Современные виды штанговой крепи

Применение облегченных видов крепей как альтернатива традиционным способам крепления.

При проектировании и строительстве горных выработок различного назначения предусматривается выполнение определенных инженерных мероприятий, обеспечивающих надежную эксплуатацию подземных сооружений в течение всего срока их существования. Одним из известных и эффективных способов, обеспечивающих устойчивость горных выработок, является возведение строительных конструкций (крепей или обделок), которые непосредственно воспринимают нагрузки со стороны массива.

При выборе параметров крепей или обделок подземных выработок руководствуются, как правило, указаниями действующих строительных норм и правил (СНиП), другими Российскими нормативными документами, отраслевыми и региональными инструкциями по креплению, учитывая при этом требования техники безопасности.

Кроме того, решение проблемы рационального крепления и надежного поддержания выработок играет важную роль в повышении эффективности производства (снижение себестоимости продукции, рост производительности труда, обеспечение безопасности и ритмичности работы предприятий). Применяемые до сих пор типы традиционных крепей, несмотря на высокую материалоемкость, не соответствуют в некоторых случаях горно-геологическим условиям, в которых они применяются, и не отвечают современным требованиям дальнейшего повышения эффективности производства.

Поэтому в настоящее время для обеспечения безремонтного содержания выработок ведется создание и внедрение новых конструкций крепей, имеющих большую несущую способность и меньшую металлоемкость. К числу таких крепей относятся так называемые облегченные крепи (штанговая, набрызгбетонная и их сочетание), которые по характеру взаимодействия с вмещающим массивом являются упрочняющими крепями.

Современные виды штанговой крепи

Ведущими странами в области разработки анкерного крепления в настоящее время являются США, Швеция, Великобритания, Австралия, Франция, Бельгия, ФРГ и ряд других стран. В настоящее время общее количество использования анкеров в США достигает около 100 млн. шт./год. Так, на горных предприятиях США ежегодно устанавливают более 10 млн. только сталеполимерных анкеров, ФРГ–более 200 тыс., Великобритании – около 1 млн. Этот вид крепления успешно внедряется в подземных выработках горных предприятий Франции, Японии, Австралии, Польши и Болгарии.

На рудниках ОАО «Апатит» ежегодно железобетонными штангами закрепляется 3-4 км горных выработок, при этом устанавливается 30-40 тыс. штанг.

На американских рудниках в последние годы широко используется система фрикционного анкера «сплит-сет», разработанная компанией Ingersoll-Rand в восьмидесятых годах. Армирующий элемент системы – стальная тонкостенная трубка, забиваемая с усилием в шпур меньшего диаметра.

В настоящее время улучшение показателей работы данного вида анкера осуществляется за счет использования различных материалов и конструкционных усовершенствований составных элементов. Эти анкеры:

· имеют простую конструкцию;

· создают в анкерных шпурах распорное усилие, зависящее от свойств пород;

· являются вначале податливой, а затем жесткой крепью;

· благодаря полному распору и полному контакту с породой могут оказывать сопротивление нагрузкам на породный массив;

· снижают до минимума влияние внутренних концентраций напряжения во всех конструктивных элементах анкеров;

· повышают безопасность работы горняков;

Рис. 1. Конструкция анкера «сплит-сет»

· обходятся дешевле, чем анкеры, закрепляемые полимерными или цементными составами.

Обычно анкеры «сплит-сет» изготовляют диаметром 38 мм для шпуров диаметром 35 мм. В зависимости от шероховатости стенок шпура, его диаметра, прямолинейности и коэффициента трения, усилие закрепления анкера составляет при его введении в шпур от 25 до 50 кН на 1 м контакта со стенками шпура. Общий вид конструкции этого анкера приведен на рис. 1.

Для изготовления анкеров «сплит-сет» используется высокопластичная сталь с пределом текучести около 490 МПа. Толщина стенки трубчатой штанги 2-3 мм. Верхний конец сужается на конус, для того чтобы он легче входил в шпур. На нижнем конце приварено кольцо, удерживающее опорную плиту.

В европейских странах с развитой горнодобывающей промышленностью все большее распространение получает штанговая крепь типа «свеллекс», разработанная шведской фирмой Atlas Copco. Анкеры данной конструкции могут размещаться непосредственно в забое выработки без отставания крепи, чем способствуют ее высокой скорости проходки и повышению безопасности работ.

