Опыт применения сталеполимерного анкерного крепления на шахтах Ленинского рудника и Кузнецкого бассейна



А.В.Ремезов, д.т.н., С.Е.Решетов, к.т.н.,
В.Г.Харитонов, инженер, В.В.Распопов, инженер,
В.П.Зубарев, инженер,
ОАО «Угольная Компания
«Ленинскуголь»

Анализируя выполнение программы реструктуризации предприятий угольной промышленности Кузбасса, необходимо отметить значительное снижение на многих шахтах затрат на крепление горных выработок, которые, как известно, в значительной степени влияют на себестоимость добычи.

Одним из путей снижения затрат на крепление горных выработок является применение новых технологий и средств крепления, к которым, в первую очередь, можно отнести сталеполимерное анкерное крепление.

Анкерное крепление применяется на шахтах Кузбасса с 60-х годов. На рис 1, 2 представлена динамика развития анкерного крепления в некоторых угольных компаниях Кузбасса.

До 1994 года использовались распорные анкера разных конструкций с закреплением анкера в шпуре за счет распора клиновидного замка в стенки шпура. С 1994 года начинается второй этап освоения анкерного крепления на шахтах Ленинского рудника и на других шахтах Кузбасса. Внедряется новый тип анкерного крепления — сталеполимерные анкера. Стальной стержень закрепляется в шпуре химической смолой, которая в процессе химической реакции двух компонентов создает соединение высокой прочности. При этом за счет проникновения в трещины стенок шпура смола упрочняет на определенную глубину окружающий шпур массив, значительно увеличивая несущую способность этого вида крепления.

Необходимо отметить, что в развитии нового вида анкерного крепления большую роль сыграл созданный на территории ленинского рудника «Центр анкерного крепления Кузбасса» (ЦАКК), основной задачей которого определялось комплексное обеспечение шахт не только всеми элементами анкерного крепления, но и научно-инженерным обеспечением силами технического отдела [1].

В перечень услуг технического отдела входят:

  • инженерный мониторинг геологических условий как на начальном этапе, предшествующем внедрению анкерного крепления, так и в процессе его развития;
  • выдача официального заключения о возможности применения анкерного крепления;
  • подготовка расчетных данных основных параметров анкерного крепления;
  • расчет и разработка проектов, паспортов анкерного крепления на каждую конкретную выработку;
  • инженерный мониторинг последующего состояния горных выработок, закрепленных анкерным креплением [2, 3];
  • корректировка действующих паспортов в соответствии с изменившимися горно-геологическими условиями.

Кроме анкеров распорного типа на первом этапе освоения анкерного крепления в 1989–1991 гг. на ш. им.Ярославского, входящей в ОАО «Ленинскуголь», совместно с сотрудниками КузГТУ проводилось внедрение и испытание винтовых анкеров (подобие шурупов большой величины) [4]. Из-за сложного строения непосредственной кровли большей части пластов, состоящей из переслаивающихся пород разной крепости и разной мощности, невозможно обеспечить оптимальный диаметр буримого шпура, что связано с успешной установкой анкера и максимальной силой распора его в шпуре. В связи с этим винтовые анкера не нашли широкого применения на шахтах Ленинского рудника.

В процессе освоения сталеполимерных анкеров были опробованы два способа введения компонентов химических смол в шпур. Один из них ампульный, характеризующийся введением в шпур двухкомпонентных ампул. Второй способ предусматривает нагнетание в шпур смолы специальными насосами. В силу нерешенности отдельных вопросов при подаче химических компонентов в шпур методом нагнетания и отсутствия эффективных способов герметизации устьев шпуров считаем, что в настоящее время наиболее технологичным во всех отношениях является ампульное заполнение шпура смолами, хотя в вопросах упрочнения прилегающего контура пород стенок шпура за счет нагнетания смол под давлением преимущество имеет нагнетательный способ.

Совместно с сотрудниками института Угля и Углехимии разработана технология закрепления стального анкера в шпуре минеральным заполнителем, в качестве которого используется обыкновенный речной песок. Испытания, проведенные в лаборатории, а также в выработках шахты им.Кирова и шахты «Комсомолец», показали, что качество закрепления анкеров минеральным заполнителем не уступает анкерам, закрепленным смолами [4, 5]. В процессе освоения и испытания сталеполимерного анкерного крепления были испытаны разные конструкции стальных анкерных стержней разных производителей. Необходимо отметить, что во всех конструкциях анкерных стержней непременным условием является наличие его рифленой части длиной не менее 400 мм.

Наиболее удачным решением является повторение уже опробованных во многих странах конструкций анкерных стержней, изготовленных из прутка специального профиля, который обеспечивает надежное сцепление полимера по всей длине анкера. Изготовление анкеров из арматурной стали А500 N2 позволяет увеличить несущую способность анкера (разрывное усилие — 240 кН). На рис. 3 представлена конструкция одного из таких анкеров. Наличие срезаемой стопорной шпонки 5 позволяет механизировать процесс установки анкера в шпуре, кровельной шпонки 8 и затяжки гайки 4 после затвердевания смолы с помощью буровой установки. Резьбовая часть таких анкеров выдерживает нагрузку до 24 тонн.

