При разработке месторождений на севере и северовостоке России на угольных шахтах проведение горных выработок в многолетнемерзлых породах осуществляется с применением рамных крепей поддерживающего типа. При сезонном или прогрессирующем оттаивании вмещающих горных пород происходит резкое изменение их физико-механических свойств и устойчивости, что приводит к деформациям и разрушению крепи. В зоне опорного горного давления впереди очистного забоя регулярно возникает необходимость перекрепления штреков. Это обусловливает постоянный рост эксплуатационных затрат на крепление и поддержание горных выработок в условиях многолетнемерзлых пород.
В сложных условиях норильских шахт при совокупном влиянии теплового режима и опорного давления от очистных работ получен положительный опыт поддержания выработок с применением железобетонной штанговой крепи в сочетании с крепью поддерживающего типа. Известно, что преимущества усиления крепи канатными анкерами в сравнении с крепью поддерживающего типа сделало двухуровневую анкерную крепь практически безальтернативным вариантом при поддержании выработок в зоне влияния очистных работ на шахтах России и мира.
Особенностью мерзлых пород является изменение их теплофизических свойств при достижении температуры таяния. Влажность — один из основных факторов, влияющих на устойчивость горных выработок. Она определяет многие специфические свойства мерзлых пород, такие как: льдоцементация, анизотропность механических свойств и ползучесть. Вследствие цементации всех трещин и пор льдом горные породы обладают высокой устойчивостью, которая снижается при оттаивании. С изменением температуры мерзлых пород от — 4 до 0°С прочность на сжатие аргиллитов и песчаников уменьшается на 10 %.
Как показывает опыт работы шахты «Джебарики-Хая», оттаивание пород вокруг контура выработки ∆Rотв лет-нее время, когда в шахту подается теплый воздух, может достигать 0,5 м. В зоне оттаивания происходит значительное (до четырех раз) снижение прочностных показателей. Непосредственная кровля пласта «Верхний» сложена песчаником тонкозернистым, светло-серым, слоистость прерывистая, трещиноватым (75-90°) мощностью 6 м с ко-эффициентом крепости по шкале проф. Протодьяконова в мерзлом состоянии f = 5-7. С учетом снижения прочностных свойств при оттаивании породы непосредственной кровли можно отнести по обрушаемости к III типу, а по устойчивости к I классу [5]. Основная кровля представлена песчаниками серого цвета, кварцево-полешпатовый, цемент глинистокремнестый мощностью 14 м. Коэффициент крепости по шкале проф. Протодъяконова в мерзлом состоянии f= 5-7. Глубина ведения горных работ от поверхности составляет 60-96,5 м.
В 1970-х гг. активно прорабатывались варианты поддержания горных выработок анкерной крепью при использовании полимерных теплоизоляционных материалов, в частности пенополистирола [6]. Однако пенополистиролы не получили широкого применения на шахтах из-за таких недостатков, как хрупкость, горючесть, малая гибкость, неудобство при монтаже и др.
На сегодняшний день существует ряд теплоизоляционных материалов, которые свободны от указанных недостатков и могут обеспечить теплоизоляцию приконтурных пород горных выработок и минимизировать их оттаивание.
При креплении экспериментального участка в условиях шахты «Джебарики-Хая», с целью изоляции приконтурного массива горных пород от растепляющего действия вентиляционной струи была применена стеклоткань. За счет отражающей способности поверхности стеклоткани произошло уменьшение потока тепловой энергии в приконтурный массив на 10-15 %. Это привело к снижению итоговой теплопроводности системы «приконтурный массив — крепление» и, соответственно, к уменьшению величины ореола оттаивания.
Конструкция анкерной крепи
Применение сталеполимерной анкерной крепи в шахтах, отрабатывающих запасы угля в условиях многолетней мерзлоты, осложнено по следующим причинам:
— при температуре воздуха — 10°С скорость отверждения смолы полимерных ампул примерно в десять раз меньше, чем при положительной температуре +20°С [11];
— установку анкеров необходимо осуществлять до остывания стенок шпура, разогретых вследствие бурения;
— срок хранения полимерных ампул составляет 6 мес. с момента выпуска при температуре от +4 до +20°С;
— рекомендуемая температура применения полимерных ампул составляет +20°С, однако в районах многолетней мерзлоты обеспечить такие температурные условия хранения и применения крайне затруднительно.
