Перспективные способы крепления горных выработок на подземных рудниках

УДК 622.268.6

© А. А. Зубков, В.В. Латкин, С.С. Неугомонов, П.В. Волков, 2014

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ СПОСОБЫ КРЕПЛЕНИЯ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК НА ПОДЗЕМНЫХ РУДНИКАХ

Приведен опыт использования крепей различных типов. Разработаны перспективные способы крепления: анкерами, набрызгбетоном, комбинированными и усиленными комбинированными крепями.

Ключевые слова: набрызгбетонирование, «сухая» и «мокрая» технология, коэффициент использования оборудования, длина транспортирования, экономическая оценка.

Согласно отечественным и зарубежным публикациям, обеспечение устойчивости горных выработок комбинированными способами крепления приобретает все большое распространение. Авторы считают, что данный факт обусловлен повышением прочности набрызгбетонной крепи путем армирования металлическими сетками и использования фибро-волокон, значительным ростом производительности проходческого цикла за счет механизации процесса крепления и снижения затрат по сравнению с использованием тяжелых видов крепи типа монолитных бетонов и металлической арочной крепи.

Проведенные исследования, направленные на совершенство -вание процесса крепления горных выработок, показали, что имеющиеся недостатки традиционных способов крепления возможно уменьшить и в некоторых случаях исключить за счет использования современных технологий и материалов. Так в условиях эксплуатации ряда рудников Южного Урала и Якутии проведены лабораторные и опытно-промышленные испытания следующих способов крепления:

1. Анкерные способы крепления - неметаллическая композитная и самозакрепляющаяся анкерная крепь;

2. Инъекционное упрочнение;

3. Набрызгбетонирование с использованием «мокрой» и «сухой» технологии с добавлением в состав набрызгбетонной смеси различных добавок.

Одним из перспективных направлений в гражданском строительстве, а также ряда угледобывающих и соляных шахт является использование вместо металлической арматуры композитной, на основе стекло- и базальтопластикового волокна. Так в условиях медно-колчеданных рудников проведены испытания стеклопластиковой (АСП) и базальтопластиковой (АБП) анкерной крепи. Технология крепления аналогична традиционной типа железо-бетонных штанг (ЖБШ) за исключением применения в качестве армирующего элемента не металлической арматуры, а композитной.

Определяющим параметром качества закрепления пород анкерной крепью является несущая способность [1].

В результате исследований несущая способность неметаллических арматурных штанг составила 360 кН, железобетонных -288 кН. Сцепление стандартного раствора со стеклопластиковой арматурой в процессе испытаний превысило сцепление с металлической арматурой на 15 % уже на 1 сутки.

Для уточнения физико-механических характеристик неметаллических арматурных стержней проводились испытания стекло- и базальтопластиковой арматуры на разрыв и срез (табл.1).

В ходе опытно-промышленных испытаний стеклопластико-вой и базальтопластиковой крепи на опытных участках Гайско-го, Учалинского, Узельгинского подземных рудников Южного Урала произведена установка неметаллической композитной анкерной крепи с использованием стандартного твердеющего состава на основе песка и цемента. На четвертые сутки производились выборочные испытания несущей способности композитных анкеров прибором ПКА-1. В результате испытаний на испытуемых участках зафиксирована несущая способность анкеров более 70 кН.

Таблица 1

Результаты испытаний прочностных характеристик композитной арматуры

Диаметр арматуры, мм Сопротивление на срез (Рс), кН Сопротивление на разрыв (Рр), кН

АСП АБП АСП АБП

16 51,5 тт 51,6 140 150

тах 69,6

Для оценки экономической и технологической эффективности применения композитных материалов после проведения опытно-промышленных испытаний произведен расчет материальных и трудовых затрат на примере проходки выработки сечением 14,7 м2 в породах с категорией устойчивости IV б в условиях Учалинского рудника.

По сравнению с применением металлической арматуры в конструкциях железобетонных штанг переход на композитные материалы позволит уменьшить стоимость крепления 1п.м. на 17 %.

