Реализация концепции совершенствования комплекса крепления горных выработок на рудниках ЗФ ПАО «ГМК «Норильский никель»

DOI: http://dx.doi.org/10.30686/1609-9192-2019-3-145-10-13
УДК: 622.281

В.П. Марысюк, канд. техн. наук, главный геотехник ЗФ ПАО «ГМК «Норильский никель» директор Центра геодинамической безопасности

Т.П. Дарбинян, директор Департамента горного производства ЗФ ПАО «ГМК «Норильский никель»

М.П. Сергунин, начальник отдела Центра геодинамической безопасности ЗФ ПАО «ГМК «Норильский никель»

С.Ю. Шиленко, заместитель директора департамента по горному производству Департамента горного производства ЗФ ПАО «ГМК «Норильский никель»

Совершенствование крепления горных выработок является одним из ключевых направлений развития ПАО «ГМК «Норильский никель». В вопросах крепления горных выработок Компания уделяет особое внимание повышению безопасности труда персонала и внедрению современных технологий крепления горных выработок. Наибольшие изменения в этом направлении произошли за последние 4 года.

В 2015 г. в ПAO «ГМК «Норильский никель» началась разработка новой концепции по креплению горных выработок, которая была утверждена на заседании Научно-технического совета в 2016 г. Основной целью Концепции по креплению являлось повышение безопасности горных работ за счет корректной оценки нарушенности массива горных пород и исключения нахождения персонала в незакрепленной части горной выработки.

Поставленной цели планировалось достичь за счет внедрения новых технологий возведения крепи и применения современного оборудования, позволяющего повысить общий уровень безопасности при выполнении работ, свести к минимуму влияние «человеческого» фактора, перевести операции по креплению горных выработок на современный технический уровень и сократить объемы перекрепления горных выработок.

Основными задачами в ходе реализации Концепции являлась разработка нормативно технической документации по оценке нарушенности массива и выбору параметров крепи, отвечающих современным требованиям. Необходимым условием внедрения новой технологии являлось повышение безопасных условий труда, в данном случае предполагалось, что новая технология по возможности должна быть полностью механизированной (без доступа персонала в незакрепленное пространство) и иметь положительное заключение результатов опытно-промышленных испытаний.

Реализация концепции началась в 2016 г. и велась по четырем направлениям. К первому направлению относится разработка нормативно-технической документации по оценке нарушенности массива. В данном направлении предполагалось пересмотреть подход к оценке нарушенности массива с целью обеспечения совместимости подходов, используемых на крупнейших горнодобывающих компаниях, таких как BHP Billiton, RioTinto. Вторым направлением являлась закупка современного оборудования, участвующего в технологических операциях крепления горных выработок. На данном этапе предполагалось снизить долю ручного труда, исключить доступ персонала в незакрепленное пространство и таким образом снизить влияние «человеческого» фактора в технологических операциях. Третьим направлением является этап опытно-промышленных испытаний. На данном этапе оценивалась эффективность внедряемой технологии, а также разрабатывались рекомендации по корректировке применяемой технологии либо о нецелесообразности ее применения. Результатами четвертого этапа является внедрение технологий (рис. 1).

Рис. 1 Реализация концепции по креплению

Рис. 1 Реализация концепции по креплению

Разработка нормативной документации, отвечающей условиям безопасности и современным условиям

В рамках данного направления основное внимание уделялось сравнению существующего подхода при выборе типов и параметров крепи с подходами, используемыми в мировой практике. Ранее принятый подход реализован на принципах предельных деформаций массива, возникающих на контуре выработок за весь срок ее эксплуатации. Между тем в мировой практике применяются подходы, основанные на рейтинговых показателях устойчивости горных выработок, таких как рейтинг Бенявского (RMR), Бартона (Q), Лобшера (MRMR), Мэтьюза-Потвина (N) и др. [1–3].

Основным недостатком подхода, основанного на предельных деформациях массива, является то, что он практически становится неприемлем при выборе типов и параметров крепления горных выработок, располагаемых на больших глубинах, так как разрабатывался для ведения горных работ на глубине 700–800 м и с учетом имеющегося на тот момент технологического оборудования. Поэтому вопрос о выборе типов и параметров для каждого из рудников, входящих в состав ЗФ ПАО«ГМК «Норильский никель», решался индивидуально на основании данных о нарушенности массива и глубине ведения горных работ. Такой подход не отличался своей универсальностью, поэтому при разработке Концепции по креплению было принято решение о применении более универсального метода. В качестве отправной точки предполагалось рассмотреть современные тенденции мировой практики.

По результатам проведенных исследований [4, 5] в качестве основной была выбрана классификация Бартона (Q-индекс), которая оказалась наиболее совместима с существующими на тот момент рекомендациями по креплению горных выработок [6, 7]. Основным отличием являлось только то, что по классификации Бартона выделяется большее количество категорий нарушенности (9 вместо 4).

