Введение

Начало развития анкерной крепи глубоко уходит своими корнями в историю. Анкер в переводе с немецкого означает «Якорь». Ранее, в мореходном деле металлический стержень, связанный с судном и погруженный или вдавленный в грунт выполнял роль удерживающего швартовного якоря. К настоящему времени известны свайные и винтовые морские якоря.

В горном деле развитие анкерного крепления началось в 1872 г. В США с примитивных стальных анкеров, в дальнейшем, заменив пассивные рамные крепления на активную анкерную систему, прошивающую слои пород и предотвращающую обрушение. С тех пор постоянно анкерная крепь непрерывно развивалась, становясь основой современных методов поддержания кровли и боков выработок.

На рис. 1 представлены основные исторические вехи развития анкерной крепи в мировой горнодобывающей промышленности на протяжении ХХ столетия.

Рис. 1 Эволюция развития анкерной крепи в мире, ХХ век

В процессе развития крепления горных выработок анкерная крепь постоянно совершенствовалась.

По классификации анкерной крепи, приведённой в «Отраслевой инструкции по применению металлических сборных железобетонных и анкерных крепей в подготовительных выработках угольных и сланцевых шахт, 1973 г.», анкерная крепь подразделяется на II класса:

I класс – по конструкции анкерных крепей;

II класс – по характеру крепления.

В настоящее время в отечественной и зарубежной практике известны и применяются несколько сотен видов анкерной крепи различного назначения, отличающихся по материалам изготовления (металлические, железобетонные, пластмассовые, деревянные, бамбуковые) и по конструкциям (клинораспорные, сталеполимерные, фрикционные, канатные, буровые, винтовые), а также иные разновидности анкеров.

 

СОЗДАНИЕ МОДИФИКАЦИЙ АНКЕРНОЙ КРЕПИ ГЛУБОКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ. НОВЕЙШАЯ ИСТОРИЯ, ХХI ВЕК

В начале XXI века, экономика России, на этапе восстановительного роста в 2000-2007 годы взяла курс на перспективное и последующее развитие. Перед всеми сегментами реального сектора экономики встала приоритетная задача увеличить энергетические мощности и нарастить производство по всем направлениям, включающим добычу минеральных ресурсов, производство металлов, строительных материалов, машиностроение с использованием высокотехнологичных достижений.

В связи с этим угледобывающие и рудные предприятия, являясь сырьевой основой для роста промышленного производства, должны были соответствовать запросам промышленности. Однако, с теми технологиями крепления подземных горных выработок, которые преобладали на шахтах, достигнуть желаемых результатов было очень сложно. Необходимо было рассматривать, проектировать и внедрять инновационные подходы. Поэтому на смену креплению анкерной крепью 1-го уровня и рамной металлической крепью пришло двухуровневое крепление с использованием канатных анкеров глубокого заложения.

Временная линия, представленная на рис. 2 иллюстрирует хронологию значимых событий, охватывающую два десятилетия, в течение которых в ООО «РАНК 2» осуществлялась разработка, внедрение, расширение области применения анкеров глубокого заложения. На этом временном отрезке отмечены годы разработки и успешного внедрения на шахтах, как самих анкеров глубокого заложения с опорными элементами, так и технологий их применения, а также создание нормативных документов, программного обеспечения для расчёта параметров анкерного крепления.

Рис. 2 Временная линия (эволюция) создания модификаций анкерной крепи глубокого заложения

Разработанные и внедрённые канатные анкеры позволяют не только усиливать основную крепь выработки, но и широко применять их при:

• креплении капитальных и подготовительных выработок различной формы и пространственного положения;

• креплении сопряжений горных выработок;

• креплении большепролетных (широких) горных выработок до 12 м и более (предварительно пройденные и формируемые демонтажные камеры и т.д.);

• креплении горных выработок при бесцеликовых системах разработки, сохраняемых для повторного использования и поддерживаемых на границе с выработанным пространством;

• креплении штреков без применения индивидуальной стоечной крепи и передвижной механизированной крепи сопряжения;

• креплении горных выработок при их переходе очистным забоем (диагональные печи);

• креплении подготовительных и очистных выработок на малых глубинах, в неустойчивых породах, в зонах геологических нарушений;

• усилении крепи выработок для их сохранения с целью газоуправления, дренажа, обеспечения запасных выходов;

• усилении крепи штреков в зоне опорного давления;

• подвешивании монорельсовых подвесных дорог (МПД);

• бесфундаментном креплении приводных станций конвейеров, креплении скребковых конвейеров, перегружателей, лебедок, подвешивании вентиляторов, ленточных конвейеров, другого стационарного оборудования, технических устройств и их элементов.

