Маркшейдерия и недропользование

Крепление горных выработок в течение пятидесятилетнего периода отработки месторождения выполнялось, в основном, анкерной крепью трех типов, а именно: железобетонной, клинораспорной типа «Эстонсланец» и металлической винтовой. Длина анкеров не превышала 1,8-2,0 м. Первый тип крепи применялся для крепления капитальных выработок, остальные два типа - для крепления капитальных и подготовительных выработок.

Данная анкерная крепь долгие годы являлась единственной и в полном объеме отвечала требованиям горно-геологических и горнотехнических условий отработки месторождения [1]. Однако, в процессе эксплуатации капитальных выработок со сроком службы более 30 лет, были установлены некоторые закономерности в деформировании их кровли, и особенно выработок, эквивалентный пролет которых превышает 4-4,5 м. В частности, в этих выработках прогиб кровли достигает значений 0,5-0,7 м, а высота расслоений в кровле - 5-6 м, т.е. намного выше, чем существующая длина анкеров

Последнее означает, что существующая анкерная крепь перемещается внутрь выработки вместе с деформированными породами, не оказывая никакого влияния на напряженно-деформированное состояние породного контура из-за ее недостаточной несущей способности, что подтверждается разрывом тела анкера или срезом резьбового соединения гайки и тела анкера (для анкера «Эстонсланец»). Кроме того, учитывая достигаемый прогиб кровли (0,5-0,7 м) в процессе длительной эксплуатации выработок, необходимо отметить еще один недостаток в существующей анкерной крепи - недостаточная податливость. Как показывают результаты шахтных испытаний [2], податливость крепи находится в пределах 20-30 мм для винтовых анкеров и 70-75 мм для клинораспорных типа «Эстонсланец». При переходе на глубины разработки свыше 750 м, из-за увеличения содержания глинистых и глинисто-карналлитовых прослойков, а также более существенным, чем на меньших глубинах проявлением реологических свойств глинисто-соляных пород, вышеизложенные недостатки существующей крепи начали в большей степени проявляться и в подготовительных выработках, например, в подготовительных выработках гор.-670 м рудника 4 РУ (3-я северная панель).

Проблемой разработки новых типов крепи для крепления горных выработок Старобинского месторождения активно занимаются в последние годы специалисты ОАО «Белгорхимпром», БНТУ, ЗАО «Солигорский Институт проблем ресурсосбережения с Опытным производством», ЧУП «Институт горного дела». Проблема поддержания подготовительных выработок на больших глубинах стоит остро и на угольных шахтах, например, России и Украины, где в последние годы, кроме традиционной металлической арочной крепи из спецпрофиля СВП в дополнение к ней начинает активно использоваться анкерно-полимерная крепь [3,4]. Определению грузонесущих характеристик полимерных, сталеполимерных анкеров и возможностью их использования в условиях рудников Старобинского месторождения посвящается данная статья.

Рис. 1.
Схема испытаний анкера ООО «Импульс» на разрывной машине ИР-20: 1- анкер между захватами разрывной машины; 2 - дальномер РД-32; 3 - направляющая разрывной машины

Исследование деформационно-силовых характеристик полимерных анкеров в лабораторных условиях. Для лабораторных испытаний полимерных анкеров были взяты анкера ООО «Импульс» (г. Тула, Россия), а также польской фирмы «Minova». Анкера фирмы ООО «Импульс», выполненные из витого ровинга, состоят из двух ветвей, свитых воедино и пропитанных полиэфирной смолой. Шаг навивки витков 50 мм по часовой стрелке. На одном из концов анкера ветви с помощью металлической проушины соединяются в одно целое. Металлическая проушина и распорный клин служат для нагружения анкера через опорную шайбу. Длина анкеров 1760 мм, диаметр прядей (ровингов) 11 мм, диаметр свитого анкера 20 мм. Схема испытания анкера на растяжение и его внешний вид представлены на рис.1.

Испытания в лабораторных условиях состояли из двух этапов. Первый этап - испытание прочностных свойств на растяжение тела анкера. Второй этап - испытание всей конструкции анкера (распорный клин, опорная шайба, анкер). Испытания выполнялись на разрывной машине ИР-200 с использованием стандартных захватов, которыми укомплектована машина. Удлинение анкеров в процессе испытаний измерялось лазерным дальномером РД-32.

Проведенными лабораторными испытаниями для анкеров ООО «Импульс» было установлено:

• предел прочности тела анкера на разрыв составляет 37-40 кН;
• предел прочности на изгиб (срез) штатного полимерного распорного клина составляет 15-20 кН. При замене полимерного клина на стальной произошло разрушение тела анкера при нагрузке 40 кН;
• относительное удлинение анкера от первоначальной длины до момента разрушения составляет в среднем 4,4% (при первоначальной длине испытываемого куска анкера длиной 25-30 см).

