СПОСОБ ПОДДЕРЖАНИЯ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК, ЗАКРЕПЛЕННЫХ ФРИКЦИОННОЙ АНКЕРНОЙ КРЕПЬЮ
METHOD FOR MAINTAINING MINE WORKINGS SUPPORTED WITH FRICTION BOLTING

Изобретение относится к горной промышленности, а именно к способу поддержания в безопасном состоянии ранее закрепленных фрикционной анкерной крепью горных выработок различного назначения, формы и поперечного сечения, пространственного расположения и срока службы, включая расположенные в зоне повышенного горного давления, а также их сопряжений.
Известен способ усиления крепи ранее закрепленных горных выработок, применение которого при производстве горных работ регламентировано приказом Ростехнадзора от 19.11.2020 N 448 "Об утверждении Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности в "Инструкции по расчету и применению анкерной крепи на угольных шахтах" (Зарегистрировано в Минюсте России 30.12.2020 N 61961, http://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_373029/). В п. 6 источника для крепления и поддержания анкерной крепи указан вариант применения анкерной крепи для усиления выработок, ранее закрепленных различными видами крепи, а в п. 25 - ее применение для усиления участков с нарушенной анкерной крепью, в приложениях к источнику также указывается возможность применения дополнительной анкерной крепи (пп. 28, 31, 33, 40 Приложения 1, пп. 2, 18, 19 Приложения 2; п. 18 Приложения 14). Кроме того, в Приложениях 4 и 5 расматриваются вопросы установки т.н. двухуровневой крепи, при монтаже которой между рядами анкеров первого уровня устанавливают анкеры глубокого заложения, например, канатные. При решении вопроса о дополнительном укреплении согласно приложению п. 13 Приложения 1 определены условия учета интенсивности горного давления по величине смещений при определении плотности установки анкеров в кровле. Типы рекомендуемых к применению анкеров указаны в Приложении 18, кроме того в п. 12 и 13 Приложения 3 оговорены область применения и требования к креплению анкеров глубокого заложения, включая крепление их ампулами на основе минеральных композиций (далее - АМК), полиэфирных смол, нагнетанием полимерных смол или минеральных композиций.
Известен способ поддержания горных выработок, преимущественно выработок, закрепленных анкерной крепью (патент RU на ИЗ 2435034 С1 E21D 20/00, патентообладатели Булкин Александр Васильевич (RU), Осипов Анатолий Николаевич (RU), Гусельников Лев Митрофанович (RU), Иванова Марина Николаевна (RU), приоритет 22.06.2010, опубл. 27.11.2011 Бюл. №33), принятый за прототип. Способ включает усиление установленных при проходке рядовых анкеров в период смещений пород кровли выработки путем установки дополнительных анкеров в расслоившиеся породы кровли выработки с их закреплением в шпурах ампулами. Для замедления процесса смещений пород на локальном участке расслоения пород заанкерованной кровли эксплуатируемой горной выработки усиление рядовых анкеров с использованием дополнительных анкеров обеспечивают путем динамического воздействия на проявление интенсивности горного давления с возможностью укрепления пород кровли, для чего предварительно перед установкой дополнительных анкеров вновь оценивают величины смещений пород кровли выработки и при их превышении нормативно установленных согласно правил безопасности величин определяют границу зоны расслоения пород заанкерованной кровли выработки, причем шпуры под дополнительные анкеры бурят в кровлю выработки в обозначенной границе упомянутой зоны с их расположением в шахматном порядке по отношению к рядовым анкерам, после этого вначале в каждый шпур досылают ампулы с расширяющимся составом в его глубинную часть, время твердения которого больше, чем время твердения ампулы с закрепляющим быстродействующим составом, которую размещают в устье шпура после полного заполнения ампулами с расширяющимся составом глубинной части шпура, при этом при установке в шпуры дополнительных анкеров в границе зоны расслоения пород заанкерованной кровли выработки с разрушением в них ампул за счет распространения расширяющегося состава ампул вокруг этих анкеров с последующим его отверждением в глубинной части шпуров и сжатием укрепляемых пород образуются породные блоки вокруг дополнительных анкеров с повышенным боковым распором между ними, способствующим проявлению сил сцепления расслоившихся пород кровли по их напластованию и образованию укрепленной зоны в кровле выработки на локальном участке ее расслоения.