В этот же период времени, в 2014 г. были разработаны Федеральные нормы и правила (ФНИП) «Инструкция по расчёту и применению анкерной крепи в угольных шахтах», где официально, на законных основаниях разрешено использование, как канатных анкеров, так и технологий их применения. Поскольку данная инструкция нуждалась в пояснениях и уточнениях, специалистами ООО «РАНК 2» были созданы комментарии к данным ФНИП с примерами расчётов параметров анкерной крепи в различных ГГУ. Годом позже шахтам было предоставлено ПО «Расчет Параметров Анкерного Крепления», как электронная версия ФНИПа. И выпущена вторая редакция данного документа.

 

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ И РАЗВИТИЕ КОНСТРУКЦИЙ КАНАТНЫХ АНКЕРОВ ГЛУБОКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ

Все способы крепления горных выработок направлены на сохранение их первоначальной формы и обеспечение максимальной работоспособности и устойчивости на весь период эксплуатации. Анализ многолетнего опыта применения анкерной крепи в разнообразных горнотехнических и горно-геологических условиях (ГГУ), подтвержденный собранной статистикой, выявил, что классический податливый канатный анкер не всегда подтверждает свою эффективность и безопасность.

В практике эксплуатации выработок, закрепленных данным типом анкерной крепи в определенных условиях наблюдаются значительные деформации и разрушения элементов крепи, раскрытие трещин и вывалы породы из приконтурного массива.

Остановить эти процессы может только своевременно установленная и активно влияющая на породы анкерная крепь, способная воспринимать значительные нагрузки сразу после установки с минимальными собственными деформациями (податливостью), препятствующей увеличению размеров зон неупругих деформаций и саморазгрузке приконтурного массива.

Это послужило предпосылками создания видов канатных анкеров глубокого заложения, отличных по своим конструкциям и характеристикам от классического податливого анкера глубокого заложения.

Действующая «Инструкция по расчету и применению анкерной крепи на угольных шахтах, 2021 г.» содержит порядок применения и расчета параметров анкерной крепи при разработке документации для безопасного и надежного крепления канатными анкерами глубокого заложения.

В ходе исследований, проведенных в рамках лабораторно-экспериментальной базы и опытно-производственных испытаний на шахтах, было установлено, что для поддержания массива в состоянии, максимально приближенном к исходному, требуется использование канатных анкеров со сниженной податливостью и с предварительным натяжением при помощи изменения технологии их монтажа путем дополнения операции предварительного натяжения.

На сегодняшний день разработано новое поколение канатных анкеров в семействе анкеров АК01, рис. 3: со сниженной податливостью и с предварительным натяжением, область применения, эксплуатация, технические характеристики, методика расчета параметров, технология установки которых не отражены в действующих нормативных документах.

 

Рис. 3 семейство канатных анкеров АК

Учитывая новые вызовы по управлению рисками для горнодобывающих предприятий, компания ООО «РАНК 2» предлагает новую классификацию анкеров глубокого заложения по степени податливости, а также по конструкции анкеров, позволяющих снижать их податливость, рис. 4.

Рис. 4 Классификация канатных анкеров по ООО «РАНК 2»

Это три основных вида (класса): податливый; со сниженной податливостью; с предварительным натяжением.

