Виды и конструкции сейсмостойких крепей, применяемых при разработке рудных месторождений

_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2016. Вып. 1_

УДК 622.016

ВИДЫ И КОНСТРУКЦИИ СЕЙСМОСТОЙКИХ КРЕПЕЙ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ПРИ РАЗРАБОТКЕ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

О.В. Трушко

Представлен анализ конструкций горных крепей, которые традиционно используются на отечественных и зарубежных рудниках для крепления горных выработок, пройденных в сложных горно-геологических условиях. Предложены наиболее оптимальные конструкции сейсмостойких крепей, которые прошли успешные испытания на отечественных рудниках в условиях динамических форм проявлений горного давления.

Ключевые слова: рудник, месторождение, горное давление, горный удар, глубокие горизонты, сейсмостойкая крепь, анкерная крепь

В последнее время на российском и зарубежом рынках наблюдается большой спрос на потребление алюминия, это связано с высокими темпами развития большого числа высокотехнологичных и наукоёмких отраслей промышленности.

В связи с тем, что с каждым годом увеличиваются объёмы производства алюминия, требуется интенсивное развитие сырьевой базы алюминиевой промышленности, а это влечёт за собой освоение ещё неразработанных горизонтов и разработку тех участков разрабатываемых месторождений, которые, как правило, располагаются на большой глубине в сложных горно-геологических условиях.

В России основные запасы бокситов располагаются на территории Североуральского бокситового бассейна, где разработка горизонтов ведётся на глубинах свыше 1000 м. При переходе на отработку глубоких горизонтов значительно усложняются горно-геологические и горно-технические условия бокситовых месторождений. Появляются динамические формы проявлений горного давления в виде горных ударов, которые приводят к высокому травматизму горнорабочих и снижают эффективность деятельности предприятия. Поэтому актуальной задачей при разработке глубоких горизонтов бокситовых месторождений становится разработка рациональных параметров сейсмостойких крепей, которые обеспечивают надёжное поддержание горных выработок на протяжении всего времени их использования, безопасность ведения горных работ и бесперебойность работы горного предприятия.

Крепление горных выработок рудных месторождений в условиях динамических проявлений горного давления - малоисследованная область повышения их устойчивости. В рудной промышленности нашей страны

120

_Геотехнология_

применяются в основном традиционные виды крепей: торкретбетон, штанговая (анкерная) крепь с металлической сеткой или без неё, из поддерживающих конструкций - податливая металлическая крепь в подготовительных выработках и монолитная бетонная в капитальных [1, 2, 3].

Другие, более эффективные конструкции сейсмостойких комбинированных и многослойных крепей имеются лишь на стадии технических решений или испытаны в опытном порядке на отдельных рудниках [4-8].

В этом плане интересны предложения Г.Г. Мирзаева по креплению выработок Текелийского ГОКа с помощью сплошных и стержневых сейсмических экранов, соединённых с анкерной крепью в условиях действия массовых взрывов [9]. Анкера-волноводы связываются с экраном в единую пространственную конструкцию, а пространство между породной поверхностью выработки и экраном заполняется сейсморас-пределительным слоем податливого материала. В этом случае динами-ческие радиальные усилия, которые действуют со стороны массива в сторону выработки, воспринимаются экраном и через анкеры передаются на участок, отстоящий от поверхности на расстояние, равное длине анкеров-волноводов (1,8...3,0 м). Этим обеспечивается перераспределение динамических растягивающих усилий на значительно большую площадь и их передача в глубину массива, где он менее нарушен и находится в объемном напряженном состоянии.

Положительный опыт предотвращения стреляния горных пород и интенсивных проявлений горного давления в выработках Ловозерского ГОКа при действии массовых взрывов и рудных месторождений Урала получен за счет использования сталеполимерной анкерной крепи, быстро вступающей в работу, обладающей высокой несущей способностью и стойкостью к сейсмическим воздействиям [10]. На эффективность стале-полимерной анкерной крепи в комбинации с набрызгбетоном в условиях стреляний пород указывают также Г.И. Кравченко и В. А. Асанов на основании исследований, выполненных Пермским политехническим институтом. Повышение устойчивости выработок в этом случае достигается за счет упрочнения массива пород в приконтурной зоне и перехода его из плоского в объемное напряженное состояние, что повышает его прочностные свойства и способствует более равномерному распределению напряжений вокруг выработки.

