Технологии комбинированного крепления горных выработок с использованием канатных анкеров глубокого заложения на больших глубинах

Современные требования производственно-территориальных угледобывающих комплексов Российской Федерации ориентированы на эффективное использование ресурсов на основе международных стандартов и повышения объемов добычи угля и руды, путем совершенствования производственной базы. Глубина отработки месторождений в среднем изменяется от 150 до 600 м и более. Актуальным остается вопрос разработки угольных пластов и рудных тел на больших глубинах. В сложных горно-геологических и геомеханических условиях существует ряд проблем, затрудняющих отработку месторождений, таких как горное давление, поддержание сопряжений выработок, горные удары, высокая и низкая крепость горных пород кровли, и др.

В настоящее время крепление горных выработок на больших глубинах выполняется в основном массивной металлической крепью. Снижается скорость их проведения, повышается трудоемкость и затраты на эксплуатацию. Одним из вариантов решения проблемы крепления и поддержания подготовительных выработок, является разработанная комбинированная схема с применением канатных анкеров глубокого заложения. Данная схема включает анкерную и поддерживающую арочную крепи. Анкерная крепь, в отличие от крепи поддерживающего типа обеспечивает связку и упрочнение массива горных пород, после ее монтажа. Комбинированная крепь выполняет две функции: обеспечивает поддержание пород кровли и боков выработок и препятствует расслоению налегающей толщи. Монтаж анкеров в выработках менее трудоемок, в сравнении с возведением массивной металлической крепью, обеспечивает высокую механизацию работ и минимальные материально-трудовые затраты на их установку.

Экспериментальные исследования проводились на шахте «Алмазная» Ростовской область на шахтах Донецкого угольного бассейна и урановом руднике «Глубокий» в г. Краснокаменске.

Способ проведения и крепления подготовительных горных выработок на шахте «Алмазная» Ростовской области. Проведение капитальных и подготовительных выработок в условиях шахты «Алмазная» производится буровзрывным способом. Процент присечных пород от общего объема отбитой горной массы составляет около 40 %. За один цикл проходится 1.8 пог. м подготовительной выработки в течение двух смен. Крепление выполняется податливой металлической арочной трехззвенной крепью КМП-АЗ.000-11 (АТ-13.8), с шагом 0.4-0.9 м (рис. 1). Крепление межрамного пространства осуществляется кровля выработки - деревянной затяжкой (100Ох15Ох50 мм), пропитанной огнезащитным составом или железобетонной; бока выработки - деревянной затяжкой (100Ох15Ох25 мм пропитанной огнезащитным составом или сеткой СГ-40. Согласно указаний [2], в крепь усиливается путем установки деревянных стоек впереди забоя лавы на зону опорного давления. Количество крепи усиления устанавливаемой на 1 пог. м выработки определяется рассчетным путем.

Система разработки, применяемая на шахте «Алмазная» - длинные столбы по прости-­ию. Подготовительные выработки проводятся от главного конвейерного уклона № 1 с присечкой пород кровли.

Выемка угля, крепление и управление кровлей в лаве осуществляется с помощью механизированного комплекса lКМА в состав которого входят: узкозахватный комбайн МВ320Е; скребковый конвейер СПА-02 и механизированная передвижная крепь ЗКД90Т поддерживающего типа).

Комплекс обеспечивает одновременное выполнение операций по отбойке и погрузке угля, креплению забоя и управлению кровлей, а также доставке угля в штрек.

Нерешенной остается проблема поддержания сопряжений штреков с выемочными участками, а также низкие темпы проведения выработок. Исходя из горно-геологических условий специалистами компании ООО «РАНК 2» и ИПКОН РАН предложено несколько вариантов решения данной проблемы. Для увеличения скорости проведения выработок, повышения безопасности горных работ (отказ от БВР) и уменьшения трудоёмкости рекомендуется использовать проходческий комбайн КСП-42 или другой, более тяжелый. Для увеличения скорости монтажа крепи, снижения себестоимости проходки 1 погонный м выработки и уменьшения трудоёмкости работ рекомендовано, крепление штреков производить анкерной крепью по двухуровневой схеме [3], с применением канатных анкеров глубокого заложения типа АК 01(02) [4, 5]. В ранее пройденных и закрепленных подготовительных выработках предусмотрено выполнение усиления арочной крепи КМП-АЗ.000-11 (АП-13.8) канатными анкерами глубокого заложения. В качестве основной крепи в зонах горно-геологических нарушений рекомендовано использовать комбинированную крепь в сочетании двухуровневой анкерной и подпорной арочной крепью или рудничных стоек.

Для оценки эффективности применения комбинированной схемы крепления подготовительных выработок, рассмотрен вариант усиления крепи действующего конвейерного №114 в зоне опорного давления от выемочного участка (лава № 114) (рис. 2.) Горно­геологические и горнотехнические данные, представлены в табл. 1.

