CC BY
6
9. Dolzhikov P., Semiriagin S. Investigation and technical decisions of the mining and ecological problems while closing coal mining // Progres-sive Technologies of Coal, Coalbed Methane and Ores Mining. Leiden, Neth-erlandes: CRS Press / Balkema, 2014. pp. 147-151.
10. Sergienko R. N., Dmitrieva L. N. The closure of mines is one of the factors of changing the state of the geological environment // Collection of scientific tr. "Problems of mining and ecology of mining production". Donetsk: Nord-Press, 2007. pp. 169-172.
11. Dolzhikov P. N., Kipko A. E., Dolzhikov Yu. P. Hydroactivation of rock mass deformations during mine closure: monograph. Dnepropetrovsk: Journalfond, 2015. 216 p.
12. Ermakov V. N., Semenov A. P., Ulitsky O. A. The development of processes of flooding of the Earth's surface under the influence of closing mines // Coal of Ukraine. 2001. No. 6. pp. 12-14.
13. Technogenic consequences of the closure of coal mines in Ukraine: a monograph / edited by Yu. N. Gavrilenko, V. N. Ermakov. Donetsk: Nord-press, 2004. 631 p.
14. Shashenko A. N., Markheychik T., Sdvizhkova E. A. Geomechanical processes in rock massifs: monograph. Dnepropetrovsk: NSU, 2005. 319 p.
УДК 622.02:531
УПРАВЛЕНИЕ СВОЙСТВАМИ ЗАКЛАДОЧНЫХ КОМПОЗИТОВ
О.В. Ермолович, Е.А. Ермолович
Исследовано влияние суперпластификатора Б1ка ViscoCrete-10 на водопотреб-ность цементного теста и прочность закладочных композитов с водой шахтного водоотлива в составе. При введении 0,6 % суперпластификатора от массы вяжущего в композиции с мелким и комбинированным заполнителями наблюдается прирост прочности образцов при сжатии. Предел прочности увеличивается на 300 и более 600 % для композитов на комбинированном и мелком заполнителях соответственно. Получены зависимости относительных изменений предела прочности при сжатии от содержания цемента с коэффициентом детерминации 0,96 - 0,98.
Ключевые слова: суперпластификатор, закладочные композиты, предел прочности при сжатии, песок, дробленый щебень, вода шахтного водоотлива
Управлять свойствами закладочных массивов возможно повышая активность компонентов твердеющих композиций путем механического, химического, физического и энергетического воздействия, а также конструированием смеси [1 - 2].
Одним из наиболее перспективных направлений повышения эффективности изготовления композиционных материалов на основе цемента и улучшения их эксплуатационных свойств является применение химических добавок. Введение их, даже в небольших количествах, значительно влияет на процессы гидратации цементных частиц и формирование структуры цементного камня, позволяет активно воздействовать на свойства растворов и бетонов в требуемом направлении [3].
Среди многочисленных добавок, применяемых в технологии закладочных работ, наибольшее значение имеют пластифицирующие добавки, позволяющие значительно снизить водопотребность и расход цемента, увеличить подвижность смеси, а также улучшить физико-механические характеристики закладочного массива и его несущую способность.
Исследованию влияния суперпластификаторов на свойства цементного камня и бетона посвящено много работ, как в зарубежной, так и российской строительной и горной практике [4 - 10].
Тем не менее, для решения задач управления свойствами закладочных композитов конкретного состава необходимо проводить дополнительные исследования.
Цель данной работы - установление закономерностей относительных изменений прочностных свойств закладочных материалов различного состава, содержащих воду шахтного водоотлива, при введении пластифицирующей довкию
Составы закладочных композитов включали следующие материалы.
В качестве вяжущего применялся портландцемент ЦЕМ I 42,5Н.
Для затворения опытных составов закладочной смеси в данной работе использовалась вода шахного водоотлива.
Химический состав воды шахтного водоотлива на момент приготовления композитов приведен в табл. 1.
Таблица 1
Химический состав воды
Водородный показатель (рН) 8,04
Хлориды, мг/л 2107,9
Сульфаты, мг/л 2,0
Кальций, мг/л 126,47
Магний, г/л 30,29
Железо общее, мг/л 0,23
Гидрокарбонаты, мг/л 0,09
Нефтепродукты, мг/л 0,3
Азот мг/л 12,9
Фтор, мг/л 7,86
Сухой остаток, мг/л 41199,8
Жесткость общая, мг-экв/л 8,84
ХПК, мгО2/л 20,23
В качестве пластифицирующей добавки применяли суперпластификатора Sika ViscoCrete-10, который действует посредством нескольких различных механизмов, включая поверхностную адсорбцию и стерические эффекты разделения частиц цементного вяжущего.
