Совершенствование технологии анкерного крепления горных выработок угольных шахт в условиях многолетней мерзлоты

УДК 622.281.4.001.24

Клишин Владимир Иванович — Директор Института угля СО РАН, зав. кафедрой горных машин КузГТУ, член-корр. РАН, д.т.н., профессор

Совершенствование технологии анкерного крепления горных выработок угольных шахт в условиях многолетней мерзлоты

Ключевые слова: анкерная крепь, горная выработка, зона многолетней мерзлоты, ореол оттаивания, теплопроводность массива,  теплоизоляционный материал.

В последние годы изучению условий разработки и совершенствованию способов крепления и поддержания горных выработок на угольных шахтах в области многолетней мерзлоты уделяется большое внимание. Это объясняется повышением требований к обеспечению нормальных условий труда горнорабочих, развитием технологии,  механизации, эффективности добычи угля на Севере.

При оценке природных условий разработки угольных месторождений в этой области было установлено, что мерзлотное состояние породного массива может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на уровень безопасности, эффективности крепления и поддержания подземных горных выработок. На состояние крепления выработок влияют: отрицательная температура пород, наличие с их составе льда, заполняющего пустоты, циркуляция подземных вод в таликовых зонах, мерзлотные физико-геологические процессы.

При оценке мерзлотно-гидрогеологических условий угольных месторождений для принятия решения по креплению планируемых к проведению горных выработок необходимо исходить из температурного состояния массива пород, в которых расположено полезное ископаемое. При этом исходными критериями являются прочностные свойства массива, его гидрогеологическая характеристика и газовая обстановка.

В 1970-х гг. проводились промышленные испытания металлической, деревянной и железобетонной анкерной крепи на всех шахтах Норильского комбината. Практика работ и проведенные исследования показали, что эффективность применения анкерной крепи обеспечивается в подготовительных выработках всех работающих пластов при закреплении анкеров в угле, углистых, песчанистых, глинистых аргиллитах, песчаниках и изверженных породах [1]. Прочностные характеристики и несущая способность металлических, деревянных и железобетонных штанг обуславливает эффективность их применения в подготовительных выработках всех температурных зон. 

Опыт применения сталеполимерных анкеров на шахтах Кузбасса сделал анкерную крепь практически безальтернативной для поддержания подземных горных выработок в различных горно-геологических условиях [2,3].

Однако применение современной 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 10 раз меньше, чем при положительной температуре +20°С [4];

  • установку анкеров необходимо осуществлять до остывания стенок шпура, разогретых вследствие бурения;

  • срок хранения полимерных ампул составляет шесть месяцев с момента выпуска при температуре не выше +200С;

  • рекомендуемая температура применения полимерных ампул составляет +200С, однако в районах многолетней мерзлоты обеспечить такие температурные условия транспортировки, хранения и применения крайне затруднительно.

Шахтные наблюдения за изменением температуры пород вокруг горных выработок показали, что в различных температурных зонах массива пород при различной среднегодовой температуре шахтного воздуха и многообразии условий процесс оттаивания пород в каждом конкретном случае имеет общую закономерность — интенсивное распространение тепла вглубь массива в первый период и замедление этого процесса во времени.

Анализ зафиксированных значений глубины оттаивания пород показывает, что интенсивно процесс их оттаивания протекает в первые 3-4 года, затем замедляется и с течением времени глубина оттаивания за каждый последующий год становится очень маленькой в сравнении с уже имеющимися ореолами оттаивания.

Такое положение позволяет оценивать распределение температуры пород вокруг выработок в тот период, когда приращение глубины оттаивания и изменение температуры пород в пределах температурного поля уже очень незначительны и ими можно пренебречь, т.е. фактор времени практически прекращает действовать. В достаточном для практических целей приближении задачу определения распространения оттаивания пород вглубь массива вокруг горных выработок можно решать как задачу распределения температур по толщине цилиндрической стенки большой длины при следующих допущениях [1]: 

  • длина окружности внутренней стенки поверхности цилиндра равна периметру сечения выработки (рис.1);

  • радиус сечения поверхности цилиндра находится в зоне, где оттаивание пород заведомо не происходит (3.jpg ).