В условиях золотых рудников ОАО «Бурятзолото» более двух лет успешно применяется сталеминеральная анкерная крепь. На руднике «Ирокинда», в условиях многолетней мерзлоты, и на шахте «Зун-Холбинская», в условиях островной мерзлоты, анкеры АКМ 20.01-01 производства ООО «АМК» закрепляют на ампулы с минеральной композицией типа АМК.11 апреля 2012 г. в условиях шахты «Джебарики-Хая» на главном вентиляционном штреке ПК-280 была проведена установка канатных анкеров типа АК01 и комбинированных анкеров типа АКМ 20.01-01 в мерзлые породы. Анкеры устанавливались на ампулы АМК-400. После установки были проведены испытания крепи на фактическую несу-щую способность по методике [12], которые подтвердили заявленные характеристики анкерной крепи (табл. 1).Гарантийный срок хранения ампул АМК — не менее одного года при температуре от — 50 до +50°С. Технические характеристики ампул АМК представлены в табл. 2.
Особенностью мерзлых пород является изменение их теплофизических свойств при достижении температуры таяния. Влажность — один из основных факторов, влияющих на устойчивость горных выработок. Она определяет многие специфические свойства мерзлых пород, такие как: льдоцементация, анизотропность механических свойств и ползучесть. Вследствие цементации всех трещин и пор льдом горные породы обладают высокой устойчивостью, которая снижается при оттаивании. С изменением температуры мерзлых пород от — 4 до 0°С прочность на сжатие аргиллитов и песчаников уменьшается на 10 %.
Как показывает опыт работы шахты «Джебарики-Хая», оттаивание пород вокруг контура выработки ∆Rотв лет-нее время, когда в шахту подается теплый воздух, может достигать 0,5 м. В зоне оттаивания происходит значительное (до четырех раз) снижение прочностных показателей. Непосредственная кровля пласта «Верхний» сложена песчаником тонкозернистым, светло-серым, слоистость прерывистая, трещиноватым (75-90°) мощностью 6 м с ко-эффициентом крепости по шкале проф. Протодьяконова в мерзлом состоянии f = 5-7. С учетом снижения прочностных свойств при оттаивании породы непосредственной кровли можно отнести по обрушаемости к III типу, а по устойчивости к I классу [5]. Основная кровля представлена песчаниками серого цвета, кварцево-полешпатовый, цемент глинистокремнестый мощностью 14 м. Коэффициент крепости по шкале проф. Протодъяконова в мерзлом состоянии f= 5-7. Глубина ведения горных работ от поверхности составляет 60-96,5 м.
В 1970-х гг. активно прорабатывались варианты поддержания горных выработок анкерной крепью при использовании полимерных теплоизоляционных материалов, в частности пенополистирола [6]. Однако пенополистиролы не получили широкого применения на шахтах из-за таких недостатков, как хрупкость, горючесть, малая гибкость, неудобство при монтаже и др.
На сегодняшний день существует ряд теплоизоляционных материалов, которые свободны от указанных недостатков и могут обеспечить теплоизоляцию приконтурных пород горных выработок и минимизировать их оттаивание.
При креплении экспериментального участка в условиях шахты «Джебарики-Хая», с целью изоляции приконтурного массива горных пород от растепляющего действия вентиляционной струи была применена стеклоткань. За счет отражающей способности поверхности стеклоткани произошло уменьшение потока тепловой энергии в приконтурный массив на 10-15 %. Это привело к снижению итоговой теплопроводности системы «приконтурный массив — крепление» и, соответственно, к уменьшению величины ореола оттаивания.
Конструкция анкерной крепи
Применение сталеполимерной анкерной крепи в шахтах, отрабатывающих запасы угля в условиях многолетней мерзлоты, осложнено по следующим причинам:
— при температуре воздуха — 10°С скорость отверждения смолы полимерных ампул примерно в десять раз меньше, чем при положительной температуре +20°С [11];
— установку анкеров необходимо осуществлять до остывания стенок шпура, разогретых вследствие бурения;
— срок хранения полимерных ампул составляет 6 мес. с момента выпуска при температуре от +4 до +20°С;
— рекомендуемая температура применения полимерных ампул составляет +20°С, однако в районах многолетней мерзлоты обеспечить такие температурные условия хранения и применения крайне затруднительно.
