CC BY
117
622.284.74
А.В. Ремезов, Л.М. Коновалов, Р.А. Иванов, В.М. Ануфриев О РАЗВИТИИ И СОСТОЯНИИ АНКЕРНОГО КРЕПЛЕНИЯ
Долгое время, за счёт установки рамного крепления, методы поддержания кровли были внешними и пассивными. В 1927 г. на металлическом руднике в США начали использовать новую технологию крепления: очень примитивные стальные анкерные болты [1]. Впервые внутренние укрепляющие усилия применялись к кровельным слоям, делая систему поддержания активной. В 1943 г. Weigel [2] предложил основные концепции крепления анкерами как метода поддержания слабых кровель. Некоторые из его идей остаются основами современных теорий анкерования и прикладных нормативов:
1. поддержание слабых пород ниже естественной линии свода (подвешивание);
2. скрепление отдельных, тонких слоев вместе, чтобы создать более толстые, более сильные слои (балочная конструкция);
3. комбинированное крепление (1+2);
4. временное крепление в горнодобывающем цикле.
В дополнение к эффективности управления кровлей и сокращению стоимости, некоторые преимущества крепления анкерами, по сравнению с другими системами поддержания кровли, значительно увеличивают его применение. Эти преимущества включают:
- сокращение затрат на хранение и транспортировку материала;
- меньший размер выработки в проходке, необходимый для достижения того же сечения в свету, по сравнению с другими видами крепи;
- предотвращение любых заметных сводовых деформаций быстрой установкой анкеров после прохождения выработки ;
- улучшение вентиляции понижением аэродинамического сопротивления воздуху через устранение преград, типа костров, стоек и верхняков;
- обеспечение крепления к кровле балок монорельсовых транспортных средств без риска смещения крепи;
-обеспечение удобной подвески различных
Таблица1
Объем креплений (м) горных выработок анкерами на шахтах Ленинского рудника
Шахты 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994
им.С.М. Кирова 8698 3818 993 3293 2105 303 1697 3927
Кольчугинская 48 15
Им. 7 Ноября 7482 6933 5436 399 308
Комсомолец 2483 943 1528 962 1117 108 996 1508
Полысаевская 3430 4607 3254 3246 319 399 216 223
Заречная 31710 22288 21500 11228 14334 7675 1522
Ярославского 50 125 17
Октябрьская 1205 346 333 246 133 735 1730
ИТОГО по шахтам 23396 48482 33832 29662 15077 15292 11319 7353
32,8 35 28,3 28,6 21,4 18,4 16,5 11,9
Шахты 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002
им.С.М. Кирова 5929 8693 12227 11236 11320 14574 14548 11085
45,9 75,2 94,8 94,7 98,1 96,9 97 84,2
Кольчугинская 49 218 1956 3424 1835 3250 3975 2951
0,9 8,5 40,7 61,4 57,0 92,8 98,1 80,3
Им. 7 Ноября 2604 4738 3300 5819 5141 5910 7588 8061
37,7 63,8 54,8 95,7 90,8 98,2 99,0 90,7
Комсомолец 1302 2886 4217 4037 2985 2147 5603 5871
12,6 30,3 49 69,6 79,1 88,1 93,4 87
Полысаевская 774 1908 4418 5715 6200 8083 8553 10201
11,5 23,0 55,3 72,7 65,5 84,2 98,8 91,6
Заречная 157 1911 3364 7175 11978 13919 12816
12,1 84,6 77,8 92,5 96 97
Ярославского 630 2834 1800 3651 3355 4887 5665
10,3 42,5 51 80,2 63,2 90,9 85,2
Октябрьская 188 678 473 1618 3067 8229 8259
5,7 22,4 16 70,9 90,6 95 90,3
ИТОГО по шахтам 10658 19416 31541 35868 39925 52364 67302 51993
19,3 38,9 60,3 74,7 82,4 90 95 88,3
* Вторая строка -%
труб и электрических кабелей.
Сегодня, анкерное крепление не только широко используется в угольных шахтах, но находит применения и в открытой добыче, в рудниках, при строительстве метро и почти всюду, где требуется стабилизация горных пород.