Для внедрения и уточнения параметров двухуровневой схемы крепления в условиях подготовительных выработок шахты «Алмазная» выбрали экспериментальный участок в проводимом конвейерном штреке № 115 длиной 200 м, с последующим наблюдением за крепью (рис. 3). Проведение штрека осуществляется проходческим комбайном типа КСП 35(42). В качестве основной крепи предложен комбинированный анкер АКМ 20.01-01, состоящий из стержня сталеминерального состава, и муфты из цельновитой арматуры (рис. 4а.). Особенностью данного анкера, является возможность его применения в выработках склонных к горным ударам, за счет податливости стержня анкера, и увеличения длины на 10% при динамическких нагрузках, без потери несущей способности. В качестве крепи усиления, был предложен, канатный анкер глубокого заложения типа AK0l (рис. 46.).

Расчет параметров канатных анкеров усиления, выполнялся с учетом основных положений «теории свода» [6]. При определении параметров данной крепи, авторами проекта, был принят поправочный коэффициент запаса длины анкера и коэффициент снижения прочности пород кровли от воздействия БВР [7], при установлении высоты свода возможного их обрушения.

В «теории свода» при расчете параметров крепи учитывается ширина выработки, крепость пород кровли и горизонтальные смещения пород из боков выработки. Так как крепость пород кровли высокая, длина анкеров усиления, в результате расчетных вычислений, определяется недостаточной, для их надежного закрепления в устойчивый, недеформированный массив кровли. Значительные деформации и расслоение пород кровли, связаны с ведением  буровзрывных работ при проведении выработки, а также с подвиганием лавы в зоне опорного давления. Одним из главных условий качественного закрепления канатного анкера является минимальная величина его закрепления в устойчивом массиве, которая должна составлять не менее 1.1 м.

ТАБЛИЦА 1. Горно-геологические и горнотехнические показатели в районе проведения конвейерного штрека № 114

Горно-геологические и горнотехнические показатели в районе проведения конвейерного штрека № 114

Расчетная длина канатного анкера усиления Ua , м) определяется по формуле

la=k3*(b+l3+lb),

где: k3 - коэффициент запаса длины анкера; l3 - минимальная глубина закрепления канатного анкера в устойчивом массиве, м; lb - выступающая часть анкера за контур выработки. Ь - высота свода возможного вывала пород кровли, м

b=(a+c)/(fcp*kc),

где: а - полупролет выработки, м; с - горизонтальные смещения из боков выработки, м: средний коэффициент крепости пород кровли; kc - коэффициент снижения прочности [8]

b=(2.75+1.5)/(6*0.6)=l.2 м

la=2*(1.2+1.1+0.2)=5 м


Рисунок 1
Рис. l. Схема крепи конвейерного штрека № 114

Рисунок 2
Рис. 2. Комбинированная схема усиления крепи конвейерного штрека № 114
Рисунок 3
Рис. 3. Двухуровневая схема крепи конвейерного штрека №115
Рисунок 4
Рис. 4. Анкер: комбинированный АКМ20.Оl-Оl (а) [4] и канатный AKOI (б) [5]

Длина канатных анкеров усиления составила 5.0 м. Количество анкеров в ряду — 2 шт. Анкеры устанавливались между рядами арочной крепи с шагом 0.9 м. В качестве опорного элемента применялся продольный подхват из СВП 27.

Главными преимуществами предлагаемого способа крепления является равномерно распределенная нагрузка между анкерами усиления при подвигании лавы в зоне опережающего опорного давления, за счет объединения их в единую систему, плавная посадка кровли в завале и объединение функций двух разновидностей крепи.

В процессе подвигания лавы к опытному участку, крепь усиления, воспринимает нагрузку, при этом происходит сдавливание подхватов из СВП 27. При приближении лавы к участку с канатными анкерами и переходе его, значительно уменьшились вывалы пород из кровли, и снизились деформации основной арочной крепи. Тем самым канатные анкеры выполнили свою функцию крепи усиления, перераспределив нагрузку в зоне опорного давления от лавы, вследствие чего очистной забой беспрепятственно пересек данный участок конвейерного штрека. В завале сохранилась половина сечения выработки, на протяжении всего опытного участка. Руководством шахты принято решение о проведении дальнейших работ и разработке проекта на экспериментальный участок по креплению конвейерного штрека № 115 по двухуровневой схеме с применением канатных анкеров.

Экспериментально установлено, что применение канатных анкеров в качестве крепи усиления обеспечивает: надёжность работы основной крепи; безопасность условий поддержания подготовительных выработок в районе сопряжений штреков с лавой; быстрое подвигание выемочных участков, за счет уменьшения дополнительных процессов усиления крепи в зоне опорного давления, качественное связывание и упрочнение горных пород и др.

