矿山总图设计.pdf
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1、!第六篇矿山地面工业建筑结构工程和矿物加工工程设计施工实用技术与图集第一章矿山工程材料第一节常用矿山工程材料性能及其要求一、矿山工程常用混凝土的基本组成和技术要求(一)混凝土的基本组成混凝土由其基本成分 水泥、砂、石子和水拌合而成。混凝土是以水泥为胶结材料,以天然砂、石为骨料,加水拌合浇注成型、凝结硬化形成的固体材料。其中水泥与水形成的水泥浆填充在砂、石骨料的空隙中。在水泥浆凝结硬化前,混凝土拌合物具有一定的和易性,水泥浆硬化后,将砂、石胶结成一个整体。在混凝土拌合时或拌合前可掺入一定量的改性剂,包括减水剂、早强剂、速凝剂、防水剂等,以改善混凝土的某些性能,如提高最终强度或初期强度(早强)、改
2、善和易性、提高耐久性及节约水泥等。(二)混凝土的技术要求常用的混凝土一般要满足以下四项要求:(!)各组成材料经拌和后形成的拌合物应具有一定的和易性;()混凝土应在规定龄期达到设计要求的强度;(#)硬化后的混凝土应具有适应其所处环境的耐久性;($)经济合理,在保证质量前提下,降低造价。%$第一章矿山工程材料(三)混凝土配合比概念混凝土配合比是指混凝土各组成材料间的数量比例关系。常用的表示方法有两种:一种是以!#混凝土中各组成材料的质量表示,如水泥#$%&、砂$(%&、石子!)!%&、水!*%&;另一种方法是以水泥为基本数!,表示出各材料用量间的比例关系,如上述质量配合比可写成!+!,*+#,)+
3、-,.(水泥+砂子+石子+水)。混凝土水灰比(水+水泥)是决定混凝土强度及其和易性的重要指标。(四)常用混凝土配合比的基本设计方法常用混凝土配合比设计就是确定混凝土中各项组成材料之间比例关系的过程。配合比设计时,首先根据工程要求,依照有关标准给定的公式和表格进行计算,这样得出的配合比称为“计算配合比”;然后通过试验室对强度和耐久性检验后调整的配合比称为“试验室配合比”;在试验事中,采用干燥或饱和面干的骨料,而工地上,骨料大多在露天堆放,含有一定的水分,并且经常变化,因此要根据现场实际情况将试验室配合比换算成“施工配合比”。(五)混凝土强度概念混凝土的强度等级是按立方体抗压强度值确定的。混凝土立
4、方体抗压强度系按标准方法制作和养护(温度为)-/#0,周围介质的相对湿度大于*-1)的边长为!-的立方体试件,达).2 龄期,用标准试验方法测得的具有*1保证率的抗压强度,用!34,%表示。混凝土强度等级采用符号 5 与立方体抗压强度表示。例如:5(-表示混凝土立方体抗压强度!34,%6(-789。混凝土强度等级一般有 5!、5)-、5)、5.-。(六)矿山工程对混凝土强度、工作性能和耐久性要求一般混凝土均应满足强度要求(在规定龄期达到设计强度)、工作性(和易性)要求,以及在混凝土工程的维护过程中应控制混凝土的干缩变形、温度变形,硬化后的混凝土应具有适应其所处环境的耐久性,包括抗渗性、抗冻性、
5、抗侵蚀性、碳化性和碱:骨料反应特性等要求。根据不同矿山工程的施工特点,还应考虑工程对混凝土的特殊要求。如:地面拌制混凝土向井下输运时的流动性、均匀性要求,冻结法施工混凝土的早强、抗冻要求,对于锚喷网支护的喷混凝土骨料和拌和物的要求,以及在井下有严重腐蚀性(如酸性地下水)环境采用的水泥等材料的要求等。(七)提高混凝土性能的方法(!)提高混凝土强度的方法可以提高水泥强度等级或尽量降低水灰比,如降低水灰-(第六篇矿山地面工业建筑结构工程和矿物加工工程设计施工实用技术与图集比不能满足和易性时,可掺加减水剂;采用级配良好且干净的砂和碎石,选用较粗的砂、石、以及高强度石子;加强养护,保证有适宜的温度和较高