Внедрение новой классификации началось поэтапно с 2017 г. На первом этапе происходило знакомство и обучение инженерно-технических работников с классификацией Бартона по специализированной программе переобучения руководителей и специалистов. В общей сложности обучение по новому курсу прошли более 400 работников [8]. На втором этапе осуществлялось внедрение новой классификации в переходном режиме, за это время специалисты-геологи нарабатывали практические навыки и опыт. В общей сложности переходный этап занял чуть более 1 года. За это время специалисты- геологи приобрели соответствующий опыт и успешно научились применять его в своей повседневной работе.

Закупка современного оборудования

Основной целью закупки современного оборудования являлось снижение доли ручного труда [9], исключение нахождения в незакрепленном пространстве и снижение влияния «человеческого» фактора в технологических операциях по возведению крепей. Необходимо отметить, что в рамках данного направления происходила закупка не только оборудования, непосредственно участвующего в основных технологических операциях по возведению крепей, но и вспомогательного, а также оборудования, используемого для приготовления крепежных расходных материалов.

В качестве основного направления механизированной установки были выбраны типы крепей, наиболее часто применяющиеся на рудниках ЗФ ПАО «ГМК «Норильский никель», такие как: набрызг-бетонная крепь, анкерная крепь, анкерная крепь в сочетании с набрызг-бетонным покрытием и анкерная крепь с набрызг-бетонным покрытием и металлической решеткой. Исходя из данных условий процесс механизации предлагалось осуществить за счет закупки современных анкероустановщиков Sandvik DS 411 с дополнительным оборудованием для навески сетки (металлической решетки), самоходных машин для нанесения набрызг-бетонного покрытия Normet Spraymec, а также кровле оборочного оборудования Scamec. В общей сложности в рамках реализации концепции по креплению горных выработок к уже имеющемуся оборудованию было закуплено 26 единиц Sandvik DS 411, 15 единиц Normet Spraymec и 6 единиц Scamec.

Помимо основного оборудования, непосредственно участвующего в возведении элементов крепи, были произведены модернизация и закупка оборудования для транспортировки и изготовления расходных крепежных материалов. В общей сложности в рамках развития Концепции по креплению было закуплено 8 единиц миксеров Normet Utimec Transmixer, служащих для приготовления бетонных смесей и транспортировки ее к месту производства работ, построены 2 подземных завода по производству бетонной смеси Normet P1504-2/8, построена производственная линия по изготовлению сухих пакетированных смесей, а также проведена модернизация линии по изготовлению анкеров. Выделение таких инвестиций на закупку оборудования и модернизацию производственных линий предполагало существенно повысить безопасные условия труда при выполнении основных технологических операций при возведении крепи и сократить долю ручного труда.

Опытно-промышленные испытания

Во время реализации концепции по креплению горных выработок основной упор был сделан на применение новых и современных материалов, поэтому на первоначальном этапе происходили опытно-промышленные испытания технологии возведения крепления горных выработок [10].

Как было указано выше, всего в рамках концепции были выбраны четыре основных направления, касающихся совершенствования технологии крепления горных выработок. Самым важным приоритетом развития концепции было выбрано направление по недопущению нахождения персонала в незакрепленном пространстве, поэтому основной упор был направлен на сокращение времени набора несущей способности анкеров, закрепляемых в массиве цементно-песчаными смесями. В ходе реализации работ в данном направлении было принято решение полностью отказаться от применения цементно-песчаных смесей (в том числе с ускорителями) при возведении анкерной крепи в качестве предохранительного вида крепи, так как в наиболее благоприятном случае анкеры, закрепленные на основе цементно-песчаных смесей, вступали в работу не ранее чем через 12 ч. Вместо этого Компания сосредоточилась на применении других типов анкеров, и к настоящему времени успешно проведены и получены положительные результаты опытно-промышленных испытаний анкеров с фрикционным зацеплением (СЗА) [11] (рис. 2) или Swellex. Данный вид анкеров для России является сравнительно новым и только в 2016 г. в рамках изменения ¹1 ГОСТа31559–2012[12] были сформированы основные требования, предъявляемые к фрикционным анкерам. Компания проводила испытания анкеров четырех разных производителей: OOO «УралЭнергоРесурс», ООО «Окс-Трейд», ООО «Завод горного крепления» и Atlas Copco. Все анкеры вышеуказанных производителей по результатам опытно-промышленной эксплуатации получили положительное заключение.

Рис. 2 Установка СЗА

Рис. 2 Установка СЗА

Долговременные наблюдения за несущей способностью анкеров выявили кородирующий износ анкеров при контакте с сульфидными рудами, поэтому эксплуатация анкеров данного типа в условиях ЗФ ПАО «ГМК «Норильский никель» ограничено и применяется только в выработках со сроком службы не более 6 мес, либо в качестве предохранительного вида крепи.

