CC BY
245
УДК 622.283.76 Р.Г. Минзарипов
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ СТАЛЕПОЛИМЕРНОГО АНКЕРНОГО КРЕПЛЕНИЯ ПОЛЕВЫХ ВЫРАБОТОК ШАХТ СУБРА
Семинар № 13
ТЪ октябре 2002 г. по предложению
-D фирмы ШС Есоnоmic and Energy Cons (Великобритания) на шахте «Кальинская» было опробовано крепление выработок с применением анкеров, закрепляемых по всей длине с помощью ампул с химическим составом, изготовленным на основе ненасыщенных полиэфирных смол по технологии английской фирмы «Фосрок». Испытания показали, что анкерное крепление на основе полиэфирных смол вполне пригодно для практического применения.
Внедрение СПШ позволило отказаться от применения двух видов анкеров на очистных работах - клинощелевых (КЩШ) и железобетонных (ЖБШ) штанг и заменить ЖБШ на полимерные на горноподготовительных и горно-капитальных работах. Применение СПШ позволило повысить производительность труда и качество крепления выработок.
Широкое применение сталеполимерных анкеров увеличило материальные затраты на крепление выработок за счет высокой стоимости оснастки анкеров и по-лимербетонных ампул.
В результате обобщения теоретических расчетов, результатов исследования нару-шенности краевой части обнажений в различных горно- геологических и горнотехнических условиях, а также обобщения опыта анкерного крепления были разработаны экономически выгодные параметры упрочняющей штанговой крепи для полевых выработок Североуральских бокситовых месторождений.
Вскрывающие выработки шахт проходятся, практически, по всем литологостратиграфическим разновидностям пород вулканогенного, пирокластического, а также терригенного и нормально-
осадочного происхождения.
Подготовительные выработки проходятся, в основном, в породах осадочного происхождения одного литологического состава, непосредственно подстилающих рудную залежь.
Все породы, по которым проходятся вскрывающие и подготовительные выработки склонны к накоплению потенциальной энергии, хрупкому разрушению и являются потенциально удароопасными. При проведении выработок происходит перераспределение напряжений, повышается их концентрация в краевой части обнажений, что в определенных условиях при удароопасных породах приводит к интенсивному заколообразованию, стрелянию и горным ударам.
В регионе месторождений действует неравнокомпонентное сжимающее поле напряжений, максимальная компонента которого действует в субгоризонтальном направлении. Сложное геологическое строение массива, интенсивная тектоническая нарушенность и выраженная блочная структура обусловили высокую неоднородность поля напряжений на различных участках месторождений. Вблизи активных тектонических нарушений при влиянии горных работ меняется орентировка, величина и соотношения между напряжениями.
Тектонические нарушения, неоднородность и изменчивость поля напряжений оказывают влияние на выбор размеров и формы поперечного сечения выработок, на глубину нарушения обнажений, что требует индивидуального подхода к выбору типа и параметров анкерной крепи как для выработок различного направления, так и для отдельных их участков, кровли и стенок.
Основными техногенными факторами, влияющими на повышение концентрации напряжений на обнажениях выработок и, как следствие, приводящие к увеличению зоны неупругих деформаций, размеры которой обуславливают выбор типа и параметров упрочняющей крепи являются:
• величина сечений выработок;
• влияние соседних выработок и фронта очистных работ;
• увеличение глубины горных работ;
• проведение выработок в зоне влияния безрудных зон и целиков различного назначения;
• назначение и срок эксплуатации выработок.
Таким образом, при выборе типа и параметров анкерной крепи необходимо учитывать совокупность природных и техногенных факторов, влияющих на устойчивость обнажений выработок.
Расчет параметров анкерной крепи сводится к определению размеров области деформаций (разрушения) массива вокруг выработки, величины нагрузки на крепь, несущей способности ее составных элементов, длины и плотности установки штанг.
С учетом характера работы крепи основные параметры анкеров определяют применительно к двум основным расчетным схемам.
Схема I - штанги прикрепляют породу, расположенную в пределах зоны возможного обрушения, к устойчивому массиву и рассчитываются на восприятие нагрузок, вызванных весом пород в
пределах зоны возможного обрушения в кровле и боках. Замковые части штанг заглубляют в устойчивую зону массива на 0,3-0,5 м.
