Шахтинский институт (филиал) ЮРГТУ (НПИ)
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ
РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ, ШАХТНОГО
И ПОДЗЕМНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА
Сборник научных трудов
стр 181-186.
УДК 622.281
Д.В. Высоцкий
аспирант, ШИ ЮРГТУ (НПИ)
Рассмотрены различные условия применения анкерной крепи, пути повышения безопасности ее эксплуатации в поддерживаемых горных выработках на шахтах России.
В горном деле анкерная крепь нашла широкое применение при креплении горных выработок, для закрепления приводов ленточных и скребковых конвейеров. Кроме того, ее используют при возведении опор высотных сооружений в горной местности (ЛЭП, подъемники для горнолыжников и др.). В угольной промышленности анкерную крепь начали применять в 50-е годы ХХ века. Она получила широкое распространение из-за эффективного взаимодействия этого вида крепи с породным контуром выработок, меньших массы и стоимости по сравнению с рамной крепью. Достаточно сказать, что в настоящее время на юге России анкерной крепью закреплено около 95% протяженности всех длительно поддерживаемых выработок [1]. Устойчивость пород обеспечивается не за счет возведения поддерживающих конструкций внутри выработки, а за счет увеличения несущей способности прилегающих к выработке пород путем скрепления их анкерами.
Можно выделить следующие наиболее характерные случаи работы анкерной крепи в подготовительных выработках:
1) для пород слоистой структуры:
а) слои малоустойчивой породы незначительной мощности подвешиваются анкерами к устойчивой основной кровле;
б) с помощью анкерной крепи отдельные слои пород соединяются в одну плиту, которую уподобляют составной балке;
2) для пород неслоистой структуры:
а) анкеры, раскрепляемые за пределами свода естественного равновесия, воспринимают и погашают растягивающие напряжения в породе, под действием которых в незакрепленной выработке происходит обрушение пород до формирования свода естественного равновесия;
б) около каждого анкера куски трещиноватой или разрушенной породы прижимаются друг к другу, образуя, таким образом, прочный блок из глыб пород. Серия таких блоков (породных клиньев), действуя по периметру свода наподобие отдельных камней в каменном своде, предохраняет выработку от обрушения.
Анкерная крепь может применяться:
а) в качестве самостоятельной - в полевых откаточных и вентиляционных штреках, квершлагах, околоствольных выработках, бремсбергах, уклонах и ходках при них, промежуточных штреках, вентиляционных сбойках, скатах и нарезных выработках;
б) в качестве дополнительной (усиливающей) в сочетании о подпорной крепью (так называемая комбинированная крепь) – в капитальных выработках при повышенном горном давлении и в подготовительных выработках, находящихся в зоне влияния очистных работ;
в) в качестве временной - в большепролетных выработках, сопряжениях горных выработок, камерах и т.д., с последующим креплением их подпорной крепью;
г) как средство борьбы с пучением почвы в необводненных породах капитальных и подготовительных выработок.
К облегченным видам крепи относятся конструкции, использующие несущую способность массива. Анкерная крепь как элемент упрочения массива применяется в сочетании с другими видами крепи: набрызг-бетонной с возможным усилением металлическими элементами или сеткой, монолитной бетонной (железобетонной), металлобетонной, тюбинговой, блочной и т.д. Заметим, что анкеры самостоятельно или в сочетании с металлической сеткой могут применяться в качестве временной ограждающей крепи. В качестве несущих элементов рассматриваемого вида крепи использовали различные клинораспорные анкеры с несущей способностью, не превышающей 60-70 кН, устанавливаемые в шпурах диаметром 43 мм. При этом крепление выработок только анкерной крепью проводилось лишь в благоприятных горно-геологических и геомеханических условиях при залегании в кровле малотрещиноватых пород прочностью не менее 30 МПа и небольшом горном давлении. В выработках, закрепленных клинораспорной анкерной крепью, неоднократно наблюдались случаи обрушения пород кровли с травмированием работающих различной степени тяжести. В сложных условиях анкерную крепь применяли лишь как временную, с дальнейшим усилением поддерживающими крепями. В 1986 г. с использованием анкерного крепления было пройдено около 1000 км подготовительных выработок. Однако в дальнейшем объем такого крепления уменьшился и в 1994 г. составил примерно 11% протяженности проведенных выработок. Начиная с 1995 г., на шахтах России проводились опытные работы по внедрению сталеполимерной анкерной крепи с использованием ампул с быстро твердеющим составом зарубежного производства [2].
