CC BY
49
© В.Е. Ануфриев, В.В. Барковский, Б.В. Власенко, В.Г. Харитонов, В.Н. Цыцаркин, 2003
УДК 622.281.742
В.Е. Ануфриев, В.В. Барковский, Б.В. Власенко, В.Г. Харитонов, В.Н. Цыцаркин
ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ НОВЫХ ТИПОВ АНКЕРОВ ДЛЯ УПРОЧНЕНИЯ ПРИКОНТУРНОГО МАССИВА ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК
Широкомасштабный переход от материалоемкого рамного крепления к анкерному на шахтах России обусловлен появлением беззамковых классов анкеров, закрепляемых ампульным способом полиэфирными смолами, развитием техники и технологии производства двухкамерных ампул в США, Англии, Г ермании.
Высокая производительность, простота технологии закрепления, высокие физико-механические свойства полиэфирных смол обеспечили широкое применение сталеполимерных анкеров в развитых угледобывающих странах и на шахтах России. На ряде шахт Кузбасса 90-100% всех выработок крепят анкерной крепью.
В настоящее время в Кузбассе функционирует два производителя ампул с полиэфирной смолой. Однако сталеполимерные анкеры не могут удовлетворить всё многообразие горно-геологических условий и имеют ряд недостатков.
Они неустойчивы к пожарам. При подземных пожарах (ш. Первомайская, ш. им. Кирова, ш. Абашевская и др.) под действием высокой температуры смола теряет свои физикомеханические свойства, вследствие чего анкеры вываливаются вместе с породой. При наличии водопритоков из шпуров смола разубоживается, вымывается и не выполняет своих функций.
Другим недостатком смолы является её высокая стоимость, которая составляет в настоящее время 30-50% стоимости анкера в зависимости от длины закрепления. Вследствие высокой стоимости ампул со смолой пользователи ограничивают длину закрепления.
Повышение качества упрочнения приконтурного массива выработок беззамковыми анкерами может быть достигнуто: увеличением длины закрепляющей втулки, повышением её механической и адгезионной прочности, сокращением времени закрепления анкеров, снижением цены закрепляющего материала. В различных условиях эксплуатации выработки доля того или иного фактора различна. С
точки зрения повышения качества упрочнения приконтурного массива наиболее значимым является первое направление.
Условие равновесия анкера в различные периоды эксплуатации определяет горизонт смены знака касательных напряжений на поверхности «закрепляющая втулка - стенка скважины» (ней-тральный горизонт), при условии большего сцепления на контакте закрепляющей втулки с анкером.
Часть пород на интервале М0М1 под влиянием деформационных процессов и начального распора оказывает давление на опорные элементы анкеров (рис. 1).
Из условия равновесия анкера следует, что на интервале М1М2 на контакте закрепляющей (полимерной) втулки с негладкими стенками скважины за счет химико-механической связи возникают касательные напряжения, вызванные перемещением пород к контуру выработки. На интервале М2М3 породы обладают собственной несущей способностью. Поэтому на этом интервале направленность возникающих касательных напряжений имеет противоположный знак (рис.1, а).
В начальный период эксплуатации выработки анкер находится в равновесии и выполняет функцию «сшивки» и «подвески». Распределение касательных тп и нормальных стп напряжений по сечению стержня на интервале М2М3 контакта с закрепляющей втулкой подобно распределению их вокруг анкера в бетонной заделке. Анкер находится в равновесии до тех пор, пока осевая нагрузка на анкер, обусловленная реакцией отпора опорного элемента и касательными напряжениями контакта закрепляющей втулки со стенками скважины и стержнем на интервале М1М2 ниже нейтрального горизонта будет уравновешена сдвиговой прочностью контактного взаимодействия закрепляющей втулки со стенками скважины и стержнем на интервале М2М3 глубже нейтрального горизонта (рис. 1).
