АНКЕРНАЯ СТАЛЕМИНЕРАЛЬНАЯ КРЕПЬ ТИПА АСМ
Научная беседа В.А.ЮРЧЕНКО
Генеральный директор ФГУП НПО “Сибсельмаш” О.А.УТИРАЛОВ Заместитель
генерального директора ФГУП НПО “Сибсельмаш” В.И.МАГДЫЧ Кандидат техн.
наук, Заместитель генерального директор ЗАО “СибТрансУголь” В.В.НЕКРАСОВ
Доктор техн. наук, проф., Заместитель директора ГУРШ
Повышение надежности инфраструктуры горнодобывающего предприяти на
основе применения сталеминеральной анкерной крепи
Широкое промышленное применение анкерной крепи на шахтах Кузбасса
началось в 1970 г. после организации крупномасштабного производства
металлических замковых анкеров распорного типа ШК-1м, АК-8у и АКМ. На
протяжении 20-ти лет такими анкерами ежегодно крепили свыше 200-300 км
пластовых выработок небольшой площади сечения и малым сроком службы.
В отдельные годы объемы анкерного крепления достигали 27-28% от общей
протяженности закрепляемых выработок. По мере увеличения ширины выработок
до 4-4,5 м и углубления горных работ до 300-400 м объемы анкерного
крепления стали неуклонно сокращаться из-за снижения устойчивости
выработок и непредсказуемого режима работы металлических замковых анкеров
в относительно слабых породах. По этой причине к концу 1980-х годов
полностью прекратилась практика их применения в качестве основного
средства крепления выработок. Однако замковые анкеры продолжают
применяться.
В мировой горной практике широкое распространение получили
сталеполимерные анкеры с ампулами на основе полиэфирных смол, которые
обеспечивают устойчивое состояние выработок большого поперечного сечения,
проводимых на глубине свыше 600 м от поверхности. Учитывая положительный
опыт их применения в Кузбассе, созданы совместные с иностранными фирмами
предприятия ООО “Фозрок-ТПС” и ЗАО “Карбо-ЦАКК” по производству
отечественных ампул типа АП-1 и АКЦ-1 из местного сырья и импортных
материалов, что послужило основой для дальнейшего развития анкерного
крепления. В настоящее время доля выработок закрепленных сталеполимерной
анкерной крепью на отдельных шахтах составляет 60-98% от общей
протяженности проводимых по пластам различной мощности, включая наклонные
стволы, уклоны, монтажные камеры, конвейерные и вентиляционные штреки
шириной 5,5-9,5 м.
Накопленный опыт показал, что сталеполимерные анкеры в меньшей степени
зависят от прочности закрепляемых пород, более надежны в эксплуатации и
технологичны в установке, обладают высокой несущей способностью, но имеют
ограниченный срок службы и высокую стоимость. Кроме того, полимерные
ампулы пожароопасны и токсичны, что требует выполнения специальных мер по
обеспечению безопасных санитарно-гигиенических условий работы с ними.
Термостойкость закрепляющей втулки не превышает 300 – 3500С.
Отмеченные недостатки сталеполимерных анкеров стимулируют разработку
неорганических вяжущих составов для закрепления анкеров в скважинах
диаметром 30 и 43 мм. Так, предложенная ВНИИгидроуглем, комбинированная
анкерная крепь предусматривает первоначальное закрепление анкера ШК-1м с
помощью установочной трубы, последующее заполнение скважины неорганическим
составом РНС и ввод арматурного стержня в скважину диаметром 43 мм. Такая
конструкция усложняет возведение крепи, увеличивает трудоемкость установки
анкера, повышает расход металла и требует применения дополнительного
оборудования для заполнения скважины цементным раствором.
Фирма “Адапт” (г. Караганда) разработала и провела промышленные
испытания анкерной крепи с ампулами АЦД. Ампула АЦД состоит из
полиэтиленовой оболочки с двумя полостями. Одна полость заполнена
минеральной твердеющей смесью, а другая - жидким компонентом. Наличие
двуполостной оболочки усложняет конструкцию изделия и технологию его
изготовления. Использование жидкого компонента, затвердевающего при
отрицательных температурах, осложняет хранение и транспортировку ампул в
зимнее время, так как при кристаллизации жидкого компонента возможно
разрушение полиэтиленовой оболочки.
Важную роль в развитии работ по минеральным твердеющим смесям сыграли
исследования, проведенные в НИИОМШС (г. Харьков) под руководством доктора
техн. наук И.Г.Коскова, которые привели к созданию патронированного моно
закрепителя анкеров ПМА на основе цемента особо тонкого помола. Однако
разработанный состав доведен только до экспериментальных образцов,
успешные испытания которых проведены в Кузбассе на шахте “Новокузнецкая”.
