№72-06
Аналіз використання композитних матеріалів для подальшого застосування у кріпленнях гірничих виробок
І.В. Шека1, І.А. Салєєв2, М.В. Шишов2, О.К. Малова1, В.М. Почепов1, О.Р. Мамайкін1
1 Національний технічний університет «Дніпровська політехніка», Дніпро, Україна
2 ТОВ «ДТЕК Енерго», Київ, Україна
Coll.res.pap.nat.min.univ. 2023, 72:62-76
https://doi.org/10.33271/crpnmu/72.062
Full text (PDF)
АНОТАЦІЯ
Мета. Аналіз композитних матеріалів та перспективи їх використання для кріплення гірничих виробок на вугільних шахтах.
Методика дослідження. Для досягнення поставленої мети використовувались аналітичні дані щодо ринку композиційних матеріалів, об’єму потужностей їх виробництва, вартісні показники. Використовувались даніфізико-механічних властивостей композиційних матеріалів та їх кількісні показники.
Результати дослідження. Проаналізовано областьвикористання композитних матеріалів у промисловості. Аналіз показує, що композитні матеріали задіяні у багатьох галузях: медицині, мостобудуванні, оборонній промисловості, тощо. Порівняльний аналіз фізико-механічних властивостей вуглепластику та сталі показує, що цей композитний матеріал має ідентичні (а навіть інколи і кращі) властивості, ніж у металевих матеріалів. В результаті досліджень зроблено висновок, що у якості кріпильного матеріалу для гірничих виробок вугільних шахт краще використовувати вуглепластик. Оцінено переваги та недоліки вуглепластику як кріпильного матеріалу для гірничих виробок вугільних шахт. Уточнено, що стримуючим фактором, на сьогоднішній день, є вартість вуглепластичних волокон, та згодом їх ціна зменшиться, а затребуваність збільшиться. Зроблено висновок, що при використанні цього композитного матеріалу в елементах кріплення гірничих виробок можливо збільшити темпи їх проведення, зменшити трудомісткість робіт, що виконуються та покращити умови праці гірників при полегшенні конструкції.
Наукова новизна. Вперше аналітично визначено галузі застосування та тенденції розвитку ринку композитних матеріалів. Встановлено та порівняно фізико-механічні властивості композитних матеріалів та сталі. Визначено, що вуглепластик здатний сприймати високі напруження, а кріплення може бути виготовлене різної геометричної форми. Обґрунтовано, що кріплення з вуглепластику витримує допустимі напруження та його можна використовувати при кріпленні підготовчих виробок на вугільних шахтах.
Практичне значення. Отримані результати доводять, що кріплення з вуглепластику полегшить конструкцію кріплення, що разом з пришвидшенням роботи зміни буде сприятирозвитку підземного вуглевидобутку.
Ключові слова: вуглепластик, гірничі виробки, композитний матеріал, кріплення, напружено-деформований стан, фізико-механічні властивості.
Перелік посилань
1. Bazaluk O, Petlovanyi M, Zubko S, Lozynskyi V. & Sai K. (2021). Instability Assessment of Hanging Wall Rocks during Underground Mining of Iron Ores. Minerals, 11(8):858.
https://doi.org/10.3390/min11080858
2. Fomychov, V., Fomychova, L., Khorolskyi, A., Mamaikin, O., & Pochepov, V. (2020). Determining optimal border parameters to design a reused mine working. ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences,15(24), 3039-3049.
3. Bondarenko, V.I., Kovalevska, I.A., Podkopaiev, S.V., Sheka, I.V., & Tsivka, Y.S. (2022). Substantiating arched support made of composite materials (carbon fiber-reinforced plastic) for mine workings in coal mines. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 1049, 012026
https://doi.org/10.1088/1755-1315/1049/1/012026
4. Бондаренко, В.І., Ковалевська І.А., Симанович, Г.А., Цівка, Є.С., &Шека, І.В. (2022). Обґрунтування ефективності використання кріплення з вуглепластику для гірничих виробок на шахтах Західного Донбасу.Збірник Наукових Праць НГУ, 68, 30–42.
https://doi.org/10.33271/crpnmu/68.030
5. Bazaluk, O., Ashcheulova, O., Mamaikin, O., Khorolskyi, A., Lozynskyi, V., & Saik, P. (2022). Innovative Activities in the Sphere of Mining Process Management. Frontiers in Environmental Science, 304.
https://doi.org/10.3389/fenvs.2022.878977
6. Ащеулова, О.М., Хорольський, А.О., Фомичова, Л.Я., Почепов, В.М., & Мамайкін, О.Р. (2022). Моделі та методи дослідження внутрішніх резервів вугледобувних підприємств. Монографія. Національний технічний університет «Дніпровська політехніка».
