пробужденные бетоны, сырьем для которых служат различные шлаки или горелые породы из шахтных отвалов. Это сырье содержит те же вещества, что и цемент, поэтому после тонкого их измельчения в специальных установках –бегунах в присутствии воды они способны «пробуждаться», т.е. приобретают вяжущие свойства, способствовать затвердевать.

Для крепления горных выработок применяют главным образом тяжелые цементные бетоны класса В12,5 и выше из жестких смесей. Пластичную бетонную смесь применяют в сильно армированных конструкциях крепи, когда усиленным трамбованием можно повредить арматуру. Литую бетонную смесь применяют только при изготовлении центрифугированных железобетонных конструкций крепей.

К специальным видам бетона, применяемым в горном деле, относят водонепроницаемый бетон, торкретбетон и набрызгбетон.

Водонепроницаемый бетон – бетон не пропускающий воду при давлении 0,2 МПа и выше. Водонепроницаемость бетона достигается уменьшением водоцементного отношения, увеличением расхода и тонкости помола цемента, применением специальных (расширяющихся, безусадочных и др.) цементов, введением добавок (уплотняющих, пластифицирующих и др.), применением специальных методов уплотнения и водотепловой обработки.

Торкретбетон – цементно-песчаный раствор. Набрызгбетон в отличие от торкретбетона содержит наряду с мелким также крупный заполнитель. Водоцементное отношение должно сохраняться 0,3-0,4. Отличительными особенностями торкретбетона и набрызгбетона являются способы приготовления бетонной смеси и ее укладки. Предварительно заготовленную в определенном соотношении сухую смесь цемента и заполнителей загружают в специальную пневматическую машину непрерывного действия. При помощи сжатого воздуха под давлением 0,2-0,3 МПа смесь из машины подают по шлангу, оборудованному на конце соплом. Затворение смеси водой происходит в сопле, и она сразу же наносится на поверхность выработки.

Железобетон (бетон армированный металлом) обеспечивает крепи высокую прочность на сжатие и изгиб, огнестойкость, возможность изготовлять конструкции крепи сложной формы.

Разновидностью бетона является армоцемент – мелкозернистый бетон, армированный часто расположенными ткаными сетками с ячейкой до 10 мм из проволоки диаметром 0,8- 1 мм. Заполнитель в этом бетоне имеет крупность зерен не более 2,5- 3 мм, бетонную смесь применяют с осадкой конуса 2-3 см.

Железобетон, в котором арматура предварительно (до укладки бетонной смеси) натягивается с большой силой (до 50-60% предела прочности металла) и после затвердевания бетона опускается, называют предельно напряженным железобетоном. Предварительное натяжение арматуры повышает трещиноустойчивость железобетона, позволяет эффективно использовать в качестве арматуры высокопрочные марки стали (высокопрочную проволоку) и тем самым значительно увеличивать сопротивление железобетонных конструкций изгибающим усилиям. Предварительное напряжение также уменьшает расход арматурной стали и массу конструкций.

В качестве мелкого заполнителя при приготовлении бетона должен использоваться просеянный природный песок. Содержание глинистых, илистых и пылевидных частиц (крупностью менее 0.15 мм) в песке не должно превышать 10%. Для приготовления бетона в качестве крупного и мелкого заполнителя также можно использовать щебень и отсевы дробления, получаемые из пустых пород.

Для сокращения сроков схватывания бетона применяются быстротвердеющие цементы и ускорители твердения, количество которых от массы цемента составляет: хлористый кальций – 3 - 5%, жидкое стекло – 2 – 5%, поташ – 1 – 3 %, хлористый натрий – 2 – 4% и др. Наибольшая эффективность при применении ускоряющих добавок достигается при использовании их совместно с водой затворения на месте производства бетонных работ.

Состав бетона для крепежных работ определяется соотношением 1:А:Б. Это указывает, что на одну весовую часть цемента взято А весовых частей песка и Б весовых частей щебня и гравия. Для крепления горных выработок бетоном применяют следующие составы: 1:1.5:3; 1:2:3; 1:2:4; 1:2:5; набрызгбетоном – 1:3, 1:4 и для установки железобетонных штанг 1:1, 1:2. В последнем случае, применение смесей с содержанием песка меньше, чем цемента или чистого цемента не допускается. Такие смеси при твердении дают усадку, что приводит к снижению сцепления стержня штанги с бетоном.

Расчет составляющих бетона производится по следующим формулам:

цемент = К

песок=К

щебень=К

где К – коэффициент выхода бетона (К=0.6).

Состав бетонной смеси определяется в зависимости от назначения бетонной конструкции, марки цемента, водоцементного отношения и качества инертных заполнителей.