Основным недостатком указанных технических решений является необходимость бурения дополнительных шпуров для установки дополнительных анкеров, в том числе и глубокого заложения, что приводит к усилению техногенного воздействия на массив горных пород за счет его дополнительного нарушения.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение эффективности поддержания горных выработок в безопасном состоянии за счет повышения их устойчивости путем снижения техногенного воздействия на массив горных пород при укреплении уже ранее установленной анкерной крепи фрикционного типа.
Поставленная задача решается тем, что при реализации способа поддержания горных выработок, закрепленных фрикционной анкерной крепью, включающем оценку величины смещений пород кровли выработки, определение границ зоны расслоения пород заанкерованной кровли выработки, установку дополнительных анкеров и закрепление их в кровле выработки, перед установкой дополнительных анкеров производят контроль ранее установленных фрикционных трубчатых анкеров, очистку шпуров с ранее установленными фрикционными трубчатыми анкерами, при этом дополнительные анкеры устанавливают в ранее установленные фрикционные трубчатые анкеры с совпадением их вертикальных осей, а в качестве дополнительных анкеров применяют грузонесущие анкеры. Закрепление грузонесущих анкеров проводят при помощи введенного в шпур перед установкой грузонесущих анкеров крепежного материала с быстродействующим составом или путем механического расклинивания.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен продольный разрез в случае применения для укрепления фрикционной анкерной крепи грузонесущих анкеров, состоящих из грузонесущего стержня и крепежного материала с быстродействующим составом. На фиг. 2 представлен продольный разрез в случае применения приспособлений, используемых в качестве механического замка для удержания стержня грузонесущего анкера в шпуре. На фигурах представлены:
1. Фрикционный трубчатый анкер (ранее установленный)
2. Опорный элемент
3. Закрепляющий элемент
4. Грузонесущий анкер
5. Крепежный материал с быстродействующим составом
6. Устройство механического расклинивания
Способ осуществляется следующим образом.
Производится оценка величины смещений пород кровли выработки и определение границ зоны расслоения пород заанкерованной кровли выработки. На подлежащем укреплению участке производится визуальное обследование состояния ранее установленных фрикционных трубчатых анкеров 1 (как с замкнутым, так и незамкнутым контуром) на предмет их дальнейшей безопасной эксплуатации. В случае, если какой-либо анкер не отвечает установленным согласно паспорту требованиям (например, вследствие динамического воздействия при проявлении интенсивности горного давления либо при обыгрывании вмещающими породами) и не может в дальнейшем безопасно эксплуатироваться, его выступающая из шпура часть (при наличии, вместе с опорным элементом 2, закрепляющим элементом 3, армирующими и прочими конструкциями) удаляется (срезается), производится очистка шпура от постороннего материала.
Далее применяется технология установки грузонесущего анкера в зависимости от его вида.
При закреплении твердеющими материалами вручную или при помощи анкероустановщика в шпур помещается требуемое количество крепежного материала с быстродействующим составом 5 (ампулы, патроны, капсулы с различными смолами, твердеющими смесями или с неорганическим вяжущим и прочими материалами), дополнительный грузонесущий анкер 4 устанавливается внутрь фрикционного трубчатого анкера с совпадением их вертикальных осей и досылается до забоя шпура вручную или при помощи анкероустановщика. В зависимости от применяемого крепежного материала производят требуемые технологические действия (либо вращают стержень до полного размешивания в случае применения ампул, патроном, капсул с различными быстродействующим полимерным составом, либо задавливанием без вращения в случае применения ампул, патронов, капсул с неорганическим вяжущим). После проведения вышеуказанных действий грузонесущий анкер 4 фиксируется в неподвижном положении до полного затвердевания применяемого состава.
В случае механического закрепления дополнительных анкеров возможно применение элементов динамической анкерной крепи, например, описанных в патенте RU на ПМ 190420 "Анкерная крепь динамическая" (патентообладатель Сойкин Б.С., приоритет 10.01.2019, МПК E21D 21/00 (2006.01), E21D 11/15 (2006.01), опубл. 01.07.2019 Бюл. №19), согласно которому при установке динамической анкерной крепи, состоящей из полой металлической трубки с продольной прорезью по всей длине - анкера с фрикционным закреплением в массиве горных пород с коническим сужением с одного конца и приваренной центровочной втулкой с другого конца, сквозь которую проходит арматурный стержень, на конец арматурного стержня со стороны конического сужения трубки навинчивают металлический усеченный конус с фиксатором положения, а со стороны приваренной центровочной втулки на арматурный стержень надевают металлическую шайбу, притянутую сферической гайкой к торцу металлической трубки, и опорного демпферного элемента с диаметром центрального отверстия, достаточным для прохождения сквозь металлическую трубку, но не более размеров металлической шайбы. При реализации заявляемого изобретения полой металлической трубкой с продольной прорезью по всей длине будет являться ранее установленный подлежащий усилению фрикционный трубчатый анкер. Анкерную крепь в сборе хвостовой частью вставляют в пуансон и устанавливают в направляющие (люнеты), размещенные на стреле податчика самоходной буровой установки или ручного перфоратора. Фиксация усеченного конуса в ранее установленном трубчатом анкере фрикционного типа производится путем затягивания сферической гайки с противоположного конца арматурного стержня.