Способ проведения и крепления капитальных и подготовительных горных выработок на урановых рудниках Читинской области. В городе Краснокаменске разрабатывается четыре урановых рудника. Проведение капитальных и подготовительных горных выработок производится буровзрывным способом. Средняя глубина горных работ от земной поверхности изменяется от 800 до 1100 м. Горно-геологические условия на месторождения сложные: породы изменяют свои свойства от устойчивых до неустойчивых сильно трещиноватых; крепость от 8 до 18 по шкале проф. М. М. Протодьяконова; породы кровли преимущественно представлены гранитами и трахидацитами и др. Основная система разработки горизонтальные слои с закладкой. Способ отработки нисходящий. Выработки крепят различными способами: анкеры клина-распорные (КР А 16), рамная крепь, торкретбетон и др. Для бурения шпуров применяются перфораторы: ПР - Р-30 и ПП 54. Шпуры бурятся диаметром 40 мм. В течении месяца проходится более 10 000 пог. м выработок.

При проходке выработок и ведении очистных работ происходят горные удары, микро­удары и другие динамические явления, приводящие к обрушению кровли и боков выработок выемочных камер.

Для решения проблем связанных с поддержанием выработок предложена технология крепления выработок, с использованием податливых канатных анкеров высокой несущей способности и комбинированных анкеров АКМ 20.01-01. Закрепление анкеров в шпуре осуществлялось с помощью минеральных ампул АМК 400. Достоинство данного способа монтажа анкерной крепи является отсутствие процесса размешивания ампулы в шпуре. В выработках и на сопряжениях, в кровле на месторождениях, отнесенных к опасным по горным ударам, анкеры должны иметь податливость не менее 50 мм [8].

В горно-геологических условиях рудников «Глубокий» и «№2», выполнена опытная установка канатных анкеров АКОl и сталеминеральных АКМ20.01-01 анкеров, для демонстрации технологии установки, испытания несущей способности данной крепи и оценки ее дальнейшего применения на действующих предприятиях.

Канатные анкера АКОl в количестве трех штук и длинной по три метра каждый устанавливались в ряд с опорными сферическими шайбами размером 25Ох25Ох8 мм в кровле 12В-140, пройденного на глубине 960 мот земной поверхности. Закрепление анкеров в шпурах выполнялось на ампулы АМК400.

Сталеминеральные анкера АКМ 20.01-01 длиной 1.8 м установили в проходческом забое штрека 2-503. Закрепление анкеров выполнялось на ампулы АМК400, в количестве 2 штук на один шпур.

Бурение шпуров и установка анкеров осуществлялось перфоратором ПП 54. Анкеры располагались между рядами штанг КРА16, длиной 1.6 м. После установки крепи и отверждения ампул выполнены испытания несущей способности анкеров прибором ВШГ20. Ис-анная нагрузка на анкера АКОl составила 160 кН, на анкера АКМ20.01-01 - 120 кН. При проведении наблюдений, смещений и деформаций анкеров не установлено.

Анкеры AK0l, АКМ20.01-01 с закреплением стержней на минеральные ампулы АМК, целесообразно применять для крепления подземных горных выработок на рудниках «№2» и «Глубокий» ОАО «ППГХО». Обеспечивается безопасное поддержание кровли выработок и сопряжений, за счет податливости стержня анкеров и ампульного закрепления, так как закрепляющая втулка не менее метра, в отличие от анкеров КРА16, а также возможность анкерирования крупных блоков кровли, за счет гибкости канатного анкера и его монтажа длиной 3 м и более в выработках малой высоты.

С учетом положительного опыта крепления выполненного специалистами компании «РАНК 2» в сложных горно-геологических условиях рудников «№ 2» и «Глубокий» ОАО «ППГХО», рассмотреть вопрос о широком применении анкеров АКОl, АКМ, ампул АМК на предприятиях с дальнейшей разработкой и обоснованием технологии бурения шпуров в породах высокой крепости.

В настоящее время актуальной является проблема повышения производительности при бурении шпуров диаметром 28-32 мм в породах средней и высокой крепости. При использовании ручных станков вращательного действия типа СБР (рис. 5а), время бурения шпура в породах крепостью 14 на глубину 1.5-2.0 м составляет более 1.5-2.0 ч. Наиболее эффективным способом бурения шпуров и скважин по породам высокой крепости является ударный способ, при котором разрушение забоя происходит посредством ударного воздействия. В СО РАН разработан станок вращательно-ударного бурения САБ (рис. 56), конструкция которого (рис. 5в) предусматривает возможность использования пневмоударника (ударного [9]. Осевые динамические нагрузки от пневмоударника 5 передаются непосредственно в табл. 2.

При бурении шпуров в условиях мягких пород с крепостью до 6 конструкция станка позволяет отключать, либо снимать пневмоударник. В конструкции станка САБ пневмоударник выполняет роль ударного узла, за вращателем и не является погружным исполнительным органом. Представленный станок прошел успешные лабораторные и промышленные испытания и рекомендован Межведомственной комиссией к промышленному производству [10].

В настоящее время в ИГД СО РАН продолжаются работы по разработке вращательно­ударных станков для бурения шпуров диаметром 32 и 43 мм, а также по облегчению массы станков путем использования композитных материалов. Ударные элементы пневмоударников в конструкции буровых станков располагаются как в погружном (у забоя шпура) [11], так и выносном исполнении (за вращателем), в зависимости от диаметра шпуров и назначения.