CC BY
33
СЕМИНАР 7
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001"
МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2000 г.
© А.Р. Узбекова, 2001
'-ч --
УДК 622.283.74
А.Р. Узбекова
ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ
В
настоящее время, упрочнение горных пород при подземной добыче полезных ископаемых, становится наиболее актуальным вопросом, так как разработка месторождений происходит на более глубоких горизонтах в усложняющихся условиях с различными формами проявления горного давления.
Крепление горных выработок является сложным и трудоемким процессом в цикле горнопроходческих работ. Стоимость крепи доходит до 70 % стоимости выработки. Одной из самых прогрессивных систем крепления горных массивов является анкерная крепь. Идея этого вида крепления возникла еще в античные времена. Она состоит в работе анкера по принципу якоря. Штанга подвешивает слабые слои к ненарушенным породам основного слоя.
В горнодобывающей промышленности анкерную крепь применяют с начала ХХ века. Использование данного крепления было отмечено в 1900 г. на угольной шахте в Верхней Силезии. Это были клинощелевые анкеры, изготовленные из дерева.
Инициатива использования анкерной крепи в подземных выработках в 1930 г. принадлежит Соединенным Штатам, где ее разработка стимулировалась Горным Бюро США. В 1947 г. применение анкеров в Америке приобрело массовый масштаб.
В отечественной практике анкерное крепление стало использоваться в горной промышленности в 50-е гг.
Анкеры имеют следующие функции:
• подвешивание слабых пород в кровле выработки к более прочным породам;
• скрепление слоистых пород в единую грузонесущую конструкцию с повышенным сопротивлением изгибу;
• повышение сил трения между слоями пород;
• восприятие растягивающих напряжений в кровле выработок, благодаря сжатию приконтурного слоя пород.
Часто, действие этих функций происходит одновременно, обеспечивая надежную защиту выработки от различных проявлений горного давления.
Первые деревянные клинощелевые анкеры имели ряд достоинств: простоту конструкции, низкую стоимость. Основные недостатки: незначительная несущая способность и сложность в установке. Поэтому позже возникли металлические клинощелевые анкеры, несущая способность которых в 3-4 раза выше, чем у деревянных. Параллельно возникло множество моделей штанг, закрепляемых с помощью муфт. Эти анкеры просты в установке, но они не работали в слабых породах, что привело к появлению варианта анкерной крепи с механическим закреплением, представляющим собой замок, заделанный в цементный раствор или смолу. Такая система практически исключает возможность перемещения замка в скважине и обеспечивает длительное закрепление.
Проблема влияния взрывных работ на несущую способность анкерной крепи с механическим закреплением и натяжением привела к дальнейшей эволюции систем крепления. Взрывы вызывают волны напряжений в породах, закрепленных анкерами. Происходящие при этом вибрации нарушают сцепление замка с породами в стенках шпура. Натяжение анкеров падает, что приводит к уменьшению сопротивления расслоению и прогибу пород кровли. В данных условиях необходимо использовать повторное натяжение анкеров.
Пустое пространство между штангой и стенкой шпура обуславливает разрушающее действие обратной волны на породный массив, в результате чего образуются зазоры между подхватами и кровлей. Вследствие чего были разработаны но-
вые системы анкеров, закрепленные по всей длине скважины, которые существенно повышают устойчивость породного массива и не допускают наличия пустого пространства в шпуре.
На американских рудниках широко используется система фрикционной крепи «сплит-сет», разработанная компанией Ingersoll-Rand. Армирующий элемент системы - тонкостенная стальная трубка, забиваемая в шпур с меньшим диаметром. Данные анкеры помимо скрепления пород, работают еще и как средство натяжения.
В Европе популярна система горной крепи «свеллекс», разработанная фирмой Atlas Copco в Швеции. Это - трубка, сжатая благодаря гофрированной форме, в которую нагнетается вода и происходит развальцовка анкера в шпуре. Такая система отличается высокой несущей способностью и быстрым вступлением в работу.