Рисунок 1. Схема к расчету температуры пород вокруг выработки в заданной точке методом распределения температур по толщине цилиндрической стенки большой длины.

В общем виде температура пород вокруг выработки зависит от удаленности данной точки от оси выработки, времени прогревания стенок при постоянном источнике тепла и теплофизических свойств пород. Уравнение теплопроводности в этом случае записывается в виде [5]:

(1)

где t(r,23.jpg) – функция распределения температур по промежуточному радиусу r и времени 23.jpg ;

25.jpg- радиус выработки, м; 

26.jpg- радиус внешней стенки цилиндра, м.

27.jpg- коэффициент теплопроводности;

28.jpg- длина цилиндрической поверхности (длина выработки).

Краевые условия:

;

,

29.jpg- температура воздуха, град;

30.jpg- естественная температура пород, град.

Решение уравнения (1) состоит из двух частей [5]:

,

32.jpg- функция распределения температур по радиусу;

33.jpg- часть решения, уточняющая распределение температур по радиусу r за период .

Главной частью решения в нашем случае является функция распределения температур по радиусу, поскольку отношение приращения температуры  к приращению времени 40.jpg  при 41.jpg есть величина большего порядка малости по сравнению с отношением приращения температуры к приращению радиуса: 42.jpg при 41.jpg.

Тепловой поток, проходящий через изотермическую поверхность радиуса r [13], равен:

, (2)

27.jpg- коэффициент теплопроводности;

28.jpg- длина цилиндрической поверхности (длина выработки).

Удельное количество тепла (на единицу длины):

Для части цилиндрической стенки от rо до r, где температура имеет значение t:

Откуда температура пород в любой точке вокруг выработки при указанных выше допущениях и краевых условиях 46.jpg может быть определена по формуле:

(3)

Рассчитанные значения температуры пород вокруг выработок по формуле (3) имеют хорошую сходимость с результатами, полученными в шахтных условиях.

Вредное влияние положительной температуры шахтной атмосферы на устойчивость кровли горных выработок, пройденных по породам, имеющим отрицательную температуру, можно снизить, применяя различного рода теплоизоляционные покрытия.

В 1970-х годах активно прорабатывались варианты поддержания горных выработок анкерной крепью при использовании полимерных теплоизоляционных материалов, в частности, пенополистирола [6]. Однако из-за таких недостатков, как хрупкость, горючесть, малая гибкость, неудобство при монтаже, пенополистиролы не получили широкого применения на шахтах.

На сегодняшний день существует ряд теплоизоляционных материалов, свободных от указанных недостатков, которые могут обеспечить изоляцию приконтурных пород горных выработок и минимизировать их оттаивание. Применение современной теплоизоляции позволит значительно снизить параметры ореола оттаивания вмещающих пород выработок, а, следовательно, нагрузки на крепь.

Величину ореола оттаивания можно определить по формуле Ф.Я. Новикова [1]:

,м (4)

где Rо – эквивалентный радиус выработки, м; 

27.jpgп – теплопроводность пород, ккал/м·град; 

23.jpgотт – время оттаивания, час;

То – температура массива пород, град;

Wп – влажность  пород, %;

γ  - объемный вес пород, т/м3;

t – температура воздуха, град.

При использовании теплоизоляционных материалов существенное влияние на уменьшение ореола оттаивания оказывает изменение эффективной теплопроводности массива.

Эквивалентный радиус выработки определяется по формуле [1]:

50.jpg, м (5) 

где: S –сечение выработки, м2.

Величина ореола оттаивания с применением теплоизоляционных материалов для кровли и боков выработки определяется по формуле [1]:

51.jpg, м (6)

Величина эффективной теплопроводности массива сложного строения [1]: 

52.jpg, ккал/м·град (7)                                             

где 55.jpg- коэффициент теплопроводности изоляции;

56.jpgиз– толщина изоляции.