Наилучший эффект в плане времени эксплуатации и скорости закрепления был получен в ходе опытно-промышленных испытаний сталеполимерных анкеров, состоящих из металлического анкера, закрепленного в шпуре полимерным составом. Опытно- промышленные испытания в рамках данного направления проводились в части отработки технологии установки ампул, совместимости ампул с применяемым в Компании технологическим оборудованием, а также проверки полиэфирных свойств от разных производителей. В общей сложности были испытаны около 20 модификаций ампул от разных производителей: OOO «ОКС-Трейд», DSI Underground Chemicals, OOO «СибХимУкрепление» и др. В ходе опытно-промышленного испытания основными причинами для отказа от применения некоторых типов ампул, были выделены две основные. Первая причина заключалась в том, что полиэфирная смола и отвердитель должным образом не перемешивались в шпуре, эта ситуация возникала вследствие того, что оболочка ампул-патронов полностью не разрушалась (оболочка отвердителя).

Рис. 3 Установка сталеполимерных анкеров

Рис. 3 Установка сталеполимерных анкеров

Второй причиной явились сложности, возникающие при застрелке ампул в шпур, связанные с выпадением ампул из шпуров, а также их застревание в досылочных шлангах, ввиду образования заломов ампул-патронов или нарушения целостности оболочки.

Наилучшие результаты были достигнуты при применении ампул Fasloc фирмы DSI Underground Chemicals, поэтому данные типы ампул выбраны в качестве основных при креплении горных выработок в компании ЗФ ПАО «ГМК «Норильский никель».

Еще одним важным направлением совершенствования крепления горных выработок являлось изменение технологии нанесения набрызг-бетонного покрытия. В рамках данного направления решались задачи по повышению прочности покрытия и увеличению толщины покрытия, наносимого за один раз.

Повышения прочности набрызг-бетонного покрытия планировалось достичь за счет применения фиброволокон. В Компании на момент начала реализации программы по совершенствованию технологии крепления уже имелись наработки по применению фиброволокон разных производителей и типов: Bar Chip 048, «Concrix ES50» («Brugg Contec AG», Швейцария), «MasterFiber 236», «MasterFiber 155» (BASF). Испытания фибробетонного покрытия проводились методом как сухого, так и мокрого смешивания. По результатам испытаний определено, что метод мокрого смешивания является более предпочтительным, так как позволяет снизить запыленность места производства работ и уменьшить отскок волокон фибры. Основным недостатком, связанным с применением фиброволокон (методом и сухого, и мокрого смешивания), являлась забутовка микроволокнами фибры отсеивающей сетки и подающих шлангов. Данную проблему удалось решить при использовании для приготовления цементно-песчаного раствора готовых пакетированных смесей с добавлением полипропиленовых волокон «MasterFiber 155» и гиперпластификатора «MasterPolyheed 3553». Такой состав фибробетона позволил избежать забутовки подающих шлангов без применения отсеивающей сетки и увеличить прочность полученного состава в среднем в два раза. На рис. 4 приведен внешний вид такого покрытия.

Рис. 4 Внешний вид фибробетонного покрытия

Рис. 4 Внешний вид фибробетонного покрытия

Увеличение толщины наносимого набрызг-бетонного покрытия осуществлялось за счет применения добавок ускорителей от производителей «MC-Bauchemie», «BASF», «Normet», «Sika» «MST». Всего было испытано 7 добавок: MasterRoc SA167, ShotRock 525CA, ShotRock 575CA, Sigunit 39AF, Sigunit 49AF, Centrament Rapid 653 и TamCem 60. Испытания проводились также методом и сухого, и мокрого смешивания. Во всех случаях за счет применения добавок ускорителей удалось существенно увеличить толщину наносимого за раз набрызг-бетонного покрытия, наилучший эффект был получен при нанесении набрызг-бетонного покрытия методом мокрого смешивания с применением установок типа Normet Spraymec (рис. 5) с толщиной покрытия, наносимого за один раз, –12 см.

Рис. 5 Нанесение набрызг-бетонного покрытия установкой Normet Spraymec

Рис. 5 Нанесение набрызг-бетонного покрытия установкой Normet Spraymec

Внедрение технологий

На заключительном этапе предусматривается оценка эффекта от внедряемых технологий, хотя существующая концепция работ по креплению предусматривает проведение работ до 2022 г., некоторые итоги ее реализации можно провести уже сейчас.

К настоящему времени разработан и введен в действие пакет новых документов по оценке состояния массива горных пород и выбору типов и параметров крепления горных выработок. В основу данных нормативных документов был положен общемировой тренд, используемый в крупных международных горнодобывающих компаниях. Внедрение данных стандартов позволило проводить аналогии состояния работ по креплению не только среди российских, но и международных горнодобывающих компаний.