Взрывораспорные анкеры просты в изготовлении и сразу вводятся в работу. Однако они используются реже, потому что этот способ не безопасен.
Анкеры с механическими замками являются активным способом крепления массива, так как целью их предварительного натяжения является противодействие сдвижениям горных пород. Такие системы обладают невысокой работоспособностью в трещиноватых породах и в зоне активного динамического воздействия взрывных работ.
В условиях, когда установка крепи возможна до появления существенных деформаций в массиве горных пород, а также в очистных камерах при ослабленных породах кровли более эффективно использование ненапрягаемых анкеров. Так как такие анкеры мало нагружают горные породы до начала сдвижений, они представляют собой пассивный вид крепи. К типам такого крепления относятся анкеры податливого типа, железобетонные штанги и анкеры со сплошным закреплением смолами.
Анкеры податливого типа используются в зоне частых горных ударов. Замок штанги не очень крепкий, благодаря чему при ударе анкер сдвигается, продолжая сохранять несущую способность.
Железобетонная анкерная крепь недостаточно эффективна на участках с развитой трещиннова-тостью пород. Из-за большого срока набора прочности цементным составом в условиях быст-роразвивающегося горного давления и динамического воздействия взрывных работ часто нарушается сцепление состава с анкерами и породой.
Это приводит к расслоениям укрепленных анкерами пород.
В начале 1970-х гг. появились быстро твердеющие прочные полимерные смолы, что привело к возникновению новой системы анкерного крепления. В настоящее время, около 25-30 % используемых типов штанг составляют анкеры со сплошным закреплением химическими составами на основе смол.
Сначала была распространена система с предварительным помещением в скважины герметичных ампул с синтетической смолой. При установке в кровле эти анкеры часто давали негарантированное закрепление. Сложности организации производства полимерных ампул привели к появлению безампульной технологии установки анкеров с химическим закреплением, которая предусматривает прямую подачу компонентов закрепляющего состава в шпур. Затраты на установку таких анкеров гораздо ниже, чем при ампульной технологии.
Еще один тип крепи - «Перфоболт» был разработан в Европе. Анкер представляет собой перфорированные половины трубки, которые наполняются смолой, скрепляются проволокой и вставляются в шпур. При проталкивании стержня в центральную часть трубки, раствор выдавливается. Для установки такой системы не требуется дополнительной технологии. Достоинства таких анкеров: быстрое вступление в действие и сопротивление поперечному сдвигу. Заделанный анкер работает только в зонах, где происходит раскрытие трещин. Сдвижение горных пород приводит к возникновению высоких удельных напряжений. Кроме того, такие анкеры эффективно поддерживают естественное трение между слоями.
Однако в слабых породах системы анкеров не выполняют своих функций на поверхностях раздела (если смола прочнее таких пород). А в крепких породах штанги выходят из строя из-за разрушения стали или выскальзывают из скважин, если поверхность анкеров гладкая. Поэтому в таких случаях следует использовать анкеры с механическими замками.
Надежность анкерного крепления в значительной степени зависит от знаний инженернотехнического персонала и умения приспособить ее в определенных горно-геологических условиях. Систематическое применение анкеров для обеспечения устойчивости массива горных пород
насчитывает уже около 60 лет, однако, задача разработки рациональных основ проектирования пока еще полностью не решена.
Использование самоходного оборудования в процессе крепления позволяет увеличить производительность работ в 10 раз по сравнению с ручной установкой штанг. К сожалению, направление механизации операций по установке анкеров в нашей стране развито недостаточно.
В случаях, когда анкерная крепь не отвечает требованиям обеспечения устойчивости состояния массива, следует уделить особое внимание использованию анкеров в сочетании с другими видами крепления.
Рамно-анкерная крепь материалоемкая, но она безотказна в зонах влияния остаточного опорного давления большой интенсивности. Часто используется при интенсивных деформациях выработок, проводимых по слабоустойчивым породам в зонах влияния очистных работ и тектонических нарушений.