Таким образом, в результате проведения указанных исследований установлено, что неметаллическая композитная анкерная крепь отвечает требованиям ГОСТ Р 52042—2003 «Крепи анкерные. Общие технические условия», может применяться в качестве крепи подземных горных выработок и позволяет сократить затраты на крепление.

В ходе проведения исследований по совершенствованию технологии анкерного крепления разработана новая конструкция анкерных стержней - самозакрепляющаяся анкерная крепь (СЗА), являющаяся аналогом известной фрикционной анкерной крепи типа «Split-Set», предназначеной для крепления кровли и боков выработок (рис. 1).

Промышленные испытания данной конструкции крепи начались в 2009 г. В процессе проведения крупномасштабных испытаний на рудниках Южного Урала, Якутии, Кемеровской области, были усовершенствованы конструкция крепи и технология ее установки, получены положительные технико-экономические показатели. В настоящее время крепь СЗА широко применяется на крупных горнодобывающих предприятиях «УГМК-Холдинг», АК «Алроса», ОАО «ЕВ-РАЗРУДА» и др.

Рис. 2. - Конструкция усиленных комбинированных крепей на основе СЗА: а,

б - соответственно, крепи СЗА - Армокрепь, СЗА - УКК

В результате проведенных исследований в условиях месторождений, разрабатываемых подземным способом на Южном Урале, уточнены условия эффективного использования самозакрепляющихся анкеров и разработаны конструкции комбинированных крепей на их основе. Так разработаны конструкции усиленных видов крепи типа СЗА-УКК и СЗА-Армокрепь (рис. 2).

Указанные конструкции крепи испытывались в выработках, пройденных в породах ниже средней категории устойчивости, где по паспорту крепления планировалось использовать тяжелые виды арочной крепи. В результате испытаний технологии крепления подземных горных выработок усиленными видами крепи на основе СЗА нарушений устойчивости пород не выявлено.

Проведенные расчеты себестоимости крепления 1 п.м. выработки, показали, что по сравнению с применяемой технологией крепления арочной металлической крепью из спецпрофиля СВП и усиленной комбинированной крепью из железобетонных анкеров и набрызгбетона, армированного металлической сеткой, применение усиленной комбинированной крепи с использованием самозакрепляющихся анкеров позволит сократить затраты на крепление 1 п.м. выработки на 48 и 11 % соответственно.

Эффективным способом упрочнения горного массива является тампонаж. Способ инъектирования, как самостоятельный метод упрочнения, характеризуется тем, что в процессе нагнетания в массив пород тампонажных растворов необходимо на начальной стадии обеспечивать крепление горных выработок традиционными способами, что характеризуется увеличением объема работ [2]. Анализ технологии инъектирования выявил воз-

можность использования самозакрепляющейся анкерной крепи в качестве устройства для подачи компонентов тампонажного раствора в область упрочняемых пород через шпуры с установленными в них анкерами.

Для условий проходки выработок в сложных геологических условиях, особенно с водопроявлениями разработана конструкция СЗА для инъекционного упрочнения неустойчивых пород и гидроизоляции (рис. 3).

Известен способ тампонажа горных пород с использованием специальных конструкций - пакеров для подачи растворов в шпуры. С целью оценки данных технологий проведен расчет экономической эффективности (рис. 4). В общем случае применение цементов взамен смол позволяет сократить стоимость упрочнения массива пород методом инъектирования на 58 %. Исключая стоимость материалов для инъектирования и крепления, экономический эффект от применения СЗА достигает 35 %.

а

б

Рис. 3. Конструкция СЗА — Инъектора: а - общий вид; б - установленный в шпуре горной выработки

Преимущество предлагаемой технологии строительства горных выработок в ухудшенных горногеологических условиях с использованием СЗА - Инъ-ектора состоит в исключении дополнительного бурения шпуров под размещение в них специальных устройств для подачи раствора — пакеров, а также необходимости использования самих пакеров. Использование данной конструкции позволяет одновременно обеспечить устойчивость пород на начальном этапе строительства выработок, а также производить инъектирование с целью упрочнения и гидроизоляции. Работы по инъектированию проводятся под закрепленным пространством.