6、的湿度,也可采用湿热处理(蒸汽养护)来提高早期强度;加强搅拌和振捣成型。添加增强材料,如硅粉、钢纤维等。(!)提高混凝土抗变形性能的方法混凝土的变形控制主要包括对干缩变形、温度变形控制等。控制过大干缩变形的方法包括:限制水泥用量,保持一定骨料用量;选择合适的水泥品种;减小水灰比,充分捣实;加强早期养护;采用钢筋和留伸缩缝加以限制。混凝土中内外温差可造成内胀外缩,使外表面产生很大拉力而导致开裂。因此,对大体积混凝土工程,应选择低热水泥,减小水泥用量以降低水化热;对一般纵长的混凝土工程应采取设置伸缩缝,并在施工中采取特殊措施;在结构物中设置温度钢筋等。()提高混凝土耐久性的方法。根据工程所处环境和
7、工程性质选用合理的水泥品种,并选择适宜的混合材料和填料;采用较小的水灰比,并限制最大水灰比和最小水泥用量;采用级配好且干净的砂、石骨料,并选用粒径较大或适中的砂、石骨料;掺加减水剂或引气剂,亦可根据工程性质选择和掺加适宜的外加剂;采用与工程性质相一致的砂、石骨料;加强养护;改善施工方法与质量。二、矿山工程常用建筑钢材的基本知识及其力学特点(一)常用钢材分类按品质分,钢材分为普通钢、优质钢(硫、磷含量均低于#$#%&)、高级优质钢。普通碳素钢(如常用!(钢、!)(钢)根据其含碳量高低分为低碳钢、中碳钢、高碳钢;当其硫、磷等残留成分在限定量以下时,称为优质碳素钢。根据化学成分,可将钢材分为碳素钢和
8、合金钢。合金钢根据含合金元素的总量多少,分为低、中、高合金钢。根据用途,常用建筑钢材主要有型钢和钢筋(建筑钢)两类,之外还有工具钢。各种型钢和钢筋的性能主要取决于所用钢种及其加工方式。各种型钢和钢筋、钢丝、锚具,以及矿山工程中常用的钢绞线、锚杆螺纹钢等材料,基本上都是碳素结构钢和低合金结构钢等钢种,经热轧或冷轧、冷拔及热处理等工艺加工而成。(二)常用建筑钢材的主要化学成分建筑上常用的钢材是碳素钢,碳素钢的主要化学成分是以铁为基体,除含碳外,还含有少量的硅、锰、硫、磷等。硅和锰是炼钢时作为脱氧剂加入后残存的;硫和磷是炼铁时从矿石或燃料进入铁水,而后未能完全除掉所残留的。它们都属于钢中的伴随元素。
9、*(%第一章矿山工程材料(三)常用建筑钢材的力学性能与特点建筑钢材作为主要的受力结构材料,其主要力学性能有抗拉性能、抗冲击性能、耐疲劳性能及硬度。(!)抗拉性能。抗拉性能是建筑钢材最主要的技术性能。通过拉伸试验可以测得屈服点、抗拉强度和伸长率,这些是钢材的重要技术性能指标。()抗冲击性能。冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载作用的能力。钢材冲击韧性能较全面地反映出材料的品质。钢材的冲击韧性对钢的化学成分、组织状态、冶炼和轧制质量,以及温度和时效等都较敏感。(#)耐疲劳性能。钢材在交变荷载反复作用下,在远小于抗拉强度时发生突然破坏,叫疲劳破坏。可用疲劳极限或疲劳强度表示钢材的耐疲劳性能,它是指钢材在交变
10、荷载下,于规定的周期基数内不发生断裂所能承受的最大应力。($)硬度。表示钢材表面局部体积内,抵抗外物压入产生塑性变形的能力,是衡量钢材软硬程度的一个指标。(四)其他矿用钢材种类、特点和要求其他矿山专用钢材还有矿用工字钢、矿用特殊型钢(%型钢)、轻便钢轨等。矿用工字钢是专门设计的翼缘宽、小高度、厚腹板的工字钢,它的几何特性既适于作梁,也适于作柱。%型钢可以制作具有可缩性的支架,其&和&(接近相等,竖向抗弯能力与横向抗弯能力强,横向稳定性较好。矿用工字钢和%型钢的高度较一般型钢小,可减少巷道开挖量。而轻便钢轨是为专井下!)#*矿车运输提供的,并在巷道支护中可用于制作轻型支架,但承载性能较差。(五)