С течением времени в результате деформационных процессов приконтурного массива происходит его дезинтеграция. При этом вокруг закрепляющей втулки анкера формируется конус, характеризующийся пониженным уровнем дезинтеграции массива. Об этом свидетельствуют данные распределения числа каверн и трещин при оптическом зондировании скважин эндоскопом, а также данные расслоения кровли в параллельных скважинах. Породы «конуса» передают свой вес на стержень анкера, вне конуса - на опорные элементы анкера. На завершающей стадии эксплуатации этот конус уменьшается в размере. Нейтральный горизонт
Рис. 1. Схема нагружения анкера: а) в процессе выполнения функции «сшивки» и «подвески»; б) в процессе преобладания «подвески» на завершающей стадии эксплуатации выработки. т - касательные напряжения на контакте закрепляющей втулки с породами; а8 - нормальные напряжения в сечении грузонесущего стержня; 1 - стержень анкера; 2 - закрепляющая втулка; 3 - опроный элемент; 4 - затяжка
смены знака касательных напряжений при этом перемещается в направлении дна шпура. Конус MlM2N может быть полностью разрушен. В таком случае функция «сшивки» исчезает. Остается преимущественно функция «подвески». Прочные слои пород могут экранировать процесс дезинтеграции.
Имеются факты (пл. Наддесятый ш. Сибирская, пл. Толмачевский ш. Комсомолец), когда малая длина закрепления и недостаточная плотность установки анкеров приводит к дезинтеграции массива выше горизонта анкерования при наличии там поверхностей ослабления или малопрочных слоев при достаточно прочных малотрещиноватых породах ниже горизонта акерования и на контуре выработок. В таких случаях при появлении нормальносекущих или кососекущих трещин над выработкой могут происходить вывалы блоков вместе с анкерами.
Структура и строение пород определяют различные типы распределения расслоения в приконтурном массиве по глубине и, соответственно, различные схемы нагружения анкера, распределения осевой нагрузки по грузонесущему стержню. Однако по большинству условий применения дезинтеграция массива убывает по мере удаления от контура выработки.
Увеличение длины закрепляющей втулки приближает основание конуса к контуру выработки. Maлое основание конуса берет начало с торца закрепляющей втулки. При плотном контакте с контуром опорного элемента анкера конус может начинаться с опорной шайбы. При малопрочных слоях кровли конус берет начало с торца закрепляющей втулки.
С увеличением длины закрепляющей втулки, за счет передачи веса на стержень анкера снижается нагрузка на опорные элементы, увеличивается сопротивление межслое-вым, межтрещинным сдвиговым нагрузкам. К увеличению сопротивления сдвиговым нагрузкам приводит также увеличение плотности анкерования.
Передачей большей доли нагрузки на стержни анкера можно достичь снижения массы применяемых подхватов. Так переход с подхвата СВП-22 длиной З,5 м, закрепляемого тремя сталеполимерными анкерами (U= 2,2 м), на подхват ПШВ, закрепляемый четырьмя анкерами экономит около 100 руб. на 1 п.м. выработки.
В плоской модели структурированной кровли измерения относительных деформаций подтверждают факт их снижения при увеличении длины закрепляющей втулки. Измерения прогибов и смещений кровли, ранее проведенных исследований подтверждают этот факт. Таким образом, увеличение длины закрепляющей втулки повышает качество упрочнения приконтурного массива за счет увеличения мощности грузонесущей породной толщи.
Важность сокращения времени закрепления анкера вытекает из необходимости увеличения скорости подготовки лав. Например, сокращение времени закрепления анкера на 20 сек. при скорости проходки З0 м в сутки (по З анкера в ряду через 0,8 м) экономит 20,8 часа на 1 км выработки. При закреплении четырьмя анкерами в ряду экономится 27,7 часа на 1 км выработки.
Еще важнее снижение цены при сохранении высокой скорости возведения. Например, снижение цены закрепляющего материала на 10 руб. при установке 4 анкеров в ряду и шаге крепления 0,8 м экономит 50 руб. на п.м. выра-
ботки. Поэтому специалистами ведется поиск альтернативы сталеполимерным анкерам.
