Маркшейдерия и недропользование

Вопрос крепления выработок на рудниках РУП «ПО «Беларуськалий» с каждым годом становится все более востребованным и актуальным. Если в первые 50 лет эксплуатации месторождения стоял, в основном, вопрос охраны, крепления и поддержания подготовительных выработок, то в последние 20 лет очень остро стоит вопрос, связанный с поддержанием в безопасном состоянии и капитальных выработок.

Как показывает анализ результатов исследований устойчивости капитальных выработок [1], основные проблемы с их поддержанием начинают проявляться через 25-30 лет эксплуатации. В большей степени деформирование контура выработок отмечается при их ширине (пролете) свыше 4,0-4,5 м. Как правило, в первую очередь начинает разрушаться кровля выработок, и особенно при ее привязке выше кровли пласта (на обоих действующих горизонтах), где залегают слабые глинистые, глинисто-соляные породы.

Крепление капитальных и подготовительных выработок на месторождении выполнялось все это время, в основном, анкерной крепью. Длина анкеров при этом составляла не более 2,0 м во всех выработках, вне зависимости от их ширины (эквивалентного пролета) [2]. Прогиб кровли по центру выработки достигал значений 0,3-0,5 м. Учитывая незначительную податливость анкерной крепи (20-30 мм для винтовых и 60-70 мм для анкеров типа «Эстонсланец»), возникает вопрос о работоспособности и надежности крепи. При прогибе кровли 0,3-0,5 м винтовой анкер, например, может находиться в нескольких неконтролируемых состояниях, а именно:

• перемещаться внутрь выработки вместе с деформированными породами, сохраняя при этом свою целостность и связь с боковыми породами;
• перемещаться внутрь выработки вместе с деформированными породами, сохраняя свою целостность, но с потерей контакта с породами за счет срезания, смятия, вытягивания витков анкера, либо разрушения пород на контакте «порода – витки анкера» из-за повышенных касательных напряжений;
• перемещаться внутрь выработки вместе с породами в виде отдельных фрагментов анкера из-за разрыва тела по его длине;
• прорезание опорной шайбы анкера его хвостовиком при развитии прогиба нижней пачки кровли (с мощностью 0,15-0,3 м) и сохранение сплошности вышележащей толщи пород выработкой. Это, пожалуй, единственный случай для винтовых анкеров, когда косвенно можно судить (по прорезанию хвостовика) о его работоспособности.

Анкер типа «Эстонсланец» в нарушенных породах кровли (стенках выработки) также может находиться в нескольких состояниях по отношению к боковым породам, но до полной реализации замка податливости он находится в контролируемом режиме. Косвенной оценкой его работоспособности является прогиб опорной шайбы и прорезание резьбы на теле анкера или фиксирующей гайке.

Работоспособность всех видов анкерной крепи и надежность закрепления ими пород («сшивание») будет зависеть от высоты деформирования пород. Для слоистых пород, которыми являются породы кровли Старобинского месторождения, работоспособность и несущая способность анкера будет зависеть также от высоты расслоения пород по слабым контактам. Под слабыми контактами в данном случае понимаются глинистые, глинисто-карналлитовые прослойки мощностью более 3 мм и пределом прочности на одноосное сжатие менее 15 МПа. Как было отмечено в работе [2], существующая анкерная крепь эффективно работает при ширине выработки до 5 м, так как в этом случае высота расслоенных пород соизмерима с длиной анкера (при сроке службы выработки 15-30 лет). В выработках с большим пролетом (при прочих равных условиях) эффективность крепления кровли анкерами длиной 1,8-2,0 м снижается из-за наличия деформированных пород выше 2,0 м, то есть за зоной действия анкерной крепи.

Результаты шахтных и лабораторных исследований. Как отмечалось выше, а также в работе [3], одной из проблем, которая существует при эксплуатации анкерной крепи, является проблема отсутствия экспресс-метода оценки работоспособности анкера в шахтных условиях службами технического надзора рудника. Существующие методы оценки грузонесущих характеристик анкерной крепи базируются на использовании различного рода выдергивателей, например, с помощью полых двухходовых гидродомкратов типа ДП 30Г-210, через внутреннее отверстие которых пропускается испытуемый анкер, предварительно установленный в кровле (стенках) выработки. Гидродомкрат, подвешенный на анкере, распирается между опорной шайбой анкера и кровлей (стенкой) выработки [2,4]. Данный способ оценки работоспособности анкерной крепи может быть использован и используется, в основном, специализированными организациями, требует специальных навыков и знаний у обслуживающего персонала, как при шахтных испытаниях, так и при последующей обработке и интерпретации результатов исследований.

Рис. 1.
Схема установки анкерно-тросовой крепи в конвейерном штреке лавы № 77 гор.-420 м рудника 3 РУ: 1 - комбинированный анкер; 2 - трос с двумя стропами; 3 - распорная втулка; 4 - конус; 5 - опорная шайба; 6 - гайка М20; 7 - деревянная пробка; 8 - промежуточная шайба; 9 - затяжка; 10 - свод обрушения пород; 11 - винтовые анкера

Для разработки любого способа или приборов оценки работоспособности анкерной крепи необходимо иметь полное представление о механизме взаимодействия анкера с боковыми породами. Вопрос взаимодействия боковых пород, например, с винтовыми анкерами неоднократно описывался в научно-технической литературе, в частности, в работах [4,5].