Из-за его эффективности и разнообразия анкерное крепление стало наиболее важной системой крепления в добыче полезных ископаемых и гражданском строительстве во всем мире, значительно снизилось потребления древесины, металла и аварий. Проводилось много аналитических и лабораторных исследований, в попытке понять механизмы крепления анкерами так, чтобы анкерная технология могла применяться более эффективно. Несмотря на существенный прогресс, рациональной инструкции для расчета всех проектов анкерных систем все еще не существует. К счастью, методы анкерования последних 50 лет обеспечивают избыточным опытом использования анкеров. Сегодня разрабатывают более эффективные системы анкерования, сочетая математический анализ с данными натурных исследований.
Анкера могут быть классифицированы как: точечно-закрепленные и закреплённые на всю длину. Верхний конец точечно-закрепленного болта закрепляется или механическим устройством или коротким столбиком смолы. Анкерный болт, закреплённый на всю длину, заливается в шпуре быстро схватывающейся высокопрочной смолой или неорганическим цементом по всей длине скважины, либо закрепляется механически.
Обзор, проведенный в США в 1994 г., показал что, по крайней мере, семь различных типов закрепления анкерных болтов используются, для поддержания горных выработок. Это - цементируемые на всю длину, комбинированные, точечно закрепленные, напряженные с Т каналом, связкой, арматурный профиль со связкой, и другие. Анкерные болты, цементируемые на всю длину, наиболее популярны (приблизительно 46 % от всех рассмотренных). Точечно закрепленный, комбинированный и напряженный с Т канальными анкерными болтами также широко используется в лав-ных подготовительных штреках. На некоторых шахтах Кузбасса более 90% проводимых выработок закрепляется анкерами.
Если вернуться к истории, то в 1947 г. в попытке уменьшить число несчастных случаев, вызванных обвалом кровли, Американское Управление шахт (и8БМ) поддерживало использование технологии крепления анкерами. Менее чем за два года, более 200 шахт испробовали этот новый метод поддержки кровли. К 1952 г. ежегодное потребление анкерных болтов достигло 25 млн. штук. К 1968 г. 55 млн. болтов использовались ежегодно 912 угольными шахтами и 60 % угольного производства шло под анкерованными кровлями. В 1970-х быстрый рост в использовании анкерных болтов был вызван Американским Актом 1969 года о "Здоровье и Безопасности на
Угольных шахтах”, который требовал, чтобы кровли и предохранительные целики всех действующих подземных выработок, ходовых, и рабочих мест были закреплены, чтобы защитить людей от обрушения кровли или бортов. В 1984 г., по оценкам и8БМ, приблизительно 120 млн. анкерных болтов использовалось, и более чем 90 % подземного угольного производства производилось под анкерованной кровлей [3].
Основным нормативным документом для шахт России по расчёту параметров анкерного крепления является Инструкция по расчёту и применению анкерной крепи на угольных шахтах России [4], но требования данного документа не всегда соблюдаются.
Сделав анализ аварийных ситуаций [5] на шахтах Ленинского рудника с обрушением кровли и завалами выработок, закреплённых анкерной крепью, за период 2001-2002 гг. по данным Центра анкерного крепления Кузбасса («ЦАКК»), , мы пришли к выводу, что основной причиной произошедших аварий является (табл. 2):
- не указываются в паспортах и естественно не учитываются при расчётах геологические нарушения и конкретные горнотехнические особенности выработки;
- рабочие участков не прошли обучение по применению анкерного крепления;
- нет должного контроля за состоянием качества анкерного крепления горных выработок, т.е. отсутствует мониторинг;
- нарушаются расчётные, паспортные параметры анкерного крепления: длина анкера меньше расчётной, плотность установки анкеров меньше расчётной (увеличивается расстояние между подхватами, уменьшается количество анкеров в ряду);
- оперативно не учитываются для корректировки паспортов крепления геологические изменения;
- ИТР участка и старшие ИТР шахты не контролируют предварительное натяжение анкерных стержней;
- рабочие и ИТР участков несвоевременно проходят обучение правилам расчёта и крепления горных выработок анкерным креплением;
- недостаточно контролируют анкерное крепление и инспектора Госгортехнадзора, закреплённые за шахтами.