Достигаются следующие полезные свойства:
- Высокое снижение содержания воды, что приводит к высокой плотности, высокой прочности и пониженной проницаемости.
- Превосходный пластифицирующий эффект, приводящий к улучшению характеристики текучести, укладки и уплотнения.
- Снижение усадки во время отверждения и уменьшение ползучести, когда затвердеет.
- Не содержит хлориды или какие-либо другие ингредиенты, которые способствуют коррозии металла. Поэтому он пригоден для использования в армированных и предварительно напряженных железобетонных конструкциях.
В качестве заполнителей в составы закладочных композитов входили песок и дробленый кварцевый щебень.
Гранулометрический состав песка приведен в табл. 2.
Таблица 2
Гранулометрический состав песка
Фракции, мм
>2 1-2 0,71-1 0,5-0,71 0,2-0,5 0,14-0,2 0,0710,14 0,0450,071 <0,045
1,12 0,95 0,60 3,35 63,56 17,10 2,84 7,22 3,26
Гранулометрический состав дробленого щебня приведен в табл. 3.
Таблица 3
Гранулометрический состав дробленого щебня
Фракции, мм
>2 1-2 0,71-1 0,5-0,71 0,2-0,5 0,14-0,2 0,071-0,14 <0,071
59,5 8,7 3,6 4,1 7,4 4,8 7,6 4,3
Существующие составы закладочных смесей характеризуются повышенным расходом воды (400...500 л/м3). Это связано с тем, что смеси необходимо придать высокую подвижность и транспортабельность для доставки на большие расстояния трубопроводным транспортом и растекания в выработанном пространстве. Но, с другой стороны, повышенный расход воды существенно снижает прочность закладки. Поэтому основным путем упрочнения закладки следует считать снижение водосодержания смеси при сохранении ее подвижности и транспортабельности [11].
Для выбора оптимального дозирования добавки была установлена закономерность относительного изменения водопотребления (содержания
воды) от содержания пластификатора (рис. 1), которая хорошо аппроксимируется степенной функцией с коэффициентами детерминации R2 =0,974:
V = 86,72С" °'03, (1)
где V - относительные изменения содержание воды, %; С - содержание пластификатора, % от цемента.
Введение пластификатора варьировалось от 0 до 2 % от массы цемента. При установлении зависимости за нулевое содержание пластификатора принималось значение 0,0001 %.
Каждая точка на графиках данных и последующих зависимостей получена, как среднее из 3 измерений.
Рис. 1. График зависимости относительных изменений водопотребления закладочной смеси от содержания пластификатора
Анализ полученной зависимости показал, что введение добавки приводит к снижению водопотребности цементного теста на 13... 14 % при содержании от 0,6 до 2 % от цемента при сохранении угла растекания смеси 3.3,5°. При увеличении дозирования более 0,6 % уменьшение расхода воды незначительно (1 %). При установлении зависимостей прочностных характеристик составов от содержания цемента дозирование пластификатора составило 0,6 %.
Для определения влияния добавки на прочность бетона из равнопо-движных закладочных смесей готовились образцы - кубы размером 70^70x70 мм. Первая серия изготавливалась из песка, цемента и воды без пластификатора. Вторая серия, кроме перечисленных компонентов, содержала пластификатор в количестве 0,6 % от цемента. Прочность образцов бетона на сжатие определяли в возрасте 28 суток нормального твердения.
Полученные относительные изменения предела прочности при сжатии от содержания цемента хорошо аппроксимируются степенными функциями для первой и второй серий соответственно:
а сж = 1821Д1Ц159; (2)
а сж = 3387,63ц1'65, (3)
где осж - относительные изменения предела прочности при сжатии, %; Ц -содержание цемента, т/м3.
Коэффициенты детерминации Я2 =0,98 и 0,96 для составов без пластификатора и с пластификатором соответственно.
График полученных зависимостей приведен на рис. 2.
Рис. 3. График зависимости относительных изменений предела прочности при сжатии закладочных композитов (заполнитель - песок) от содержания цемента: 1 - без пластификатора; 2 - с пластификатором
По полученным результатам исследований было установлено, что даже при минимальном расходе цемента (150 кг/м3) прочность композитов с песком и цементом в составе увеличивается на 80 % при введении суперпластификатора. При этом при увеличении содержания цемента увеличивается и прирост прочности, достигая 673 % при расходе цемента 500
кг/м3.
Несколько иная картина наблюдается при замене части песка (более 30 %) дробленым щебнем. Максимальный прирост прочности композитов составляет 300 % при содержании цемента 450 кг/м3, уменьшаясь до 200 %
при увеличении расхода цемента до 550 кг/м3, и до 20 % при минимуме цемента 150 кг/м3.