Возможно выполнение грузонесущего стержня с периодическим профилем боковой поверхности винтовой формы, средство для крепления его в шпуре представляет собой клинораспорный замок и распорный клин, надетую на него распорную втулку из композиционного материала, при этом распорный клин выполнен в виде усеченного конуса с центральным каналом и сквозной продольной прорезью, внутренняя поверхность канала выполнена в виде периодического профиля винтовой формы, повторяющего профиль боковой поверхности грузонесущего стержня, и распорный клин навинчен на грузонесущий стержень, распорная втулка выполнена в виде цилиндра с каналом конусной формы, разделенного двумя продольными прорезями на сегменты, соединенные перемычками, а средство крепления с элементами крепи включает опорную шайбу с гайкой, причем гайка выполнена из композиционного материала с профилем резьбы, соответствующим профилю боковой поверхности грузонесущего стержня (патент RU на ИЗ 2494255). Закрепление анкера осуществляется в следующей последовательности: на грузонесущий стержень навинчивается распорный клин с надетой на него распорной втулкой, после чего подготовленный к закреплению анкер устанавливается в ранее установленный трубчатый анкер фрикционного типа. После установки анкера вставляется металлическая обсадная труба до ее соприкосновения с распорной втулкой. После серии механических ударов распорная втулка, перемещаясь по распорному клину, расклинивается о стенки ранее установленного трубчатого анкера фрикционного типа и одновременно обжимает распорный клин на грузонесущем стержне, осуществляя, таким образом, закрепление анкера. После этого обсадная труба извлекается из шпура, на грузонесущий стержень надевается опорная шайба и затягивается гайкой.
В случае, если зона расслоения к моменту перекрепления превышает длину ранее установленных фрикционных трубчатых анкеров, для реализации предлагаемого способа поддержания горных выработок в безопасном состоянии необходимо произвести углубление шпура под ранее установленный анкер на требуемую длину, после чего произвести установку грузонесущего анкера по вышеуказанным способом.
В качестве дополнительного грузонесущего анкера могут быть применены грузонесущие анкера, выполненные из различных материалов (сталь, стеклопластик, базальтопластик, углепластик, полимерные, композитные и прочие материалы) как с опорным элементом, так и без него (в зависимости от дальнейшего предназначения устанавливаемого анкера). Кроме того, наличие продольной прорези (паза) в ранее установленном трубчатом фрикционном анкере будет дополнительно способствовать более плотному контакту крепежного материала устанавливаемой конструкции с горным массивом.
Применение способа исключает необходимость бурения дополнительных шпуров, что снижает техногенное воздействие на массив горных пород за счет его дополнительного нарушения. Кроме того, обеспечивается более долгий срок службы анкерной крепи, исключаются работы по ее полному демонтажу и монтажу новой анкерной крепи.
ПРИМЕРЫ РЕАЛИЗАЦИИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В качестве быстродействующих составов могут быть применены различные композиции, чаще всего размещенные в специальных приспособлениях - ампулах.
Ампула минеральная композиционная АМК представляет собой оболочку цилиндрической формы, выполненную из нетканого материала, заполненную однокомпонентной сухой минеральной смесью и запакованную с обеих сторон. Нетканый материал должен хорошо пропускать воду и удерживать ее внутри. Предназначены для закрепления только стальных и комбинированных анкеров, позволяют эффективно и надежно производить анкерное крепление в обводненных выработках с водопритоком из шпура до 20 л/мин. Перед установкой ампулы замачиваются в емкости на время, указанное в Инструкции по применению, после чего последовательно вводятся в устье шпура и досылаются анкером до упора в дно путем вращения с минимальным усилием, чтоб избежать их переуплотнения. В силу однокомпонентности (моносостава) ампул срок их схватывания в шпуре независимо от производителя (ООО "КПС - Технологии", ООО "АМК", ООО "НПК "Промсервис") одинаковый: для ампул АМН составляет не более 20 минут, для ампул АМУ не более 10 минут.
