Исследование реологических свойств тампонажных растворов на основе шахтных пород
Исследована возможность использования шахтных пород в качестве мелкого заполнителя для тампонажных растворов. Подобраны их рациональные составы на основе углевмещающих пород Западного Донбасса. Определены реологические свойства тампонажных растворов. Получены зависимости нарастания во времени пласти...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Розробка родовищ |
|---|---|
| Datum: | 2015 |
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
УкрНДМІ НАН України, Інститут геотехнічної механіки НАН України
2015
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/104661 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Исследование реологических свойств тампонажных растворов на основе шахтных пород / В.С. Гарку // Розробка родовищ: Зб. наук. пр. — 2015. — Т. 9. — С. 389-394. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-104661 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Гаркуша, В.С. 2016-07-13T10:13:43Z 2016-07-13T10:13:43Z 2015 Исследование реологических свойств тампонажных растворов на основе шахтных пород / В.С. Гарку // Розробка родовищ: Зб. наук. пр. — 2015. — Т. 9. — С. 389-394. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 2415-3435 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/104661 622.257.1 Исследована возможность использования шахтных пород в качестве мелкого заполнителя для тампонажных растворов. Подобраны их рациональные составы на основе углевмещающих пород Западного Донбасса. Определены реологические свойства тампонажных растворов. Получены зависимости нарастания во времени пластической прочности тампонажных растворов в чистом виде и с добавкой жидкого стекла. Даны рекомендации относительно оптимального количества жидкого стекла в составе тампонажных растворов. Досліджено можливість використання шахтних порід як дрібний заповнювач для тампонажних розчинів. Підібрано їх раціональні співвідношення на основі вугмевміщуючих порід Західного Донбасу. Визначено реологічні властивості тампонажних розчинів. Отримано залежності наростання у часі пластичної міцності тампонажних розчинів у чистому вигляді та з добавкою рідкого скла. Надано рекомендації відносно оптимальної кількості рідкого скла у складі тампонажних розчинів. The possibility of crushed rock using as an aggregate for grouting mortars is studied. The rational composition of grouting mortar based on metamorphic rocks of the Western Donbas is determined. The rheological properties of grouting mortars are determined. The dependence of the rise of plastic strength in time for the grouting mortars in pure form and with the addition of glass-in-water is obtained. Conclusions are drawn about an optimal amount of glassin-water in the composition of grouting mortargs. ru УкрНДМІ НАН України, Інститут геотехнічної механіки НАН України Розробка родовищ Геомеханіка Исследование реологических свойств тампонажных растворов на основе шахтных пород Дослідження реологічних властивостей тампонажних розчинів на основі шахтних порід Rheological properties study of grouting mixtures based on the waste rocks Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Исследование реологических свойств тампонажных растворов на основе шахтных пород |
| spellingShingle |
Исследование реологических свойств тампонажных растворов на основе шахтных пород Гаркуша, В.С. Геомеханіка |
| title_short |
Исследование реологических свойств тампонажных растворов на основе шахтных пород |
| title_full |
Исследование реологических свойств тампонажных растворов на основе шахтных пород |
| title_fullStr |
Исследование реологических свойств тампонажных растворов на основе шахтных пород |
| title_full_unstemmed |
Исследование реологических свойств тампонажных растворов на основе шахтных пород |
| title_sort |
исследование реологических свойств тампонажных растворов на основе шахтных пород |
| author |
Гаркуша, В.С. |
| author_facet |
Гаркуша, В.С. |
| topic |
Геомеханіка |
| topic_facet |
Геомеханіка |
| publishDate |
2015 |
| language |
Russian |
| container_title |
Розробка родовищ |
| publisher |
УкрНДМІ НАН України, Інститут геотехнічної механіки НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Дослідження реологічних властивостей тампонажних розчинів на основі шахтних порід Rheological properties study of grouting mixtures based on the waste rocks |
| description |
Исследована возможность использования шахтных пород в качестве мелкого заполнителя для тампонажных растворов. Подобраны их рациональные составы на основе углевмещающих пород Западного Донбасса. Определены реологические свойства тампонажных растворов. Получены зависимости нарастания во времени пластической прочности тампонажных растворов в чистом виде и с добавкой жидкого стекла. Даны рекомендации относительно оптимального количества жидкого стекла в составе тампонажных растворов.