При превышении расчетной длины анкерных стержней высоты горной выработки для крепления таких выработок применяются анкера, состоящие из двух соединенных муфтой отрезков.

Резко снижаются затраты на изготовление анкерных стержней, изготавливаемых с рифлением, повторяющим витки резьбы, что позволяет изготавливать для него гайку с резьбой методом литья.

Институтом Углехимии СО РАН разработан и испытан комбинированный анкер (рис. 4). Конструкция комбинированного анкера сочетает в себе элементы винтового и сталеполимерного анкера. Предварительное натяжение анкера производится незамедлительно, без ожидания времени отверждения компонентов смолы, что повышает его эффективность. На рис. 5 указана нагрузочная характеристика комбинированного анкера.

Во многих странах с развитой угольной промышленностью применяются анкера глубокого заложения или многоуровневая система анкерования кровли [6]. Согласно произведенным расчетам данные анкера позволяют дополнительно крепить кровлю выработок, примыкающих к очистному забою, которые при проходке были уже закреплены анкерами обычной конструкции. Они позволяют создать безопасные, комфортные условия работы на сопряжениях очистного забоя со штреками без использования громоздких, не совсем безопасных при эксплуатации гидрофицированных крепей сопряжения, которые по своей конструкции приносят больше вреда, чем пользы [7].

В качестве анкеров глубокого заложения используются как составные анкерные стержни, так и канатные.

На рис. 6 изображен канатный анкер, разработанный институтом Угля и Углехимии СО РАН.

Анкера глубокого заложения используются также при креплении основных выработок и различных сопряжений выработок при их примыкании одной или нескольких к другим или при их пересечении. Применение таких анкеров позволяет намного сократить расход металла. Канатные анкера глубокого заложения могут закрепляться механическим или нагнетательным способом смолами в скважинах диаметром 25–30 мм или минеральными заполнителями в скважинах диаметром 25–43 мм.

С началом применения анкеров глубокого заложения начинается третий этап развития анкерного крепления. Многоуровневое крепление выемочных штреков, примыкающих к очистному забою, обусловлено наличием различных зон опорного давления, возникающих при работе очистного забоя [7]. Один из вариантов формирования этих зон и условий установки анкеров глубокого заложения предсавлен на  рис. 7.

Впервые многоуровневое крепление выемочных штреков, примыкающих к очистному забою, было испытано в Ленинском руднике на шахте им. 7 Ноября совместно с сотрудниками института КузНИУИ в лаве № 11170 на вентиляционном штреке [8]. Штрек на стадии его проведения уже был закреплен анкерным креплением, состоящим из верхняков СВП-17 длиной 3.5 м, установленных на два сталеполимерных анкера длиной 1.8 м, с расстоянием между верхняками 0.8 м. С опережением очистного забоя на 36 м вне зоны влияния опережающего опорного давления от очистного забоя штрек дополнительно крепился составными анкерами длиной 3.5 м по два анкера на верхняк из швеллера N18. На рис. 8 представлена конструкция такого анкера, а на рис. 9 — результаты проявления горного давления при вторичном креплении и при базовом креплении.

Данной работой получено практическое подтверждение эффективности применения анкеров глубокого заложения. Теория обоснования параметров анкерного крепления второго уровня базируется на многочисленных натурных наблюдениях, проведенных специалистами угольной компании «Ленинскуголь», технического отдела «ЦАКК», а также на изучении опыта ведущих зарубежных фирм-производителей подобных материалов.

В ближайшее время запланировано проведение промышленных испытаний канатных анкеров глубокого заложения для крепления сопряжений очистного забоя с примыкающими выработками на ш. «Заречная» Ленинского рудника. В настоящее время на многих шахтах большинства угольных регионов анкерное сталеполимерное крепление стало основным креплением горных выработок, в результате чего произошло значительное снижение затрат на крепление горных выработок и в целом себестоимости 1 т добытого угля.

За время внедрения и развития анкерного сталеполимерного крепления на шахтах Ленинского рудника опробованы различные средства и приспособления для бурения шпуров. Были приобретены и использованы гидравлические буровые установки фирм «Шмидт и Кранц», «Боарт», а также ОАО «Людиновский агрегатный завод» (г.Людиново) и гидравлические буровые установки местных производителей. Всем установкам присущи общие недостатки: большой вес и множество шлангов. Кроме того, некоторые из них требуют применения насосных станций с переменной производительностью насоса.

Последние международные выставки горно-шахтного оборудования (Дюссельдорф — 1999 г., Пекин — 1999 г.) показали, что некоторые зарубежные фирмы создали гидравлические бурильные установки, вес которых не превышает 30–35 кг.

Из пневматических бурильных установок на шахтах испытывались и внедрялись установки фирмы «Вомбат», китайских фирм, а также установки Томского приборного завода. Наиболее работоспособными оказались бурильные установки фирмы «Вомбат».