Рис. 2.
Схема испытаний анкера К-60-25: 1 - тело анкера К-60-25; 2 - фиксирующие металлические гайки; 3 - двухходовой домкрат ДП 30Г-210; 4 - шланги от гидронасоса

Анкер фирмы «Minova» типа К60-25 длиной 2,0 м, диаметром тела 20-25 мм укомплектовывается опорной шайбой и распорной (натягивающей) гайкой. В шпурах закрепляется также как первый анкер с помощью быстротвердеющих растворов. Из представленных фирмой анкеров было изготовлено четыре образца длиной 500-550 мм для определения деформационно-силовых характеристик. Испытания выполнялись при помощи двухходового домкрата с полым штоком типа ДП30Г-210. Разрывное усилие фиксировалось по образцовому манометру МО-600. Испытание анкеров выполнялось по четырем вариантам.

Первый вариант - анкер распирался в полом штоке с двух сторон с помощью двух полимерных гаек, входящих в комплект крепи.

Второй вариант - отличается от первого наличием двух полимерных распорных гаек на обеих концах анкера.

Третий вариант - по обоим концам анкера установлены по одной металлической гайке (предложение авторов статьи).

Четвертый вариант - по обоим концам анкера установлены по две металлические гайки, резьба которых была смазана (до высыхания) эпоксидным клеем (рис.2).

Рис. 3.
Сопоставительные данные о технических параметрах испытанных анкеров: 1 - по одной полимерной гайке; 2 - по две полимерные гайки; 3 - по одной металлической гайке; 4 - по две металлические гайки и эпоксидный клей по резьбе; 5 - анкер из арматурной стали;

Столь большая разновидность вариантов испытаний польского анкера объясняется результатами исследований, которые приведены на рис 3.

Анализируя полученные зависимости и характер деформирования элементов анкера в процессе испытаний можно отметить следующее.

1. Несущая способность анкерной крепи при стандартной (заводской) комплектации (анкер+ шайба+гайка) определяется несущей способностью полимерной гайки на срез, которая составляет 60-62 кН (рис.3, поз.1). После достижения названной нагрузки начинается процесс разрушения гайки. Тело анкера при такой нагрузке сохраняет свою целостность и не разрушается.

2. Несущая способность анкерной крепи увеличивается до 110 кН при установке двух полимерных гаек, после чего последние также начинают разрушаться (рис.3, поз.2). Тело анкера при этом остается без изменений.

3. При замене стандартных полимерных гаек на металлические несущая способность анкера сохраняется до достижения нагрузки 90-92 кН, после чего начинается разрушение резьбовой части на теле самого анкера (рис.3, поз.3). Нагрузка при этом скачкообразно снижается до нулевых значений.

4. Наибольшая несущая способность анкера наблюдается при использовании двух металлических гаек по его краям и приклеенных к телу дополнительно эпоксидным клеем. Растягивающее усилие при этом составляет в момент разрушения 200-210 кН. Разрушение анкера носит динамический характер с разделением тела на отдельные волокна. Нагрузка при этом мгновенно падает до нулевых значений.

Кроме полимерных анкеров в лабораторных условиях были испытаны на разрыв образцы, изготовленные из арматурной стали, которая успешно используется на шахтах Кузбасса при креплении металлополимерными анкерами. Основной несущий элемент этой крепи изготавливается из арматурной стали, который закрепляется в шпуре с помощью двухкомпонентного раствора на основе формальдегидных смол. Арматурная сталь в сечении имеет эллипсовидную форму с размерами:

• по телу анкера - 18,8/19,3 мм;
• по наружным виткам - 18,8/22,0 мм.

Опорная шайба под кровлю выработки крепится с помощью выштампованной гайки под ключ 32 мм с одной стороны, а с другой стороны имеет выпуклую шарообразную сферу, которой гайка упирается в шайбу. За счет такой конструкции гайки она плавно внедряется в шайбу (пригибая шайбу) и тем самым создается некоторая податливость всего анкера. Испытание тела анкера на растяжение (до полного разрушения) выполнялось на разрывной машине ИР-20. Схема испытаний была аналогична вышеописанной (рис.1). Результаты испытаний, для лучшего восприятия и анализа технических характеристик испытанного анкера приведены на рис.3.

При испытаниях были получены следующие характеристики:

• максимальное разрывное усилие, — 190 кН;
• относительное удлинение анкера до момента обрыва не превышает 5-8% от его первоначальной длины;
• абсолютное удлинение анкера составило не более 19 мм.

