Анкерная (штанговая) крепь

В настоящее время при разработке месторождений полезных ископаемых и шахтном строительстве наибольшее распространение получили облегченные крепи (анкерная и набрызгбетонная). Анкерная крепь представляет собой систему закрепляемых в скважинах анкеров, расположенных определенным образом по периметру выработки в окружающих ее породах и предназначенных вместе с поддерживающими элементами для упрочнения массива пород и повышения устойчивости его обнажений благодаря скреплению различных по прочности слоев или структурных блоков.

Анкерная крепь предназначается для крепления горных выработок различной формы поперечного сечения, любого назначения и срока службы, а также в широком диапазоне горно-геологических и горнотехнических условий. В самостоятельном виде анкерная крепь применяется для поддержания подземных сооружений, размещаемых в слабообводненных, достаточно монолитных породах, вне зоны геологических нарушений при смещении пород кровли не более 100 мм. Проектирование и расчет анкерной крепи заключаются в определении параметров крепи, а именно в установлении требуемой длины штанг и расстояний между ними, а также в определении несущей способности анкерных стержней. При этом каждая ее конструкция должна применяться с учетом конкретных горно-геологических и горнотехнических условий. Анкерную крепь не рекомендуется применять в зонах геологических нарушений, сильно перемятых, окисленных, слабых глинистых и сыпучих породах, обладающих способностью к большим пластическим деформациям.

Специфические особенности анкерной крепи позволяют применять ее в широком диапазоне для крепления горных выработок различного назначения.

Анкерную крепь применяется в следующих в вариантах.

1. В качестве самостоятельной (постоянной), которая предназначается для поддержания выработок в течение всего срока их службы.

2. В сочетании с другими видами крепей, например набрызбетоном (комбинированная крепь), если ожидаемые смещения контура выработки превышают безопасную величину и в условиях действия динамических нагрузок.

3. В качестве временной анкерную крепь можно применять при проведении подготовительных выработок, крепление которых производится рамной или сплошной крепью с отставанием от забоя. Назначением временной предохранительной крепи является поддержание призабойной части выработки в безопасном состоянии до установки постоянной крепи. Временная анкерная крепь по характеру работы может подразделяться на поддерживающую и ограждающую. Поддерживающая временная анкерная крепь предназначена для предотвращения обрушения пород до возведения постоянной крепи. Ограждающая анкерная крепь (анкера с предохранительным перекрытием.) служит для защиты людей и механизмов от ударов обрушающихся кусков породы. Установленная анкерная крепь как временная в дальнейшем может работать в качестве постоянной как самостоятельно, так и в комбинации с другими крепями.

4. В качестве меры для предотвращения пучения пород почвы в подготовительных выработках. Крепление пучащих почв выработок не предотвращает полностью этот процесс, но значительно его замедляет, что увеличивает сроки поддирки пород почвы в этих выработках и удешевляет стоимость их поддержания.

5. Для вспомогательных целей – для укрепления шахтного оборудования (маневровых и скреперных лебедок, приводных и натяжных головок конвейеров), для подвески к кровле выработок ленточных конвейеров, кабелей, трубопроводов, монорельсовых и канатных дорог, для ремонта выработок с нарушенной крепью и усиления последней.

Применяемые в настоящее время металлические, железобетонные, деревянные и штанги по своему конструктивному исполнению можно разделить на 3 группы:

1. Замковые – закрепляемые у забоя шпура специальным замком различного вида и конструкции (рис.7, а-м)

2. Беззамковые – имеющие контакт с породой по всей длине шпура - интервальный (рис.8,а) или сплошной (рис 8,б-е).

3. Смешанные – замковые или интервальные беззамковые штанги, закрепляемые в шпуре обычным способом и дополнительно твердеющим раствором по всей длине или только в замковой части.

По конструктивному исполнению и в соответствии с приведенным схемами анкерная крепь подразделяется на следующие классы:

· штанги с клино – щелевым замком (рис. 7,а, б) применяется в породах средней крепости, несущая способность замка 3-4 тс;

· штанги с распорным замком (рис. 7. в, г,д,е), несущая способность замка может достигать 8 тс;

· штанги с взрыво – распорным замком (рис.7,ж) могут воспринимать нагрузку сразу после установки;

· железобетонная штанга (рис 8,б,в) характеризуются высокой несущей способностью;

· сталеполимерная штанга (рис 7,к) – быстрое вступление в работу и и возможность установки непосредственно в забое;

· деревянная штанга (рис.7,м) изготавливается из высококачественной древесины.

Штанговая крепь обладает следующими преимуществами:

· повышает безопасность ведения горных работ, т.к. лучше любой другой из известных традиционных крепей противостоит сейсмовзрывным нагрузкам и может устанавливаться непосредственно в забое как временная, а в определенных условиях даже как постоянная;

· обладает потенциальными возможностями для полной механизации процесса крепления;

· требует меньшего расхода крепежных материалов и, как следствие, меньших затрат на их доставку;

· позволяет уменьшить сечение горной выработки в проходке, снизить ее аэродинамическое сопротивление, по сравнению, например, с рамной крепью, т. е. улучшает условия проветривания.

3. Набрызгбетонная крепь.

Применение набрызгбетонной (торкретбетонной) крепи также возможно как в качестве временной, так и в качестве постоянной крепи, например, в комбинации с железобетонными или сталеполимерными штангами. Создание конструкции крепи набрызгом бетона предусматривает нанесение слоя бетонной смеси на поверхность выработки посредством направленного потока воздуха. Бетонная смесь, наносимая со значительным напором на стенку и кровлю выработки, образует бетон с более высокими прочностными показателями.