Тем не менее, располагая новыми фактическими данными, считаем необходимым вновь вернуться к этому сложному и важному вопросу, от которого зависит безопасность ведения горных работ на месторождении. Поводом для возврата к результатам прежних теоретических и натурных исследований послужили новые данные, которые были получены при анализе результатов испытаний анкерно-тросовой крепи в лаве № 77 гор.-420 м рудника 3 РУ [6]. Испытания анкерно-тросовой крепи выполнялись в конвейерном штреке лавы, кровля которого была закреплена двумя рядами винтовых анкеров в полном соответствии с «Паспортом крепления…». Кроме того, кровля штрека на расстоянии 30-50 м впереди забоя лавы поддерживалась деревянными стойками с шагом 0,8-1,0 м. На экспериментальном участке рудстойки не устанавливались, а вместо них устанавливалась анкерно-тросовая крепь. Схема крепления штрека представлена на рис.1.

Как видно из рисунка, винтовые анкера обычной крепи (поз.11) были установлены ближе к центру выработки на 0,3-0,4 м, чем комбинированные анкера (поз.1) анкерно-тросовой крепи. Исходя из такой постановки, винтовые анкера (поз.11), из-за развития прогиба кровли должны были испытывать нагружение от прогнувшихся пород кровли раньше, чем комбинированные анкера (поз.1).

При дальнейшем анализе результатов исследований необходимо учитывать некоторые особенности установки и параметры данных типов анкеров, а именно:

• винтовой анкер (поз.11) имел длину и устанавливался на глубину 1,5 м, а его опорная (стандартная) шайба имела толщину 8 мм;
• комбинированный анкер имел длину и устанавливался на глубину 2,1 м, а его опорная шайба имела толщину 8 мм. Отверстия под анкер в центре шайб были просверлены диаметром под комбинированный и винтовой анкер соответственно 20,0 и 25,5 мм.

Рис. 2.
Характер работы элементов комбинированного и винтового анкеров на уровне забоя лавы № 77 гор.-420 м рудника 3 РУ: 1 - опорная шайба, хвостовик, фиксирующая гайка комбинированного анкера; 2 - хвостовик, опорная шайба винтового анкера; 3 - трос; 4 - верхняки крепи сопряжения.

Прогиб кровли на экспериментальном участке начинал активно развиваться впереди забоя лавы на расстоянии 3-5 м, где достигал значений 0,25-0,35 м. Основной же прогиб кровли величиной от 0,4-0,5 до 0,6-0,7 м отмечался на уровне забоя лавы и в отработанном пространстве на расстоянии 2,5-3,0 м позади секции крепи сопряжения. При визуальном осмотре состояния винтовых и комбинированных анкеров были подмечены некоторые особенности в их деформировании. В качестве объекта сравнения работы анкеров были взяты их опорные шайбы, хвостовики, фиксирующие гайки. Визуальными наблюдениями для двух типов анкеров, расположенных друг от друга на расстоянии 0,3-0,4 м (рис.2), а также при их нахождении на уровне забоя лавы было замечено следующее:

• ни шайба, ни хвостовик винтовой крепи за все время ее службы не претерпели каких-либо видимых изменений. Отсутствовал прогиб шайбы и ее прорезание хвостовиком анкера даже при наличии прогиба кровли величиной до 0,7 м;
• опорная шайба комбинированного анкера имела конический прогиб величиной до 6,0-9,0 мм.

Внешний вид элементов крепи представлен на рис.2.

Рис. 3.
Результаты испытаний элементов анкерной крепи в лабораторных условиях: 1 - комбинированный анкер; 2 - винтовой анкер

Аналогичные результаты позднее были получены и в лаве № 71 гор.-430 м рудника 1 РУ. После обработки и анализа данных натурных наблюдений возник ряд вопросов о работе анкерной крепи. Во-первых, при каких нагрузках и деформациях начинает развиваться прогрессирующий прогиб опорной шайбы на комбинированном анкере, и при каких нагрузках проявляется прорезание опорной шайбы хвостовиком винтового анкера? Для этих целей было изготовлено оборудование, которое позволяло произвести испытания вышеназванных элементов анкерной крепи в лабораторных условиях с соблюдением механизма их нагружения для реальных шахтных условий. По каждому варианту было изготовлено по три комплекта крепи. Испытания проводились на гидравлическом прессе ПСУ-50 и разрывной машине Р-200; усредненные результаты исследований по каждому типу крепи приведены на рис.3.

Прежде чем говорить о результатах испытаний, необходимо отметить, что при оценке работы элементов винтового анкера было отмечено не прорезание хвостовиком шайбы, а наоборот, срезание тела хвостовика шайбой. Отверстие шайбы в последнем случае деформировалось незначительно без образования прогиба и самой шайбы.

