Разработка анкерной крепи на основе минеральных закрепителей

Анкерное крепление широко применяется в горнодобывающей промышленности и подземном строительстве. При подземной разработке полезных ископаемых, оно является экономически выгодным для крепления капитальных, подготовительных и очистных горных выработок (независимо от формы поперечного сечения и срока службы) как самостоятельно, так и в сочетании с рамными крепями. Применение такого вида крепления позволяет не только снизить затраты на крепление, но и значительно увеличить темпы проведения горных выработок. По сравнению с подпорными конструкциями, анкерное крепление имеет ряд преимуществ: повышает безопасность ведения горных работобладает возможностью полной механизации процесса креплениятребует меньшего расхода крепежных материалов и меньших затрат на их доставкупозволяет уменьшить сечение горной выработки и аэродинамическое сопротивление.

Основными элементами анкерной крепи являются анкер (стержень) и закрепляющее его устройство или материал. До 80-х годов прошлого столетия наибольшее распространение в нашей стране получили анкерные крепи с закреплением анкеров в забойной части шпура с помощью различных механических замков (точечное закрепление). С появлением надежных и удобных в эксплуатации химических составов на основе быст-ротвердеющих синтетических смол и минеральных закрепителей, позволяющих обеспечить закрепление анкера по всей длине или значительной его части (сплошное закрепление), наибольшее распространение из них получили сталеполимерные анкера.

Анкерное крепление в России, в частности в Кузбассе, развивается быстрыми темпами и становится основным способом крепления шахтных выработок [1]. По данным авторов [2,3] в Южном Кузбассе в 2001 г. анкерной крепью закреплено более 80% горных выработок. В большинстве своем она используется для крепления подготовительных выработок, срок службы которых колеблется в широких пределах — от нескольких месяцев до 20 лет и более. Однако вопросы длительного нагружения подобных конструкций не исследовались. Кроме того, закрепление сталеполимерных анкеров в обводненных скважинах затруднено, а повышение температуры в забое приводит к выгоранию закрепителя анкера и обрушению всей выработки. Опасны также выделяющиеся при химической реакции в момент закрепления анкеров токсичные вещества. Альтернативными закрепителями являются цементные смеси, содержащие добавки, улучшающие тиксо-тропию, регулирующие время схватывания и прочность [3,4].

Этим объясняется интенсивный поиск материала закрепителя на минеральной основе, позволяющий избежать указанных недостатков и разработать адаптивные к нему конструкции анкерного стержня. В связи с вышеизложенным, настоящая работа направлена на обоснование параметров и разработку анкерной крепи, использующей в качестве закрепляющих материалов новые расширяющиеся быстротвердеющие цементные составы.

Целью работы является разработка, и обоснование параметров анкерной крепи на основе минеральных закрепителей.

Идея работы заключается в использовании экологически безопасного способа анкерного крепления на базе минеральных закрепителей с расширяющимися цементами.

Задачи исследований:

— изучить изменения физико-механических свойств минеральных смесей и обосновать их состав, обеспечивающие необходимую несущую способность анкерной крепи;

— разработать новые конструкции несущих стержней;

— исследовать в лабораторных и шахтных условиях закономерности изменения силовых параметров анкерной крепи;

— разработать нормативные документы по применению анкерной крепи на минеральном закрепителе для горнодобывающих предприятий.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались анализ и обобщение результатов предыдущих исследований и практического применения анкерного крепления, экспериментальные испытания в лабораторных и шахтных условиях новых типов анкеров с минеральными закрепителями.

Научные положения, защищаемые автором.

1. Закрепление анкера в шпуре достигается применением закрепителя анкеров минерального патронированного (ЗАМП), изготовленного на основе расширяющейся смеси глиноземистого шлака, портландцемента, гипса и активатора твердения в виде кальцинированной соды, полученной совместным помолом до конечной удельной поверхности 5300−5600 см /г ;

2. Минимальное время установки анкера обеспечивается использованием арматурного анкерного стержня с заострением в виде 4-х угольной пирамиды с углом при вершине — 30°, разрушающего при поступательном движении и вращении нетканую оболочку ЗАМП;

3. Несущей способности анкера определяется временем предварительного затворения ЗАМП в воде, которая после его выдержки в шпуре 20 мин составляет 40−50 кН при смещениях 4,5−7,0 мм, и после 40 мин — 80 100 кН при смещении до 10 мм.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертации обоснована: достаточным объемом экспериментальных данных при исследовании физико-химических свойств минеральных смесей (360 опытов) — стендовыми испытаниями анкерной крепи в условиях нагруже-ния, соответствующих реальнымнатурными исследованиями несущей способности анкеров на минеральных закрепителях в шахтных условиях.

Личный вклад автора состоит в научном обобщении средств анкерного крепленияэкспериментальных исследованиях новых составов минерального закрепителяобосновании и разработке конструкции анкерного силового элементаразработке методик и проведении стендовых и натурных экспериментов при исследовании силовых и деформационных параметров анкерного крепленияобработке и интерпретации полученных данных.

Научная новизна:

— для условий длительной эксплуатации горных выработок обоснована анкерная крепь на основе использования в качестве материала минеральных закрепителей, состоящих из расширяющегося портландцемента, глиноземного шлака, гипса и активатора твердения для закрепления анкера в шпуре;

— разработана анкерная крепь, позволяющая обеспечить закрепление стержня минеральной смесью в скважине с минимальным временем установки;

— определена несущая способность анкера и установлено время за-творения ЗАМП в воде, влияющее на прочность закрепления анкера в шпуре.

Практическое значение работы. Результаты исследований позволяют обеспечить повышение надежности функционирования шахт и рудников, улучшение условий труда и снижение затрат на крепление и поддержание выработок в работоспособном состоянии. Выявлены и разработаны новые типы минеральных закрепителей и анкерных крепей.