7. Ащеулова, О.М., Мамайкін, О.Р., & Медяник, В.Ю. (2020). Дослідження складників внутрішнього потенціалу підприємств гірничозбагачувального комплексу. Проблеми системного підходу в економіці, 76, 202-207.
8. Petlovanyi M.V., Zubko S.A., Popovych V.V., & Sai K.S. (2022). Physico chemical mechanism of structure formation and strengthening in the backfill massif when filling underground cavities. Voprosy Khimii i Khimicheskoi Technologii, 6, 142-150.
https://doi.org/10.32434/0321-4095-2020-133-6-142-150
9. Petlovanyi, M., Malashkevych, D., Sai, K., Bulat, I., & Popovych, V. (2021). Granulometric composition research of mine rocks as a material for backfilling the mined-out area in coal mines. Mining of Mineral Deposits, 15(4), 122-129.
https://doi.org/10.33271/mining15.04.122
10. Kosenko, A.V. (2021). Improvement of sub-level caving mining methods during high-grade iron ore mining. Natsional'nyi Hirnychyi Universytet. Naukovyi Visnyk, (1), 19-25.
https://doi.org/10.33271/nvngu/2021-1/019
11. Шека, І. В., & Цівка, Є. С. (2021). Обґрунтування вуглепластику як інноваційного матеріалу для кріплення гірничих виробок вугільних шахт. Збірник Наукових Праць НГУ, 64,112–121.
https://doi.org/10.33271/crpnmu/64.112
12. Види і область застосування композитних матеріалів (2016). https://www.stroi-baza.ru/articles/one.php?id=5755
13. Liu, J., Wei, X., Gao, L., Tao, J., Xu, L., Peng, G., &Zhou, J. (2023). An overview of C-SiC microwave absorption composites serving in harsh environments. Journal of the European Ceramic Society, 43(4), 1237-1254.
https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2022.11.040
14. Mujalli, M. A., Dirar, S., Mushtaha, E., Hussien, A., & Maksoud, A. (2022). Evaluation of the tensile characteristics and bond behaviour of steel fibre-reinforced concrete: Overview. Fibers, 10(12)
https://doi.org/10.3390/fib10120104
15. Market Research Peport // Fortune Business Insights. (2020). www.fortunebusinessinsights.com
16. Kordsa the reinforcer//A Review of the Global Composites Market and Turkish Composites Market. (n.d.). www.reinforcer.com
17. Umatex//Тренди і драйвери в композитах. (2020). www.umatex.com
18. Market Research Peport//Fortune Business Insights.(2020). www.fortunebusinessinsights.com
19. Лазаренко, О.А., Вовченко, Л.Л., Овсієнко, І.В.,& Мацуй, Л.Ю.(2018). Полімерні композити нановуглець-метал: структура і електричні властивості. Монографія.ТОВ «ТВОРИ».
20. Куцевич, К.Є., Дементьєва, Л.А., Лукіна, Н.Ф., &Тюменева, Т.Ю. (2018). Клеєві препреги – перспективні матеріали для деталей і агрегатів з ПКМ. Авіаційні матеріали і технології, 5, 379-387.
https://doi.org/10.18577/2071-9140-2017-0-S-379-387.
21. Miaoxin, L., & Xiaoyu, Z. (2020). Overview of non-destructive testing of composite materials. 3rd World Conference on Mechanical Engineering and Intelligent Manufacturing, WCMEIM 2020, 166-169.
https://doi.org/10.1109/WCMEIM52463.2020.00041
22. Файнлейб, О. (2020). Термостійкі полімерні композиційні матеріали на основі гетероциклічних матриць. Polymer Journal, 2(42), 71-84.
23. Lucherini, A., & Maluk, C. (2019). Intumescent coatings used for the fire-safe design of steel structures: A review. Journal of Constructional Steel Research, 162, 105712.
24. Li, S., Zhang, C., Lu, J., Chen, R., Chen, D., & Cui, G. (2021). A review of progress on high nitrogen austenitic stainless-steel research. Materials Express, 11(12), 1901-1925.
25. Босак, А. О., & Мурза, В. М. (2018). Світове виробництво сталі: тенденції, проблеми і роль України. Причорноморські економічні студії, 34, 10-15.