11、常用钢材加工方法及对钢材性能的影响(!)常用钢材的加工包括钢材的冷加工强化、时效强化、热处理和焊接等几种方法。冷加工强化。它是将建筑钢材在常温下进行冷拉、冷拔和冷轧,使之产生塑性变形,从而提高屈服强度,相应降低了塑性和韧性。()时效强化。它是指经冷加工后,钢的屈服强度和强度极限随着时间的延长而逐渐提高,塑性和韧性逐渐降低的现象。可将经过冷拉的钢筋在常温下存放!+),-,或加热到!,),.并保持一定时间,实现时效处理,前者称为自然时效,后者称为人工时效。(#)热处理。它是将钢材按一定的规则加热、保温和冷却,以改变其组织,从而获得需要性能的一种工艺。热处理的方法有退火、正火、淬火和回火。建筑钢材一
12、般只在生产厂进行处理并以热处理状态供应。在施工现场,有时需对焊接件进行热处理。+$第六篇矿山地面工业建筑结构工程和矿物加工工程设计施工实用技术与图集(!)焊接。焊接方法主要有两种,即:钢结构焊接用的电弧焊和钢筋焊接用的接触对焊。电弧焊是在焊接时产生高温电弧,使焊条金属熔化在焊件上,成为联接焊件的焊缝金属。接触对焊是利用电流通过两个焊件的接触面所产生的高温熔融接触面金属,加压熔合而成。第二节水泥和其他常用材料的性质及要求一、水泥的基本知识及其在矿山工程中应用的要求(一)水泥的基本组成水泥属于水硬性胶凝材料,由水泥熟料、石膏和混和材组成。其中水泥的性能主要决定于熟料组成与质量,与水发生反应凝结硬化
13、形成强度的主要矿物均由熟料提供。水泥中掺加混合材可提高水泥产量,降低水泥强度等级,减少水化热,改善水泥性能等作用。掺入适量石膏可调节凝结时间,提高早期强度,降低干缩变形,改善耐久性、抗渗性等一系列性能,对于掺混合材的水泥,石膏还对混合材起活性激发剂作用。(二)水泥品种及其技术性质水泥品种按其组成可分为两大类,即:常用水泥和特种水泥。常用水泥。用于一般土木建筑工程的水泥。如硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥等,它们均是以硅酸盐水泥熟料为主要成分的一类水泥。特种水泥。泛指水泥熟料为非硅酸盐类的其他品种水泥。如高铝水泥、硫铝酸盐水泥等。常用水泥的技术性质见表#$#$所示。表#$#$常用水泥技
14、术性质表类型硅酸盐水泥普通硅酸盐水泥矿渣硅酸盐水泥火山灰质硅酸盐水泥粉煤灰硅酸盐水泥主要成分以硅酸盐水泥熟料为主,不掺混合材料 或 掺 不 超 过%&的石灰石或粒化高炉炉渣在硅酸盐水泥熟料中允许掺入占水泥重&$%&的混合材料在硅酸盐水泥熟料中允许掺入占水泥重()&*)&的粒化高炉炉渣在硅酸盐水泥熟料中允许掺入占水泥重()&%)&的火山灰质混合材料在硅酸盐水泥熟料中允许掺入占水泥重()&!)&的粉煤灰+%!第一章矿山工程材料类型硅酸盐水泥普通硅酸盐水泥矿渣硅酸盐水泥火山灰质硅酸盐水泥粉煤灰硅酸盐水泥特性硬化快;强度高;水化热大;耐冻性好;耐腐蚀与耐软水侵蚀性差早期强度较高;水化热较高;耐冻性较好
15、;耐腐蚀与耐软水侵蚀性较差早期强度低,后期强度增长较快;水化热较小;耐冻性差;耐硫酸盐腐蚀与耐软水侵蚀性较差;抗碳化能力差抗渗性较好,其他同矿渣硅酸盐水泥干缩性较小,抗裂性较好,其他同矿渣硅酸盐水泥(三)与水泥有关的性能指标概念与水泥有关的性能指标包括细度、凝结时间、体积安定性、强度和水化热等方面。(!)细度。水泥颗粒的粗细对水泥的性质有很大影响。水泥颗粒粒径愈细,与水起反应的表面积愈大,水化愈快,其早期强度和后期强度都较高。国标规定,硅酸盐水泥细度采用透气式比表面积仪检验,要求其比表面积#$%&();其他五类水泥细度用筛析法检验,要求在*$!%标准筛上的筛余量不得超过!$+。(&)凝结时间。