Внедрение результатов и рекомендаций работы.

Научные результаты положены в основу нормативных документов: Технические условия на анкерные крепления АСМ-1 (ТУ 3142−147 210 319−2001) и АСМ-2 (ТУ 3142−002−47 210 319−2001) и закрепитель анкеров минеральный патронированный (ТУ 5738−02−284 635−2001). Разработаны новые типы анкеров с минеральными закрепителями, которые защищены авторскими свидетельствами и по результатам эксплуатационных испытаний в шахте рекомендованы межведомственной комиссией для применения на предприятиях угольной и горнорудной промышленности. В ЗАО «СибТрансУголь» создано производство по выпуску крепей типа АСМ и минерального патронированного закрепителя анкеров.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на технических советах в ЗАО «СибТрансУголь», ЗАО «Междуреченскуголь» (2000 — 2003 гг) — Международных конференциях «Динамика и прочность горных машин» (Новосибирск, 2001, 2003 гг.), «Неделя горняка» (Москва, 2003,2004 it).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 9 печатных работах, включая 5 патентов РФ.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 135 страницах машинописного текста, содержит 24 рисунка, 26 таблиц, список литературы из 92 наименований работ отечественных и зарубежных авторов и приложений.

Выводы.

1.Несущая способность анкерных крепей типа АСМ после начального времени ожидания твердения композиции в скважине t1axud =10 мин превышает 20 кНпосле выхода на предварительное нагружение и ожидание отвердения 1иожи6 =20 мин несущая способность анкерной крепи превышает 100 кН.

2. Время операций установки анкерной крепи не превышает заложенного в технологию проведение операций по креплению горной выработки и не сдерживает темпов проходки забоя, среднее время установки подхвата на трех анкерах составляет 16,6 мин, а на четырех — 20 мин.

3. Трудоемкость возведения крепи и санитарногигиенические условия соответствуют требованиям нормативных документов. Технологические операции по установке крепи легко осваиваются обслуживающим персоналом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой изложены научно обоснованные технические и технологические разработки, имеющие существенное значение для экономики, заключающиеся в креплении горных выработок на угольных шахтах и рудниках анкерами на минеральном закрепителе и обеспечивающие повышение надежности, улучшение условий труда и снижение затрат на крепление и содержание выработок.

1. Выполнен анализ применения анкерного крепления горных выработок на угольных шахтах, который показал, что в последние годы в мировой горной практике широкое распространение получили сталеполимер-ные анкеры с ампулами на основе полимерных смол. Доля выработок такими анкерными крепями на отдельных шахтах составляет 60−98% от общей протяженности. Эти крепи обладают рядом недостатков: прочность закрепляющей втулки сформированной в шахтных условиях начинает снижаться на 2-й год эксплуатациитермостойкость не превышает 300 350° Спожароопасность (полимерная втулка горюча) — токсичность. Использование анкерного крепления на основе минеральных закрепителей обеспечивает длительный срок службы горных выработок, в том числе в обводненных условиях, возможность закрепления без выделения токсичных веществ и способствует сохранности выработок в аварийных ситуациях при повышении температуры в выработках и в массиве горных пород.

2. Обоснована возможность использования для изготовления минерального закрепителя анкеров расширяющихся портландцементов заводов Сибирского региона: Красноярского, Топкинского, Горнозаводского и Ис-китимского. Установлено влияние глиноземного шлака на физико — механические свойства закрепителя. Наиболее высокие значения прочности (в 1,3 раза) и линейного расширения в начальный период обеспечивается использованием в составе смеси шлака с содержанием Si02< 8,5% и СаО < 43%.

3. Выполнен поиск многокомпозиционных материалов минеральных закрепителей и предложен опытным путем оптимальный состав, включающий 50−52% портландцемента, 30% глиноземного шлака, 16. 18% гипса и химические добавки. Лабораторными исследованиями установлено, что максимальная активизация твердения и расширения цементной смеси происходит при измельчении входящих компонентов до тонкости помола с удельной поверхностью 5300.5600 см2/г и содержании кальцинированной соды (Na2 С03) в пределах 1. .1,8%.

4. Обоснованы и предложены конструкции анкерных стержней из арматурных стержней, закрепленных в виде 4хугольной пирамиды, которые обеспечивают активное перемешивание компонентов закрепителя до однородного состава и равномерное плотное распределение его по всей длине закрепляемого участка скважины.

5. Стендовыми исследованиями в искусственной скважине установлены нагрузочные характеристики анкерной крепи, закрепленной минеральной смесью в нетканую водопроницаемую оболочку в виде патрона, который предварительно перед установкой в шпур затворяется в воде, время затворения определяет интенсивность набора несущей способности анкера, которая после его выдержки в шпуре 20 мин составляет 40−50 кН при смещениях 4,5−7 мм, и после 40 мин — 80−100 кН при смещении до 10 мм.

6. Шахтными экспериментами подтверждена рациональность упаковки минеральной смеси в виде патрона из нетканого водопроницаемого материала толщиной 0,4.0,5 мм с линейными размерами патрона: диаметр 23 мм и длина 350 мм. Установлено, что время операций установки анкера не превышает заложенное в технологию проведение и крепление горной выработки и не сдерживает темпов проходкитрудоемкость возведения крепи и санитарно-гигиенические условия соответствуют требованиям нормативных документов. Несущая способность анкерных крепей сопоставима со сталеполимерными. Технологическая схема установки анкерной крепи позволяет закреплять подхват (верхняк) на трех анкерах в течение 16,6 мин, а на четырех — 20 минут и рационально совмещать эти операции с другими работами в выработке.