Разрабатываются способы крепления горных выработок, основанные на демпфировании импульсного воздействия волн динамических напряжений на контуре выработок с помощью многослойных крепей, включающих специальный амортизирующий слой [8]. В качестве амортизирующего слоя используют малопрочный податливый материал типа вспенивающихся пластмасс, пенобетонов и т.п.

121

_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2016. Вып. 1_

Перечисленные способы крепления горных выработок, позволяют значительно снизить величину амплитуды колебаний горных пород на контуре выработки, что в несколько раз снижает величину предельного контактного усилия при горных ударах, но в приконтурной зоне не мешают развитию колебательных процессов.

На зарубежных рудниках для крепления выработок в условиях динамических проявлений горного давления распространение получили поддерживающие конструкции металлических податливых и бетонных крепей с цементацией закрепного пространства. На шахтах Западной Европы применяют крепь из гофрированных стальных панелей (1,08*1,2 м, толщиной 2.3 мм), укрепляемых в выработках специальными металлическими арками с последующим бетонированием закрепного пространства. На руднике «Сан-Мануэль» (США) выработки, которые находятся вне зоны влияния очистных работ, крепят металлической податливой крепью из специального профиля, а в зоне влияния очистных работ - металлобетон-ной крепью (арки из двутавра в бетоне) с цементацией закрепного пространства. Аналогичную крепь применяют и на шахтах Рура. На руднике «Вестерн Дип Левелс» (ЮАР) устойчивость камеры на отметке - 3050 м достигнута креплением анкерной крепью длиной 6,7 м с металлической сеткой и набрызгбетоном.

Для снижения способности горных пород к динамическому разрушению также предлагается использование воздействия на массив инъекционного упрочнения.

Для упрочнения горных пород в условиях динамических форм проявления горного давления целесообразно применять полимерные составы, которые изначально представляют собой низковязкие жидкости и не дают усадку при твердении. Данные полимерные составы способны заполнять трещины, находящиеся в массиве горных пород шириной от 0,01 мм, раскрывать и развивать трещины при использовании этих составов под давлением до 20.25 МПа.

В результате использования полимерных составов происходит упрочнение массива горных пород.

Равнокомпонентное объемное напряженное состояние восстанавливается, вследствие этого возрастает прочность горных пород в упрочненной зоне и повышается способность массива воспринимать большие нагрузки.

Однако на обнажении горных пород в выработке при этом сохраняется плоское напряженное состояние.

На сегодняшний день для удароопасных рудников является перспективным развитие способов профилактики и предотвращения горных ударов, эффективно разгружающих массив, но сохраняющих его прочно-

_Геотехнология_

стные свойства и не нарушающих сплошность массива: совершенствование параметров и технологии создания разгрузочных щелей, применение рациональной (устойчивой) формы поперечного сечения выработки и контурного взрывания, оптимального режима ведения горных работ и расположения выработок в массиве.

Из крепей наиболее перспективны упрочняющие конструкции анкерных и комбинированных крепей, быстро вступающие в работу, обладающие высокой несущей способностью и стойкостью к сейсмическим воздействиям. Это позволит путем упрочнения вовлечь окружающий выработку массив в работу, повысить его прочностные свойства и будет способствовать более равномерному распределению напряжений в массиве, что существенно повысит устойчивость выработок.

Заслуживает внимание и инъекционное упрочнение массива, которое также может привести к улучшению условий поддержания горных выработок, особенно в комбинации с анкерной крепью.

Наиболее целесообразно использовать конструкции сейсмостойких упрочняющих крепей (ССК), которые под влиянием сейсмических воздействий сохраняют свою несущую способность.

Этому требованию соответствуют те анкера, которые максимально быстро вступают в работу после установки и имеют контакт с массивом горных пород по всей их длине.

Активно используемые клинощелевые анкера не удовлетворяют данному условию. Важным условием является и то, что сейсмостойкие крепи должны иметь возможность совместного их использования с различными конструкциями опорно-поддерживающих элементов, такими, как опорные плитки, подхваты из прокатных профилей или арматурные каркасы, решетчатая затяжка, а также в комбинации либо друг с другом, либо с набрызгбетоном.

Представленная на рис. 1 конструкция железобетонного анкера (ЖБА), состоящая из высаженной шляпки на контурном конце и опорной плитки, а также технология его установки обладают большим количеством недостатков [11].

