Торкрет-смеси МБВ и опыт их применения при креплении подземных горных выработок

Манин Ю.А.¹, Мельников А.Е.²

ООО «Торговый дом «Кварц» — дилер карьера «Гора Хрустальная»¹

ЗАО Карьер «Гора Хрустальная»²

Аннотация. Дано описание результатов опытно-промышленных испытаний смесей для сухого торкретирования марки МБВ в условиях Сафьяновского подземного рудника.

Shotcrete mixtures MBV and the experience of their application for mount of mine workings.

Manin Yury Anatolievich¹

Melnikov Aleksandr Evgenievich²

OOO Torgovy dom “Kvarts”¹

ZAO Quarry “Gora Khrustalnaya”²

Annotation. A description of the results of pilot industrial tests of mixtures for dry shotcrete MBV in the conditions of the Safianovskoye underground mine is given.

 

Крепление горных выработок и поддержание их в рабочем состоянии в период строительства и эксплуатации шахт, тоннелей и подземных сооружений является одним из основных и очень важных производственных процессов.

В настоящее время быстрыми темпами развивается способ крепления горных выработок набрызг-бетоном (торкрет-бетоном), который предусматривает нанесение слоя бетонной смеси на поверхность выработки посредством направленного потока сжатого воздуха. Развитие этого способа неслучайно, так как набрызг-бетон обладает внушительным рядом преимуществ.

В рамках данной статьи невозможно перечислить полный список преимуществ данного способа крепления, поэтому ниже приводятся только основные:

• набрызг-бетонная (торкрет-бетонная) крепь обладает универсальной конструкцией, может быть использована и в качестве временной и в качестве постоянной крепи, как самостоятельно, так и в сочетании с анкерами и арматурной сеткой;

• позволяет уменьшить сечение выработки и объем проходческих работ, благодаря уменьшению толщины крепи;

• слой набрызг-бетона работает в единой системе с породой, образуя конструкцию высокой грузонесущей способности;

• даже небольшой слой набрызг-бетона надежно предохраняет горные породы от разрушения внешними агентами (в основном, от воздействия кислорода), в результате чего породы сохраняют свои свойства неизмененными на длительный срок. В обычных условиях прочность пород с течением времени может падать до 60-70% от первоначальной прочности;

• высокий уровень механизации процесса крепления обеспечивает увеличение производительности труда проходчиков-крепильщиков в 2-3 раза.

Дальнейшему развитию набрызг-бетонирования способствует и появление в последние годы новых материалов строительной химии. Современные химические добавки позволяют существенно расширить диапазон регулирования характеристик бетонов, таких как скорости набора прочности, водонепроницаемость, химическая стойкость, прочность сцепления с поверхностью и другие. Бетоны с улучшенными характеристиками менее подвержены отрицательному воздействию агрессивной шахтной среды, не отслаиваются от контуров выработок и обеспечивают надёжность и долговечность горных конструкций.

Необходимо отметить, что основными параметрами, наиболее существенно влияющими на физико-механические свойства набрызг-бетона, являются:

-водоцементное отношение (В/Ц);

-количество цемента в смеси;

-гранулометрический состав заполнителя, соотношение между мелким (зерна размером до 2,5 мм) и крупным заполнителем (размер зёрен выше 2,5 мм);

-наличие функциональных добавок.

Эти же самые параметры определяют и наиболее существенный изъян в торкретировании – безвозвратные потери на отскок. Установлено, что величина отскока снижается с уменьшением размера частиц заполнителя и увеличением содержания цемента. Оптимум водоцементного отношения определён на уровне 0,4-0,5.

Именно вследствие важности точного соотношения компонентов бетона для получения требуемых характеристик крепи, они должны дозироваться в заводских условиях. Не «на глазок».

На рисунке 1 показана зависимость прочности набрызг-бетона и количества отскока от водоцементного отношения (В/Ц)

Рисунок 1

 

Существует два способа возведения торкрет-бетонной крепи:

«Мокрый» — предварительно затворённый водой бетон нагнетается по шлангу насосом к соплу. В сопло подаётся сжатый воздух, который обеспечивает набрызгивание бетона на поверхность выработки. Для придания бетону тиксотропных свойств в сопло также подаётся специальная добавка. «Мокрый» способ обладает таким преимуществом как отсутствие пыли, что очень важно в условиях закрытых пространств (таких как горная выработка).