Дальнейшее научное развитие и поиски новых технических и
технологических решений по созданию и применению дешевых и экологически
чистых быстротвердеющих составов получили в работах ЗАО “СибТрансУголь” и
института НЧ ГП “СибНИИпроектцемент”. Учитывая непрерывно возрастающие
требования к технике и технологии анкерного крепления горных выработок,
разработан закрепитель анкеров минеральный патронированный ЗАМП на основе
быстротвердеющего расширяющегося цемента с добавками, регулирующими время
схватывания и прочность. ЗАМП - представляет собой патрон из нетканого
полотна заполненный минеральной смесью.
Техническая характеристика закрепителя анкеров ЗАМП
Назначение:
Предназначен для возведения сталеминеральных анкеров при создании
армоминеральной анкерной крепи
Общая информация:
Содержат многокомпонентный состав на основе минеральных композиций,
которые заключены в односекционную оболочку
Дополнительные сведения: Закрепитель анкеров минеральный
патронированный (ЗАМП), является нетоксичным, невзрыво и не пожароопасным
изделием и соответствует государственным санитарно-эпидемиологическим
правилам и нормативам. Заключение №42.21.05.210.П.000015.01.02 от 29
января 2002 г. Термостойкость:
Не ниже 1000°С – без снижения прочности закрепляющей втулки
Срок службы:
Закрепляющая втулка, достигнув через 28 суток прочности более 65 МПа,
сохраняет положительную динамику в наборе прочности в течение 30 и более
лет
Размеры, м:
диаметр, D 0,023
длина, L 0,35
Поверхностная плотность полотна патрона, кг/м2 0,04
Время затворения патрона в воде, с 6-10
Тонкость помола минеральной смеси (остаток на сите № 008), не более, %
5
Время схватывания закрепителя, мин:
начало, не менее 1,5
конец не, более 4,0
Предел прочности при сжатии, МПа, не менее:
через 0,5 ч
через 24 ч
через 28 сут.
Удельное сцепление с породой через 24 ч, МПа
Линейное расширение при гидратации, %, не менее 1,0
Масса минеральной смеси в патроне, кг 0,21
Изготавливается различных типоразмеров и свойств в соответствии с
условиями применения и типом анкеров
Лабораторными исследованиями установлено, что из двухсот испытанных
образцов наибольшей стабильностью показателей обладает смесь № 161,
рецептура которой принята к промышленному производству закрепителя ЗАМП по
ТУ 5738-001-00284635-2001. Минеральный закрепитель не токсичен, не
пожароопасен и соответствует государственным санитарно-эпидемиологическим
правилам и нормативам. Термостойкость минеральной смеси для ЗАМП находится
в пределах 1200–13000С. Закрепляющая втулка, сформированная из патронов
ЗАМП, сохраняет положительную динамику в наборе прочности в течение 30 лет
и более.
В результате выполненных научно-исследовательских и
опытно-конструкторских работ удалось создать адаптированные к закрепителю
ЗАМП анкеры АСМ-1 и АСМ-2 (рис.3), устанавливаемые в скважины диаметром
28-30 мм, которые состоят из стержня периодического или винтового профиля
1, плоской или сферической опорной плиты 2, гайки 3. Стержни анкеров,
выполненные из арматурной стали различных классов, имеют на одном конце
наконечник в виде четырехугольной пирамиды, а на другом – элемент винтовой
пары. На стержнях анкера АСМ-2 у наконечника дополнительно сформирован
опорный элемент Бурение скважин и установка сталеминеральных анкеров могут
производиться электросверлами с ручной и принудительной подачей,
переносными гидравлическими и пневматическими буровыми колонками,
перфораторами и навесным буровым оборудованием, смонтированным на
проходческом комбайне или погрузочной машине. Технологией возведения
сталеминеральных анкеров предусматривается выполнение следующих операций:
затворение в воде и ввод в скважину требуемого количества патронов;
перемещение патронов до конца скважины и уплотнение их досыльником;
установка в гнездо буровой колонки адаптера и соединение его со стержнем
анкера, на который предварительно надета опорная плита и навинчена гайка;
включение буровой колонки и досылка анкера до конца скважины за счет
усилий подачи. При недостаточных усилиях подачи стержень анкера
кратковременно вращают с помощью буровой колонки; завинчивание гайки
буровой колонкой для создания предварительного натяжения анкера с усилием
не менее 10 кН.
Второй и последующие анкеры возводятся аналогично в соответствии с
паспортом крепления выработки.
Опытная партия анкерных крепей АСМ-1 и АСМ-2 с патронами 3АМП испытана
в ОАО “Шахта им. В.И. Ленина” при проведении вентиляционного штрека №
0-3-1-20 по верхнему слою пласта Ш мощностью 9 м, залегающего под углом
7-130 . Непосредственная кровля пласта мощностью 9-11 м представлена
алевролитом средней устойчивости с прочностью на сжатие 38 МПа, основная
кровля мощностью 17-30 м – песчаником с прочностью на сжатие 120 МПа.
