CC BY
68
----------------------------------- © И.И. Мартыненко, И.А. Капралова,
И.А. Мартыненко, 2008
УДК 622.23
И.И. Мартыненко, И.А. Капралова, И.А. Мартыненко АНКЕРНОЕ КРЕПЛЕНИЕ ВЫРАБОТОК
Семинар № 4
Стоимость проведения, крепления и поддержания выработок, которая является одной из основных составляющих себестоимости
1 т добываемого угля, должна быть минимальной, а крепь - обеспечивать устойчивое состояние и безопасные условия труда. К такой крепи можно отнести анкерную, стоимость которой на порядок ниже стоимости металлической арочной и трапециевидной крепей. В 70-80-е годы 20 столетия на шахтах Ростовской области крепили 65-75 км выработок металлическими замковыми анкерами распорного типа (АС-1м, ШК-1м, АК-8м).
В основном параметры крепи принимались следующим образом: длина анкеров указанных типов составляла 1,6-2,2; количество анкеров в ряду -четыре в кровле, до двух - в боках выработки; расстояние между рядами 0,9-1,5 м. В качестве поддерживающих элементов используются стальные опорные плитки с размерами 200х200х(8-10) мм, 150х150х(6-10) мм и 100х100х(6-10) мм или подхваты из полосового железа 60х8, швеллера №12,14 и спецпрофиля СВП17, если количество раскрытых трещин в кровле было более трех на 1 м выработки. Установка анкеров производилась в шпуры диаметром 42-43 мм с помощью проволочной штанги с кольцом повернутым к штанге под углом 90° или монтажной металлической трубы. В выработках, закрепленных при проведении распорно-
замковыми анкерами, в зоне влияния первой лавы возводилась деревянная или металлическая рамная крепи.
Они обеспечивали устойчивое состояние выработок при минимальных затратах на их поддержание.
Металлическая податливая арочная крепь является несущей без установки средних стоек при ширине до 4,5 м случаях нагружения верхняков сосредоточенными силами, приложенными в средней их части, или распределенными по их периметру, обладает как на вертикальной так и горизонтальной податливостью; имеет конструктивную, близкую к очертанию свода, формирующегося при вы-валообразовании; достаточно просто ремонтируется после извлечения и может использоваться повторно. В свою очередь анкерная распорнозамковая крепь обладает конструктивной податливостью без применения дополнительных податливых элементов; является простой в изготовлении и установке; не требует увеличения поперечного сечения выработки; обладает низкой металлоемкостью, а следовательно имеет низкую стоимость. Она не только укрепляет массив, ослабленный образованием полости при проведении выработки, но и армирует его. Необходимо только правильно определить параметры анкерного крепления.
Нагрузка на крепь выработок с 1 м поверхности кровли определяется по формуле проф. Протодьяконова
Таблица 1
Расчетная способность металлического стержня анкера из условий прочности на разрыв
Номи- нальный диаметр, мм Площадь сечения стержня, см2 Масса 1 м стержня, кг Расчетная несущая способность металлического стержня, кН, в зависимости от марки стали
А1 (Ст. 3) А11 (Ст 5, 18Г2С) А111 (Ст.1872С, 25Г2С
16 2,01 1,578 42,2 54,3 68,3
20 3,14 2,466 65,9 84,8 106,8
24 4,52 3,551 94,9 122,0 153,6
2
Р = — аЬу,
3
где а - плупролет выработки, м; у -объемная масса, т/м3, Ь - высота свода естественного равновесия, которую можно определить из выражения
Ь = kf■LgH ,
где у- объемный вес. т/м3; Н - глубина расположения выработки, м; / -коэффициент крепости пород; к -безразмерный коэффициент, характеризующий устойчивость пород. Подставляя значения Ь, получим
Р = 0,78 к4°аЬ>Р .
Г
Зная несущую способность анкеров, рассчитывают параметры анкерной крепи, т.е. количество анкеров в ряду и между рядами. Несущая способность анкеров зависит от сопротивления металлического стержня разрыву, прочности его закрепления в замке и сопротивлению сдвигу относительно стенок шпура.
Расчетная способность металлического стержня анкера можно определить из табл. 1.