Кроме снижения цены оптимальный вариант технологии упрочнения массива анкерами должен удовлетворять следующим требованиям: предварительное натяжение анкера (до 20-30 кН) после установки без ожидания времени отверждения закрепляющего материала; незамедлительный набор прочности закрепления до уровня равнопрочности со стержнем анкера после его установки; закрепление анкера по большей длине шпура при конкурентоспособной цене; операция досылки ампул должна быть совмещена с операцией досылки стержня анкера; срок хранения ампул должен быть не менее года; закрепляющий материал должен быть устойчив к пожарам и сохранять механические свойства в течение всего срока службы выработок (под-готовительных, капитальных). Развитие элементной базы и технологии анкерного крепления ведется в направлении реализации этих требований.
Некоторым приближением в направлении реализации этих требований является технология закрепления комбинированного анкера (разработка ИУУ СО РАН), сочетающего свойства винтового и железобетонного анкера, закрепляемого минеральной композицией в ампулах. В отличие от винтового у комбинированного анкера винт (~ 1,5 витка) имеет диаметр меньший, чем диаметр шпура. Ампулы с минеральной композицией имеют две модификации (АМК1 и АМК2). АМК1 выполнена в виде однокамерной ампулы в тканевой оболочке, которая перед введением в шпур затворяется водой. АМК2 выполнена двухкамерной. Внутренняя секционная оболочка содержит воду. Поэтому ампула не требует замачивания сухих смесей закрепляющего состава.
Недостаток ампул АМК1 состоит в том, что после замачивания водой они теряют жесткость. Однако, они отличаются низкой стоимостью (~ 4 руб.) и не требуют значительных затрат на организацию производства. Ампулы АМК2 как и ампулы с полиэфирной смолой весьма технологичны в использовании, но требуют капвложений на проектирование, изготовление и освоение технологической установки. Несмотря на это цена ампул АМК2 ниже, чем у ампул с полиэфирной смолой в 3 раза. В целом анкер и закрепляющий материал ампул АМК2 дешевле сталеполимерного на 7-15% в зависимости от длины анкера, а при использовании ампул АМК1 эффект еще больше.
В отличие от сталеполимерных комбинированные анкеры (АКМ20) имеют перспективу использования для закрепления в шпурах с водопритоком.
Исследования нагрузочных свойств комбинированного анкера были проведены на стенде в искусственной скважине и подтверждены шахтными испытаниями. Стендовые испытания показали следующее.
1. Крутизна нагрузочной характеристики анкера, закрепляемого минеральной отверждающейся композицией, в первые 3 часа после установки анкера определяется, прежде всего, кольцевым зазором между головкой анкера и стенкой скважины, как и в случае взаимодействия с сыпучим материалом. Перемещение головки анкера при предварительном натяжении анкера сразу после его установки приводит к уплотнению закрепляющей втулки. В ближней области от головки анкера (5 диаметров скважины) вследствие малого кольцевого зазора между головкой анкера и стенкой скважины вода из пластичной минеральной композиции отжи-
мается к ее устью и в стенки. В результате смесь под головкой анкера приобретает прочность и свойство сопротивляться сдвигу при взаимодействии с негладкими стенками скважины и наличии адгезии к ним. Это свойство обеспечивает возможность получения несущей способности анкера в 5-8 т при смещениях головки анкера на 13-20 мм после установки при предварительном натяжении.
2. При кольцевом зазоре между головкой анкера и стенкой скважины 1-1,5 мм крутизна нагрузочной характеристики определяется длиной закрепляющей втулки в течение первых 3-6 часов набора прочности закрепляющей минеральной композиции. При суточном наборе прочности длина закрепляющей втулки мало (3-5%) влияет на крутизну нагрузочной характеристики анкера.
3. Смещения хвостовика анкера после суточного набора прочности обусловлены, главным образом деформациями грузонесущего стержня, резьбовых соединений с гайкой и с муфтой. Конструктивно исполнение анкера при приложении нагрузки на хвостовик анкера подвергает закрепляющую втулку сдвигу. Материал закрепляющей втулки в суточном возрасте обеспечивает сопротивление сдвигу в 4-5 МПа. При длине закрепляющей втулки 360 мм ее сопротивление сдвигу превышает прочность грузонесущего стержня анкера, изготовленного из круга диаметром 20 мм, то есть усилие в 10-15 т.