В связи с тем, что в мировой практике крепления горных выработок наблюдается тенденция к отказу от тяжелых видов крепи и переходу к комбинированным крепям, целесообразным явилось проведение исследований по совершенствованию набрызгбетон-ной крепи путем внесения в состав различных добавок с целью исключения тех недостатков, которыми она обладает.

Производительность набрызгбетонных работ значительно возрастает при переходе от машин «сухого» способа к роботизированным установкам, работающим по «мокрой» технологии. Средняя 8-часовая производительность при «мокром» способе обычно превышает производительность при «сухом» способе в 4-5 раз [3].

В ходе исследовательских работ в данном направлении производилось определение прочностных характеристик набрызгбе-тонной крепи, оценивалось качество крепления пород горных выработок при использовании фиброволокна и ускорителя твердения. Возведение крепи осуществлялось с помощью машины для нанесения набрызгбетона мокрым способом 8ргаушее 10501№Р (рис. 5).

П  н ср

СЗА-Инъектор

Рис. 4. Затраты на тампонаж и крепление 1 п.м. выработки с использованием СЗА-Инъектора и пакеров

Для сравнения производительности «сухого» и «мокрого» набрызгбетони-рования произведен хронометраж (рис. 6) по всем технологическим операциям крепления «сухим» методом в горных выработках на Учалинском, Озерном, Узельгинском, Молодежном рудниках ОАО «УГОК». Производительность по сухой смеси для указанных рудников составила, соответственно 1,58 м3/ч, 1,5 м3/ч, 0,9 м3/ч., 2 м3/ч [4]. Также были разработаны возможные принципиальные технологические схемы приготовления и транспорта смеси для «мокрой» технологии набрызгбетонирования.

Расчетом экономической и технологической эффективности применения различных способов набрызгбетонирования установлено (табл. 1), что применение «мокрой» технологии набрызгбе-тонирования позволяет сократить затраты на крепление.

Эффективность «мокрой» технологии определяется производственной мощностью рудника и объемом проходки выработок, в соответствии с которыми должен выбираться комплекс применяемого оборудования. Так, например, на Молодежном и Озерном подземных рудниках наблюдается увеличение затрат на крепление при переходе от машин «сухого» к «мокрому» способу набрызгбе-тонирования, что связано с низким коэффициентом использования оборудования при существующем объеме производства работ.

Несмотря на существенные преимущества использования механизированных установок по возведению набрызгбетонной крепи и улучшенными показателями получаемого слоя при «мокрой» технологии использование «сухого» способа на большинстве рудников остается наиболее рациональным и экономически выгодным [5]. Для механизации процесса набрызгбетонирования сухим способом разработан механизированный комплекс на базе а/м Камаз, включающий бункер для загрузки сухой смеси, бетономашину типа БМ и насос для подачи ускорителя твердения цементной смеси.

Рис. 5. Крепление горной выработки на-брызгбетоном с помощью установки Spraymec 1050WP

Учатскш рудник ШСУ

гр -Шп

АлиЁо на 5азе Моаз У5ункера-5и V проходки - 500пм

Узе/ъгинскио рудник гр -520м

ПДМ Того НЮ УкоОихьбм3 V проходки  Скбахима

згот

Скбахино

ОэЕрныи руЭник ШСУ

АяАа на дозе капаз ' V проходки = 270гт

гр т Сктх) сухой снеси

Ъии

Наклонный съезд Ц*0=5н 1 ЫООм 1-10-15т ¡¡о гор520

Ц*0"5м ' Т=15мин

[=250м

задач тшле тичесешй

¡¡¡¡¡ых&тю 3-ic.il

/(вли^апбз ро5шх - 2ш. фрм пйкотЬш - ЛМйщ-Врепп тесвня 1 - 190нш.

- 57* .

Тощна покртя - 2-Зсп

Склад цемента ¡Ш 15м Сухой склод апсеба Ю>

Ц-2Н1 1,7м Т-20с V_ о-гн  1--&, Т--Л1-

Приготовление сухои смеси

Перенешибаие сухой спее 5нин ЙШМ Того Ш!