Данный вид крепи вступает в работу лишь после достаточного набора прочности бетона (в среднем не ранее, чем через 24 часа). Не представляется возможным осуществлять должный контроль качества заполнения шпура цементно-песчаным раствором устья шпура, т.к. ЖБА используется совместно с таким элементом, как опорная плитка, а это, в свою очередь, влияет на процесс «обыгрывания» анкеров.

Более того, по результатам обследования 576 железобетонных анкеров, применяемых на шахтах ОАО «Севуралбокситруда», было установлено, что большое количество опорных плиток (примерно 70 %) не имеют необходимого контакта с породным контуром.

123

_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2016. Вып. 1_

Как показала практика использования опорных плиток, в большинстве случаев было отмечено, что они вообще не работают, не позволяют производить необходимый контроль качества, но при этом существенно сказываются на затратах предприятия.

Рис. 1. Схемы контурных концов анкеров, закрепляемых по всей длине твердеющим составом: 1 - арматурный стержень; 2 - твердеющий состав; 3 - плоская опорная плитка; 4 - гайка; 5 - резьбовой конец;

6 - сферическая опорная плитка; 7 -уплотнительная манжета;

8 - решетчатая затяжка; 9 - двухконусный контурный замок

В дополнение к вышесказанному следует отметить: при необходимости данная конструкция анкера не позволяет использовать усиление крепи подхватами или решетчатой затяжкой.

Учитывая вышеизложенные факторы, можно сказать, это рассмотренная конструкция анкера не является оптимальной основой сейсмостойкой крепи.

Ниже приведены конструкции сейсмостойких крепей, которые прошли успешные испытания на отечественных шахтах.

А. Анкера, сразу вступающие в работу после установки.

А. 1. Комбинированный железобетонный анкер (КЖБА) включает в себя серийно выпускаемый клинощелевой металлический анкер (КЛА) с измененным клином. Такая конструкция анкера позволяет закрепляться в скважине не только клинощелевым замком, но и имеет контакт с горной

_Геотехнология_

породой по всей длине за счёт использования цементно-песчаного раствора, который используется для заполнения шпура до помещения в неё заполняющего скважину до введения в нее клинощелевого металлического анкера (рис. 2, а).

С учётом такого сочетания комбинированный железобетонный анкер, сразу вступает в работу после его установки, а после набора прочности бетона становится сплошным железобетонным анкером, обладая его вышеперечисленными достоинствами.

Дополнительными достоинствами является еще и то, что в конструкции комбинированного железобетонного анкера используется широко применяемый и серийно изготавливаемый КЛА, а технология заполнения скважин цементно-песчаным раствором уже хорошо освоена.

Стендовые и шахтные испытания КЖБА показали, что сразу после установки несущая способность анкера в среднем составила около 40 кН, а через сутки - больше 100 кН.

Время установки одного анкера в среднем составило 4 мин 55 с (время на бурение шпура не учитывалось).

Данная конструкция анкера прошла многочисленные испытания и была рекомендована к использованию в качестве основного элемента сейсмостойких крепей, применяемых на шахтах ОАО «Севуралбокситру-да».

Для контроля несущей способности анкера данной конструкции рекомендовано использовать методы, широко применяемые для клинощеле-вых металлических анкеров (динамометрические ключ или типовой вытя-гиватель).

А.2. Анкер трубчатый гидрораспорный (ТГА) типа «Свеллекс» (рис. 2, б) представляет собой конструкцию, состоящую из трубы, С-образного поперечного сечения с заглушками на концах, которая закрепляется в скважине за счёт давления, создаваемого жидкостью, нагнетаемой в трубу. За счёт использования жидкости для закрепления анкера в скважине обеспечивается контакт с горной породой по всей его длине.

Анкера такой конструкции сразу вступают в работу, обладают высокой надёжностью при закреплении, быстро возводятся и не требуют контроля после установки.

По данным проведенных шахтных испытаний было установлено, что несущая способность анкера составляет 90...120 кН уже сразу после его установки, а время, затраченное на установку одного анкера, не превысило 1 мин (не учитывая бурение шпура).

С учетом того, что ТГА обладают высокой стойкостью к сейсмическим воздействиям и сохраняют свою несущую способность при вытягивании (в пределах от 80 до 90 % от первоначальной), рекомендуется использовать данную конструкцию анкеров в качестве сейсмостойкой крепи.

125

Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2016. Вып. 1

А.З. Анкер сталеполимерный замковый (СПАЗ) (рис. 2, г) и стале-полимерный сплошной анкер (СПАС) представляют собой конструкцию, состоящую из арматурного стержня, ампул (это может быть одна или несколько ампул) с использованием полимербетона, металлической гайки и опорной плитки.