С 1997 г на шахтах региона начато внедрение анкерной сталеполимерной крепи, которой закреплено около 6 км выработок. При этом вначале использовались конструкции анкеров английского производства, а
затем разработанные ОАО «Шахт-НИУИ». Глубина анкерования 1,8-2,2 м; расстояние между рядами 0,8-1,4 м. В качестве поддерживающих элементов применялись стальные полосовые и профилированные подхваты или опорные плитки, а в качестве податливых элементов - отрезки стальных труб и тарельчатые шайбы. Металлические стержни из гладкостенной или арматурной стали, диаметром 20 мм, закреплялись в шпурах диаметром 28-30 мм при помощи патронирован-ного органического вяжущего.
Накопленный опыт показал, что сталеполимерные анкеры в меньшей степени зависят от прочности закрепляемых пород, более надежны в эксплуатации, технологичны в установке обладают высокой несущей способностью, но имеют ограниченный срок службы, высокую стоимость, пожароопасны, токсичны, не имеют конструктивной податливости. Применение как вынужденная мера отрезков металлических труб или тарельчатых шайб, которые должны обеспечить податливость, не решает проблемы податливости анкеров в зоне влияния очистных работ.
Еще в 1972 г. на шахте «Южная» комбината «Ростовуголь» в конвейерном штреке №1317 был закреплен опытный участок протяженностью 50 м сталеполимерными анкерами. В ряду по кровле устанавливалось четыре анкера, в надбермовые породы со
стороны лавы - 2 анкера. Длина анкеров 1,8 м, диаметр - 24 мм. В качестве подхватов применялись опорные плитки размерами 200^200^8 мм. Все анкера устанавливались при проведении штрека. Сетка установки анкеров - 800x900 мм. После прохода лавы на расстоянии 70-80 м у 50% анкеров, т.е. двух рядов со стороны лавы, гайки с нарезной частью анкера и опорные плитки были сорваны опускающимися породами кровли. На расстоянии 120 м от очистного забоя из 250 анкеров, установленных в породы кровли, гайки и опорные плитки остались только на четырех анкерах. Вертикальные смещения пород кровли составили 200-224 мм. Реализация податливости тарельчатых шайб не превышала 60-80 мм. Опытный участок в аварийном порядке был закреплен металлической податливой трапециевидной крепью.
Отмеченные недостатки сталеполимерных анкеров стимулировали разработку неорганических вяжущих составов для закрепления анкеров в шпурах. В 70-е годы прошедшего столетия применялись так называемые железобетонные анкера. Фактически анкерный стержень замоно-личивался песчано-цементным раствором, так как крупный заполнитель (щебень или галька) даже с размером фракции 10 мм препятствовал вводу стержня в шпур диаметром 40-43 мм.
В 1975 году наклонный грузовой ствол протяженностью 1100 м шахты «Шолоховская Северная» был закреплен анкерной крепью с замоноличи-ванием анкеров цементно-песчаным раствором. В качестве стержней применялись анкера ЭС-1м без полумуфт или арматурная сталь диаметром 24 мм с петлей диаметром 80-100 мм на конце. Подхватами служили опорные плитки 200x200x10 мм. Шпуры под
анкера бурились телескопическим перфоратором ПТ-36. Цементнопесчаный раствор готовился на месте возведения крепи и состоял из портландцемента М500, промытого песка с фракциями 3-5 мм до 70 % в отношении 1:3 и воды 0,5 от массы цемента. Раствор в шпур доставлялся шприцем (три порции) после чего в шпур вставлялся анкерный стержень с опорной плиткой и крепился деревянной клицей. Через сутки гайки затягивались динамометрическим ключом с усилием 40 кН.
Анкерной крепи в стволе более 30 лет, она обеспечивает устойчивое состояние выработки. После закрытия шахты ствол дважды затапливался до отметки -150, но раствор не выщелачивался, крепь находилась в удовлетворительном состоянии до консервации стволов.
Несущая способность анкера из условия его закрепления, т.е системы стальной стержень - раствор, и его сдвига относительно стенок шпура была определена по классической методике строительной механики и приведена в табл. 2 и 3.