ООО «РАНК 2» предложена методика расчета анкерной крепи подземной горной выработки, пройденной в зоне многолетней мерзлоты, с применением теплоизоляционного материала.

Расчёт параметров анкерной крепи первого уровня:

Величина возможного разрушения (отжима угля) боков выработки [7]:

57.jpg, м, (8)

 где:  58.jpg-  угол внутреннего трения горных пород в боках выработки, вне зоны влияния  очистных работ, град.;  h – высота выработки, с учетом зоны оттаивания, м.

Средневзвешенный коэффициент крепости пород кровли пласта по шкале проф. М.М. Протодьяконова определяется по формуле [6]:

59.jpg, (9)

где: 60.jpg - коэффициент снижения прочности; 61.jpg - мощность слоёв пород в зоне оттаивания, м; -  мощность слоёв мёрзлых пород, м; 62.jpg – ширина  выработки, м; 63.jpg - коэффициент крепости пород по шкале проф. М.М. Протодьяконова в зоне оттаивания; 64.jpg- коэффициент крепости пород по шкале проф. М.М. Протодьяконова в зоне мерзлых пород.

Высота свода естественного равновесия пород кровли вне зоны влияния очистных работ [7]:

65.jpg, м, (10)

где: а — полупролет выработки с учетом возможного разрушения (отжима угля) боков выработки, м.

Ожидаемая нагрузка на один погонный метр крепи горной выработки определяется из выражения [7]:

66.jpg, кН/п.м, (11)

 где:  γ – объемный вес пород непосредственной кровли.

Удельная нагрузка на 1м2  горной выработки определяется по формуле:

 67.jpg, кН/м2. (12)                                                

Длина анкеров первого уровня для крепления кровли выработки рассчитывается по формуле:

68.jpg, м, (13)

где: lз – минимальная глубина закрепления анкера в шпуре; lв = 0,1–0,2м – длина выступающей в выработку части анкера.

Шаг установки крепи по плотности установки:

69.jpg, м, (14)

где:  nк- количество анкеров в ряду (принимается согласно Инструкции  [8], исходя из плотности установки не менее 1 анк./м2 шт.; В - ширина выработки в  проходке, м.

Расчёт параметров анкерной крепи глубокого заложения выполняется с использованием основных положений теории свода [7, 9].

Высота свода естественного равновесия пород кровли:

70.jpg, (15)

где: kс -коэффициент структурного ослабления [7];  kвл- коэффициент снижения сопротивления пород за счет воздействия влаги [10].

Ожидаемая нагрузка на один погонный метр крепи горной выработки определяется из выражения (11).  Удельная нагрузка на крепь выработки определяется по формуле (12).

Количество канатных анкеров для усиления крепи кровли горной выработки рассчитывается по формуле:

71.jpg(16)    

где: Nа.к – расчетная несущая способность канатного анкера АК01, МПа

Расчетная длина канатных анкеров АК01 определяется по формуле: 

72.jpg,м (17)

где: Кз- коэффициент запаса прочности; lз - минимальная глубина закрепления анкера в шпуре, м; lв- длина выступающей в выработку части анкера, м.

На основе представленной методики расчета параметров анкерной крепи разработана проектная документации для крепления штрека в горно-геологических условиях шахты «Джебарики-Хая» (рис. 2) [11]. На шахте применяется знакопеременный тепловой режим работы (зимой- отрицательный, летом - положительный). Как показали расчеты, оттаивание пород вокруг контура выработки ΔRотт в летнее время, когда в шахту подается теплый воздух, может достигать 1,77 м. В зоне оттаивания происходит значительное (до четырех раз) снижение прочностных показателей.

Непосредственная кровля пласта «Верхний» сложена песчаником тонкозернистым, светло-серым, слоистость прерывистая, трещиноватым мощностью 6 м с коэффициентом 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 [8]. Основная кровля представлена песчаниками серого цвета, кварцево-полешпатовый, цемент глинисто-кремнистый мощностью 14 м. Глубина ведения горных работ от поверхности составляет 60-96,5 м.