Досліджено можливість використання шахтних порід як дрібний заповнювач для тампонажних розчинів. Підібрано їх раціональні співвідношення на основі вугмевміщуючих порід Західного Донбасу. Визначено реологічні властивості тампонажних розчинів. Отримано залежності наростання у часі пластичної міцності тампонажних розчинів у чистому вигляді та з добавкою рідкого скла. Надано рекомендації відносно оптимальної кількості рідкого скла у складі тампонажних розчинів.
The possibility of crushed rock using as an aggregate for grouting mortars is studied. The rational composition of grouting mortar based on metamorphic rocks of the Western Donbas is determined. The rheological properties of grouting mortars are determined. The dependence of the rise of plastic strength in time for the grouting mortars in pure form and with the addition of glass-in-water is obtained. Conclusions are drawn about an optimal amount of glassin-water in the composition of grouting mortargs.
|
| issn |
2415-3435 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/104661 |
| citation_txt |
Исследование реологических свойств тампонажных растворов на основе шахтных пород / В.С. Гарку // Розробка родовищ: Зб. наук. пр. — 2015. — Т. 9. — С. 389-394. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT garkušavs issledovaniereologičeskihsvoistvtamponažnyhrastvorovnaosnovešahtnyhporod AT garkušavs doslídžennâreologíčnihvlastivosteitamponažnihrozčinívnaosnovíšahtnihporíd AT garkušavs rheologicalpropertiesstudyofgroutingmixturesbasedonthewasterocks |
| first_indexed |
2025-11-26T02:05:51Z |
| last_indexed |
2025-11-26T02:05:51Z |
| _version_ |
1850607595964858368 |
| fulltext |
389
УДК 622.257.1 © В.С. Гаркуша
В.С. Гаркуша
ИССЛЕДОВАНИЕ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
ТАМПОНАЖНЫХ РАСТВОРОВ НА ОСНОВЕ ШАХТНЫХ
ПОРОД
Исследована возможность использования шахтных пород в качестве мелкого
заполнителя для тампонажных растворов. Подобраны их рациональные составы на
основе углевмещающих пород Западного Донбасса. Определены реологические свойства
тампонажных растворов. Получены зависимости нарастания во времени
пластической прочности тампонажных растворов в чистом виде и с добавкой жидкого
стекла. Даны рекомендации относительно оптимального количества жидкого стекла
в составе тампонажных растворов.
ДОСЛІДЖЕННЯ РЕОЛОГІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ТАМПОНАЖНИХ РОЗЧИНІВ НА
ОСНОВІ ШАХТНИХ ПОРІД
Досліджено можливість використання шахтних порід як дрібний заповнювач для
тампонажних розчинів. Підібрано їх раціональні співвідношення на основі
вугмевміщуючих порід Західного Донбасу. Визначено реологічні властивості тампона-
жних розчинів. Отримано залежності наростання у часі пластичної міцності тампо-
нажних розчинів у чистому вигляді та з добавкою рідкого скла. Надано рекомендації
відносно оптимальної кількості рідкого скла у складі тампонажних розчинів.
RHEOLOGICAL PROPERTIES STUDY OF GROUTING MIXTURES BASED ON THE
WASTE ROCKS
The possibility of crushed rock using as an aggregate for grouting mortars is studied. The
rational composition of grouting mortar based on metamorphic rocks of the Western Donbas is
determined. The rheological properties of grouting mortars are determined. The dependence of
the rise of plastic strength in time for the grouting mortars in pure form and with the addition
of glass-in-water is obtained. Conclusions are drawn about an optimal amount of glass-
in- water in the composition of grouting mortargs.
ВВЕДЕНИЕ
Одной из основных проблем угледобы-
вающих регионов Украины является про-
блема использования отходов добычи ка-
менного угля. Выдаваемые на поверхность
породы практически не перерабатываются
и складируются в отвалы, которые зани-
мают большие земельные площади и пред-
ставляют серьезную угрозу для окружаю-
щей среды. Наиболее распространенными
способами использования шахтных пород
являются обратная закладка в выработан-
ное пространство и возведение различных
насыпей (дорожных и в качестве засыпки
во избежание заболачивания местности)
[1]. Однако этих мероприятий недостаточ-
390
но, чтобы утилизировать весь объем от-
вальных пород, накопленных за более чем
сто лет разработки угольных месторожде-
ний Донбасса.