Самым важным этапом реализации концепции является широкомасштабное внедрение анкеров с фрикционным закреплением, а также анкеров, закрепляемых в шпуре по средствам быстротвердеющих полимерных смол. Внедрение данной технологии позволило полностью исключить нахождение людей в незакрепленной части массива и снизить риски, связанные с возможными обрушениями пород кровли.

Еще одним важным этапом развития программы по креплению, является существенное сокращение доли ручного труда, как при непосредственном креплении горных выработок, так и при приготовлении и транспортировке цементно-песчаных растворов. Данный эффект был достигнут за счет широкомасштабной модернизации парка самоходного и вспомогательного оборудования.

Данные инвестиции позволили полностью отказаться от ручного труда при возведении набрызг-бетонных покрытий и навешивании металлической решетки, а также существенно сократить долю ручного труда, используемого при возведении анкерной крепи.

Заключение

Оценивая промежуточные результаты по внедрению Концепции по креплению горных выработок можно с уверенностью сказать, что выбранный Компанией курс на повышение безопасных условий и снижение доли ручного труда на технологических операциях крепления горных выработок является приоритетным и будет продолжен. Несмотря на то, что действующая Концепция еще не выполнена в полном объеме, Компанией уже ведется разработка новой, которая начнет реализовываться досрочно с 2020 г. В новой концепции по креплению будет оценен накопленный опыт, на основании которого программа развития крепления будет несколько скорректирована, в то время как ключевые направления останутся без изменений.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ:
1. Barton N., Lien R., Lunde J. Engineering classification of rock massec for the design of tunnel support // Rock Mechanics. 1974. Vol. 6(4). P. 183–236.
2. Barton N. Application of Q-System and Index Tests to Estimate Shear Strength and Deformability of Rock Masses. WorkshoponNorwegianMethodofTunneling. NewDelhi, 1993. P. 66–84.
3. Laubscher D. H. A geomechanics classification system for the rating of rock mass in mine design // Journal of the Southern African Institute of Mining and Metallurgy. 1990.Vol. 90. Iss. 10. P. 257–273.
4. Еременко В.А., Айнбиндер И.И., Пацкевич П.Г., Бабкин Е.А. Оценка состояния массива горных пород на рудниках ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель» // ГИАБ. 2017. ¹ 1. С. 5–17.
5. В.А. Еременко, И.И. Айнбиндер, В.П. Марысюк, Ю.Н. Наговицин Разработка инструкции по выбору типа и параметров крепи выработок рудников Талнаха на основе оценки состояния массива горных пород по методу Бартона // Горный журнал. 2018. ¹ 10. С. 101–106
6. Рекомендации по креплению и поддержанию, подготовительных нарезных и очистных выработок на рудниках «Октябрьский», «Таймырский», «Комсомольский» и «Заполярный» ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель» // Норильск, 2014. 27с.
7. Рекомендации по креплению и поддержанию горизонтальных и наклонных капитальных горных выработок на рудниках «Октябрьский», «Таймырский», «Комсомольский» и «Заполярный» ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель» // Норильск, 2013. 35 с.
8. Еременко В. А. Курсы подготовки геомехаников (геотехников), геологов и горных инженеров по программам Map3D и Rocscience (Dips, RocData, Unwedge) // Горный журнал. 2018. ¹ 2. 2 с.
9. Зубков А.А., Латкин В.В., Неугомонов С.С., Волков П.В. Перспективные способы крепления горных выработок на подземных рудниках // Условия устойчивого функционирования минерально-сырьевого комплекса России. М.: Горная книга, 2014. Вып. 1. С. 106–117.
10. Баринов А.Ю., Еременко В.А., Филатов А.Г., Базин А.А. Опытно-промышленные испытания высокопрочной поверхностной крепи сетки Minax на Кировском и Таймырском рудниках // Горный журнал. 2019. ¹ 1. С. 22–27.
11. Неугомонов С.С., Волков П.В., Жирнов А.А. Крепление слабоустойчивых пород усиленной комбинированной крепью на основе фрикционных анкеров типа СЗА // Горный журнал. 2018. ¹ 2. С. 31–34. DOI: 10.17580/gzh.2018.02.04
12. ГОСТ 31559–2012 Крепи Анкерные общие технические условия с изменениями 2016 г.
Ключевые слова: крепление горных выработок, опытно-промышленные испытания, концепция совершенствования крепления горных выработок, сталеполимерные анкера, фрикционные анкера, фибробетон

Журнал "Горная Промышленность"№3 (145) 2019, стр.10-13

Mining Industry Journal №2 (145) 2019, p.