16、凝结时间分初凝和终凝。初凝为水泥加水拌和始至标准稠度净浆开始失去可塑性所经历的时间。终凝则为浆体完全失去可塑性并开始产生强度所经历的时间。水泥初凝时间不宜过短;当施工完毕则要求尽快硬化并具有强度,故终凝时间不宜太长。(#)体积安定性。体积安定性是指水泥净浆体硬化后体积稳定的能力。水泥体积安定性不良的原因,一般是由于熟料中存在游离氧化钙和氧化镁或掺入石膏过量而造成的。熟料中的游离氧化钙及氧化镁,在水泥浆硬化后开始水化,水化后体积较原体积增大&倍以上,造成弯曲和裂纹。过量的石膏形成的水泥杆菌同样会使水泥石产生裂纹或弯曲。(,)强度。强度是指按水泥强度检验标准规定所配制的水泥胶砂试件(,$%-,$%
17、-!.$%),经一定龄期(硅酸盐水泥的龄期为#/、&*/)标准养护后所测得的强度。水泥强度是表示水泥力学性能的一种量度,是划分水泥强度等级的技术依据。(0)水化热。水泥的水化反应是放热反应,其水化过程放出的热称为水泥的水化热。大体积混凝土由于水化热积蓄在内部,造成内外温差,可形成不均匀应力的开裂;但水化热对冬期混凝土施工则是有益的,水化热可促进水泥水化进程。(四)水泥水化、凝结、硬化机理水泥与水接触时,水泥中的各组分与水的反应称为水泥的水化。水泥加水拌合后,,0,第六篇矿山地面工业建筑结构工程和矿物加工工程设计施工实用技术与图集成为具有可塑性的水泥浆,随着水化反应的进行,水泥浆逐渐变稠失去流动
18、性而具有一定的塑性强度,称为水泥的凝结;随着水化进程的推移,水泥浆凝固具有一定的机械强度并逐渐发展成为坚固的人造石 水泥石,这一过程称为水泥的硬化。凝结与硬化是一个连续复杂的物理化学过程。当水泥与水拌和时,与水接触的水泥颗粒在数分钟内表面很快发生水化反应,同时产生较多热量,生成的水化产物很快在水泥颗粒表面聚积形成凝胶膜层,凝胶的凝聚作用使浆体具有可塑性。随着水化反应的进一步进行,水化产物不断增加,膜层增厚并在某些点接触,形成疏松的网状结构,使浆体失去流动性和部分可塑性,这时为水泥的初凝。之后,水化产物又大量生成,它们互相接触连生,建立起充满全部间隙的较紧密的网状结构,浆体则完全失去塑性,并开始
19、产生强度,形成水泥的终凝。网状结构因水化产物的继续不断生成而被填实,结构逐渐变得致密,强度不断增长而进入硬化阶段,最终形成具有一定强度的硬化水泥石。(五)矿山条件对水泥品种的要求由于矿山混凝土工程包含地面和井下,工程和所处环境条件较复杂,因此应根据具体情况选择合适的水泥品种。选择水泥品种时可参考表!#$。表!#$水泥品种使用条件混凝土工程特点或所处环境条件优先选用可以选用不宜使用普通混凝土#%在普通气候环境中普通水泥矿渣水泥;火山灰质水泥;粉煤灰水泥;复合水泥$%在干燥环境中普通水泥矿渣水泥火山灰质水泥;粉煤灰水泥&%在高湿度环境中和永远处于水下普通水泥矿渣水泥;火山灰质水泥;粉煤灰水泥;复合
20、水泥%厚大体积矿渣水泥;火山灰质水泥;粉煤灰水泥;复合水泥普通水泥硅酸盐水泥;快硬硅酸盐水泥(第一章矿山工程材料混凝土工程特点或所处环境条件优先选用可以选用不宜使用有特殊要求的混凝土!要求快硬硅酸盐水泥;快硬硅酸盐水泥普通水泥矿渣水泥;火山灰质水泥;粉煤灰水泥;复合水泥#高强(大于$%&)硅酸盐水泥普通水泥;矿渣水泥火山灰质水泥;粉煤灰水泥 严寒露天地区,寒冷地区处于水位升降范围内普通水泥(#(级以上)矿渣水泥(#(级以上)火山灰质水泥;粉煤灰水泥%严寒地区处于水位升降范围内普通水泥(#(级以上)矿渣水泥;火山灰质水泥;粉煤灰水泥;复合水泥(有抗渗要求昔通水泥;火山灰质水泥矿渣水泥)有耐磨性要