Схема II - штанги скрепляют различно деформируемые слои или структурные элементы породного массива вокруг выработки, формируя упрочненную зону в виде плиты, свода, арки или шатра, способную воспринять горное давление.
Анкерная крепь для выработок шахт СУБРа рассчитывается для условий работы по обеим схемам нагружения: как элемент упрочняющий закрепляемую часть массива и способный выдержать нагрузку от веса столба пород в зоне возможного обрушения.
Граничными условиями, с которых вокруг выработки начинает образовываться зона неупругих деформаций, является положение, при котором действующие напряжения на контуре выработки приближаются к прочности массива () с
учетом ослабляющих факторов.
Обработан материал при бурении 134 скважин в 53 выработках, в том числе в 27 удароопасных, со всех шахт предприятия.
В результате анализа зарисовок керна установлено, что краевая часть полевых выработок разрушается на глубину от
0,6 до 1,0 м. По величине зоны нарушенных пород рассчитана длина анкеров, которая необходима для упрочнения краевой части выработок. Максимальная длина анкеров для крепления стенок выработок на уровне пяты свода равняется 1,35 м, а в кровле глубину ан-керования необходимо осуществлять штангами длиной от 0,85 до 1,35 м. С учетом технологичности изготовления и установки анкеров, надежного обеспечения
Таблица 1
Глубина нарушения пород в кровле и боках выработки
Ширина Значения Ьс0 (Ьб), м
выработки Известняки Порфириты
В, м Ясж=77 МПа Ксж=110МСа Ясж=85 МПа Ясж=127 МПа
свод шатер свод шатер свод шатер свод шатер
5,4 0,95 (0,24) 0,99 (0,34) 0,65 (0,17) 0,67 (0,24) 0,86 (0,22) 0,88 (0,31) 0,56 (0,15) 0,57 (0,21)
5,0 0,88 (0,23) 0,74 (0,33) 0,6 (0,16) 0,62 (0,24) 0,8 (0,21) 0,82 (0,3) 0,52 (0,14) 0,53 (0,2)
4,1 0,59(0,23) 0,61 (0,29) 0,4(0,16) 0,41 (0,21) 0,53 (0,21) 0,55 (0,26) 0,35 (0,14) 0,36 (0,17)
3,7 0,54 (0,23) 0,55 (0,27) 0,37 (0,16) 0,37 (0,19) 0,48 (0,21) 0,5 (0,24) 0,31 (0,14) 0,32 (0,17)
Таблица 2
Длина анкеров в кровле и пяте свода полевых выработок
Ширина выработки, Полная длина анкера, 1Ш, м / Активная длина анкера, 1а, ми (глубина анкерования)
В, м Известняки Порфириты
Ясж=77 МПа Ясж=110 МПа Ясж=85 МПа Ясж=127МПа
Свод
5,4 1,3/1,2 (0,4/0,3)* 0,9/0,8 (0,35/0,25) 1,2/1,1 (0,4/0,3) 0,8/0,7 (0,3/0,2)
5,0 1,2/1,1 (0,4/0,3) 0,85/0,75 (0,35/0,25) 1,1/1,0 (0,4/0,3) 0,8/0,7 (0,3/0,2)
4,1 0,84/0,74 (0,4/0,3) 0,6/0,5 (0,35/0,25) 0,76/0,66 (0,4/0,3) 0,54/0,44 (0,3/0,2)
3,7 0,8/0,7 (0,4/0,3) 0,6/0,5 (0,35/0,25) 0,7/0,6 (0,4/0,3) 0,5/0,4 (0,3/0,2)
Шатер
5,4 1,35/1,25(0,55/0,45) 0,95/0,85 (0,4/0,3) 1,2/1,1 (0,5/0,4) 0,8/0,7 (0,35/0,25)
5,0 1,23/1,13 (0,55/0,45) 0,9/0,8 (0,4/0,3) 1,15/1,05 (0,5/0,4) 0,76/0,66 (0,35/0,25)
4Д 0,86/0,76 (0,45/0,35) 0,62/0,51 (0,35/0,25) 0,8/0,7 (0,45/0,35) 0,55/0,45 (0,35/0,25)
3,7 0,79/0,69 (0,45/0,35) 0,6/0,5 (0,35/0,25) 0,7/0,6 (0,45/0,35) 0,5/0,4 (0,35/0,25)
*в скобках указаны расчеты для боков выработок.