К тому же на некоторых угледобываю-
щих предприятиях существуют проблемы,
связанные с большой нагрузкой на транс-
портную систему шахты – подъем ствола и
сеть горизонтальных и наклонных вырабо-
ток. Транспортная сеть шахты не всегда
выдерживает поток материальных ресур-
сов, которые необходимо либо доставлять
к забоям выработок (цемент, песок, щебень
и т.п.), либо выдавать на поверхность (пус-
тые породы, каменный уголь).
С другой стороны, существует необхо-
димость в снижении затрат на поддержа-
ние капитальных выработок угольных
шахт. В связи с этим была исследована
возможность использования шахтных по-
род в качестве мелкого заполнителя для
тампонажных растворов, широко приме-
няемых в технологии тампонажа закрепно-
го пространства при поддержании капи-
тальных выработок шахт Западного Дон-
басса.
Целью работы является определение
рациональных составов и реологических
свойств тампонажных растворов на основе
шахтных пород.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
При выполнении работы применялись
следующие сырьевые компоненты – це-
мент марки ПЦ І 500 Н, природный квар-
цевый песок (модуль крупности =кM
1,26), порода шахты им. Героев Космоса
ПАО «ДТЭК Павлоградуголь», измельчен-
ная до фракции менее 1,6 мм. Использо-
ванная порода представлена глинистыми
породами – смесью аргиллитов и алевро-
литов [2, 3]. При проведении эксперимента
были определены следующие свойства
тампонажных растворов: плотность рас-
твора, структурная вязкость, расплыв и
пластическая прочность.
Реологические свойства тампонажных
растворов характеризуют их способность
прокачиваться насосными установками,
проникать в трещины породного массива.
Вязкость жидкостей – мера внутреннего
трения между ее слоями. Эта величина ха-
рактерна для растворов и жидкостей, кото-
рые не имеют структуры – т.н. ньютонов-
ские жидкости. Тампонажные растворы
(глинистые, цементно-песчаные, глинисто-
цементные и др.) не подчиняются закону
Ньютона, так как они являются структури-
рованными дисперсными системами.
После затворения водой в тампонаж-
ных растворах начинают происходить про-
цессы структурообразования, в данном
случае это процесс гидратации цемента, а
также в меньшей степени соединение гли-
нистых (породных) частиц друг с другом в
тех местах, где гидратные оболочки тонь-
ше или отсутствуют и образуют скелетную
структуру.
Для того чтобы вернуть раствору теку-
честь необходимо снизить его вязкость,
т.е. разрушить его структуру. Это так на-
зываемое явление тиксотропного разжи-
жения, характерное для цементных раство-
ров. Вязкость раствора зависит от его со-
стояния (покой, движение), поэтому суще-
ствует понятие структурной вязкости, ко-
торая зависит от величины механического
воздействия на раствор [4]. Структурная
вязкость определялась с помощью прибора
СНС-2, плотность свежего раствора – с
помощью ареометра АГ-3ПП. Реологиче-
ские свойства тампонажных растворов на
основе шахтных пород представлены в
табл. 1.
Из полученных данных следует, что
растворы, содержащие большое количест-
во измельченных шахтных пород, облада-
ют несколько меньшей плотностью, по
сравнению с составами, содержащими
большое количество природного кварцево-
го песка.
Растворы на основе шахтных пород
(смеси аргиллитов и алевролитов) имеют
некоторые преимущества перед традици-
онным цементно-песчаным раствором, в
391
частности, благодаря глинистой природе
заполнителя они являются более однород-
ными и устойчивыми к процессу седимен-
тации, обладают меньшей структурной
вязкостью и, следовательно, хорошей про-
никающей способностью.
РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТАМПОНАЖНІХ РАСТВОРОВ Таблица 1
Состав В/Т Расплыв,
см
Плотность
раствора,
кг/м3
Структурная
вязкость, ŋ,
гс∙с/см2
1. Цемент : Песок : Порода = 1 : 0 : 3 0,45 СП 19 1730 0,045
2. Цемент : Песок : Порода = 1 : 2 : 1 0,40 22 1850 0,040
3. Цемент : Песок : Порода = 1 : 1,5 : 1,5 0,35 СП 18 1780 0,053
4. Цемент : Песок : Порода = 1 : 1 : 2 0,35 СП 18 1800 0,033
5. Цемент : Песок : Порода = 1 : 0 : 4 0,55 18,5 1710 0,037
6. Цемент : Песок : Порода = 1 : 1 : 3 0,55 22 1750 0,030
Примечание: СП – суперпластификатор в количестве 0,06% от количества цемента.