Полученные относительные изменения предела прочности при сжатии от содержания цемента также аппроксимируются степенными функциями для третьей (заполнители - песок и дробленый щебень) и четвертой (заполнители те же плюс суперпластификатор) серий соответственно:
а сж = 9532,13Ц 222; (4)
а сж = 8776,71Ц 2'26. (5)
Коэффициенты детерминации R2 =0,99 для обоих составов. График полученных зависимостей приведен на рис. 3.
Рис. 2. График зависимости относительных изменений предела прочности при сжатии закладочных композитов (заполнители - песок, дробленый щебень) от содержания цемента: 1 - без пластификатора; 2 - с пластификатором
Анализ полученных зависимостей подтверждает, что применение суперпластификатора Sika ViscoCrete-10 в количестве 0,6 % от цемента позволяет снизить водопотребность цементного теста, что в конечном итоге приводит к увеличению прочности композитов с мелким и крупным заполнителями. Эффективность суперпластификатора выше для мелкого заполнителя, чем для смеси песка и дробленого щебня. Однако и для комбинированного заполнителя предел прочности при сжатии увеличивается от 20 до 300 % в зависимости от количества цемента. В соответствии с назначением составов применение суперпластификатора обеспечивает достижение прочности от 4,6 до 14 МПа и от 7 до 20 МПа при содержании
цемента 300...500 кг/м3 для мелкого и комбинированного заполнителей соответственно. Выполненные исследования позволят проектировать эффективные твердеющие составы и управлять свойствами закладочных композитов.
Список литературы
1. Принципы и экономическая эффективность комбинирования технологий добычи руд / В.И.Голик, Ю.И. Разоренов, С.Г.Страданченко, З.М. Хашева // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2015.Т. 326. № 7. С. 6-14.
2. Khasheva Z.M., Golik V.I. The ways of recovery in economy of the depressed mining enterprises of the Russian caucasus // International Business Management. 2015. Vol. 9. Iss. 6. P. 1210-1216. DOI: 10.36478/ibm.2015. 1210.1216.
3. Пластифицированные цементы, растворы и бетоны [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.netoskop.ru/theme/2001/ 06/21/2662.html, свободный. - (дата обращения: 25.12.2023).
4. Tarakanov О., Belyakova Е. The Influence of Plasticizers on the Composition of Cement Stone Hydration Products // Advances in Engineer-ingResearch. 2016. Vol. 93. Р. 186-191.
5. Дружинкин С.В., Немыкина Д.А., Краснова Е.А. Влияние супер-пластифицирующих добавок на прочность бетона // Инженерный вестник Дона. 2018. №2. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n2y2018/5006/.
6. О влиянии суперпластификаторов и минеральных добавок на пористость цементного камня / Г.В. Несветаев [и др.] // Новые технологии. 2012. №4. С. 122-125.
7. Тараканов О.В., Белякова Е.А. Влияние суперпластификаторов на пластичность цементных и минеральных паст // Технологии бетонов. 2013. №2. С. 18-20.
8. Shah S N R., Aslam М, Oad R. Behaviour of Normal Concrete Using Superplasticizer under Different Curing Regimes // Pak. J. Engg. & Appl. Sci. 2014. Vol. 15. Р. 87-94.
9. Монтянова А.Н., Гаркави М.С., Косова Н.С. Специфические особенности и эффективность применения добавок в закладочных смесях // ГИАБ. 2009. № 9. С. 287-295.
10. Технология закладочных работ на горнодобывающих предприятиях республики Казахстан / Л. А. Крупник, Ю. Н. Шапошник, С. Н. Ша-пошник, А. К. Турсунбаева // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2013. № 1. С. 95-105.
11. Крупник Л.А., Агапова Н.П., Абдикалыкова Р.С. Улучшение реологических характеристик твердеющих закладочных смесей и упрочне-
ние закладочных массивов добавкой поверхностно-активных веществ // Вестник КазНТУ. 2011. № 2. С. 10-14.
Ермолович Олег Вячеславович, асп., [email protected], Россия, Белгород, Белгородский государственный национальный исследовательский университет,
Ермолович Елена Ахмедовна, д-р техн. наук, проф. elena.ermolovichamail.ru, Россия, Белгород, Белгородский государственный национальный исследовательский университет
MANAGEMENT OF BACKFILLING COMPOSITES PROPERTIES O.V. Ermolovich, E.A. Ermolovich
The influence of the superplasticizer Sika ViscoCrete-10 on the water requirement of cement paste and the strength of backfilling composites with mine drainage water in the composition is studied. With the introduction of 0.6% superplasticizer by weight of the binder in a composition with fine and combined aggregates, an increase in the compressive strength of the samples is observed. The compressive strength increases by 300% and more than 600% for composites with mixed and fine aggregates, respectively. Relative changes of compressive strength dependences from cement content with a determination coefficient of 0,96-0,98 is obtained.