I Класс, податливый анкер: АК01 – это был первый канатный анкер глубокого заложения, который считается «Классикой», рис. 5. Его основная функция – усиление основной крепи горных выработок. По своей конструкции он является податливой анкерной крепью с относительным удлинением 1,3%. Податливость анкера обусловлена возможностью конструкционного растяжения свитой семипроволочной пряди арматурного каната К7 рис. 6, а в незакреплённой части (вне закрепляющей втулки) и клиновым соединением каната в муфте рис. 6, б. Под действием растягивающих нагрузок в незакреплённой части каната происходит некоторое взаимное перемещение проволок, канат получает дополнительное пластическое удлинение – «вытяжку». В соединении «канат-муфта» конструкция соединения основана на заклинивании каната между муфтой и клином при натяжении. При воздействии на канат растягивающих нагрузок, клин автоматически дозатягивается одновременно с канатом, выбираются зазоры, происходит перемещение муфты относительно каната. Чем выше нагрузка на канат, тем он сильнее прижимается между корпусом и клином, этим обеспечивается самоблокировка без сплющивания или разрушения жил.

Рис. 5. Анкер канатный АК01

а. б.

Рис. 6. Податливые конструктивные элементы анкера канатного АК01: а) свивка семипроволочной пряди арматурного каната К7; б) соединение «канат-муфта»

 

- II Класс, анкеры со сниженной податливостью: подразделяются на 2 группы (подвида) А и Б - податливость понижается либо благодаря способу закрепления анкера (А), либо благодаря конструктивным особенностям (Б).

Группа А, снижение податливости за счёт способа закрепления в шпуре: Почти одновременно с АК01 были разработаны анкеры для полного заполнения шпура скрепляющим составом – АК02, рис. 7. У данного анкера податливость снижается за счёт способа закрепления анкера по всей длине шпура с полным заполнением пространства между поверхностями шпура и анкера, с одновременным заполнением скрепляющим составом возможных естественных, техногенных трещин, полостей в нарушенном массиве. Тот же эффект понижения податливости достигался и у ВАУ – вертикального армирующего устройства, рис. 8. Однако некоторый существенный показатель податливости у указанных анкеров оставался за счёт клинового способа соединения «канат-муфта» как и у АК01.

Основная функция данных анкеров: усиление основной крепи, консолидация массива и его армирование.

 

Рис. 7. Анкер канатный АК02

Рис. 8. Вертикальное армирующее устройство ВАУ4

Группа Б., со сниженной податливостью за счёт конструктивных особенностей: это анкеры АК01-21Н(М) и АК01-30Н(М), рис. 9. Показатель относительного удлинения 0,5% достигается благодаря конструктивным особенностям - способу соединения муфты и прямых жил анкера (рис. 10, а) обжатием (рис. 10, б), который не имеет резерва податливости. Функции данных анкеров: усиление основной крепи, а также самостоятельное крепление выработки без анкеров первого уровня.

   Рис. 9. Анкер канатный АК01-21Н(М), АК01-30Н(М)

а. б. 

Рис. 10. конструктивные элементы анкера канатного АК01-21Н(М) и АК01-30Н(М), снижающие податливость: а) прямые жилы анкера; б) соединение «канат-муфта» обжатием

- III Класс, с предварительным натяжением. Анкер обладает указанными свойствами благодаря конструктивным особенностям - способу соединения муфты и прямых жил анкера обжатием, который не имеет резерва податливости, а также в связи с тем, что при установке и закреплении анкера присутствует операция предварительного натяжения на 50, 100 кН, необходимая для создания собственных (начальных) напряжений, (противоположных по знаку напряжениям от нагрузки в результате кинематических перемещений пород приконтурного массива), рис. 11.

Величина натяжения анкера контролируется по деформации лепестков индикатора натяжения:

- исходное состояние лепестков индикатора натяжения до предварительного натяжения анкера, рис. 12, а;

- деформация лепестков индикатора натяжения после предварительного натяжения анкера, рис. 12, б.

Основные функции данного анкера: усиление основной крепи, приведение и поддержание массива в состоянии, близком к исходному.

Рис. 11. Анкер канатный АК01-30ПН

а. б. 