Эти типы анкеров изготавливаются из стальных труб специального профиля. Технология возведения штанг заключается в следующем. После установки анкера в шпуре включается высоконапорный насос, давление воды повышается до 300 атм. и происходит раскрепление анкера по всей длине шпура. На этом процесс возведения крепи заканчивается. Известно несколько вариантов таких штанг для различных горно-геологических условий. Анкеры Standard Swellex выдерживают нагрузку в 100 кН и размещаются в шпурах диаметром 32-39 мм, анкеры Super Swellex- нагрузку в 200 кН и размещаются в шпурах диаметром 43-52 мм, анкеры Midi Swellex - в шпурах диаметром 43-52 мм, а анкеры Swellex противостоят сдвижению горных пород и размещаются в шпурах диаметром 32-39 мм.

Рис. 2. Конструкция анкера «свеллекс»

Общее конструктивное исполнение анкера «свеллекс» показано на рис. 2.

На рис. 3 представлен поперечный разрез анкера «свеллекс» до и после установки в шпуре.

Рис 3. Поперечный разрез анкера «свеллекс» до и после раскрепления его в шпуре

В условиях, когда установка крепи возможна до появления существенных деформаций в массиве горных пород, а также в очистных камерах при ослабленных породах наиболее эффективно использование ненапрягаемых анкеров. Так как такие анкера незначительно нагружают горные породы до начала сдвижений, они представляют собой пассивный вид крепи. К такому виду крепи относятся анкера податливого типа, железобетонные и сталеполимерные штанги со сплошным закреплением арматурного стержня цементными растворами или синтетическими смолами.

Анкера податливого типа нашли применение в зонах повышенной деформируемости горных пород, а также в выработках испытывающих воздействие динамических нагрузок Замок штанги имеет скользящий элемент податливости, благодаря чему при динамическом воздействии анкер хотя и сдвигается, но продолжает сохранять свою несущую способность. Но наиболее эффективным и экономичным решением в этих условиях является использование комбинированных анкеров, характеризующихся как высокой несущей способностью, так и большой деформируемостью, т.е. объединяющих в себе функции жестких и податливых анкеров.

Железобетонная штанговая крепь, как показывает накопленный опыт, недостаточно эффективна на участках с развитой трещиноватостью пород. Из-за большого срока набора прочности цементным составом в условиях быстроразвивающегося горного давления и динамического воздействия взрывных работ часто нарушается сцепление состава с анкерами и породой, что приводит к расслоениям закрепленных анкерами пород.

В начале 1970-х гг. появились быстротвердеющие прочные полимерные смолы, что привело к возникновению новой системы анкерного крепления. В настоящее время около 25-30% используемых типов штанг составляют анкеры со сплошным закреплением химическими составами на основе синтетических смол, которые обеспечивают быстрое вступление крепи в работу, что особенно важно при креплении выработок в условиях динамических проявлений горного давления или действия сейсмовзрывных нагрузок.

На первом этапе внедрения сталеполимерных штанг получила распространение система с предварительным размещением в шпуре герметичных ампул со смолой и отвердителем. В этом случае при установке штанг не всегда обеспечивалось хорошее перемешивание компонентов и, как следствие, надежное закрепление штанги в шпуре. Существовавшие на ряде горно-добывающих предприятий сложности в организации производства полимерных ампул и их ограниченный срок хранения привели к созданию безампульной технологии возведения анкеров с химическим закреплением, которая предусматривает непосредственную подачу перемешанных компонентов закрепляющего состава в шпур. Затраты на возведение таких анкеров гораздо ниже, чем при ампульной технологии, но необходимо применение полимерных составов с хорошо регулируемыми сроками твердения и оперативность в работе персонала особенно при ручной установке штанг.

Для механизации процесса возведения штанговой крепи многие иностранные фирмы, специализирующиеся на производстве горно-шахтного оборудования, выпускают большой ассортимент автоматизированных агрегатов для бурения шпуров и установку в них анкеров. Например, универсальная машина «Bolteс» предназначена для установки практически всех наиболее распространенных типов анкеров (железобетонных и сталеполимерных штанг, а также механических анкеров типа «Swellex» и «Split Set»). Надежность такого агрегата многократно доказана на практике. Длина болтов при креплении изменяется в диапазоне от 1.5 до 6.0 м в зависимости от реальных горно-геологических условий.