Необходимо сделать замечание и работникам «ЦАКК», при разборе произошедших аварий в документации по данным обрушениям:
-место вывала парод кровли не имеет конкретного места привязки в пространстве (к сопряжению выработки, к маркшейдерской точке;
- не делается эскиз места завала выработки;
- в отчетах в место плотности установки анкеров на один м2 площади кровли, фигурирует расстояния между анкерами и рядами анкеров;
-правильным было бы прикладывать к акту обследования копию существующего паспорта крепления горной выработки;
- ампулы производятся двумя фирмами и в своем составе имеют разные компоненты, и при аварии зачастую выявляются причины не качественного закрепления анкеров из-за незатвердева-ния смолы в шпуре;
- иногда наблюдаются недостаточная адгезия смолы со стенками шпуров и анкерами, но не определяется фирма изготовитель, не проверяется качество и состав компонентов данной фирмы, определенной партии ампул;
-анализ возникающих на шахтах обрушений кровли закреплённой анкерами АСП свидетельствует о том, что большая доля вины в возникновении опасных ситуаций ложится на инженернотехнических работников всех уровней: производственного, контролирующего и научного.
Для уменьшения числа случаев обрушения кровли в выработках, закреплённых анкерной крепью, на шахтах должны создаваться службы контроля состояния крепления горных выработок.
Таблица 2
Обрушения кровли в выработках шахт в период с 2001 - 2003 гг.
п/п Шахта Дата Место обрушения Данные осмотра места обрушения Предпосылки обрушения
1. Октябрьская 18.12.01 г. Площадка(№2) сопряжения заезда с наклонным квершлагом Диаметр основания обрушения пород - 12 м, высота свода обрушения - 7,0 - 7,5 м. Острый угол массива сопряжения разрушен на глубину 1,8-2м от проектного сечения. Отжимы пород противоположного бока заезда (забетонированного) около 1,2-1,5м. По контуру пород кровли видны забои шпуров анкерной крепи со следами состава, а также деформированные анкерные стержни, оставшиеся закреплёнными в породах. В породе обнаружен анкерный стержень типа АКС длиной 2,2м без видимых остатков скрепляющего состава в месте закрепления. Структура обнажённых пород в своде обрушения весьма слоистая, породы представлены преимущественно алевролитом. Обрушенные породы мелко и среднекусковатые, слабоувлажнён-ные. Сразу после обрушения отмечено наличие устойчивого запаха скрепляющего состава в ампулах (стирола). Неверный расчет и возведение крепи площадки, отсутствие инструментального контроля.
2. Полысаевская 27.08.02 г. Конвейерный штрек №18-19 пл. Толмачевского Отмечена влага в виде конденсата на стенках свода. Использование анкеров короче расчетной длины, угол установки крайних анкеров не соответствует расчётному, не достаточное количество ампул в шпуре
3. Первомайская 03.09.02 г. Дренажный штрек пл.№27 (в районе геологических нарушения) Нарушение технологии сталеполимерного анкерования, не учтено на стадии подготовки паспортной схемы геологическое нарушение. Отсутствие инструментального контроля
4. им.Кирова 14.11.02г. Конвейерная печь №2074 пл.Снятковски й (в районе тектонического нарушения в виде взброса с амплитудой до 0,6 м и углом падения 15°) Протяженность обрушения 8м, высота обрушения - 3,5 м, отмечен приток воды с кровли. Анкера в своде обрушения с явными следами не застывшей смолы, распределённой по анкеру до 1м. Не учтено влияние повышенного водопритока, снижающего прочность анкеруемых пород в зоне тектонического нарушения. Нарушение паспорта анкерного крепления и технологии установки сталеполимерной анкерной крепи.
5. Заречная 10.12.02 г. Монтажная камера №909 пл. Полысаев-ского-1 Протяженность вывала 12 м, высота до 4 м. В месте вывала было обнаружено 3 анкера со следами не застывшей смолы, 3-4% от всей длины склеивающего состава. Отмечено нарушение напластования пород кровли. Отслоение пород кровли до 200мм. Отсутствие необходимых средств усиления крепи узкого сечения и после расширения, при технологии проведения в две заходки.
6. Егозовская 03.01.03 г. Монтажная камера №874 пл. Полысаев-ского-2 Протяженность вавола 10 м, высота - до 3,5 м. Нарушение паспорта крепления выработки. Расслоение пород кровли. Влияние тектонического нарушения.
Таблица 2 (продолжение) Обрушения кровли в выработках шахт в период с 2001 - 2003 гг.