Рис. 2. Конструкции сейсмостойких анкеров: а - комбинированный железобетонный; б - трубчатый гидрораспорный; в - трособетонный; г - сталеполимерный с универсальным опорным элементом; д, е- одно- и двухстержневой железобетонный с клиновым опорным элементом

Быстрые сроки твердения (в среднем до 3...5 мин) достигаются за счёт правильно подобранного состава, состоящего из высокопрочного бы-стротвердеющего полимербетона.

Так, например, если длина заделки составляет 400 мм, несущая способность анкеров с начала их установки составляет 60 кН (через 0,5 ч), 80 кН (через 1 ч), 140 кН (через 2 ч) и 180 кН (через 24 ч).

Данный вид крепи можно рекомендовать в качестве сейсмостойкой крепи, т.к. она быстро вступает в работу, обладает высокой несущей способностью и стойкостью к сейсмическим воздействиям. С учётом вышесказанного данный вид крепи обеспечивает высокую эффективность упрочнения массива.

Б. Анкера, не сразу вступающие в работу, а только через определённое время.

Б.1. Железобетонный анкер с двухконусным контурным замком (ЖБА2К).

При его изготовлении используются арматурная сталь периодического профиля диаметром 18...20 мм.

_Геотехнология_

Для того чтобы предотвратить утечку раствора во время установки, на конец арматурного стержня надевается уплотнительная манжета. Нужно отметить, что при использовании данной конструкции анкера либо самостоятельно, либо совместно с набрызгбетоном опорная плитка не устанавливается.

При использовании опорных элементов и решётчатой затяжки, которые рекомендовано использовать в неустойчивых горных породах, используют двухконусную втулку, которую устанавливают и закрепляют на контурном конце железобетонного анкера.

По итогам проведенных испытаний было установлено, что несущая способность замка составляет 80.140 кН. При динамических воздействиях замок работает в податливом режиме нарастающего сопротивления.

Основными преимуществами данной крепи является то, что достаточно просто можно осуществлять визуальный и инструментальный контроль процесса ее монтажа, причем контроль можно осуществлять в любой момент после процесса возведения. Если же использовать быстротвер-деющие растворы, обладающие высокими прочностными характеристиками, то крепь может вступать в работу уже в первые сутки после ее установки. В данном случае в качестве временной крепи на призабойном участке можно использовать набрызгбетон, клинощелевой металлический анкер, а также комбинированный железобетонный анкер.

Б.2. Разработанный в ОАО «Севуралбокситруда» трособетонный анкер (ТБА), с петлевым контурным концом (рис. 2, в), имеет в своей конструкции опорную плитку, в которой находится овальный вырез, а также стопорный клин.

В начале данный анкер устанавливается без опорной плитки (аналогично анкеру ЖБА2К). Для усиления данный вид крепи может применяться совместно с набрызгбетоном, решетчатой затяжкой с опорной плиткой, а также со стопорным клином (возможны комбинации).

Такой вид крепи схож по своим характеристикам с анкером конструкции ЖБА2К, но данную конструкцию анкерной крепи не представляется возможным использовать тогда, когда отслоение пород у контурного конца анкера уже произошло. Не смотря на это, данный вид анкерной крепи может использоваться в качестве сейсмостойкой.

Б.3. На предприятиях АО «Норильский никель» активно применяется железобетонный одностержневой с петлевым концом анкер (ЖБА 1 П) (рис. 2, д). Данная конструкция анкера используется для того, чтобы создать усиленную конструкцию комбинированной крепи, и состоит из анкеров, которые представлены арматурой периодического профиля 016.18 мм, опорной плитки, в которой находится овальный вырез, кото-

_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2016. Вып. 1_

рая при помощи стального клина прижимает к горной породе сетку. Данную конструкцию крепи также рекомендовано применять в качестве сейсмостойкой.

Б.4. Ещё одна конструкция сейсмостойкой крепи - это конструкция железобетонного двухстержневого анкера с петлевым концом (ЖБА 2П) (рис. 2, е). Его конструкция отличается от конструкции ЖБА 1П тем, что арматура периодического профиля 012.14 мм, которая легко гнётся, используется для изготовления стержня анкера, складывается вдвое, за счёт этого на конце анкера образуется петля, которая используется для клина на контурном конце. Данная конструкция анкера удобна для закрепления низких выработок высотой до 3 м, т.к. его длина 3,4.4,5 м, а также при установке «гребёнки», «подвесок» или «кустов».