4. Разработанная технология закрепления комбинированного анкера, в отличие от технологии установки сталеполимерного анкера, исключает операцию вращения анкера (8-15 сек.) после окончания подачи анкера, а также операцию ожидания времени отверждения смолы (10-20 сек.). По затратам времени на установку комбинированные анкеры могут конкурировать со сталеполимерными.
Комбинированные анкеры не боятся перебура скважины. В отличие от сталеполимерных комбинированные анкеры более надежны в закреплении по ряду факторов:
• Качество закрепления практически не зависит от качества перемешивания, т.к. такая операция отсутствует;
• Механическая прочность минеральной композиции практически не убывает с течением времени;
• Закрепляющие минеральные композиции не выгорают при пожарах.
Относительно низкая стоимость и более высокая надежность закрепления при минимальных экологических ущербах на дневной поверхности и в шахтах делают комбинированные анкеры перспективными в конкуренции со сталеполимерными.
Закрепление тремя ампулами с минеральными композициями (длиной по 400 мм) стыкового комбинированного анкера в шпуре диаметром 30 мм и глубиной 3,5 м в кровле пласта Е5 шахты Осинниковской подтвердило технологичность его установки и результаты стендовых испытаний.
Аналогичные испытания комбинированных анкеров длинной 1,8 м на ш. им. Кирова также подтвердили результаты стендовых испытаний. Через 25 мин. после установки прочность закрепления превысила 5 т.
Без ожидания времени отверждения, сразу после установки анкера, можно осуществлять предварительное натяжение до 2-2,5 т. Низкая цена закрепляющего материала позволяет увеличить длину закрепления, что обеспечивает лучшее качество упрочнения приконтурного массива.
Для упрочнения приконтурного массива горных выработок различного назначения в сложных горно-геологических условиях возникает необходимость в применении двухуровневых схем крепления с применением анкеров глубокого заложения.
В передовых угледобывающих странах (США, Австралия, ЮАР, Англия и др.) в качестве анкеров глубокого заложения используют стычные и канатные анкеры. Стычные анкеры труднее защитить от коррозии, они менее технологичны при установке. Применение стычных анкеров требует бурения шпуров большего диаметра (30-32 мм) и, следовательно, большего расхода закрепляющего материала в сравнении с канатными. Канатный анкер может закрепляться в шпурах диаметром 25-28 мм. Вследствие этого предпочтение отдается канатному анкеру.
Основу канатного анкера (АК01, АК02 разработка ИУУ СО РАН и «Кузниишахтострой») составляет арматурный канат К-7 соединенный с опорной муфтой цангой или клином. Гайка помещена на внешней резьбовой поверхности муфты. Канатный анкер позволяет закреплять его ампульным либо нагнетательным способом. При ампульном способе могут использоваться ампулы с полиэфирной смолой или минеральной композицией. Нагрузочные характеристики (рис. 2) канатных анкеров, закрепленных смолой или минеральной композицией, мало отличаются друг от друга.
Проверка качества усиления канатными анкерами стандартного крепления сталеполимерными анкерами, проводилась на экспериментальном участке вентиляционного штрека 905 на сопряжении с лавой 905 пласта Полысаевского I шахты Заречной (рис. 3).
Непосредственная кровля - алевролит средней крепости (!'=3-5), второй класс устойчивости, мощность изменяется от
5 до 10 м. Допустимая площадь
обнажения при отработке лавы 10-15 м2 в течение часа. Основная кровля пласта - переслаивание слаботрещиноватых алевролитов и песчаников (1=5-8), мощность 20-30 м. Почва пласта -алевролит средней крепости (1=3-4), при размокании склонен к пучению.