Однако тампонажные растворы на ос-
нове шахтных пород требуют большего
количества воды затворения для достиже-
ния оптимальной консистенции, т.е. рас-
плыва 18 – 22 см, что считается оптималь-
ным для прокачивания тампонажного рас-
твора насосной установкой. Для уменьше-
ния водопотребности при проведении ла-
бораторных работ в состав тампонажных
растворов добавляли суперпластификатор
«Виматол» в количестве 0,06%.
В ходе работы стало очевидно, что су-
перпластификатор не работает с породным
заполнителем. Измельченная порода по-
глощает его вместе с водой затворения, но
наличие суперпластификатора становится
целесообразным, когда в смеси присутст-
вует хотя бы минимальное количество
песка. В этом случае необходимо меньшее
количество воды затворения.
При проведении тампонажных работ
очень важно знать как быстро нарастает
прочность структуры тампонажного камня.
Пластическая прочность характеризует
прочность структуры раствора при пла-
стично-вязком разрушении, измеряется на
приборе Вика по методу П.А. Ребиндера,
усовершенствованному М.С. Винарским.
Вместо иглы прибор снабжается комплек-
том конусов из стали, алюминия и органи-
ческого стекла 30, 45, 60 и 90º. Пластиче-
ская прочность определяется по формуле
mP (Па)
2h
FKP am ⋅= ,
где F – вес погружаемой системы, Н;
h – глубина погружения конуса в тампо-
нажный раствор, м;
aK – коэффициент, зависящий от угла
конуса:
22
1 2 αα
π
ctgcosKa = , где α – угол
при вершине конуса.
В ходе выполнения эксперимента бы-
ли получены закономерности нарастания
пластической прочности во времени для
двух- и трехкомпонентных тампонажных
растворов. Из полученных результатов
стало очевидно, что наиболее рациональ-
ным является состав Цемент : Песок : По-
рода = 1 : 1 : 2, т.к. этот состав обладает не
только хорошими реологическими свойст-
вами, но и обеспечивает достаточную
прочность при сжатии – 17,68 МПа, что не
уступает традиционному составу Цемент :
Песок = 1 : 3 (16,74 МПа).
Результаты исследований приведены в
табл. 2. Зависимость пластической прочно-
сти тампонажных растворов от времени
твердения представлена на рис. 1.
392
ПЛАСТИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ ТАМПОНАЖНЫХ РАСТВОРОВ Таблица 2
Пластическая прочность, кПа Состав тампонажного раствора
2 ч 4 ч 6 ч 8 ч 1 сут 2 сут 3 сут
1. Цемент : Песок : Порода = 1 : 0 : 3 3,4 11,0 176 367 3183 12732 13932
2. Цемент : Песок : Порода = 1 : 2 : 1 4,2 9,8 313 468 1634 14706 15406
3. Цемент : Песок : Порода = 1 : 1,5 : 1,5 5,3 16,7 291 366 1376 12387 12914
4. Цемент : Песок : Порода = 1 : 1 : 2 – 6,4 293 311 2376 12387 13285
5. Цемент : Песок : Порода = 1 : 0 : 4 4,5 16,8 57,5 572 995 14141 15141
6. Цемент : Песок : Порода = 1 : 1 : 3 – 4,5 14,5 78,3 1887 12387 13196
Рис. 1. Зависимость пластической прочности тампонажных растворов от времени твердения
Зависимость пластической прочности
mP от времени t для наиболее рациональ-
ного состава тампонажного раствора (Це-
мент : Песок : Порода = 1 : 1 : 2) и описы-
вается следующим уравнением
−+−= 34 662605287 t,t,Pm
768924115233 2 ,t,t, −+− .