В условиях золотых рудников ОАО «Бурятзолото» более двух лет успешно применяется сталеминеральная анкерная крепь. На руднике «Ирокинда», в условиях многолетней мерзлоты, и на шахте «Зун-Холбинская», в условиях островной мерзлоты, анкеры АКМ 20.01-01 производства ООО «АМК» закрепляют на ампулы с минеральной композицией типа АМК.11 апреля 2012 г. в условиях шахты «Джебарики-Хая» на главном вентиляционном штреке ПК-280 была проведена установка канатных анкеров типа АК01 и комбинированных анкеров типа АКМ 20.01-01 в мерзлые породы. Анкеры устанавливались на ампулы АМК-400. После установки были проведены испытания крепи на фактическую несу-щую способность по методике [12], которые подтвердили заявленные характеристики анкерной крепи (табл. 1).Гарантийный срок хранения ампул АМК — не менее одного года при температуре от — 50 до +50°С. Технические характеристики ампул АМК представлены в табл. 2.
Таблица 1. Технические характеристики анкеров АКМ 20.01-01, АК01
Таблица 2. Технические характеристики ампулы АМК
Крепление эксперементального участка
Крепление экспериментального участка выработки про-изводилось на участке протяженностью 10 м анкерной крепью по двухуровневой схеме (см. рисунок). Первый уровень в кровле на протяжении 10 м формировался анкерами АКМ 20.01-01, длиной L = 2,6 м, которые устанавливаются совместно с продольным подхватом гофрированным типа «штрипс» (В-300), длиной L = 4,2 м. Крепление боков было выполнено анкерами АКМ 20.01-01, длиной L = 2,2 м. Перетяжка кровли и боков экспериментального участка выполнялась металлической решетчатой затяжкой с ячейкой 50×125 мм и 50×50 мм, соответственно, в сочетании со стеклотканью. Стеклотканью производилась теплоизоляция контура выработки перед анкерованием. Протяженность участка, закрепленного по двухуровневой схеме, составила 3 м. Для второго уровня крепления приняты канатные анкеры АК01 длиной 6 м. Все анкеры были закреплены в шпурах диаметром 30 мм на ампулы АМК.
В процессе монтажа анкерной крепи выполнялся хронометраж:
— суммарное время крепления одного погонного метра выработки анкерами первого уровня (кровля, бока) составляет 81 мин.;
— суммарное время крепления одного погонного метра выработки анкерами второго уровня (кровля), составляет 21 мин.;
— суммарное время крепления одного погонного метра выработки (ширина 4,5 м, высота 2,7 м) анкерной крепью в два уровня составляет 102 мин.
По итогам мониторинга выработки в зимний период, состояние оценивалось как удовлетворительное. По сравнению с состоянием выработок, закрепленных металлической рамной крепью, на участке выработки с анкерной крепью, отслоения пород кровли и боков не наблюдалось. Породы кровли и боков были плотно сшиты анкерами первого уровня и посредством канатных анкеров, сформированная конструкция крепилась к устойчивым, не оттаявшим породам кровли, тем самым обеспечивая надежность крепления и безопасность поддержания выработки.
Состояние участка, закрепленного по двухуровневой схеме, и участка, закрепленного анкерами первого уровня, были одинаково удовлетворительными. Выработка находилась вне зоны опорного давления. Контроль за смещениями пород кровли производился с помощью реперной станции РГ-3.
По итогам мониторинга состояния опытного участка вы-работки в летний период, когда воздух, подаваемый в шахту, имеет плюсовую температуру, было выявлено следующее:
— состояние приконтурного массива выработки (кров-ля, бока), удовлетворительное;
— индикаторы на реперной станции РГ-3, находятся в зеленой зоне, существенных смещений пород кровли не происходит;
— наличие трещин, проявления горного давления в кровле и боках не наблюдается;
— вывалов пород между анкерами, отслоений приконтурных слоев кровли не зафиксировано;
— наличия пустот и трещин между подхватами и эле-ментами анкерной крепи, уменьшения высоты и ширины выработки не обнаружено;
— провисание решетчатой металлической затяжки между подхватами отсутствует;
Крепление экспериментального участка выработки про-изводилось на участке протяженностью 10 м анкерной крепью по двухуровневой схеме (см. рисунок). Первый уровень в кровле на протяжении 10 м формировался анкерами АКМ 20.01-01, длиной L = 2,6 м, которые устанавливаются совместно с продольным подхватом гофрированным типа «штрипс» (В-300), длиной L = 4,2 м. Крепление боков было выполнено анкерами АКМ 20.01-01, длиной L = 2,2 м. Перетяжка кровли и боков экспериментального участка выполнялась металлической решетчатой затяжкой с ячейкой 50×125 мм и 50×50 мм, соответственно, в сочетании со стеклотканью. Стеклотканью производилась теплоизоляция контура выработки перед анкерованием. Протяженность участка, закрепленного по двухуровневой схеме, составила 3 м. Для второго уровня крепления приняты канатные анкеры АК01 длиной 6 м. Все анкеры были закреплены в шпурах диаметром 30 мм на ампулы АМК.