Ц+0=Ам

мгоон

."> ЯМ Л'

1'Юоои

N Т.75гНИ

Л/ ¡обои

Д "'196, /талшла

мфм&пхна 3~Асн>

--2Е37-

Каянвсп£о рабскя -Вренв пзсЬапсАи -

Время запалеюя йу*1ера СБ*67 ~ 7/**, фешигюы/я Ахат ШЗи!СВ-67-$ юрШОЯ ИДОг' - 5м

Трлтмз/ххряеу* - 2-Зп_

Рис. 6. Структура технологических операций для возведения набрызгбетонной крепи по рудникам ОАО «Учалинский ГОК»

Таблица 1

Показатели затрат при «сухом» и «мокром» способах набрызгбетонирования

Показатель Подземный рудник

Учалинский Узельгинский Молодежный Озерный

Объем проходки, п.м/ мес 552 2010 290 250

Затраты «Мокрый» способ, тыс.руб/мес 3565,9 10488,45 2114,51 2103,13

Затраты «Сухой» способ, тыс.руб/мес 4397,44 12195,87 1825,53 1861,19

Разница, % 23 14 -14 -13

Экономия(+) / удорожание (-), тыс. руб/год 9978,43 20489,04 -3467,8 -2903,3

В ходе опытно-приемочных испытаний данного комплекса установлены значительно лучшие показатели по сравнению с традиционным креплением с помощью бетономашины типа БМ, а использование ускорителей твердения в составе цементной смеси набрызгбетона при сухом способе его возведения позволяет снизить отскок материала, тем самым увеличивая производительность оборудования и сократить удельные затраты на возведение набрызгбетонной крепи.

Таблица 2

Показатели процесса возведения набрызгбетонной крепи с использованием механизированного комплекса при добавлении в состав сухой смеси ускорителя твердения

Количество ускорителя по массе цемента, % Отскок материала, % Фактическая произ-водитель-ность, м3/час Затраты на материалы крепи слоем 5 см, руб/п.м

0 36,4 3,18 374,8

2 23,4 3,83 356,0

4 26,0 3,7 444,3

6 27,6 3,62 531,2

В целом, проведенные исследования и полученные результаты рассмотренных способов поддержания устойчивости пород при проходке горных выработок позволяют сделать следующие выводы:

1. Применение стеклопластиковых и базальтопластиковых стержней позволяет отказаться от металлической арматуры и в классах горного массива II-III достичь экономический эффект по основным материалам 945 руб/п.м. в случае применения анкерной крепи на основе стекловолокна, и до 647 руб/п.м. - базальто-волокна.

2. Проведенные исследования показывают возможность в сложных горно-геологических условиях уйти от применения арочной металлической крепьи из спецпрофиля СВП и усиленной комбинированной крепи из железобетонных анкеров и набрызгбетона, армированного металлической сеткой и заменить их комбинированной и усиленной комбинированной крепью с использованием самозакрепляющихся анкеров, а также сократить затраты на крепление 1 п.м. выработки на 48 и 11 % соответственно.

3. В условиях проходки выработок со значительным водо-притоком и низкой устойчивостью необходимо использовать технологию упрочнения и гидроизоляции массива с помощью специальной конструкция СЗА.

4. Несмотря на существенные преимущества использования механизированных установок по возведению набрызгбетонной крепи и улучшенными показателями получаемого слоя при «мокрой» технологии использование «сухого» способа на рудниках с низкой производственной мощностью остается по прежнему наиболее рациональным и экономически выгодным.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Свод правил СП 91.13330.2012 «Подземные горные выработки» — Актуализированная редакция СНИП II-94-80 «Подземные горные выработки» РОССТАНДАРТ, Москва 2012 г.

2. Кузьмин Е.В., Узбекова А.Р. Самообрушение руд при подземной добыче: Учебное пособие - М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2006. - 283 с.: ил.