Для расчета и выбора рациональных параметров этого вида крепления ВНИМИ при участии специалистов КузНИУИ, ПечорНИИпроекта, ЦААК, ШахтНИУИ и производственников разработана Инструкция по расчету и применению анкерной крепи на угольных шахтах России [3,4]. Указанный документ регламентирует также разработку паспортов крепления и поддержания выработок, мероприятия по обеспечению безопасности при установке анкерной крепи, методы и средства контроля ее надежности и работоспособности. В соответствии с Инструкцией расчет параметров, выбор паспортов крепления и поддержания выработок, а также конструкций анкеров и затяжки в кровле и бортах выработок производятся в зависимости от размеров и формы площади сечения выработок, характеристик горного массива и интенсивности горного давления. Основными факторами, определяющими выбор конструкции крепи, состоящей из анкеров, опорных элементов и затяжки, являются: их назначение, срок службы выработок, форма и размеры, геомеханические и горно-геологические условия проведения и крепления, величина горного давления, характеристики устойчивости и строения пород кровли и боков выработок. В настоящее время на всех шахтах основных угледобывающих районов России при отработке пологих пластов для крепления выработок используют сталеполимерную анкерную крепь [2]. При креплении выработок сталеполимерной крепью для предотвращения обрушения пород кровли и травмирования работающих необходимо обязательно соблюдать мероприятия по оценке соответствия принятых параметров анкерной крепи конкретным горно-геологическим и геомеханическим условиям и контролировать состояние и работоспособность крепи на протяжении всего срока эксплуатации выработок. Фактическую несущую способность анкеров необходимо оценивать в начале проведения выработок с помощью штанговыдергивателей ВШГ-20 или ПКА, серийно выпускающихся в России. При этом определяется несущая способность не менее трех анкеров и сравнивается с проектной. В случае, когда фактическая несущая способность хотя бы одного из испытанных анкеров будет меньше проектной, необходимо увеличить плотность их установки. Далее, при проведении выработок аналогичные испытания анкеров надо проводить через каждые 80-100 м. В случае изменения свойств пород и их обводненности по длине выработки обязательны такие же испытания.
Для контроля работоспособности анкерной крепи, кроме постоянного визуального контроля, на участках выработок с различными горными породами и в местах наиболее сложных условий их поддержания не реже чем через 80-100 м нужна установка специальных контурных или глубинных реперов в скважинах. При обнаружении участков выработок с разорванными или выдернутыми анкерами, разрушенными верхняками и затяжками, расслоением кровли и ее отслоением от вышележащей кровли анкерная крепь должна быть усилена установкой дополнительных анкеров или рамной крепи. Практика показывает, что значительное увеличение объема применения анкерной крепи привело к некоторому росту опасных деформаций заанкерованных пород и потере устойчивости выработок. В связи с этим особую важность приобретают вопросы повышения безопасности крепления выработок данной крепью и ее эксплуатации. Первостепенное значение имеют знания и всесторонний учет особенностей строения закрепляемых анкерами пород и деформирования их под воздействием горного давления. Анкерная крепь может быть успешно применена для предотвращения пучения пород почвы сравнительно небольшой мощности, не склонных к пластическим и вязкопластическим деформациям, ниже которых залегают прочные и очень прочные породы, в которых возможно надежное закрепление замков анкеров. Наиболее целесообразно анкерование почвы пучащих пород мощностью не более 1,4-1,6 м. Замки анкеров следует заглублять в породы, залегающие под пучащими породами, на 0,5-0,6 м. Важнейшие условия эффективной работы анкеров вместе с породами почвы выработки как единой системы — соединение анкеров в ряду между собой подхватами и сплошная перетяжка почвы. В качестве подхватов рекомендуются швеллеры или балки из спецпрофиля СВП, в качестве затяжек — металлические решетчатые за- тяжки из прутковой стали диаметром 6-8 мм. Установка анкеров без перетяжки почвы приводит к выдавливанию пород между ними и частичной или полной разгрузке анкеров.
Безопасность эксплуатации анкерной крепи в значительной мере зависит от условий ее применения, к которым относятся:
- свойства углепородного массива (глубина залегания слоев, со- став пород, толщина отдельных слоев, трещиноватость, нарушен- ность, обводненность массива и прочность горных пород);
- характеристика выработки (форма, площадь сечения, угол наклона, способ проведения, глубина залегания, срок службы, способ охраны, расположение в области динамического и остаточного опорного давления, а также ориентация относительно главных горизонтальных напряжений);
- характеристика крепи (конструктивное исполнение и податливость, длина и число анкеров в ряду, шаг их установки, способ крепления и схема расположения);
- свойства материалов, из которых изготовлены основные несущие, поддерживающие и ограждающие элементы крепи;
- контроль за устойчивостью выработки и деформацией элементов крепи (визуальные наблюдения, измерения смещений и расслоений горных пород, проверка качества установленной крепи с помощью динамометрического ключа, испытания анкеров на выдергивание при нагрузках, принятых в паспорте крепления, и определение усилий в стержнях тензометрических анкеров) [5].
С переходом горных работ на более глубокие горизонты (300-500 м от поверхности) и вынужденным увеличением площади сечения выработок почти в 2 раза, а также с внедрением бесцеликовой технологии подготовки и отработки выемочных полей условия применения металлических замковых анкеров существенно ухудшились. Распорные анкеры в большинстве своем перестали в полной мере удовлетворять требованиям безопасности из-за участившихся случаев обрушения закрепленных пород в зонах повышенного горного давления. Непредсказуемость режима работы распорных анкеров в сравнительно слабых породах (менее 40 МПа) и в выработках (крутые пласты) при буровзрывном способе ведения горных работ в забоях привели к тому,что в середине 90-х годов в этих условиях почти полностью прекратилось их применение для крепления кровли выработок. Проверка состояния промышленной безопасности на горноподготовительных работах показывает, что основной причиной несчастных случаев с тяжелым и смертельным исходом остаются нарушения паспортов крепления, связанные, главным образом, с превышением допустимых площадей обнажения неустойчивых пород кровли в призабойном пространстве подготовительных выработок, уменьшением длины анкеров и плотности их установки [6]. Здесь на первый план выступают организационно-технические мероприятия по усилению действенного контроля за своевременным возведением сталеполимерной анкерной крепи. Необходимо также продолжить изучение свойств горных пород в тех или иных горно-геологических и горно- технических условиях, совершенствовать методы и приборы контроля за состоянием вмещающих пород и анкерной крепи.
Литература