В процессе монтажа анкерной крепи выполнялся хронометраж:
— суммарное время крепления одного погонного метра выработки анкерами первого уровня (кровля, бока) составляет 81 мин.;
— суммарное время крепления одного погонного метра выработки анкерами второго уровня (кровля), составляет 21 мин.;
— суммарное время крепления одного погонного метра выработки (ширина 4,5 м, высота 2,7 м) анкерной крепью в два уровня составляет 102 мин.
По итогам мониторинга выработки в зимний период, состояние оценивалось как удовлетворительное. По сравнению с состоянием выработок, закрепленных металлической рамной крепью, на участке выработки с анкерной крепью, отслоения пород кровли и боков не наблюдалось. Породы кровли и боков были плотно сшиты анкерами первого уровня и посредством канатных анкеров, сформированная конструкция крепилась к устойчивым, не оттаявшим породам кровли, тем самым обеспечивая надежность крепления и безопасность поддержания выработки.
Состояние участка, закрепленного по двухуровневой схеме, и участка, закрепленного анкерами первого уровня, были одинаково удовлетворительными. Выработка находилась вне зоны опорного давления. Контроль за смещениями пород кровли производился с помощью реперной станции РГ-3.
По итогам мониторинга состояния опытного участка вы-работки в летний период, когда воздух, подаваемый в шахту, имеет плюсовую температуру, было выявлено следующее:
— состояние приконтурного массива выработки (кров-ля, бока), удовлетворительное;
— индикаторы на реперной станции РГ-3, находятся в зеленой зоне, существенных смещений пород кровли не происходит;
— наличие трещин, проявления горного давления в кровле и боках не наблюдается;
— вывалов пород между анкерами, отслоений приконтурных слоев кровли не зафиксировано;
— наличия пустот и трещин между подхватами и эле-ментами анкерной крепи, уменьшения высоты и ширины выработки не обнаружено;
— провисание решетчатой металлической затяжки между подхватами отсутствует;
— деформации с изгибами или с разрывом анкерных подхватов отсутствуют;
— ослабление гаек на анкерах отсутствует.
Выводы
— ослабление гаек на анкерах отсутствует.
Выводы
1. Разработанная конструкция сталеминеральной анкерной крепи обеспечивает ее надежное закрепление в многолетнемерзлых породах.
2. Эффективность использования сталеминеральной анкерной крепи обусловлена сохранением ее работоспособности в широком диапазоне температур хранения и применения в условиях многолетней мерзлоты.
3. Разработана методика расчета параметров двухуровневой анкерной крепи, учитывающая применение тепло-изоляционных материалов для обеспечения устойчивости вмещающих пород выработок, снижения темпов их оттаивания и расслоения.
4. Результаты мониторинга состояния экспериментального участка на шахте «Джебарики-Хая», поддерживаемого двухуровневой сталеминеральной анкерной крепью с изоляцией приконтурного массива, подтверждают эффективность данного вида крепи в сравнении с рамной крепью поддерживающего типа.
2. Эффективность использования сталеминеральной анкерной крепи обусловлена сохранением ее работоспособности в широком диапазоне температур хранения и применения в условиях многолетней мерзлоты.
3. Разработана методика расчета параметров двухуровневой анкерной крепи, учитывающая применение тепло-изоляционных материалов для обеспечения устойчивости вмещающих пород выработок, снижения темпов их оттаивания и расслоения.
4. Результаты мониторинга состояния экспериментального участка на шахте «Джебарики-Хая», поддерживаемого двухуровневой сталеминеральной анкерной крепью с изоляцией приконтурного массива, подтверждают эффективность данного вида крепи в сравнении с рамной крепью поддерживающего типа.