При определении несущей способности анкера из условия прочности его закрепления и сдвига относительно стенок шпура принималась несущая способность адгезии сталь -цементный камень и цементный камень - породные стенки.
При выполнении этой работы кафедрой «Подземное, промышленное, гражданское строительство и строительные материалы» (ППГСиСМ) ЮР-ГТУ были частично использованы результаты длительных исследований и методика создания эффективной конструкции анкерной крепи на основе применения патронированных быст-ротвердеющих шлакощелочных вяжущих НИИОМШСом под руководством д-ра техн. наук И.Г. Коскова, а также
192
Таблица 2
Расчетная несущая способность анкера из условия прочности закрепления стержня в растворе из шлакосиликатного вяжущего в возрасте 28 сут
Число патро-
Расчетная несущая способность анкера, кН, в зависимости от диаметра стержня и степени обводненности
нов в шпуре 18 20 22 24
сухой влажный капеж из сухой влажный капеж из сухой влажный капеж из сухой влажный капеж из
шпур шпур шпура шпур шпур шпура шпур шпур шпура шпур шпур шпура
2 90 80 70 100 90 80 110 100 90 130 110 90
3 140 120 110 160 140 120 170 150 130 190 160 140
4 190 160 140 210 180 160 230 200 170 250 220 190
5 240 210 180 260 230 200 290 250 220 310 270 230
Примечание. Несущая способность анкеров со стержнем диаметром 18-22 мм при частичном заполнении шпура патронами через 2 ч составляет не менее 40 кН, при полном заполнении шпура патронами - 100 кН в возрасте 2 сут. и более.
Таблица 3
Расчетная несущая способность анкера из условия его сдвига относительно стенок шпура
Число
Расчетная несущая способность анкера, кН, в зависимости от типа пород и степени обводненности
патро- известняк песчаник песчанистый сланец глинистый сланец
нов в шпуре сухой шпур влажный шпур капеж из шпура сухой шпур влажный шпур капеж из шпура сухой шпур влажный шпур капеж из шпура сухой шпур влажный шпур капеж из шпура
2 90 70 60 70 60 50 60 50 40 50 40 30
3 130 110 90 110 90 70 90 70 60 70 60 50
4 170 150 120 150 120 100 120 100 80 100 80 70
5 220 180 150 190 160 130 150 120 100 120 100 80
6 260 220 180 220 190 150 180 150 120 150 120 100
7 310 260 200 260 220 170 210 170 140 170 150 120
Примечание. При диаметре шпуров, отличном от 42 мм, ножены значения расчетной несущей способности анкера.
вводится поправочный коэффициент <1/42, на который должны быть ум-
работ ЗАО «СибТрансУголь» и института НУГП «СибНИИпроектце-мент».
Цементный камень был получен из раствора на основе шлакосиликатного цемента с быстротвердеющими добавками. Сухая смесь массой 250 г патронировалась в гофрированную бумагу. Длина патрона составляла 250 мм. Перед досылкой патронов в шпуры они на 10-15 с погружались в емкость с водой. Объем воды, впитываемой бумагой, был достаточен для гидратации сухой шлакосиликатной смеси.
На основании лабораторных работ установлено, что патронированный закрепитель обеспечивает прочность
закрепления анкеров через 120 мин после установки - 40 кН, через 24 часа 100 кН и более.
Продолжительность установки анкеров с патронированным монозакрепителем не более чем сталеполимерных, все остальные показатели, а именно: реологическая прочность,
термостойкость значительно больше: пожароопасность, токсичность, стоимость - на порядок ниже.
Эти показатели ставят под сомнение целесообразность безальтернативного применения сталеполимерных анкерных крепей для выработок с большим сроком службы и выработок, попадающих в зону влияния очистных работ, птттз
— Коротко об авторах-------------------------------------------------------------
Мартыненко И.И., Капралова И.А., Мартыненко И. А. - Шахтинский институт (филиал) ЮРГТУ (НПИ).
Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 4 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. С.А. Гончаров.
---------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ УРО РАН
НЕКРАСОВ Сергей Викторович Геомеханические условия формирования выбросоопасных зон при слоевой выемке сильвинитовых пластов 25.00.20 к.т.н.