Ампула минеральная композиционная двухкамерная (АМК ДК) производства ООО "АМК" состоит из внешней оболочки с минеральной композицией и оболочки внутренней камеры, заполненной жидким отвердителем. Оболочка внутренней камеры разделена на герметичные секции термошвом, что позволяет при установке анкера качественно и равномерно смачивать минеральную композицию, для полного отверждения закрепляющего состава. Благодаря тому, что смесь равномерно перемешивается с отвердителем в процессе установки, гидратация минеральной композиции протекает по всему объему смеси и увеличивает прочность закрепления анкера в короткие сроки.
Алгоритм установки анкера с помощью АМК ДК аналогичен описанному для однокомпонентных ампул АМК, за исключением операции замачивания. Ко дну предварительно отбуренного шпура до упора досылается необходимое количество ампул, после чего к анкеру с помощью переходника - вращателя присоединяется анкероустановщик; с помощью станка, путем равномерного вращения и подачи, анкер устанавливается в проектное положение в течение 8-НО сек. и удерживается станком 15 сек.
Разработан натренированный закрепитель анкеров (пат. РФ №2205959), входящая в его состав вяжущая смесь состоит из минеральной смеси, полученной совместным помолом портландцемента, глиноземистого шлака, гипса и активизатора твердения в виде кальцинированной соды и размещена в оболочке из водопроницаемого материала. Глиноземистый шлак перед совместным помолом компонентов предварительно измельчают до тонкости помола, соответствующей 5-10%-ному остатку на сите с размером ячеек 80 мкм, а затем производят совместный помол всех компонентов смеси до удельной поверхности 4000-6000 см2. Заполнение оболочки проводят совместно с уплотнением смеси вибрацией. При установке анкера с его помощью в шпур вводят до упора один или более предварительно затворенных в воде закрепителей анкеров минеральных патронированных. Затем начинают вращать анкер. Путем поступательного перемещения и вращения анкер своим наконечником разрушает и измельчает оболочку и внедряется в смесь, которая интенсивно перемешивается. Хорошо перемешанная смесь после отвердения и расширения приобретает высокие прочностные свойства.
В последнее время наиболее применимыми являются составы на основе синтетических смол. Так, ампула с полиэфирным составом типа АКЦ представляет собой двухкамерную цилиндрическую трубку из полимерной пленки, герметично зажатую с обоих концов металлическими клипсами. Компоненты ампулы находятся в двух отдельных камерах: в большей по объему - композиция на основе ненасыщенной полиэфирной смолы и наполнителя, в меньшей по объему - отвердитель на основе пасты пероксида бензоила и наполнителя. Смешение компонентов ампулы приводит к отверждению композиции в прочный монолит. При их применении необходимо ввести в скважину необходимое, предусмотренное Паспортом крепления выработки количество ампул АКЦ, дослать анкером ампулы до дна скважины, далее включить бурильную установку и подавая вращающийся анкер поступательно до дна скважины, производить перемешивание компонентов ампул в течение времени, предусмотренного для конкретного типа ампул. Время полного отверждения также зависит от состава, например, для ампул производства ООО "Минова" при 20°С оно составляет до 140+190 сек. ддя АКЦ, 110-140 сек. для АКЦ-У, 90 -V- 120 сек для АКЦ-УН. При использовании комплекта из двух (или более) ампул, одна из которых марки АКЦ-У или АКЦ-УН, а другая (другие) АКЦ, марок АКЦ-У или АКЦ-УН, удерживать анкер в этой позиции до полного отверждения состава ампулы АКЦ-У или АКЦ-УН.
При пониженных температурах массива горных пород (в условиях многолетней мерзлоты при температуре до -10°С) возможно применение ампул с полиэфирным составом типа АРП производства ООО "Реал - Пластик и К°". Ампулы с полиэфирным составом состоят из смеси полиэфирной смолы, минерального наполнителя и отвердителя в заданном количестве. Полиэфирная композиция и отвердитель находятся в изолированном состоянии в одной двухсекционной упаковке из высококачественной пленки. Технология их применения аналогична использованию ампул типа АКЦ. Время полного отверждения при 20°С составляет 140-190 сек. для АРП, 110-140 сек. для АРП - Б, 80 110 сек. для АРП - БМ. При установке двух и более ампул первая должна быть с минимальным сроком схватывания, чем последующие, а время перемещения стержня до конца скважины (до забоя шпура) должно быть не более времени схватывания первой ампулы.