«Сухой» — цемент и инертные заполнители (песок, щебень) перемешиваются без воды и загружаются в машину для сухого торкретирования. Сухая смесь сжатым воздухом по шлангу транспортируется от машины в сопло-смеситель, куда по другому шлангу поступает вода. Смоченная водой смесь из сопла накидывается на поверхность породы. Длина сопла небольшая, поэтому полного перемешивания смеси с водой не происходит, что приводит к выбросу пыли в процессе работ. Существуют различные способы пылеподавления

- конструкция и длина сопла;

- схема подачи воды;

- добавки в смесь, ускоряющие смачивание мелких частиц

Однако все эти меры позволяют только снизить количество пыли, но не избежать её образования в рабочем пространстве полностью. Поэтому крайне важно применение крепильщиками индивидуальных средств защиты органов дыхания.

Шахты Урала в своей практике применяют оба способа набрызг-бетонирования.

При больших единовременных объёмах крепления, когда важна высокая производительность, используются специализированные комплексы «мокрого» набрызг-бетонирования (например Spraymec).

Однако горно-геологические условия часто требуют выполнять крепление по мере проходки, когда площадь незакреплённой поверхности невелика. Есть также выработки, которые по своей конструкции и назначению имеют небольшую площадь поверхности. В таких случаях высокопроизводительные комплексы неэффективны и их с успехом заменяют более мобильные машины сухого торкретирования.

ЗАО Карьер «Гора Хрустальная» специализируется на разработке месторождения жильного молочно-белого кварца под названием «Гора Хрустальная». Основная продукция карьера – кусковой и фракционированный кварц, кварцевая мука. С 2004 года на предприятии начал работу цех по производству сухих строительных смесей, в ассортименте которых есть смеси для сухого торкретирования марки МБВ. Смеси МБВ более 10 лет успешно применяются в строительстве, для ремонта железобетонных и кирпичных дымовых труб, гидротехнических сооружений. Применение современных добавок качественно снизили показатели отскока при сухом способе торкретирования, ускорили время твердения. Тиксотропные и адгезионные характеристики наиболее дорогих типов МБВ позволяют наносить слой до 20 см за один проход на вертикальных поверхностях и до 10 см на потолочных при отскоке не превышающем 2-3%.

В 2012 году смеси МБВ были предложены горным предприятиям для крепления горных выработок. В ходе контактов со специалистами Сафьяновского подземного рудника (УГМК), выполнения пробного крепления была специально разработана смесь МБВ 410. Подбор рецептуры смеси осуществлялся с учётом повышенных требований по отскоку и запыленности, требований горного строительства по прочности, водонепроницаемости, адгезионной эффективности, тиксотропности. Динамика схватывания и набора прочности бетона должна была быть минимальной, чтобы не задерживать проходку с применением взрывных работ. Именно взрывные работы часто разрушали набрызг-бетон и вынуждали выполнять крепление повторно.

В составе смеси:

1. Вяжущее – портландцемент бездобавочный ПЦ500Д0 (СЕМ I 42,5Н), наиболее качественный портландцемент производства ОАО «Сухоложцемент»;

2. Заполнитель – чистый кварцевый песок, дроблённый, фракции -2,5 мм. В ходе пробных работ максимальная крупность песка была снижена до 2,5 мм с целью существенного снижения отскока;

3. Полимерные функциональные добавки, способствующие быстрому смачиванию смеси и снижению запылённости. Одновременно, полимерные добавки помогают контролировать водоцементное отношение на уровне 0,4-0,5. Если в торкрет-смесь поступает излишек воды, то набрызганный слой начинает блестеть, сигнализируя об избытке воды.

4. Тиксотропная добавка, способствующая сохранению тиксотропных свойств бетона при колебаниях в подаче воды. Смесь может быть нанесена толщиной до 10см за один проход. Одновременно также снижает отскок.

5. Ускоритель твердения для ускоренного набора прочности в первые сутки после нанесения набрызг-бетона.

В конце 2014 года были проведены опытно-промышленные испытания (ОПИ) смеси в условиях Сафьяновского подземного рудника. Научное сопровождение работ осуществляла компания «Маггеоэксперт» г.Магнитогорск (профессор Калмыков В.Н.)

Сафьяновский рудник в своей практике применял как мокрый, так и сухой способ набрызгбетонирования. Отскок как по мокрому, так и по сухому процессу составлял 30%.