Анализируя экспериментальные данные можно сделать следующие выводы:

• несущая способность хвостовика и шайбы винтового анкера намного меньше аналогично параметра для комбинированного анкера;
• до нагрузки 30-50 кН режим нагружения элементов крепи для обоих типов анкеров близок к упругому. Свыше этой нагрузки примерно до 80-85 кН элементы комбинированного анкера продолжают работать в упругой зоне нагружения, а в элементах винтового анкера начинают развиваться деформации текучести;
• максимальная несущая способность элементов «винт+шайба» для винтового анкера составляет 63-65 кН, что практически соответствует требованиям ТУ на производство крепи [7];
• максимальная несущая способность элементов «шайба+гайка+хвостовик» для комбинированного анкера составила 130 кН, при достигнутом прогибе около 14 мм. Из-за опасности полного продавливания гайки через отверстие шайбы испытания были прекращены. Внешний вид опорной шайбы комбинированного анкера после лабораторных испытаний представлен на рис.4.

Рис. 4.
Характер деформирования опорной шайбы комбинированного анкера при его нагружении в лабораторных и шахтных условиях

После анализа лабораторных испытаний возник второй вопрос – почему элементы винтового анкера (в отличие от комбинированного) не испытывают нагружения в шахтных условиях, даже если предположить, что оба типа анкеров стоят в кровле в одном и том же месте, где прогиб кровли составляет 0,3-0,7 м? Первый ответ, который возникает при этом исходя из результатов исследований – расслоение пород кровли находится выше 1,5 м (выше глубины установки винтового анкера) и винтовой анкер перемещается внутрь выработки вместе с деформированными породами. Кроме того, нижняя часть винтового анкера может перемещаться внутрь выработки вместе с деформированными породами из-за разрыва тела анкера. Возможное развитие последней ситуации подтверждается состоянием винтовых анкеров, обнаруженных на сопряжении после обрушения пород кровли. При осмотре и анализе работоспособности данных анкеров учитывались следующие факторы:

• фактическое расстояние между витками по длине анкера (шаг резьбы);
• диаметр тела анкера по его длине.

Замеры выполнялись в наиболее характерных точках, где визуально наблюдались деформации анкера. При этом было обследовано более 20 анкеров, отобранных на рудниках РУП «ПО «Беларуськалий». В результате этих обследований было установлено:

• винтовой анкер по всей длине деформируется неравномерно. В деформациях тела анкера преобладают растягивающие за счет расслоений пород кровли, а также сдвиговые за счет горизонтальных перемещений породных слоев по слабым глинистым прослойкам (рис.5);
• расстояние между витками анкера на явно видимых и деформированных участках находится в пределах 31-38 мм при 31 мм до его установки в шпур (заводской шаг резьбы);
• диаметр тела анкера на деформированных участках изменяется от 16,0 до 18,6 мм, при первоначальном до установки анкера в шпур 19 мм;
• практически не изменяется состояние анкера на расстоянии 0,15-0,25 м от устья шпура. Это объясняется расширением («разбивкой») устья шпура коронкой при забуривании, то есть диаметр шпура под анкер на этом участке больше рекомендуемого (26-1,0 мм).

Рис. 5.
Характер деформирования винтового анкера в слоистых глинисто-соляных породах: 1 - деформации растяжения; 2 - сдвиговые деформации

Внешний вид части анкера, расположенного в устье шпура, и вид опорной шайбы представлены на рис.6.

Как видно из рис.6, опорная шайба и хвостовик, так же как и на рис.2, не испытывала какого-либо нагружения от деформированных пород кровли.

На основании проведенных лабораторных и шахтных исследований механизма работы винтовой анкерной крепи можно сделать следующие выводы.

1. Винтовые анкеры при работе в слоистых, глинисто-слоистых породах испытывают сложное напряженное состояние и неоднозначное нагружение в целом по длине анкера. При этом в теле анкера возникают растягивающие и сдвиговые напряжения и деформации, которые приводят или могут приводить к разрыву (срезу) анкера на отдельные фрагменты.

Рис. 6.
Характер деформирования части винтового анкера, расположенной в устье шпура

2. При наличии в кровле расслоений по отдельным контактам пород тело анкера испытывает растяжение, в результате которого уменьшается диаметр тела и витков анкера, а значит теряется контакт между витками анкера и боковыми породами, и, как следствие, происходит потеря несущей способности анкера на этих участках. Этим, на наш взгляд, и объясняется разница в работе комбинированного и винтового анкеров (рис.1,2) при попадании последнего в свод обрушения.

3. Эффективность существующей винтовой анкерной крепи резко снижается (до полной потери несущей способности) при наличии в кровле расслоений пород на высоте свыше 2,0 м, а также развитии прогиба кровли величиной более 0,2-0,3 м.

4. Улучшение характеристик анкерной крепи (всех видов) должно вестись по пути увеличения ее несущей способности, податливости и длины до 3-6 м.