Б.5. Учитывая характеристики набрызгбетонной крепи, её можно применять в виде сейсмостойкой как в самостоятельном виде, так и совместно с анкерной крепью. В случаях, когда выработки проводят в сложных горно-геологических условиях, её можно применять с металлическими подхватами, решетчатой затяжкой, а иногда и их комбинации.

Набрызгбетонная крепь способна выравнивать неровности контура горной выработки, помимо этого, на контуре выработки создаётся защитное покрытие, а вследствие этого снижается концентрация напряжений.

При использовании набрызгбетонного раствора происходит упрочнение приконтурной зоны трещиноватого массива, за счёт этого повышается устойчивость горных выработок.

Важным моментом является то, что качество набрызгбетона должно быть очень высоким, это можно достичь за счёт высококачественных, оптимально подобранных компонентов, оперативной доставки приготовленного раствора к месту использования, качественной подготовки закрепляемого участка горной выработки и высококачественной технологии набрызгбетонирования.

Представленные в статье конструкции сейсмостойких крепей могут быть использованы предприятиями и организациями ведущих проектирование, строительство и эксплуатацию подземных горных выработок на шахтах, опасных по горным ударам, также информация, содержащаяся в статье может быть полезна для общеобразовательных, научных и инженерно-технических работников предприятий, организаций, научно-исследовательских и проектных институтов, занимающихся вопросами крепления и поддержания горных выработок, проводимых в удароопасных породах рудных месторождений.

_Геотехнология_

Список литературы

1. Петухов И.М., Егоров П.В., Винокур Б.Ш. Предотвращение горных ударов на рудниках. М.: Недра, 1984. 400 с.

2. Указания по безопасному ведению горных работ при строительстве и эксплуатации шахт на месторождениях Североуральского бокситового бассейна, подверженных горным ударам. Л.: ВНИМИ, 1988. 95 с.

3. Инструкция по безопасному ведению горных работ на рудных и нерудных месторождениях, склонных к горным ударам. Л.: ВНИМИ, 1960. 148 с.

4. Лудзиш B.C., Егоров П.В., Шевелев Ю.А. Выбор крепи горных выработок в удароопасных породах // Безопасность труда в промышленности. 1986. № 1. С. 40-42.

5. Сафронов В.Г. Проведение горных выработок в удароопасных породах //Шахтное строительство. 1977. № 2. С.14-16.

6. Мирзаев Г.Г. Исследование работы монолитной железобетонной крепи в условиях действия массовых взрывов // Горный журнал. 1977. № 4. С. 41-43.

7. Навасардов М.А. К вопросу о податливой забутовке закрепленных пустот капитальных выработок глубоких горизонтов // Физика и разрушение горных пород. 1983. № 1. С. 67-72.

8. Ивановский Э.С. Эффективные методы проведения горных выработок и разработки месторождений на больших глубинах и борьба с горными ударами (зарубежный опыт). М.: Цветмет-информация, 1975. 44 с.

9. Протосеня А.Г., Огородников Ю.Н. Крепь горных выработок глубоких рудников. М.: Недра, 1984. 252 с.

10. Дианов В.М., Еремин В.И. Испытания сталеполимерной анкерной крепи в условиях интенсивного проявления горного давления // Вопросы совершенствования технологии подземных горных работ: сб. научн. тр. Апатиты, 1976. С. 31-36.

11. Бородулин П.В. Повышение устойчивости горных выработок в условиях удароопасности на основе регулируемого упрочнения горных пород.: дис. ... канд. техн. наук. СПб., 2003. 132 с.

Трушко Ольга Владимировна, канд. техн. наук, доц., ov_trushko@mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

TYPES AND DESIGNS OF ANTISEISMIC LINING A USED IN THE DEVELOPMENT

OF ORE DEPOSITS

O.V. Trushko

_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2016. Вып. 1_

This article gives an analysis of mining support structures, which are traditionally used in domestic and foreign mines for mining, passed in complex geological conditions. It offers the most optimal design of earthquake-resistant lining, which have been successfully tested at domestic mines under conditions of dynamic forms of rock pressure manifestations.

Key words: mine, deposit, rock pressure, rock bump, deep layer, antiseismic lining, roof bolting

Trushko Olga Vladimirovna, candidate of technical sciences, docent, ov trushko@mail.ru, Russia, Saint-Petersburg, National Mineral Resources University