Рисунок 2. Схема анкерной крепи вентиляционного штрека для условий шахты «Джебарики-Хая»

Экспериментальный участок располагался на главном вентиляционном штреке (ПК-280).  Проведены работы по установке канатных анкеров типа АК01 и комбинированных анкеров типа АКМ 20.01-01 в мерзлые породы. Анкеры устанавливались на ампулы АМК-400.

Анкер представляет собой комбинацию хвостовика из цельнолитой арматуры и грузонесущего стержня из стального прутка с особой конструкцией концевика (рис. 3). Технология установки сталеминеральной анкерной крепи представлена на рис.4.


Рисунок 3. Комбинированный анкер АКМ 20.01-01

 

Предварительное замачивание ампул АМК вводе
 (15-20с.)
Установка ампул 
в устье шпура
 Досылка ампул к дну
 шпура
 Подача анкера с
 вращением
 до дна шпура
 Предварительное
 натяжение анкера                                                         


Рис. 4. Технология установки сталеминеральной анкерной крепи.

Особенностью установки сталеминеральной крепи АКМ 20.01-01 в том, что первоначальное закрепление анкера происходит за счет создания предварительного натяжения (более 2,5-3 тс) при затягивании гайки. При этом за счет конструктивной особенности концевика анкера возникает клиновой эффект в забое шпура (уплотнение и распор минеральной композиции между стенками шпура и концевиком), что обеспечивает несущую способность более 3 тс сразу после установки, а также сшивку и упрочнение пород. Далее происходит отверждение закрепляющего материала и набор несущей способности крепи до паспортного значения. Ампулы типа АКМ-400  с минеральной композицией обеспечивают надежное закрепление анкеров в зоне мерзлых пород.

После установки проведены испытания крепи на фактическую несущую способность по методике [12], которые подтвердили заявленные характеристики анкерной крепи (табл.1) и минеральных ампул (табл.2).

При креплении экспериментального участка в условиях шахты "Джебарики-Хая" с целью изоляции приконтурного массива горных пород от растепляющего действия вентиляционной струи применена стеклоткань. Стеклоткани  обладают уникальными свойствами, они химически устойчивы, не токсичны, не горючи, не подвержены коррозии, температура применения от -200°С до +550°С. Стеклоткани обладают высокой стойкостью к разложению и механическому износу, поэтому материалы, произведенные на ее основе, отличаются долговечностью и большим сроком службы. Благодаря хорошей теплоудерживающей способности стекла и малому коэффициенту теплопроводности, стеклоткани произошло уменьшение потока тепловой энергии в приконтурный массив на 10-15%.

Таблица 1 — Технические характеристики анкеров АКМ 20.01-01, АК01

Анкер комбинированный АКМ 20.01-01

Наименование

Значение

Диаметр шпура, мм

27 – 45

Длина стержня анкера, мм

500 – 3500

Длина резьбовой части не менее, мм

200

Расчётная несущая способность, кН

110

Рекомендуемая величина предварительного натяжения, кН

10

Канатный анкер АК01

Наименование

Значение

Расчетная несущая способность, кН

210

Относительное удлинение анкера при нагрузке 210 кН, не более, %

1,3

Прочность соединения гайки с муфтой, не менее, кН

270

Рекомендуемая величина предварительного натяжения анкера, кН

10

Диаметр грузонесущего стержня, мм

15,2

Длина муфты с резьбой, мм

120

Гарантийный срок хранения ампул АМК не менее 1 года при температуре от –50° до +50°С. Технические характеристики ампул АМК представлены в табл. 2.