Анкерно-набрызгполимерная крепь позволяет снизить риск образования трещин и разрывов. Выбор смолы зависит от типа горных пород.
Применение анкерной крепи в сочетании с инъекционным упрочнением позволяет безопасно сооружать выработки большой площади сечения в слабоустойчивых, трещиноватых породах с последующим их креплением облегченной крепью.
При закреплении пород, нарушенных многочисленными трещинами разнообразного направления, анкеры оказываются ненадежным средством поддержания выработки. К тому же штанги не предохраняют горные породы от вредного воздействия рудничной атмосферы. В таком случае наилучшую изоляцию может обеспечить слой набрызгбетона. Поэтому особое внимание следует уделить этому сочетанию.
Набрызгбетон может выполнять роль изолирующего покрытия и одновременно грузонесу-щей конструкции. Такая комбинация позволяет снизить расход материала, уменьшить поперечное сечение выработки в проходке (в более сложных условия следует изменять параметры анке-рования, а не увеличивать слой набрызгбетона), увеличить скорость проведения работ. Возведение набрызгбетонной крепи в сочетании с анкерным креплением можно механизировать на 85-87 %.
Слой бетона, нанесенный способом набрызга, обладает хорошим сцеплением с породой и высо-
кой прочностью, в результате чего полностью реализуется несущие свойства массива. Набрыз-гбетон хорошо сопротивляется воздействию взрывных работ, безопасен в пожарном отношении и имеет высокие гидроизоляционные свойства. Возможность обеспечения быстрого набора прочности позволяет проводить взрывные работы уже через 3-4 часа.
Стоит отметить, что набрызгбетон относится к жестким видам крепи, плохо работающей на растяжение. Это приводит к ее растрескиванию, особенно в зонах влияния очистных работ. Для устранения этого недостатка в отечественной и зарубежной практике ведутся работы по использованию при набрызгбетонировании металлических, стеклотканевых и полимерных добавок.
Основной интерес представляет бетон, армированный металлическими волокнами - фибро-бетон. Добавки в виде отрезков тонкой проволоки диаметром 0,2-1 мм и длиной 2-5 см обычно составляют 5-10 % массы цемента.
Отрезки меньшего диаметра и большей длины непригодны, так как при их добавке в смесь не обеспечивается качественное сцепление.В технологии нанесения особого отличия между бетоном и фибро-бетоном не существует. Не происходит также износ элементов машин.
При использовании фибро-бетона рекомендуется первый слой нанести без добавок. Второй слой наносится с металлической сечкой на еще не схватившийся первый слой. Концы проволочек покрываются слоем бетона. При этом металлические добавки связывают между собой слои на-брызгбетона.
Усадка фибро-бетона понижается в 3 раза. К тому же фибры в бетоне повышают прочность бетона на 30 % увеличивают прочность на растяжение на 40 %, а ползучесть повышается на 20 %.
Сочетание анкерной крепи с фибро-бетоном успешно используется за рубежом при проведении работ на больших глубинах. Такое комбинирование позволяет укреплять выработки, при интенсивном воздействии взрывных работ и в зонах высоких динамических нагрузок.
Использование фибро-бетона с анкерами является наиболее оптимальным видом крепления крупных подземных сооружений. При этом отсутствие закрепленного пространства и качественный контакт фибро-бетона с массивом обес-
печивает их совместную работу. Такая крепь является безотказной в зоне горных ударов, обеспечивая надежную защиту выработки. Использование этого сочетания позволит реализовать принципы ресурсосберегающей технологии крепле-
ния, повысить производительность труда, снизить стоимость сооружения выработки и повысить надежность ее поддержания, что в свою очередь позволит проводить горные работы на более глубоких горизонтах.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Узбекова А.Р. — студентка, Московский государственный горный университет.