К полимерным крепежным материалам относятся стеклопластики, пластобетон, углепласт, химические составы на базе синтетических смол для закрепления анкеров в шпурах и нагнетательного упрочнения пород. Для затяжек межрамного пространства в последнее время предложены различные синтетические тканевые материалы

Стеклопластики – отвержденные синтетические смолы, армированные стекловолокном в виде стеклонитей, жгутов, холста или стеклоткани. Стекловолокно может применяться как армирующий элемент также в рубленом виде. В стеклопластиках в качестве связующего применяют полиэфирные, фенольные, эпоксидные и другие полимерные смолы. Физико- механические свойства стеклопластиков очень разнообразны и зависят в основном от свойств армирующих волокон и связующих полимеров. Стекловолокнистые материалы обладают большой прочностью на разрыв (1250-2500 МПа), не подвержены гниению, не гигроскопичны и термостойки. Очень тонкие стеклонити (до 16 мк) получают с помощью вытяжки из расплавленной стекломассы. К полимерным связующим предъявляют требования высокой прочности, стойкости против агрессивных вод. Они должны обеспечивать хорошее сцепление с армирующими стекловолокнистыми материалами.

Кроме связующего и армирующего компонентов, в стеклопластик вводят вещества, называемые стабилизаторами. Их назначение – предотвратить старение (ухудшение со временем свойств) пластика при эксплуатации. Могут также применяться в качестве четвертого компонента различного рода наполнители (органического или минерального происхождения). Назначение наполнителей – придать стеклопластикам необходимые свойства и уменьшить их стоимость. Сырьем для получения связующего из полимерных смол являются природные или нефтяные газы и продукты перегонки нефти. Элементы крепи из стеклопластика (стойки, верхняки, затяжки) обычно изготовляют прессованием, но могут также применяться методы литья, способы протяжки и намотки.

Пластобетон – каменный материал, состоящий из отвердевшей синтетической смолы, песка, а также щебня. В качестве связующего применяют фурфурол – ацетоновую, эпоксидную, мочевино- формальдегидную и другие смолы, а также специальные химические добавки (сульфобензокислота, полиэтилен, полнамин и др.). Такой бетон имеет высокую прочность при сжатии (40-70 МПа), растяжении (5-6 МПа) и изгибе (10-20 МПа), отличается значительной коррозионной стойкостью против агрессивных вод и водонепроницаемостью.

Углепласт представляет собой крепежный материал из угольной пластмассы, получаемый горячим прессованием тонкоизмельченного угля с добавкой смолы при давлении 50-60 Мпа и температуре 150-180 С⁰ или холодным отверждением в присутствии бензосульфокислоты. В качестве наполнителя применяют дробленый каменный уголь (с частицами размером до 13 мм), смешанный с древесными опилками. Связующим веществом служит фенолоформальдегидная смола (20% от веса угля и опилок), в которую в качестве пластификатора добавляется олеиновая кислота (2% от массы смолы). Углепласт имеет прочность на сжатие 40-70 МПа, применяется для изготовления элементов крепи в виде колец, тюбингов.

Для закрепления анкеров и смолоиъекционного упрочнения горных пород разработаны и применяются в промышленных масштабах химические составы на основе карбамидо-формальдегидных, эпоксидных, полиэфирных, фенольных и полиуретановых смол.

На многих горнодобывающих предприятиях России для закрепления неустойчивых и мелкозернистых обводненных песков использовались химические растворы на основе карбамидо- формальдегидных смол. В качестве отвердителей применялись щавелевая кислота и хлористый аммоний. Введение в раствор хлористого аммония уменьшило (до санитарных норм) выделение при полимеризации смолы вредного для здоровья людей свободного формальдегида. Прочность мелкозернистых песков, обработанных (упрочненных) указанным химическим раствором, увеличилась при одноосном сжатии до 14 МПа, при изгибе – до 1.2 МПа, а коэффициент фильтрации снизился в несколько сот раз.

Химические растворы на основе эпоксидных смол, упрочняющие породы и закрепляющие анкеры в скважинах, обладают высокими прочностными свойствами, но из-за высокой стоимости широкого распространения не получили. Полиэфирные, формальдегидные и полиуретановые смолы обладают меньшими по сравнению с растворами на эпоксидных смолах прочностными свойствами, но значительно дешевле и поэтому получили большее применение в горном деле. В настоящее время около 25-30% используемых типов штанг составляют анкеры со сплошным закреплением химическими составами на основе синтетических смол, которые обеспечивают быстрое вступление крепи в работу, что особенно важно при креплении выработок в условиях динамических проявлений горного давления или действия сейсмовзрывных нагрузок.

Определенный практический опыт по химическому закреплению анкеров в шпурах на основе карбамидо-формальдегидных и эпоксидных смол, также смолоинъекционному упрочнению приконтурного массива горных выработок накоплен и на подземных рудниках ОАО «Апатит». Но в силу ряда организационных и экономических причин они не получили широкого распространения.

Недостаток всех перечисленных полимерных смол – наличие вредных веществ (свободного формальдегида и др.), что требует соблюдения особых мер предосторожности, а в шахтных условиях и увеличения расходов на проветривание выработок, в которых эти смолы применяют. Вспенивающиеся полиуретановые системы менее безопасны в работе и увеличиваются в объема после окончания процесса твердения в несколько раз по сравнению с начальным объемом. Но высокая стоимость этих смол сдерживает их широкое применение для крепления горных выработок.

Дата добавления: 2014-01-20