Рис. 12. Состояние лепестков индикатора натяжения анкера: а) до предварительного натяжения анкера; б) после предварительного натяжения анкера

Таким образом, предложенная классификация анкерной крепи демонстрирует трансформацию и переход от пассивных горно-поддерживающих технологий к активному управлению массивом горных пород.

 

УПРАВЛЕНИЕ РИСКАМИ

Подземные горные предприятия представляют собой сложные Опасные производственные объекты (ОПО), включающие подземные горные выработки, жизненный цикл которых требует обеспечения безаварийности и экономической целесообразности на всех стадиях — от проектирования до ликвидации.

По одному из определений, риски на горнодобывающем предприятии — это потенциальные неблагоприятные события, которые могут привести к угрозе функционирования предприятия. Они проявляются в виде аварий, человеческих жертв, потерь, ущерба и других последствий. По данным Ростехнадзора РФ в структуре аварий при подземных горных работах 35–40% несчастных случаев происходят вследствие обрушения пород кровли и боков горных выработок.

В этой связи следует отметить, что надёжно закрепленная выработка является основной гарантией бесперебойной и безаварийной работы шахты, т.е. является гарантией, что риск обрушения будет минимальным.

Одним из проверенных временем и опытом инструментов совершенствования существующих систем рискориентированного подхода является комплексный, направленный на минимизацию многослойности рисков (один опасный фактор накладывается на другой, создавая мультипликативный эффект) для объекта управления. Оптимальный эффект достигается при интеграции количественных и качественных показателей рисков в единую систему оценки.

В настоящее время повсеместно применяемый способ минимизации различных категорий рисков – организация тендерных торгов на товары и сервис. Однако, нужно признать, что применение тендерной системы не всегда позволяет добиться желаемого эффекта в плане оптимизации бюджета. Часто возникают дополнительные трудности, например, задержки в работе или низкое качество исполнения обязательств со стороны выбранных по показателю наименьшей цены поставщиков, что приводит к простоям.

В результате, вместо ожидаемой экономии и сокращения издержек, добывающая компания сталкивается с упущенной выгодой и ростом расходов.

Многолетний опыт компаний, в т.ч. и ООО «РАНК 2», свидетельствует о том, что самым эффективным инструментом по снижению производственных и финансовых рисков является комплексный подход к любому виду деятельности, в нашем случае, к креплению и поддержанию подземных горных выработок.

ООО «РАНК 2» предлагает проверенные временем и на практике как отдельно - инструменты, продукцию, технологические схемы, обучение, сервис, так и те же компоненты в сочетании, для оптимального управления рисками при комплексном подходе к креплению и поддержанию подземных горных выработок

Однако решения по применению той или иной анкерной крепи, а также по выбору той или иной технологии, должны приниматься только после всестороннего рассмотрения всех факторов и обстоятельств. И эти решения сегодня обязательно соответствуют требованиям по управлению рисками на Опасных производственных объектах (ОПО).

Блок-схема, представленная на рис. 13, демонстрирует последовательность комплексного подхода, обеспечивающую подземной горной выработке максимально устойчивое состояние.

В данном случае крепление выработки начинается только после оценки рисков, возможных при реализации проекта, и после расчёта совокупной стоимости владения выработкой на протяжении всего периода её жизнедеятельности.

Это позволяет выбирать, и самые эффективные виды крепи, и наиболее подходящие для данных ГГУ технологии крепления. При этом и крепь, и технологии могут быть не самыми дешевыми в закупе, но положительно влияющими на технологические и экономические показатели, снижая совокупную стоимость владения выработкой, и, в конечном итоге, делая минимальными финансовые риски собственника бизнеса.

Рис.13. Комплексный подход к креплению и поддержанию подземных горных выработок

КОНТРОЛЬ ДЕФОРМАЦИИ (ВЕРТИКАЛЬНЫХ СМЕЩЕНИЙ) МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД УГОЛЬНЫХ И РУДНЫХ ШАХТ

Одним из современных эффективных инструментов управления рисками при эксплуатации подземной горной выработки и для обеспечения её максимальной устойчивости является проактивное предотвращение аварийных ситуаций при её креплении, основанное на создании универсальной вероятностной модели для оценки и агрегации геотехнических рисков в единую рискориентированную систему, позволяющую прогнозировать неблагоприятные события и уходить от пассивного реагирования.