Разрыв произошел по телу анкера, резьбовая часть гайки на глубину 1,0-1,5 мм имела небольшое смятие (срез). Шаг резьбы при этом не был нарушен и возможно повторное использование гайки. Результаты лабораторных испытаний анкеров представлены в сводной сопоставительной табл.1.

Исходя из приведенных на рис.3 и табл.1 данных, необходимо сделать следующие выводы:

• наибольшей несущей способностью на растяжение (при сопоставимых значениях сечения тела анкера) обладают анкера фирмы «Minova» и анкера, изготовленные из арматурной стали (190-210 кН). Однако для полной реализации положительных свойств анкера фирмы «Minova» необходимо изготавливать и соответствующую гайку или другой способ ее нагружения при первоначальной установке;
• наибольшей податливостью, при сохранении несущей способности, из всех сравниваемых обладают анкера типа «Эстонсланец». На всех других анкерах податливость находится в пределах 10-45 мм. При этом податливость крепи в последнем случае не является конструктивным параметром, а создается за счет удлинения тела анкера;
• наименьшей несущей способностью обладают анкера ООО «Импульс» (35-40 кН).

Рис. 4.
Схема испытаний анкеров ООО «Импульс» в шахтных условиях: 1 - анкер; 2 - двухходовой домкрат ДП 30Г-210

Кроме лабораторных исследований, анкера ООО «Импульс» прошли испытания и в шахтных условиях, а именно - в условиях 5-й восточной панели гор.-620 м рудника 3 РУ. Испытания выполнялись по схеме и методике, которые используются на Старобинском месторождении калийных солей при исследованиях работоспособности анкерной металлической крепи. Всего было установлено (в полном соответствии с технологией установки крепи разработчика) четыре анкера. Анкера в кровле устанавливались не на всю длину (l=1,8 м), а оставлялся некоторый участок длиной 0,45-0,5 м для подвешивания к нему двухходового домкрата, который распирался между кровлей и опорной шайбой и создавал растягивающую (вытягивающую) нагрузку на анкер (рис.4). Закрепление анкера в шпуре выполнялось с помощью двухкомпонентного твердеющего состава на основе карбомидной смолы и отвердителя, которые были помещены в полиэтиленовую ампулу.

Разрушение ампулы и перемешивание компонентов выполнялось вращающимся анкером в течение 10-15 секунд при его установке. Полная полимеризация смолы происходила в течение 45-60 секунд. Испытания выполнялись в два этапа. На первом этапе изучались деформационно-силовые характеристики двух анкеров через сутки после их установки. На втором этапе - изучались аналогичные характеристики через 8 суток после их установки. После выполнения исследований были получены следующие данные и сделаны выводы:

• распорный полимерный клин со стандартной металлической шайбой перед разрушением прогибается до величины 6-8 мм, а затем разрушается в виде чистого среза. Разрушающая нагрузка при этом составляет 20,0-22,5 кН. После замены полимерного клина на металлический происходит разрыв проушины на анкерах при нагрузках 36-53 кН;
• два анкера вместе с замком из быстротвердеющего состава были извлечены при нагрузках 16 и 41 кН. При этом пространство между телом анкера и стенками шпура было заполнено смолой отдельными участками;
• на анкерах, у которых произошел разрыв проушин, удлинение составило 10-15 мм, что составляет 2,5% от их первоначальной длины;
• влияние времени эксплуатации анкера от одних до восьми суток на их деформационно-силовые характеристики не установлено.

Заключение

Проведенными испытаниями новых видов анкеров, а также сравнительный анализ их деформационно-силовых характеристик с существующими и применяемыми на Старобинском месторождении, установлено следующее.

1. Всем испытанным в процессе исследований анкерам присущ один недостаток - малая податливость крепи в процессе нагружения.

2. Анкера фирмы ООО «Импульс» имеют (для испытанного сечения) малую несущую способность, и особенно, при использовании полимерных распорных клиньев.

3. Все испытанные анкера имеют также еще один очень важный недостаток в процессе их эксплуатации - отсутствие контроля за качеством перемешивания компонентов скрепляющих растворов, их заполнением свободного пространства между телом анкера и стенками шпура, что в конечном итоге сказывается на надежности закрепления анкера в шпуре. Последний параметр является основным для безопасной эксплуатации горной выработки.

4. Наибольший интерес из испытанных анкеров представляют анкера типа К-60-25 фирмы «Minova» и металлический анкер из арматурной стали. Данные анкера можно использовать на Старобинском месторождении при условии обеспечения высокой податливости (в пределах 200-300 мм) за счет разработки соответствующих узлов (устройств) податливости.