Бетон для мокрого способа изготавливался на бетоносмесительной установке в Екатеринбурге и доставлялся на рудник автотранспортом (100 км). Нанесение бетона на поверхность выработки осуществлялось комплексом Spraymec (на момент ОПИ Spraymec был законсервирован).

Приготовление смеси для сухого способа осуществлялось на месте работ в шахте перемешиванием цемента ПЦ400 и отсева вручную, что абсолютно не гарантировало качество получаемого бетона. Торкретирование вели три бригады на машинах сухого способа Aliva. Численность каждой бригады три человека. Один крепильщик осуществлял перемешивание компонентов, второй грузил смесь в машину, третий торкретировал. Нормативная толщина набрызга в зависимости от показателя устойчивости скального массива составляла 8 см, 5 см, 3 см. Бетон, получаемый в ходе ручного замеса, можно было нанести слоем не более 1,5-2 см. При большей толщине бетон стекал по поверхности. Поэтому крепильщики вынуждены возвращаться, чтобы доводить толщину крепи до нормативной толщины за 2-6 раз.

 

Лабораторные испытания компании «Маггеоэксперт»

 

Опытно-промышленные испытания предусматривали лабораторные исследования, в ходе которых определялись сроки схватывания цементного теста по ГОСТ 310.3-76, а также прочностные характеристики – предел прочности при изгибе и сжатии на образцах по ГОСТ 10180-90. Результаты приведены в таблицах 1 и 2.

 

Таблица 1 – Результаты испытаний образцов — балочек из материала МБВ 410 на изгиб по ГОСТ 310.4-81

Период испытаний, сут.	Испытание образцов на изгиб, МПа
	Номер образца			среднее значение
	1	2	3
1	2,25	1,55	1,57	1,79
3	3,89	3,35	3,42	3,55
7	5,46	5,44	5,67	5,52
14	6,82	7,29	6,4	6,84
28	7,3	8,7	7,4	7,8

Прочность на изгиб на 28 сутки в размере 7,8 МПа в 6,5 раз превышает прочность на изгиб бетона, приготовленного с использованием цемента ПЦ400 и отсева.

Таблица 2 – Результаты испытаний предела прочности при сжатии образцов из материала МБВ 410 по ГОСТ 10180-90

Период испытаний, сут.	Предел прочности при сжатии образцов, МПа
	Номер образца			среднее значение
	1	2	3
1	3,21	3,3	3,56	3,43
3	10,74	11,13	12,18	11,66
7	15,07	15,09	17,35	16,22
14	19,5	20,12	22,55	21,34
28	23,1	24,2	28,3	25,2

Из приведенной таблицы следует, что прочностные показатели материала МБВ 410 на сжатие при лабораторных испытаниях получились равными на 28 сутки 25,2, что соответствует классу бетона B 20.

Опытно-промышленные испытания

В ходе проведения ОПИ оценивались качество нанесения покрытия, величина сцепления материала МБВ 410 с контурами выработок, исследовались прочностные характеристики материала на сжатие и изгиб.

По Программе–методике, согласованной с техническим руководством ООО ТД «Кварц» и рассмотренной техническим руководством подземного рудника АО «Сафьяновская медь» проведены промышленные испытания на участке Кольцевой штрек гор. -120 м.

Для определения величины сцепления материала МБВ 410 с контурами выработок 02.12.14 было установлено 3 приспособления – рамки согласно программе–методике. 03.12.14 г. произведены замеры усилий отрыва материала от контуров выработки с использованием динамометрического ключа (рис. 2).

 

а)     б)   

 

Рисунок 2 — Фото этапов проведения опытно-промышленных испытаний: а — нанесение состава на рамки; б –испытания материала на отрыв от контуров выработки с использованием динамометрического ключа

 

При испытаниях сцепления раствора на участке с устойчивостью пород IIIб наблюдался отрыв материала МБВ 410 от контура выработки при приложении нагрузки в 3,15 МПа. Согласно п.п. 3.71. ВСН 126-90 ведение взрывных работ в непосредственной близости от покрытия из набрызгбетона допускается при наборе им прочности на отрыв не менее 1 МПа.

Визуальным наблюдением установили, что состояние горных выработок удовлетворительное.