26. Smoliński, A., Malashkevych, D., Petlovanyi, M., Rysbekov, K., Lozynskyi, V., & Sai, K. (2022). Research into impact of leaving waste rocks in the mined-out space on the geomechanical state of the rock mass surrounding the longwall face. Energies, 15(24)
https://doi.org/10.3390/en15249522
27. Li, Y.-F., Chen, W., & Cheng, T.-W. (2022). The Sustainable Composite Materials in Civil and Architectural Engineering. Sustainability, 14(4), 2134.
https://doi.org/10.3390/su14042134
28. Nagavally, R. R. (2017). Composite materials-history, types, fabrication techniques, advantages, and applications. Int. J. Mech. Prod. Eng, 5(9), 82-87.
29. Шека, І.В. (2022).Композити у гірничій промисловості. Минуле. Сьогодення. Майбутнє. 7-й Міжнародний молодіжний конгрес «Сталий розвиток: захист навколишнього середовища. Енергоощадність. Збалансоване природокористування»,248
30. Bolf, D., Hadjina, M., Zamarin, A., & Matulja, T. (2021). Methodology for composite materials shrinkage definition for use in shipbuilding and marine technology. Pomorstvo, 35(2), 267-274.
https://doi.org/10.31217/p.35.2.9
31. He, J., Cao, M., Wang, Z., & Cong, F. (2021). Low-speed impact damage analysis of aviation composite material structure. In E3S Web of Conferences (Vol. 260, p. 03021). EDP Sciences.
https://doi.org/10.1051/e3sconf/202126003021
32. Samoilescu, G., Bordianu, A., & Patroi, E. (2019). Use of composite materials in shipbuilding. Utility and necessity. Scientific Bulletin" Mircea cel Batran" Naval Academy, 22(1), 1-5.
https://doi.org/10.21279/1454-864X-19-I1-002
33. Niehaus, H., & Jerling, W. (2006). The Nelson Mandela bridge as an example of the use of composite materials in bridge construction in South Africa. In Composite Construction in Steel and Concrete V (pp. 487-500).
https://doi.org/10.1061/40826(186)46
34. Найдовший міст у Європі з'єднає Німеччину і Данію. (n.d.). https://daily.rbc.ua/ukr/show/samyy_dlinnyy_most_v_evrope_soedinit_germaniyu_i_daniyu_050920081
35. Sazrhi, A., Bura, R. O., & Amperiawan, G. (2019). Mastery of Composite Materials to Support Indonesia’s Defense Industry. 6th Asian Conference on Defence Technology (ACDT) (pp. 162-168).
https://doi.org/10.1109/ACDT47198.2019.9072849
36. Johnson, J., & Raja, R. (2020). Recent developments in Al7075 hybrid composites and study on its microstructure and mechanical characteristics. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 993(1)
https://doi.org/10.1088/1757-899X/993/1/012023
37. Соловйова, Т. О. (2018). Вплив мікроструктури та напружено-деформованого стану на фізико-механічні властивості композитів систем LaB6-MeB2-Cu (Al) ): дис. канд. техн. наук: 05.16.06 / НТУ «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського».
38. Бондаренко, В., Салєєв, І., Шека, І., & Цівка, Є. (2020). Обґрунтування використання композитних матеріалів для підвищення стійкості гірничих виробок. Ukrainian School of Mining Engineering 2020, 25–26.
https://doi.org/10.33271/usme14.025
39. Chen, W. T., White, R. M., Goto, T., & Dickey, E. C. (2016). Directionally solidified boride and carbide eutectic ceramics. Journal of the American Ceramic Society, 99(6), 1837-1851.
40. Loboda, P.I., & Bogomol, Y.I. (2002). The thermal stability of the directionally reinforced boride ceramics microstructure. Ceramics, 69, 117-124.
41. Pıhtılı, H., & Tosun, N. (2002). Investigation of the wear behaviour of a glass-fibre-reinforced composite and plain polyester resin. Composites Science and Technology, 62(3), 367-370.
42. Amir, S. M. M., Sultan, M. T. H., Jawaid, M., Ariffin, A. H., Mohd, S., Salleh, K. A. M., ... & Shah, A. U. M. (2019). Nondestructive testing method for Kevlar and natural fiber and their hybrid composites. In Durability and life prediction in biocomposites, fibre-reinforced composites and hybrid composites (pp. 367-388).