безопасности эксплуатации выработок и оптимизации параметров крепи для всех
шахт рекомендуется одинаковая глубина анкерования краевой части обнажений на величину 1,25 м штангами длиной
1,35 м.
Расстояние между анкерами (сетка крепления) в продольном и поперечном направлении сводчатой части полевой выработки рассчитывалась по несущей способности анкера, по устойчивости породного обнажения между штангами, по условию образования грузонесущей конструкции. Получено значение 1,2 м.
Закрепление полимерных анкеров осуществляется в шпурах диаметром 28 мм. Для бурения используются коронки 0 28 мм и буровая сталь 0 22 мм фирмы « Сандвик-Т амрок».
Ранее для крепления выработок использовались анкера из стали периодического профиля А-Ш-20 (наружный 0 22 мм, внутренний - 19 мм) длиной 1830 - 1850 мм, укомплектованные опорной плиткой размером 150x150 мм толщиной 8 мм, сферической центровочной шайбой, гайкой М-20 под ключ 36 мм и стопорным кольцом из проволоки 0 5 мм. Бурение шпуров и установка анкеров осуществляется телескопным перфоратором ПТ-48. Для подачи анкера в шпур используется специальная насадка на телескоп.
Закрепление стержней по всей длине производится с использованием трех ампул, вставляемых в шпур вручную, последняя ампула оснащается специальным «парашютом», исключающим выпадение их из шпура. Первой в шпур подается ампула с минимальным сроком твердения.
Для снижения себестоимости сталеполимерного крепления и эффективности его применения вместо традиционных клинощелевых и железобетонных анкеров производился поиск по нескольким направлениям:
1. снижение стоимости комплекта за счет применения облегченной оснастки из более дешевого металла;
2. применение меньшего количества ампул без ущерба качеству крепи;
3. изготовление анкеров упрощенной конструкции из дешевых материалов;
4. совершенствование паспортов крепления выработок за счет уменьшения длины анкеров и увеличения сетки их установки.
Первое из направлений снижения стоимости анкеров заключалось в комплектовании их облегченной оснасткой из опорной плитки размером 120x120 мм из стального листа толщиной 5 мм с проштампованной сферической выпуклостью, заводской гайкой М-20 под ключ 30 мм, сферической центровочной втулкой и стопорным кольцом из проволоки 0 4 мм.
Основные выводы, полученные при испытании анкеров, следующие:
1. При использовании анкеров с облегченной оснасткой обеспечивается качественное и надежное крепление кровли как в очистных, так и в проходческих выработках.
2. Для крепления полевых выработок достаточно использовать опорную плитку размером 120x120 мм или 100x100 мм из стали толщиной 5 мм, на очистных работах размер шайбы должен быть сохранен 150x150 мм. В центре опорной плитки должна штамповаться сферическая поверхность, обеспечивающая положительный эффект при начальном натяжении штанг. Гайка М-20 толщиной 16 мм под ключ 30 мм обеспечивает качественное и необходимое натяжение анкера.
3. Анкеры, установленные с одной и двумя ампулами, обеспечивают достаточную несущую способность штанг и качественное закрепление кровли выработок.
4. Испытания анкеров с облегченной оснасткой на предельную наг-рузку вы-
явили, что оснастка выдерживает усилия, равные разрыву анкера в ослабленной резьбовой части.
Прочность закрепления анкеров определялась с помощью гидравлического домкрата фирмы «ROWER TEAM» (США) с максимальным усилием 17,5 т и ходом поршня 50,8 мм.
В результате испытаний опытной партии штанг установлено: Анкера из круглой, гладкой стали класса А-1 диаметром 20 и 22 мм при любом количестве ампул (заполнение шпура полимербетоном более 46 %) выдерживают нагрузку от 10 до 15 т, что превышает их необходимую несущую способность в 1,7-2,5 раза и обеспечивают безопасную эксплуатацию выработок.