Автоматизированная система деформационного контроля («АСДК «ЭЛМОН») предназначена для контроля деформации массива горных пород и состояния крепи в горных выработках с целью обеспечения безопасности ведения работ в угольных шахтах, рудниках и передачи информации об относительной величине смещений пород приконтурного массива в информационную систему предприятия посредством проводных линий связи, а также светозвуковой сигнализации о критических ситуациях в местах непосредственного размещения блоков контроля и рабочем месте диспетчера. Использование АСДК «Элмон», предоставляет возможность сбора и анализа данных для построения прогнозных моделей на основе временных рядов смещений контура выработки. Его применение в рамках описанной методологии включает следующие действия в соответствии с результатами показаний:

• Зеленая зона: Pfail < 0.1 — режим нормальной эксплуатации, плановый мониторинг.

• Желтая зона: 0.1 ≤ Pfail < 0.5 — усиленный режим контроля, планирование превентивных работ в ближайшей перспективе.

• Красная зона: Pfail ≥ 0.5 — выдача автоматического оповещения о необходимости немедленных превентивных мероприятий (дополнительное крепление, вывод людей, остановка работ).

Для их интеграции разнородных процессов в рамках единой риск-ориентированной модели возможен вероятностно-статистический подход, позволяющий агрегировать риски возникновения неблагоприятных событий в условиях реального предприятия и строить тренды и прогнозы, рис. 14.

Рис. 14. Пример графика показаний смещений системы АСДК «Элмон», установленной в зоне опорного давления. Зафиксированные смещения позволяют строить тренды и прогнозы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ:

1.      Предложенная классификация канатных анкеров АК нового поколения () ООО «РАНК 2» позволяет сделать разделение анкерной крепи на классы по характеру взаимодействия с массивом, в частности анкеров глубокого заложения, а также даёт возможность формировать более обоснованный и эффективный подход к проектированию крепи горных выработок, а именно:

• учитывать конструктивные особенности канатных анкеров и применять их для соответствующих горно-геологических условий и решений конкретных горнотехнических задач;

• расширить область применения канатной анкерной крепи, в том числе при комбинированном креплении и различных способах закрепления и стабилизации углепородного массива в сложных горно-геологических условиях;

• повысить эффективность применения канатных анкеров в зонах влияния очистных работ, на сопряжениях горных выработок;

• пересмотреть подход к выполнению восстановительных работ на аварийных участках горных выработок, приняв во внимание более высокую эффективность анкерной крепи с предварительным натяжением в части стабилизации массива;

• повысить безопасность, эффективность и комфортность ведения горных работ;

• снизить затраты на крепь и трудоемкость ее монтажа в сравнении с другими видами крепи.

2.      Предварительное натяжение анкеров в сравнении с классическим канатным анкером и канатным анкером неподатливым способствует:

• закрытию возникших трещин (полностью или частично), препятствует раскрытию новых, что создает возможность для перераспределения напряжений в приконтурном массиве горной выработки;

• повышению трения на контактах фрагментов горных пород, что эквивалентно увеличению качества массива;

• повышению начальной жесткости системы «анкер-массив», что снижает степень и скорость развития деформаций массива;

• уменьшению смещений на 70-90 % по сравнению с креплением в аналогичных ГГУ классическими податливыми канатными анкерами;

• замедлению конвергенции поверхностей горной выработки, соответственно увеличивая полезную площадь поперечного сечения во времени;

• к скреплению блоков горного массива в своего рода пакет, который менее подвержен деформации.

3.      Комплексный подход к креплению и поддержанию подземных горных выработок позволяет:

• прогнозировать и минимизировать риски возникновений неблагоприятных событий при проактивном (упреждающем, превентивном) риск-менеджменте, нацеленном на предотвращение неблагоприятных событий (инцидентов) и/или уменьшение масштаба вероятных последствий;

• позволяет снизить совокупную стоимость владения на протяжении всего периода жизнедеятельности выработки, получив значительную экономию средств.