Томский приборный завод уже на протяжении 3-х лет пытается производить отечественные пневматические бурильные установки, но до настоящего времени не может устранить выявленные в процессе испытаний недостатки и получить разрешение Госгортехнадзора РФ на их применение в шахтах. В процессе испытания и внедрения гидравлических и пневматических бурильных установок весь задействованный персонал отдал предпочтение буровым пневматическим установкам. В настоящее время шпуры под анкерное крепление бурятся в основном электрическими ручными сверлами, что иногда не соответствует требованиям, предъявляемым к перемешиванию состава ампул, и в таких случаях это приводит к незатвердеванию химических компонентов ампул и, соответственно, к не закреплению анкеров в шпурах.

Причина таких отказов кроется в незнании исполнителем инструкции по использованию химических ампул, хотя к каждой партии химических ампул обязательно прилагается инструкция о правильном их использовании. Все произошедшие аварии с анкерным креплением связаны с нарушением паспортов крепления выработки с применением анкеров длиной менее расчетной в паспорте.

В результате проведенных испытаний мы пришли к выводу, что наиболее практичными в работе являются пневматические буровые установки, но их успешное применение затруднено отсутствием в шахтах пневматической энергии.

Выпускаемые в России компрессоры по своим параметрам не допускаются к установке непосредственно в тупиковых забоях. В течение нескольких лет мы пытались найти отечественного разработчика, который бы мог разработать компрессор, удовлетворяющий требованиям нормативных документов и допущенный к установке в тупиковом подготовительном забое, а затем освоить его выпуск на одном из заводов. Но наши попытки не увенчались успехом: одни из предполагаемых исполнителей отказывались, а другие требовали значительных ассигнований, которые не под силу нашему угольному объединению.

В настоящее время известно, что подобные компрессоры выпускаются в Польше, Китае. В Польше выпускаются компрессоры четырех типов с производительностью 12, 7, 3, 4 м3/мин., давлением 8 бар. Вес таких компрессоров 2300, 2200, 900 кг, а стоимость, соответственно, 66500, 63400, 35200 $ (данные на 1999 год).

В Китае на последней выставке, прошедшей в Пекине в сентябре 1999 года, были представлены винтовые компрессоры MНРY 21-15/7-К, MHPY21-10/7-К, MHPY 21-6/7-К производительностью, соответственно, 15, 10, 6 м3/мин. Цена, объявленная на выставке, приблизительно такая же, как и у польских компрессоров. Пригоден также германский винтовой компрессор, который устанавливается в сухих пылеуловителях.

Считаем, что в России такой компрессор может быть разработан и успешно изготовлен, необходимо только централизовать эту работу на уровне Угольного Комитета.

Исходя из вышеизложенного, по нашему мнению, необходимо:

  • централизовать постоянную статистику развития анкерного крепления на угольных шахтах России;
  • на уровне одного из центральных институтов организовать сбор статистических данных и обобщение всего нового, что достигается в развитии анкерного крепления;
  • поручить одному из институтов (вероятно, ВНИМИ) обобщить наличие средств мониторинга горно-геологических условий горных пород, необходимых для выдачи заключения о возможности применения анкерного крепления и последующего состояния анкерного крепления в горных выработках.

Литература

1. Ремезов А.В., Кадошников А.В. Центр анкерного крепления Кузбасса («ЦАКК») создан и успешно решает свое дело. Уголь N12 1998 г., с 16-19.

2. Ануфриев В.Е., Власенко Б.В. Контроль и диагностика состояния массива горных пород в окрестности выработок, закрепленных анкерной крепью. Кемерово. Конференция «Наукоемкие технологии угледобычи и углепереработки» 1998 г., с. 120-123.

3. Ремезов А.В., Распопов В.В., Кадошников А.В., Зубарев В.П., Харитонов В.Г. Необходимый мониторинг анкерного крепления. Кемерово, 1999 г. «Кузбассуглетехнология».

4. Егоров П.В., Квон С.С., Шевалов Ю.А., Ремезов А.В. и др. Руководство по применению винтовой анкерной крепи для крепления подготовительных выработок на шахтах Ленинского района Кузбасса. Кемерово 1992 г., с 25.

5. Ануфриев В.Е., Ремезов А.В. и др. Способы закрепления анкеров минеральными заполнителями. Международная научная конференция, Кемерово, 6-9 октября 1998 г., с 138-141.

6. Ануфриев В.Е., Ремезов А.В. и др. Двухуровневая схема анкерного крепления контура горных выработок. Международная конференция, Кемерово, 6-9 октября 1998 г.,с 123-126.

7. Ремезов А.В. Совершенствование способов и средств крепления сопряжений очистного забоя с примыкающими выработками. ПНИУИ. Тула, 1997 г.

8. Егоров А.П., Ремезов А.В. и др. Технология анкерного крепления и поддержания сопряжений очистных забоев с выемочными штреками. КузГТУ, Кемерово, 1999 г, с.22-27.

Журнал "Горная Промышленность" №2 2000