Вентиляционный штрек трапециевидной формы шириной 4 м и высотой 2,6-3
м закреплен тремя рядами анкеров в сочетании с решетчатыми затяжками и
металлическими подхватами из швеллера № 8 длиной 3,5 м, установленными с
шагом 1 м. Закрепление анкеров в скважинах диаметром 30 мм производилось:
при креплении анкерами АСМ-1 тремя патронами 3АМП; при креплении анкерами
АСМ-2 двумя патронами 3АМП.
В процессе испытаний не зафиксированы отказы при установке анкеров
АСМ-1 и АСМ-2 и подтверждена надежность их закрепления в скважинах.
Технологические операции по установке легко осваиваются рабочими.
Хронометражные наблюдения показали, что продолжительность установки
этих анкеров примерно одинаковая и составляет в среднем 2,26 мин, в том
числе по операциям: затворение патронов в воде – 9 с; досылка патронов в
скважину и их уплотнение – 49 с; установка анкера - 64 с; завинчивание
гайки - 14 с. Каждый комплект крепи выработки возводился без
технологических перерывов за 18 мин, в течение которых анкеры набирали
прочность не менее 40 кН.
В период наблюдений с марта по октябрь 2002 г. расслоения пород кровли
и образования трещин на опытном участке вентиляционного штрека с анкерными
крепями АСМ-1 и АСМ-2 не наблюдалось.
Учитывая положительные результаты эксплуатационных испытаний,
межведомственная комиссия рекомендовала анкерные крепи АСМ-1 и АСМ-2 с
патронами ЗАМП, защищенные двумя патентами на изобретение, для применения
на предприятиях угольной и горнорудной промышленности.
Рассмотрев рабочую документацию на указанные изделия, результаты
эксплуатационных испытаний в условиях ОАО “Шахта им. В.И. Ленина”,
положительное Заключение экспертизы промышленной безопасности нц ВостНИИ и
гигиенический сертификат санитарно-эпидемиологического надзора,
Госгортехнадзор РФ выдал ЗАО “СибТрансУголь” разрешение на выпуск и
применение анкерных крепей АСМ-1 и АСМ-2 и закрепителя 3АМП в угольных и
сланцевых шахтах и рудниках для крепления подземных горных выработок.
В настоящее время на базе имеющегося опытно – промышленного
производства ведется подготовка к серийному производству закрепителя 3АМП
и анкеров АСМ-1 и АСМ-2 для дальнейшего развития и расширения области
применения анкерной крепи на шахтах Кузбасса и других регионов России.
ВЫВОДЫ
1. В настоящее время доля выработок закрепленных сталеполимерной
анкерной крепью на отдельных шахтах составляет 60-98% от общей
протяженности проводимых выработок.
2. область применения сталеполимерной анкерной крепи распространяется
на капитальные выработки околоствольного двора, квершлаги, полевые и
пластовые магистральные бремсберги, уклоны и штреки, пластовые выемочные
выработки шириной в проходке до 6м, а также на различные сопряжения этих
выработок и монтажные камеры. Срок службы этих выработок составляет от
одного года до тридцати и более лет.
3. применяемые составы для формирования закрепляющей втулки
сталеполимерных анкерных крепей на основе полиэфирных, полиуретановых,
эпоксидных и феноло-формальдегидных смол обладая рядом потребительских
свойств позволившим им найти самое широкое применение для крепления горных
выработок, имеют также ряд свойств, таких как: реологические (прочность
закрепляющей втулки сформированной из некоторых полимерных составов в
шахтных условиях начинает снижаться на 2-й, год эксплуатации;
термостойкость (не превышает 300-3500С); пожароопосность (полимерная
ампула горюча); токсичность; высокая постоянно растущая цена полимерных
ампул; Эти свойства, на наш взгляд, ставят под сомнение целесообразность
повсеместного применения сталеполимерных анкерных крепей для крепления
практически всех горных выработок в различных горно-геологических условиях
срок службы, которых составляет 30 и боле лет.
4. Одним из направлений позволяющим предупредить негативные
последствия состояния выработок шахт и рудников, в том числе и после
подземных пожаров, вследствие безальтернативного распространения
сталеполимерных анкерных крепей является создание и внедрение на
предприятиях анкерных крепей на основе минеральных композиций.
5. созданы анкерные крепи АСМ-1, АСМ-2 с закрепителем анкеров
минеральным патронированным ЗАМП применение которых наряду с другими
видами крепления горных выработок повысит надёжность инфраструктуры шахт и
рудников, улучшит условия труда и снизит затраты на крепление и содержание
выработок. |