Сталеполимерное крепление с анкерами из гладкой стали является податливым и рекомендуется при креплении выработок в сейсмически активных районах. При приложении критической нагрузки происходит срыв сцепления анкера с полимербетоном и дальнейшее его вытяжение из шпура осуществлялось с постоянным усилием, превышающим 10 т.
1. Сталеполимерные анкеры из стали периодического профиля А-Ш-18, 16 и 14 (с диаметром по выступам 20 мм, 18 и 16 мм, соответственно) при нагрузке 8-9 тонн обрываются по резьбе при заполнении шпура полимербетоном более 73 % (2 и 3 ампулы длиной 470 мм).
2. Анкера из периодической стали класса А-1П-20 (диаметр по выступам 22 мм, по впадинам - 19 мм) выдерживают натяжение больше 15 тонн при любом количестве полимерных ампул (заполнение шпура полимербетоном более 45 %).
3. Снижения стоимости полимерного анкерного крепления можно достичь применением прутка из гладкой стали класса А-1 диаметром 20 мм и сферических гаек заводского изготовления, что позволит исключить из оснастки сферическую центровочную шайбу.
Следующим этапом совершенствования СПШ стало проведение опытнопромышленные испытаний пара- метров крепления в шахтных условиях. Решением техсовета СУБРа были выбраны полевые выработки S = 6.1-7.2 м2 Это полевые вентиляционные восстающие, подэтажи и ходки вспомогательного назначения. Выработки были закреплены анкерами СПШ 1 = 1,35 м по сетке 1,2х1,2 м с полным заполнением шпуров полимербетоном.
С опытными параметрами пройдено 94 пог. м полевых восстающих и 255 пог. м вентиляционных подэтажей. В выработках установлено 1350 опытных штанг, при этом перекреплено 78 штанг (5,5 % от общего количества).
Потом были проведены испытания по креплению полевых откаточных выработок S = 10.4-11.2 м2 Это орт-заезд, заезд к рудоперепуску и кольцевая выработка. Пройдено 175 пог.м выработок, установлено 900 анкеров СПШ, из них перекреплено 33 штанги (3,7 % от общего количества).
В процессе опытно-промышленных испытаний, для инструментального контроля за состоянием пород, окружающих выработки закладывались наблюдательные замерные станции. Реперная скважина представляет собой последовательное расположение нулевого (неподвижного) репера на глубине 3 м и активных (подвижных) реперов на интервалах 1,5; 1.0; 0.5 м соответственно. Замеры подвижек реперов производились при помощи штангенциркуля-колумбуса с точностью до 0,1 мм. Отсчёт подвижки производился от мерной планки, которая жёстко закреплена на стержне нулевого репера. Смотровая скважина обследовалась прибором РВП-451 с зарисовкой состояния стенок и привязкой мест на-рушенности, трещиноватости и слоистости. При проведении опытных выработок было установлено 7 наблюдательных станций.
Также, благодаря замерным станциям, удалось оценить влияние очистного пространства на геомеханическое состояние пород орт-заезда при прохождении фронта очистных работ через него.
Результаты:
1. Крепление полевых выработок СПШ с опытными параметрами обеспечивает достаточно надёжную устойчивость обнажений и безопасность эксплуатации выработок.
2. Расслоение пород в кровле выработок происходят на глубину до 1м от обнажения и достигают максимальной величины 3,5-4,0 мм.
3. Перераспределение напряжений в краевой части выработок заканчивается при уходе забоя на расстояние 5^; где d - наибольший размер выработки. В дальнейшем, при отсутствии дополнительной пригрузки обнажения находятся в устойчивом состоянии.
4. Применение анкеров 1 = 1.35 м по сетке их расстановки 1,2х1,2 м позволяет повысить производительность труда при креплении на 23 %, снизить трудоёмкость работ и уменьшить затраты на 60 руб\анкер.
С опытом применения сталеполимерного анкерного крепления на горноподготовительных работах стало очевидно, что в геологических условиях СУБРа нецелесообразно устанавливать СПШ вплотную к забою.