На экспериментальном участке кровля пласта в период проходки вентиляционного штрека 905 была закреплена сталеполимерными анкерами (по 4 анкера в ряду). Подхваты под решетчатую затяжку установлены через 0,8 м. Канатные анкеры длиной 3,4 м устанавливались в промежутке между рамами (см. рис. 3). В ка- Рис. 2. Нагрузочные качестве опорного элемента исполь- рактеристики канатных зовались концы спецпрофиля анкер°в 1 - нагружение СВП-22 длиной 450 мм. Перед сразу после
^ двумя ампулами АМК; 2 -бурением шпура опорный элемент нагружение сразу после прижимался к кровле распорной закрепления тремя ампу-стойкой типа ВК. Бурение шпура лами АМК; 3 - нагруже-
осуществлялось электросверлом с ние чедрГдз"ри1часа (3 ампулы АМК); 4 - нагруже-
принудительной П°даЧеЙ через НИе через сутки (3 ампулы отверстие в опорном элементе. АМК); 5 - нагружение че-
После бурения шпура 030 мм в рез шесть часов (3 ампу.лы
АМК); 6 - нагружение че-его устье вставлялась полиэтиле- ' ™
рез три часа после закреп-
новая направляющая труба. (дли- ления тремя ампулами с
ной 700 мм) с осевым продоль- полиэфирной смолой.
ным вырезом. В направляющую трубу вводились ампулы
АКЦ с полиэфирной смолой (по 3 ампулы) и досылались
канатным анкером до упора в дно шпура.
После этого полиэтиленовая направляющая труба извлекалась из отверстия опорного элемента и отсоединялась от анкера через продольный вырез в трубе. Затем к хвостовику анкера подсоединялся переходник, который вставлялся в шпиндель электросверла. Путем подачи с вращением анкер вводился до упора в дно шпура. После 20 секундного ожидания отвердения электросверло с переходником отсоединялись от хвостовика анкера, и на него навинчивалась гайка с предварительным натяжением 2 т. При этом опорный отрезок спецпрофиля прижимал через решетчатую перетяжку отслоившуюся кровлю к массиву.
Для сравнительной оценки качества усиления крепления канатными анкерами в вентиляционном штреке 905 были
установлены три замерные станции ЗС1, ЗС2, ЗС4 (см. рис.
3).
Вертикальные скважины глубиной 4,5 м в кровле и скважины глубиной 4 м в бортах выработки оборудовались глубинными реперами, соединенными тросиками с индикаторами вне скважины. С их помощью контролировались относительные перемещения реперов. Нагрузка на канатные анкеры контролировалась тензометрическими датчиками ТД - 2. Регистрация показаний датчиков осуществлялась посредством переносной тензостанции ИИД - 5м.о данным контроля расслоений кровли (рис. 4) на всех замерных станциях во всех интервалах по глубине, наблюдалось смена знака деформаций по мере приближения к забою лавы 905 за исключением интервала 3 - 4,5 на ЗС4, где устойчиво наблюдалось расширение интервала. Судя по визуально просматриваемым следам деформаций, этот интервал за 160 м от лавы был уже подвержен деформациям. Однако факт отсутствия смены знака деформаций на этом интервале глубины на ЗС4 в отличие от ЗС1 и ЗС2 свидетельствует
об устойчивом развитии трещин расслоения выше горизонта закрепления канатных анкеров, которые в данном случае выполнили функцию сшивки прочных пачек кровли.
Суммарные относительные деформации кровли вычисляем по формуле
п =|е К *100/{к,+1 - к, )]|,%,
где (^+1-^) - интервал между соседними глубинными реперами в вертикальной скважине,
Д^=(^+1-^) - деформация интервала между соседними глубинными реперами.