Таблица 2 — Технические характеристики ампулы АМК

Наименование показателей

АМК400

АМК600

Длина, мм

400

600

Диаметр, мм

23; 32; 36; 40

23; 32; 36; 40

По итогам мониторинга состояния опытного участка выработки в летний период, когда воздух, подаваемый в шахту, имеет плюсовую температуру выявлено следующее:

  • состояние приконтурного массива выработки (кровля, 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;

  • наличие пустот и трещин между подхватами и элементами анкерной крепи, уменьшение высоты и ширины выработки не обнаружено;

  • провисание решетчатой металлической затяжки между подхватами отсутствует;

  • деформации с изгибами или с разрывом анкерных подхватов отсутствует;

  • ослабление гаек на анкерах отсутствует.

Таким образом,  можно сделать следующие выводы:

  1. Разработана методика расчёта параметров двухуровневой анкерной крепи с применением теплоизоляционных материалов в условиях многолетнемерзлых пород со знакопеременными температурами на контуре выработки, обеспечивающая эффективность и надежность принятых решений.

  2. Предложены технология установки и конструкция сталеминеральной анкерной крепи, обеспечивающие надёжное закрепление анкера в многолетнемёрзлых породах.

  3. Результаты мониторинга состояния экспериментального участка на шахте «Джебарики-Хая», поддерживаемого двухуровневой сталеминеральной анкерной крепью с изоляцией приконтурного массива, подтверждают надежность поддержания данной крепью выработки в летнее время (период оттаивания).

  4. Эффективность работы сталеминеральной крепи возможна при широком диапазоне температур использования и хранения её компонентов, за счёт чего открываются широкие перспективы применения на шахтах Севера.

Список литературы:

  1. Скуба В.Н. Совершенствование разработки угольных месторождений области многолетней мерзлоты. Якутск: Якутское книжное издательство, 1974. 317 с.

  2. Клишин В.И. Современные технологии анкерного крепления: опыт применения и перспективы / В.И. Клишин, П.В. Гречишкин, А.А. Серов, Е.А. Разумов // Научно-технический журнал «Рудник будущего». — 2012. — вып. №3(11), С. 89-96.

  3. Ground support liners for underground mines: energy absorption capacities and costs / V. N. Louchnikov, V. A. Eremenko, M. P. Sandy // Eurasian Mining (Gornyi Zhurnal). 2014. №1 (21). pp. 54-62.

  4. Васильев С. Д. Обоснование и разработка методики расчета крепления сталеполимерной анкерной крепью горных выработок для условий многолетней мерзлоты: автореферат дис.… канд. техн. наук. — М.: 2013. — 24 с.

  5. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М., «Высшая школа». 1967.

  6. Авксентьев И.В., Скуба В.Н. Исследование устойчивости и теплоизоляция горных выработок в условиях многолетней мерзлоты. М.: ЦНИЭИуголь, 1975. 45 с.

  7. Механика горных пород и устойчивость выработок шахт Кузбасса. В.М. Станкус [и др.]; под ред. В.Г. Кожевина. Кемерово: Кемеровское книжное издательство, 1973. 345 с.

  8. Инструкция по расчету и применению анкерной крепи на угольных шахтах России. — СПб., 2000. 70 с.

  9. Широков А. П. Расчет и выбор крепи сопряжений горных выработок / А. П. Широков, Б. Г. Писляков. — М.: 1978. — 304 с.

  10. Методика расчета и выбора параметров крепи на сопряжениях горных выработок при одинарной и парной подготовке выемочных столбов. СПб., 2004. 84 с.

  11. Разумов Е.А. Методика расчёта параметров анкерной крепи подземных горных выработок в условиях вечной мерзлоты / Е.А. Разумов, В.А. Еременко, Д.Ф. Заятдинов, А.С. Матвеева, П.В. Гречишкин, А.С. Позолотин // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2013. — №. 9. — С. 39-47.

  12. Методика шахтных испытаний отдельных положений «Инструкции по расчету и применению анкерной крепи на угольных шахтах Кузбасса — Первая редакция». СПб.: ВНИМИ, 2010. 12 с.

  13. Болгарский А.В., Мухачев Г.А., Щукин В.К. Термодинамика и теплопередача. 1964.