Назрела необходимость проведения опытных работ по проходке полевых выработок с увеличением отставания крепления до 2,5 м перед взрывными работами. Было пройдено 450 пог. м. штреков и орт-заездов в породах с П-Ш категориями устойчивости. При этом установлено более 3000 анкеров, из них 3,9 % штанг было нарушено взрывами. Из нарушенного крепления 0,5 % штанг заменены на новые и 3,4 % усилены деревянными плахами. В итоге, количество нарушенного крепления уменьшилось в 1,5 раза, а число перекрепленных штанг в 2,5 раза.
Выводы:
1. Сталеполимерная анкерная крепь имеет жесткую силовую характеристику, обладает большой несущей способностью, вступает в работу сразу после установки и обеспечивает высокую прочность закрепления краевой части выработок.
2. Анкерные крепи разделяются на замковые, (закрепляемые в донной части), и закрепляемые по всей длине стержня. Замковая анкерная крепь устанавливается с предварительным натяжением в пределах 3-6 т. Контакт «крепь-порода» обеспечивается с помощью специальных опорных плит и шайб. Анкеры, закрепляемые по всей длине шпура, воспринимают нагрузку через затвердевший полимербетон в том месте, где происходит деформация пород, не требуют дополнительной оснастки и предварительного натяжения при установке. Прочность породного массива увеличивается в большей степени при применении анкеров со сплошным заполнением шпура, чем при использовании замковых штанг. Анкерная крепь с закреплением по всей длине шпура имеет повышенную несущую способность, но используется редко из-за высокой стоимости.
3. Инженерно-геологические условия проведения выработок на Североуральских бокситовых месторождениях позволяют применять упрочняющую анкерную крепь для закрепления обнажений в туфогенных породах и рифоген-ных известняках верхней толщи петропавловской свиты. При выборе типа и параметров крепи необходимо учитывать совокупность природных и техногенных факторов.
4. Теоретические расчеты и натурные исследования нарушенности краевой части массива позволяют применять для крепления полевых выработок анкерную сталеполимерную крепь с длиной штанг
1,35 м при сетке их установки ^2x1,2 м. Эти параметры обеспечивают необхо-
димую устойчивость кровли и стенок и безопасную эксплуатацию выработок.
5. Шахтные испытания различных видов анкеров показали, что штанги из стали периодического профиля класса А-111-20 выдерживают нагрузку более 15 тонн при любом способе закрепления. Анкеры периодического профиля А-Ш-18 и 16 выдерживают нагрузку в 8-9 т при заполнении шпура полимербетоном более 73 %, что превышает необходимую несущую способность в 1,3-1,5 раза. Штанги из круглой гладкой стали класса А-1 диаметром 20 и 22 мм при любом количестве ампул (при заполнении шпура полимербетоном более 45 %) выдерживают нагрузку в 10-15 т, что превышает необходимую несущую способность в 1,75-2,5 раза. При приложе-
нии критической нагрузки происходит срыв сцепления анкера с полимербетоном и дальнейшее его вытягивание происходит при постоянном усилии.
Экономически эффективное применение сталеполимерных анкеров при креплении горно- подготовительных и горно-капитальных выработок возможно при использовании прутка А-ІІІ-18, изменении длины анкера, конструкции его головки при сетке их установки 1,2x1,2 м.
Для достижения положительных экономических показателей при замене ЖБШ на СПШ в размере 2,4 руб/м3 на ГПР и 5,9 руб/м3 на ГКР необходимо использовать крепь из стали А-ІІІ-18 с длиной анкеров 1,35 м и сетке их установки 1,2х1,2 м.
— Коротко об авторах -----------------------------------------
Минзарипов Р.Г. - инженер I категории, отдел НИР СПИ «СУБР-проект».
------------------------------------------------- РУКОПИСИ ,
ДЕПОНИРОВАННЫЕ В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ
МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА
1. Кривенко А.Е. Роль механизированной крепи в формировании рабочего пространства очистного комплекса на мощных пластах (450/03-06 —18.01.06) 5 с.
2. Кривенко А.Е. Роль механизированной крепи в формировании рабочего пространства очистного комплекса на пластах малой и средней мощности (451/03-06 —24.01.06) 6 с.