Согласно ВСН 126-90 путём набрызга материалом МБВ 410 заполнены деревянные ящики с размерами 500х500х120. Затем полученные плиты распиливали на образцы кубической формы со стороной ребра 100мм для определения прочности на сжатие и образцы с размерами 40х40х160 мм для определения предела прочности на изгиб на 7-е и 20-е сутки. Результаты испытаний приведены в таблицах 3 и 4.

Таблица 3 – Результаты испытаний образцов на изгиб из материала МБВ 410

Период испытаний, сут.	Прочность на изгиб, МПа
	Номер образца			среднее значение
	1	2	3
7	5,58	7,2	6,82	6,53
20	7,88	8,11	7,83	7,94
28	8,9	9,1	8,7	8,9

Таблица 4 – Результаты испытаний предела прочности при сжатии образцов из материала МБВ 410

Период испытаний, сут.	Прочность на сжатие, МПа
	Номер образца			среднее значение
	1	2	3
7	18,72	28,03	21,38	24,7
20	27,84	28,03	33,82	30,92
28	31,7	33,4	36,6	33,9

Прочностные показатели материала МБВ 410 на сжатие получились равными на 28 сутки 33,9 МПа, что соответствует классу бетона В25.

Таким образом, при проведении опытно–промышленных испытаний (ОПИ) определены следующие характеристики цементного покрытия из материала МБВ 410:

- сцепление 3,15 МПа;

- предел прочности на изгиб 8,9 МПа;

- предел прочности на сжатие 33,9 МПа.

Учитывая прочностные показатели, расход МБВ 410 на устройство бетонной крепи можно снизить в 2,5 раза по сравнению с количеством бетона из цемента ПЦ400 и отсева, приготовленного «самозамесом» и идущего на изготовление набрызгбетонной крепи той же прочности.

Таблица 5 – Эквивалентная толщина набрызг-бетонной крепи согласно прочностным характеристикам материалов

Толщина набрызг-бетонной крепи из цемента ПЦ400 и отсева, «самозамес», см	1	2	3	4	5	6	7	8
Толщина набрызг-бетонной крепи МБВ 410, см	0,37	0,73	1,10	1,47	1,84	2,20	2,57	2,94

Экономическая оценка крепления горных выработок материалом МБВ 410

Главным преимуществом применения готовой смеси сухого торкретирования в сравнении с вариантом приготовления состава на месте работ является гарантированное качество бетона и, соответственно, крепи горной выработки. Никаких гарантий получения бетона с требуемыми характеристиками в случае «самозамеса» нет.

Но, кроме того, что готовая смесь гарантирует безопасность, она экономически целесообразна.

1. Отскок в размере 30% определяет не просто потерю 1/3 материала. Величина отскока определяет дополнительные расходы ( как материальные, так и людские ) на транспортировку материала к месту работ, его замешивание, загрузку в торкрет-машину и нанесение на поверхность выработки.

2. Снижение толщины крепи – это также сокращение затрат на транспортировку, загрузку и нанесение. Суммарно снижение потерь на отскок и уменьшение толщины крепи позволяют Сафьяновской меди более чем в два раза сократить количество спускаемого в шахту материала.

3. Исключение операции замешивания материала на месте работ высвобождает одного работника из трёх, что на 1/3 снижает расходы по статье «Заработная плата».

4. Производительность бригад в составе двух крепильщиков растёт за счет того, что им в два раза меньше надо пропустить через машину материала и не надо ждать, когда будет приготовлена смесь. Из трёх бригад необходимо оставить две.

По результатам опытно-промышленных испытаний был подготовлен отчёт, в котором отражены полученные результаты и была дана рекомендация о проведении крупномасштабных работ в условиях Сафьяновского или других подземных рудников. Исходя из полученных прочностных характеристик МБВ 410 утверждено «Дополнение к Инструкции по креплению и поддержанию капитальных, подготовительных, нарезных и разведочных выработок Сафьяновского подземного рудника». Дополнение разрешало уменьшить толщину крепи в случае применения МБВ 410 с 8 см до 5-6 см, с 5 см до 3-4 см, с 3 см до 1-2 см.

В течение 2015 и 2016 годов осуществлялись промышленные поставки смеси МБВ 410 на Сафьяновский подземный рудник. В марте 2018 года комиссией рудника с участием представителя ТД «Кварц» проведён визуальный осмотр выработок, покрытых набрызгбетоном МБВ 410. Отмечено хорошее состояние крепи. Замеры прочности бетона дали результаты от 63 до 66 МПа, что соответствует классу прочности В45 и В50.