3. Набрызгбетон для крепления горных выработок. Химические вещества, применяемые в строительстве. Департамент Подземного строительства. BASF International Underground Construction Group.

4. Калмыков В.Н., Зубков А.А., Волков П.В., Пушкарев Е.И., Лат-кин В. В. Технологии механизированного крепления горных выработок усиленной комбинированной крепью с использованием самозакрепляющихся анкеров и набрызгбетона наносимого способом «мокрого» набрызгбетонирования на подземных рудниках Урала/// Сборник научных трудов S World. Материалы международной научно-практической конференции «Современные направления теоретических и прикладных исследований '2013». - Выпуск 1. Том 3 - Одесса: КУПРИЕНКО, 2013. - ЦИТ: 113-0042 - С. 88-90

5. Абрамчук В.П., Педчик А.Ю., Епимахов Ю.А. и др. Строительство подземных сооружений большого сечения - Апатиты: Изд-во Кольского научного центра РАН. 2004. - 200 с.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Зубков Антон Анатольевич - кандидат технических наук, ст. преподаватель,

Латкин Вадим Владимирович - аспирант,

Неугомонов Сергей Сергеевич — кандидат технических наук, доцент, Волков Павел Владимирович — кандидат технических наук, ст. преподаватель,

Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, ntc@magtu.ru

UDC 622.268.6

PERSPECTIVE WAYS OF FASTENING OF EXCAVATIONS ON UNDERGROUND MINES

ZubkovAntonAnatol'evich, Candidate of Technical Sciences, Latkin Vadim Vladimirovich, graduate student, Neygomonov Sergei Sergeevich, Candidate of Technical Sciences, Volkov Pavel Vladimirovich, Candidate of Technical Sciences, Magnitogorsk State Technical University.

Experience of use fix various types is given. Perspective ways of fastening are developed: anchors, spayed concret, combined and strengthened combined roof.

Key words: Сoncrete splashing, «dry» and «wet» technology, equipment efficiency, transportation length, economic assessment

REFERENCES

1. Svod pravil SP 91.13330.2012 «Podzemnye gornye vyrabotki» — Aktualizirovannaja redakcija SNIP II-94-80 «Podzemnye gornye vyrabotki» ROSSTANDART, Moscow, 2012.

2. Kuz'min E.V., Uzbekova A.R. Samoobrushenie rud pri podzemnoj dobyche (Samoobrona ores in underground mining): Uchebnoe posobie. Moscow, Izdatel'stvo Moskovskogo gosudarstvennogo gornogo universiteta, 2006, 283 p.

3. Nabryzgbeton dlja kreplenija gornyh vyrabotok. Himicheskie veshhestva, primenjae-mye v stroitel'stve. Departament Podzemnogo stroitel'stva (Naberezhnye for securing mining. Chemical substance, which is applied in construction. The Department of Underground construction). BASF International Underground Construction Group.

4. Kalmykov V.N., Zubkov A.A., Volkov P.V., Pushkarev E.I., Latkin V.V. Tehnologii mehanizirovannogo kreplenija gornyh vyrabotok usilennoj kombinirovannoj krep'ju s is-pol'zovaniem samozakrepljajushhihsja ankerov i nabryzgbetona nanosimogo sposobom «mok-rogo» nabryzgbetonirovanija na podzemnyh rudnikah Urala (Technology mechanical securing mining enhanced combined support using samozakravatayasa anchors and naryzhneva done by way of "wet" nebraskalincoln in underground mines of the Urals)// Sbornik nauchnyh trudov SWorld. Materialy mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii «Sovremennye naprav-lenija teoreticheskih i prikladnyh issledovanij '2013». Vypusk 1. Tom 3, Odessa: KUPRIENKO, 2013. CIT: 113-0042, Pp. 88-90

5. Abramchuk V.P., Pedchik A.Ju., Epimahov Ju.A. i dr. Stroitel'stvo podzemnyh sooruzhenij bol'shogo sechenija (Underground construction heavy gauge) Apatity, Izd-vo Kol'skogo nauchnogo centra RAN. 2004. 200 p.