п/п Шахта Дата Место обрушения Данные осмотра места обрушения Предпосылки обрушения
7. 7 Ноября 20.05.03 г. Конвейерный штрек №813 пл.Полысаевск ого-2 Протяженность вывала 9м, высота - до 2 м. По контуру выработки видны все крайние анкера. Некоторые из них разорваны по резьбовой части анкера. В обрушенной породе найдено 2 анкера со следами скрепляющего полимерного состава. На одном анкере длина стакана 350мм, а на другом 700мм. Обрушенные породы средне и крупнокусковатые, слабоувлажнённые. На своде вывала обнаружены капли воды. Отсутствие необходимой крепи усиления на зону опережающего опорного давления
8. Октябрьская 30.06.03 г. Монтажная камера №980 пл.Полысаев-ский -1 Протяженность вывала 17м, высота - 4,5 - 5,0 м. Обрушенные породы средне и крупно-кусковатые, слабоув-лажнённые. На своде вывала влаги не обнаружено. По контуру выработки видны сохранившиеся замковые анкера. Отжимов пород бортов выработки нет, расслоение пород кровли незначительны. Нарушение технологии сталеполимерного анкерова-ния, отсутствие инструментального контроля.
9. Октябрьская 22.07.03 г. Конвейерный уклон № 97 пл.Полысаев-ский-1 Протяженность вывала 4-5 м, высота - 4-4,5 м. Обрушенные породы мелко и среднекусковатые, слабо увлажнёные. На своде вывала отмечена влага. По контуру видны замковые анкера один из которых разорван по резьбовой части. В обрушенных породах были обнаружены выпавшие анкера с остатками затвердевшего полимерного состава. В 20 метрах от места обрушения отмечен прогиб трёх верхняков на 1-1,5м. Расслоение пород кровли в этом месте достигает 2-2,5м. Не регулярный инструментальный контроль. Расслоение пород кровли.
10. Красноярская 25.07.03 г. Монтажная камера № 1311 пл.Байкаим-ский Протяженность вывала 11-12 м, высота -2,3-2,5 м. Отсутствие средств усиления как в паспортной схеме, так и при фактическом проведении монтажной камеры в две заходки.
11. Заречная 26.08.03 г. Конвейерный штрек № 805 пл.Полысаевск ий-2 Протяженность вывала 5 м, высота 3,0-3,2 м. Обрушенные породы слабоувлажнённые, сред-некусковатой фракции. В контуре свода выявлены 2 анкерных стержня с сорванными гайками, а также выдвижка замковых анкерных стержней из шпуров на 0,5-1,3м. Горногеологические нарушения, не учтены в расчете крепи горнотехнические особенности, отсутствие инструментального контроля.
Такие службы для шахт особо важны, так как за анкерной крепью требуется периодический контроль. Их создание должно исключить составление паспортов крепления и выполнение работ по креплению исполнителями, не прошедшими специального обучения. Во всех выработках, закреплённых анкерной крепью, должны устанав-
ливаться специальные станции для замера расслоения пород кровли. Для контроля работоспособности анкерной крепи должны применяться приборы ПКА, динамометры, средства непрерывного контроля - нужен постоянный мониторинг.
Это способствовало бы значительному снижению аварийности на шахтах Кузбасса.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Bolstad, D. and Hill, J. 1983, "U.S. Bureau of Mines rock bolting research," Proceedings of the International Symposium on Rock Bolting, Abisko, Sweden, pp.313-320.
2. Weigel, W. 1943,"Channel Iron for Roof Control," Engineering And Mining Journal, v. 144, May, pp. 70-72.
3. Bieniawski, Z. 1987, Strata Control in Mineral Engineering, John Wiley & Sons, Inc., pp. 29-57.
4. Инструкция по расчёту и применению анкерной крепи на угольных шахтах России. -СПб., 2000. 70 с.
5. Данные актов расследования аварий.
□ Авторы статьи:
Ремезов
Анатолий Владимирович - докт. техн. наук, проф. каф. разработки месторождений полезных ископаемых подземным способом
Коновалов Леонид Михайлович -канд. техн. наук, директор НП ЗАО «ЦАКК»
Иванов
Руслан Александрович -магистрант каф. разработки месторождений полезных ископаемых подземным способом
Ануфриев Валерий Михайлович -директор ОАО «ш. Полы-саевская» филиал «СУЭК» «Ленинскуголь»