43. Safri, S. N. A., Sultan, M. T. H., Jawaid, M., & Jayakrishna, K. (2018). Impact behaviour of hybrid composites for structural applications: A review. Engineering, 133, 112-121.
https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2017.09.008
44. Петльований, М.В., Малашкевич, Д.С., Сай, К.С., & Зубко, С.А. (2022). Концептуальні засади створення безвідходної технології розробки тонких вугільних пластів. Наукові праці ДонНТУ. Серія Гірничо-геологічна, 1-2(27-28), 7-17
https://doi.org/10.31474/2073-9575-2022-1(27)-2(28)-7-17
45. Малашкевич, Д.С., Петльований, М.В., Сай, К.С., & Козій, Є.С. (2020). Кількісно-якісна оцінка запасів вугілля як важливий етап обґрунтування доцільності їх селективного відпрацювання. Вчені Записки ТНУ імені В.І. Вернадського. Серія: Технічні Науки, 31, 158-166
https://doi.org/10.32838/2663-5941/2020.5/26
46. Малашкевич, Д.С., Петльований, М.В., Постол, Н.О., & Постол, М.О. (2020). Аналіз якості видобутого кам’яного вугілля та шляхи її підвищення на шахтах Західного Донбасу. Збірник Наукових Праць НГУ, 62, 53–64.
https://doi.org/10.33271/crpnmu/62.053
47. Kovalevska, I., Pilecki, Z., Husiev, O., & Snihur, V. (2019). Assessment of the mutual influence of deformation-strength characteristics of the fastening system elements. E3S Web of Conferences, 123
https://doi.org/10.1051/e3sconf/201912301006
48. Ляшенко, В. І., & Столяров, В. Ф. (2022). Перспективи потенціалу підземного вуглевидобутку у повоєнному зміцненні обороноздатності держави. Економічний вісник Донбасу, (2 (68)), 124-130.
https://doi.org/10.12958/1817-3772-2022-2(68)-124-130
49. Дубовик, О. І. (2020). Стан і перспективи розвитку вугільної промисловості України. Перспективи розвитку будівельних технологій: 14-а міжнародна науково-практична конференція молодих учених, аспірантів та студентів,33-37.
50. Бондаренко, В.І., Шека, І.В., Цівка, Є.С., & Ковалевська, І.А. (2021). Арочне піддатливе кріплення (Патент № 148329 на корисну модель, Україна, МПК Е21D 11/14. №u2020 08107; опубл. 28.07.2021, Бюл. №30)
51. Цівка, Є.С., Бондаренко, В.І., Ковалевська, І.А., & Шека, І.В. (2021). Арочне кріплення. (Патент на корисну модель № 148395, Україна, МПК Е21D 11/14 (2006.01),№ u2020 08272; Опубл. 04.08.2021; Бюл. № 31)
52. Bondarenko, V., Kovalevska, I., Sheka, I & Sachko, R. (2023). Results of research on the stability of mine workings, fixed by arched supports made of composite materials, in the conditions of the Pokrovske Mine Administration. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 1149
https://doi.org/10.1088/1755-1315/1149/1/012026
53. Бондаренко, В., Шека, І., & Цівка, Є. (2020). Розробка інноваційного виду кріплення із композитних матеріалів для гірничих виробок вугільних шахт. Ukrainian School of Mining Engineering 2021, 59–63.
https://doi.org/10.33271/usme15.059
54. Snihur, V., Bondarenko, V., Shaikhlislamova, I., Kovalevska, I., & Husiev, O. (2022). Optimization solution substantiation for resource-saving maintenance of workings. Mining of Mineral Deposits, 16(1), 9-18.
https://doi.org/10.33271/mining16.01.009
55. Bazaluk, O., Rysbekov, K., Nurpeisova, M., Lozynskyi, V., Kyrgizbayeva, G., & Turumbetov, T. (2022). Integrated monitoring for the rock mass state during large-scale subsoil development. Frontiers in Environmental Science, 10
https://doi.org/10.3389/fenvs.2022.852591
56. Kononenko, M., & Khomenko, O. (2021). New theory for the rock mass destruction by blasting. Mining of Mineral Deposits, 15(2), 111-123.
https://doi.org/10.33271/mining15.02.111
57. Bondarenko, V., Kovalevska, I., Cawood, F., Husiev, O., Snihur, V., & Jimu, D. (2021). Development and testing of an algorithm for calculating the load on support of mine workings. Mining of Mineral Deposits, 15(1), 1-10.
https://doi.org/10.33271/mining15.01.001
58. Kovalevska, I., Samusia, V., Kolosov, D., Snihur, V., & Pysmenkova, T. (2020). Stability of the overworked slightly metamorphosed massif around mine working. Mining of Mineral Deposits, 14(2), 43-52.
https://doi.org/10.33271/mining14.02.043