Key words: superplasticizer, backfilling composites, compressive strength, sand, crushed stone, mine drainage water
Ermolovich Oleg Vjacheslavovich, postgraduate, [email protected], Russia, Belgorod, Belgorod National Research University
Ermolovich Elena Akhmedovna, doctor of technical sciences, professor, professor, [email protected], Russia, Belgorod, Belgorod National Research University
Reference
1. Principles and economic efficiency of combining ore mining technologies / V.I.Golik, Yu.I. Razorenov, S.G.Stradanchenko, Z.M. Khasheva // Proceedings of Tomsk Polytechnic University. Georesource engineering. 2015.T. 326. No. 7. pp. 6-14.
2. Khasheva Z.M., Golik V.I. The ways of recovery in economy of the depressed mining enterprises of the Russian caucasus // International Business Management. 2015. Vol. 9. Iss. 6. P. 1210-1216. DOI: 10.36478/ibm.2015.1210.1216.
3. Plasticized cements, mortars and concretes [Electronic resource]. - Access mode: http://www.netoskop.ru/theme/2001 / 06/21/2662.html , free. - (date of application: 12/25/2023).
4. Tarakanov O., Belyakova E. The Influence of Plasticizers on the Composition of Cement Stone Hydration Products // Advances in Engineer-ingResearch. 2016. Vol. 93. pp. 186-191.
5. Druzhinkin S.V., Nemykina D.A., Krasnova E.A. The effect of su-perplasticizing additives on the strength of concrete // Engineering Bulletin of the Don. 2018. №2. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n2y2018/5006/.
6. On the effect of superplasticizers and mineral additives on the porosity of cement stone / G.V. Nesvetaev [et al.] // New technologies. 2012. No.4. pp. 122-125.
7. Tarakanov O.V., Belyakova E.A. The effect of superplasticizers on the plasticity of cement and mineral pastes // Concrete technologies. 2013. No.2. pp. 18-20.
8. Shah S N R., Aslam M, Oad R. Behavior of Normal Concrete Us-ing Superplasti-cizer under Different Curing Regimes // Pak. J. Engg. & Appl. Sci., 2014. Vol. 15. Pp. 87-94.
9. Montyanova A.N., Garkavi M.S., Kosova N.S. Specific features and effectiveness of additives in laying mixtures // GIAB. 2009. No. 9. pp. 287-295.
10. Technology of laying works at mining enterprises of the Republic of Kazakhstan / L. A. Krupnik, Yu. N. Shaposhnik, S. N. Shaposhnik, A. K. Tursunbayeva // Physico-technical problems of mining. 2013. No. 1. pp. 95-105.
11. Krupnik L.A., Agapova N.P., Abdikalikova R.S. Improvement of rheological characteristics of hardening filler mixtures and hardening of filler arrays with the addition of surfactants // Bulletin of KazNTU. 2011. No. 2. pp. 10-14.
УДК 622.272:622.831
МОДЕЛИРОВАНИЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ СКВАЖИННОЙ ДОБЫЧИ МЕТАНА ИЗ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА
В.Н. Одинцев, Н.А. Милетенко, Е.В. Федоров
Эффективность добычи метана из метаноугольных месторождений обусловлена во многом природными (геологическими и геомеханическими) факторами, которые влияют на условия десорбции и выхода метана из угольного пласта. Моделируются геомеханические условия аномально высокой метаноотдачи пласта, обусловленной высокой техногенной проницаемостью угольного пласта вблизи скважины. Новизна исследований состоит в учете усадки угольного вещества при десорбции связанного метана. Показано, что усадка угля может приводить к образованию открытых магистральных трещин, которые изменяют напряженно- деформированное состояние пласта и могут быть причиной его высокой метаноотдачи.
Ключевые слова: метаноугольные месторождения, десорбция, техногенная проницаемость, магистральные трещины, напряженно- деформированное состояние.
Введение
Освоение земных недр с помощью скважинной геотехнологии определяет важное направление исследований в горной науке и практике [1, 2]. Скважинная добыча метана из угольных пластов входит в круг особых интересов. Эта тематика обусловлена не только экономическими [3, 4], но и экологическими проблемами современного общества, поскольку скважинная добыча снижает поступление метана в атмосферу из угольных пластов [5]. Более того, опережающая добыча метана может обеспечить последующую метанобезопасную подземную угледобычу [6] без пожаров и взрывов метана в шахтах.
Однако добыча метана из угольных пластов связана с рядом научно-технических проблем. Одной из них является непонимание причин сильного различия продуктивности добычных скважин при условно рав-