В качестве критерия сравнительной геомеханической оценки, можно
Рис. 3. План размещения замерных станций в вентиляционном штреке 905 пл. Полысаевского I ш. Заречная. 1 - вентиляционный штрек 905; 2 -вентиляционный штрек 905бис; 3 - вертикальная скважина 043 мм; 4 - глубинные реперы в борту выработки; 5 - канатные анкеры; 6 - выработанное пространство; 7-подхваты; №1, № 2, № 3, № 4, № 5 - фотоупругие датчики ФТО - 2 в борту выработки; ЗС1, ЗС2, ЗС3, ЗС4 - замерные станции
Рис.4. Деформации Д^+1^) кровли на интервалах (^+1-^) между глубинными реперами в вертикальных скважинах вентиляционного штрека лавы 905 пл. Полысаевского I в зависимости от расстояния до забоя лавы: а) - на замерной станции ЗС4 (опытный участок); б) - на замерной станции ЗС2; в) - на замерной станции ЗС1
0
0
принять показатели Щ и П2 , которые определяются как отношения суммарных относительных деформаций сравниваемых участков:
м0 п2/
м0 п1/ п2 = 1
п4 ^ / п4
Сравнение суммарных относительных деформаций (рис.4) на замерных станциях ЗС1, ЗС2, ЗС4 и по критериям П° и
0
П2 показывает (рис. 5), что геомехани-
ческое состояние экспериментального участка штрека, усиленного канатными анкерами, существенно предпочтительней других. п
^^Д(Я}+1 - Я,) - суммарные деформа-,=1
ции кровли на интервалах ^ Я,+1 - Я,
,=1
На экспериментальном участке штрека, закрепленном канатными анкерами (замерная станция
ЗС4) показатель П4 в несколько раз меньше, чем на ЗС1, ЗС2 (рис. 5).
Впереди лавы на интервале 15 - 18 м в вентиляционном штреке 905 устанавливались под каждый подхват стандартной крепи по две гидравлические стойки. На экспериментальном участке, после того, как забойной крепью были подхвачены первые канатные анкеры, гидравлические стойки были убраны. При подходе лавы нагрузка на канатные анкеры возросла (рис. 6). Однако,
Рис. 5. Отношения { П° е П° } относительных деформаций кровли на
замерных станциях вентиляционного штрека 905 пл. Полысаевского I а 9ааепеипое 10 баппогушу а! ёаай 905
Рис. 6. Нагрузка на канатный анкер в зависимости от расстояния до лавы на экспериментальном участке вентиляционного штрека 905 пл. Полысаевского I
вывалов, обрушений и резких видимых деформаций со стороны кровли не наблюдалось. Кровля сохранила своё устойчивое состояние. За секциями лавной крепи наблюдалось некоторое зависание непосредственной кровли, подхваченной канатными анкерами. Таким образом, канатные анкеры выполнили взамен гидростоек в полной мере функцию упрочнения кровли.
При установке канатных анкеров в процессе проходки, необходимость в монтаже, демонтаже, переноске гидростоек на сопряжении лавы со штреком отпадает. Комфортность условий эксплуатации сопряжений при отсутствии стоек возрастает. Кроме того, дополнительное упрочнение кровли анкерами глубокого заложения в период проходки исключает возможность вывалов кровли в локальных зонах, что снижает риск задержки добычи из высоконагруженных лав по этой причине.
Заключение
1. Исследования нагрузочных свойств комбинированных анкеров типа АКМ20 на стенде и в шахте подтверждают их работоспособность и перспективу опытнопромышленных испытаний в различных условиях и в дальнейшем освоение технологии выпуска их элементов.
2. Канатные анкеры АК.01 разработанные в ИУУ СО РАН и «Куниишахтострой» подтвердили свою работоспособность.
3. Геомеханическая ситуация на экспериментальном участке вент. штрека 905, усиленного канатными анкерами, по критерию расслоения на различном расстоянии от лавы в несколько раз благоприятнее, чем на типовых участках, усиленных перед лавой опережающей крепью из двух рядов гидростоек.
4. Отработанные конструкции канатных анкеров и операции ампульного закрепления технологичны и рекомендуются для опытно-промышленных испытаний в различных горнотехнических условиях.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Ануфриев Виктор Евгеньевич - кандидат технических наук. Институт угля и углехимии Сибирского отделения, Барковский Владимир Владимирович - аспирант, Институт угля и углехимии Сибирского отделения, РАН. Власенко Борис Васильевич - доктор технических наук, Институт угля и углехимии Сибирского отделения РАН. Цыцаркин Валентин Николаевич - кандидат технических наук, Институт угля и углехимии Сибирского отделения, РАН. Харитонов Виктор Геннадьевич - главный инженер шахты Заречная, г. Ленинск-Кузнецкий.