21、求硅酸盐水泥;昔通水泥(#(级以上)矿渣水泥(#(级以上)火山灰质水泥;粉煤灰水泥二、其他矿用材料性能和应用特点(一)石材石材具有比较高的强度、良好的耐磨性和耐久性,并且资源丰富,易于就地取材。因此,石材的使用仍然相当普遍。石材有两种:一种是采得大块岩石后,经锯解、劈凿、磨光等机械加工制成各种形状和尺寸的石料制品;另一种是直接采得的各种块状和粒状的石料。矿用石材主要为经过简单粗加工后形成的料石,作为砌墙、碹和基础等用途的材料。(二)竹、木材料木材具有轻质高强,加工方便,导电和导热性能低,有很好的弹性和塑性,能承受冲击和振动等作用。木材也有许多缺点,如构造不均匀,各向异性,容易吸湿、吸水而导致力
22、学和物理性能上的变化,容易腐朽、虫蛀和燃烧,天然疵病较多,且耐久性较差。目前矿用木材主要作为矿井支护材料、枕木、背板等,但因井下环境较差,对服务时间较长的木材需进行防腐处理。竹材可以作为木材的部分替代品,具有抗拉性能好、价低、易加工等优点,但存在抗弯性能差、易腐朽、易燃烧等缺陷。为克服这些缺陷,可以对竹材进行热压预处理。(三)石膏建筑石膏是一种气硬性胶凝材料。其凝结硬化速度快,凝结时间可调;凝结硬化过程中,体积微有膨胀,硬化时不出现裂缝;硬化后,强度较低,表观密度小,隔热、吸声性好;具有良好的装饰性和抗火性;另外,建筑石膏的热容量和吸湿性大,可均衡室内环境)(%第六篇矿山地面工业建筑结构工程和
23、矿物加工工程设计施工实用技术与图集的温度和湿度。但石膏具有很强的吸湿性和吸水性,易造成粘结力削弱,强度明显降低;石膏的耐水性和抗冻性均较差;二水石膏易脱水分解,也造成强度降低。因此,建筑石膏不宜用于潮湿和温度过高的环境。(四)石灰生石灰熟化后形成的石灰浆,具有良好的可塑性,用来配制建筑砂浆可显著提高砂浆的和易性。石灰也是一种硬化缓慢的气硬性胶凝材料,硬化后的强度不高,在潮湿环境中强度会更低,遇水还会溶解溃散。因此石灰不宜在长期潮湿环境中或在有水的环境中使用。在石灰硬化过程中,体积会有显著收缩而出现干缩裂缝。石灰在贮存和运输过程中,要防止受潮,并不宜长期贮存。运输时不得与易燃、易爆和液体物品混装
24、,并要采取防火措施,注意安全。建筑工程中所用的石灰,分成三个品种:建筑生石灰、建筑生石灰粉和建筑消石灰粉。(五)其他矿用材料矿用建筑材料还有菱苦土、水玻璃、建筑塑料等。菱苦土是一种气硬性无机胶凝材料,主要成分是氧化镁(!#),属镁质胶凝材料。用氯化镁溶液调和菱苦土,硬化后其抗压强度可达$%&%!();但其吸湿性较大,耐水性较差;用硫酸镁、铁矾等作调和剂,可降低吸湿性,提高耐水性。水玻璃又称泡花碱,是一种碱金属硅酸盐。根据其碱金属氧化物种类的不同,又分为硅酸钠水玻璃和硅酸钾水玻璃等,其中以硅酸钠水玻璃最为常用。水玻璃具有良好的粘结性能和很强的耐酸腐蚀性;水玻璃硬化时析出的硅酸凝胶还能堵塞材料的毛
25、细孔隙,有阻止水分渗透的作用。另外,水玻璃还具有良好的耐热性能,高温不分解,强度不降低(甚至有增加)。因此常用于工程注浆堵水和加固。建筑塑料是以合成树脂为主要原料,加入填充剂、增塑剂、稳定剂等添加剂,在一定温度和压力下制成的一种有机高分子材料。具有质轻,比强度高,电绝缘性能好,减振、吸声和隔热性好,成本低,加工方便,以及具有出色的装饰性能和优良的抗化学腐蚀性等特点。*+$第一章矿山工程材料第二章工程力学与工程结构第一节力系平衡的基本原理、方法及其他重要力学概念一、平面一般力系平衡条件与静摩擦力概念(一)平面一般力系及其平衡条件(!)平面一般力系概念平面内各力的作用线既不相交于同一点,又不互相平
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