К числу преимуществ поддержания выработок рассматриваемого объекта набрызгбетоном в первую очередь относятся:

· набрызгбетонное покрытие надежно предохраняет горные породы от разрушения внешними агентами, в результате чего приконтурный массив сохраняет свои свойства неизменными на длительный срок;

· более высокая механическая прочность набрызгбетона позволяет в два раза уменьшить толщину крепи по сравнению с традиционным монолитным бетоном. Это, в свою очередь, снижает жесткость конструкции, а следовательно улучшает работоспособность крепи за счет использования собственной несущей способности массива, на 30-50 % сокращает стоимость крепи и на 10-25 % уменьшает площадь сечения выработки в проходке;

· высокий уровень механизации крепления обеспечивает увеличение производительности труда крепильщиков в 2-3 раза;

· возможность крепления выработки вслед за подвиганием забоя и нанесения набрызгбетона в несколько приемов;

· набрызгбетон снижает аэродинамическое сопротивление выработок.

При проектировании крепи из набрызгбетона особые требования предъявляются к составляющим компонентам смеси, гранулометрическому составу инертных наполнителей, а именно:

· время схватывания бетонной смеси - 15-20 мин;

· водоцементное отношение - 0,4 - 0,5, что соответствует пластичности обычной бетонной смеси;

· влажность песка в пределах 3-5 %, при больших значения влажности песок необходимо просушивать;

· содержание крупного заполнителя 35-40 %;

· содержание цемента в 1 м смеси набрызгбетона 300-350 кг.

Кроме перечисленных преимуществ, использование такой конструкции крепи обеспечивает экономию ресурсов. Это связано со значительным уменьшением толщины слоя крепи из набрызгбетона по сравнению с монолитной бетонной или железобетонной крепью; с меньшей трудоемкостью и энергоемкостью ее возведения. Кроме того, повышается устойчивость вмещающего массива из-за лучшего проникновения цементного молока в зону приконтурного слоя нарушенных пород. Более того при одинаковом сечении выработки в свету приходится меньше вынимать породы вчерне из-за меньшей толщины слоя набрызгбетона по сравнению с толщиной крепи из монолитного бетона или железобетона.

Крепление выработок набрызгбетоном вполне технологично и с точки зрения механизации процесса, т.к. все операции, начиная с загрузки бетономашины и кончая нанесением набрызгбетона на поверхность выработки, можно механизировать. В настоящее время набрызгбетонирование (торкретирование) осуществляется с помощью специальных установок, в которых в качестве транспортирующией среды чаще всего используется сжатый воздух, нагнетающий бетонную смесь по шлангу в сопло. Существует два способа набрызгбетонирования – сухой и мокрый. При мокром способе подается обычная бетонная смесь, при сухом – сухая смесь сжатым воздухом транспортируется транспортируется непосредственно до сопла, где происходит ее затворение водой. Начало применения сухого набрызгбетонирования относится к 50-м годам прошлого столетия, мокрый способ был апробирован в 80-х годах. Набрызгбетонирование мокрым способом распространено гораздо шире, чем сухим, но применяемое оборудование значительно дороже. Другим негативным моментом мокрого способа является то, что пыль, выделяющаяся при сухом способе, менее опасна для здоровья, чем тончайшая аэрозоль, образующая при работе мокрым способом.

В практике мирового тоннелестроения при возведении крепи получило распространение применения набрызгбетона с примесью стальных волокон (армированный набрызгбетон). При использовании этого материала отпадает операция укладки арматурных сеток, а в некоторых случаях установки стальных арок. Набрызгбетон со стальными волокнами обладает повышенной водонепронецаемостью и устойчивостью против трещинообразования. При строительстве тоннелей неглубокого заложения, например, в пределах города, такой метод значительно сокращает продолжительность их сооружения и приводит к экономии средств.

Для избежания образования комков волокон при приготовлении бетонной смеси приняли решение изготавливать их в виде склеенных пучков и загружать непосредственно в бетонную смесь. Склеенные пучки волокон при перемешивании бетонной смеси перераспределяются в бетонной массе, а затем под действием воды и трения заполнителя разделяются на отдельные волокна. Равномерное и однородное распределение волокон в бетонной смеси обеспечивает стандартное смесительное оборудование. Опыт показал, что волокна следует загружать при помощи бункера-дозатора после перемешивания всех составляющих бетонной смеси. Время смешивания бетонной смесей со стальными волокнами обычно такое, как и обычной смеси, а ее укладку можно производить, используя стандартное оборудование.

На приготовление 1 м³ бетонной смеси берут от 20 до 100 кг стальных волокон. Для изготовления волокон используют обычную сталь, сталь с коррозионным покрытием и нержавеющую. Из обычной стали изготавливают волокна длиной 25; 30; 50; 60 мм, диаметром 0.4; 0.5; 0.8; 1.0 мм. Из стали с антикоррозионным покрытием вытекают волокна длиной 40 и 60 мм, диаметром 0.6 и 0.8мм,а из нержавеющей стали волокна длиной 30 и 50 мм, диаметром 0.4 и 0.5 мм. Прочность бетона на сжатие в зависимости от процентного содержания стальных волокон в смеси 50-65 Мпа, при растяжении 4.2 –5.5 Мпа.

Отечественный и зарубежный опыт строительства горных выработок показывает, что в настоящее время все чаще и чаще при проходке используют новоавстрийский способ, основным элементом которого является максимальное использование несущей способности пород приконтурного массива и дифференцированное включение в работу по периметру контура конструкции крепи. Причем в качестве последней используют анкерную в сочетании с набрызгбетонной. Поэтому во всем мире сейчас особое внимание уделяют совершенствованию технологии возведения такой крепи и подбору состава используемой набрызгбетонной смеси.