Из полученных данных относительно
зависимости пластической прочности от
времени следует, что наибольший прирост
пластической прочности наблюдается че-
рез 8 ч после затворения, что не ограничи-
вает проведение тампонажных работ во
времени, однако является не очень прием-
лемым, т.к. существует необходимость в
более быстром приросте пластической
прочности при проведении работ. В связи с
этим, к составу, определенному как наибо-
лее рациональный, вместе с водой затворе-
ния вводилась добавка жидкого стекла в
количестве 2; 3; 4; 5; 6; 7%. Результаты ис-
следований представлены в табл. 3. Зави-
симость пластической прочности тампо-
нажных растворов с добавкой 0; 2; 3; 4; 5;
6% жидкого стекла от времени твердения
представлена на рис. 2.
Как видно из рис. 2, наиболее приемле-
мой является добавка жидкого стекла 4%
от массы вяжущего вещества. Введение
жидкого стекла в большем или меньшем
количестве является нецелесообразным.
Зависимость пластической прочности mP
от времени t для состава Цемент: Песок :
Порода = 1 : 1 : 2 + 4% жидкого стекла
описывается уравнением
+−= 34 562206532 t,t,Pm
41372606397878 2 ,t,t, +−+ .
393
ПЛАСТИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ ТАМПОНАЖНЫХ РАСТВОРОВ
С ДОБАВКОЙ ЖИДКОГО СТЕКЛА
Таблица 3
Пластическая прочность, кПа Состав тампонажного раствора
2 ч 4 ч 6 ч 8 ч 1 сут 2 сут 3 сут
1. Цемент : Песок : Порода = 1 : 1 : 2 3,4 11 11,01 16,68 1377 14905 16107
2. Цемент : Песок : Порода = 1 : 1 : 2 +
2% жидкого стекла 2,6 3,4 12,53 34,8 1018 12387 13387
3. Цемент : Песок : Порода = 1 : 1 : 2 +
3% жидкого стекла – 6,4 34,8 44,04 1634 12732 13745
4. Цемент : Песок : Порода = 1 : 1 : 2 +
4% жидкого стекла 2,8 15,1 313 2291 14707 16107 16901
5. Цемент : Песок : Порода = 1 : 1 : 2 +
5% жидкого стекла 7,1 11,0 50 853 12732 13732 14336
6. Цемент : Песок : Порода = 1 : 1 : 2 +
6% жидкого стекла 62,4 4,5 113 1377 12732 13900 15402
Рис. 2. Зависимость пластической прочности тампонажных растворов с добавкой жидкого стекла от времени
ВЫВОДЫ
Тампонажные растворы на основе угле-
вмещающих пород Западного Донбасса
являются альтернативными материалами,
которые по своим реологическим свойст-
вам не только не уступают традиционным
материалам на основе природного кварце-
вого песка, а даже имеют некоторые пре-
имущества по меньшей плотности, струк-
турной вязкости, седиментационной ус-
тойчивости, хорошей проникающей спо-
собности.
Внедрение технологии подземной пере-
работки углевмещающих пород Западного
Донбасса позволит снизить затраты на по-
купку и доставку сырьевых материалов для
тампонажных растворов, количество пород,
выдаваемых на поверхность, а также значи-
тельно улучшит экологическую обстановку
в горнодобывающих регионах.
394
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Мочков В.С. Утилизация шахтных пород Западно-
го Донбасса / В.С. Мочков, Б.Е. Бронштейн, А.Я. Гречин
// Уголь Украины. – 1985. – № 10. – C. 21 – 22.
2. Коваленко В.В. Исследование влияния золы-уноса
на прочностные показатели породобетона / В.В. Кова-
ленко, В.С. Гаркуша, П.А. Бакум // Сучасні ресурсозбері-
гаючі технології гірничого виробництва. – 2014. –
Вип. 2. – C. 141 – 149.
3. Коваленко В.В. Исследование физико-механиче-
ских характеристик торкрет-бетонных составов на
основе пустой породы / В.В. Коваленко, В.С. Гаркуша
// Форум гірників: матеріали міжнар. конф. – Д.: Лізу-
новПрес. – 2014. – Т. 2. – С. 130 – 138.
4. Башлык С.М. Лабораторный практикум по осно-
вам гидравлики и промывочным жидкостям: учеб.
пособ. / Башлык С.М., Загибайло Г.Т., Зайонц О.Л. – М.:
Недра, 1982. – 156 с.
ОБ АВТОРАХ
Гаркуша Виталия Сергеевна – аспирантка кафедры
строительства, геотехники и геомеханики Националь-
ного горного университета.
|