Считается, что впервые анкеры для крепления горных выработок применили на рубеже XX и XXI веков в угольной шахте на территории современной Польши. Это были деревянные клинощелевые анкеры. С тех пор эта технология упрочнения массива горных пород и повышения их устойчивости постоянно совершенствуется. В частности, за рубежом довольно успешно находит применение анкерная крепь с предварительным натяжением.
Эксперимент по её внедрению провели специалисты Института экологической безопасности КузГТУ, и на форуме «Современные крепления горных выработок. Теория и практика» старший научный сотрудник института Константин Бубнов представил результаты проведённых опытов, а также размышления специалистов о дальнейшем развитии этого вида крепи.
Именно к зарубежному опыту обратились специалисты КузГТУ на старте своего исследования. Эта технология, по словам Константина Бубнова, активно используется в Польше, Австралии и Германии, и иностранные исследователи говорят, что предварительное натяжение ведёт к снижению трещиноватости горного массива.
Ряд источников даже приводят такие цифры: ширина трещин без предварительного натяжения составляет 3,9 мм, с ним — 2,3 мм. То есть наблюдается уменьшение трещиноватости в полтора раза. Изучив российскую нормативную документацию, специалисты института увидели, что действующая инструкция никоим образом не рассматривает данный вид крепи.
Теоретическая основа
В зарубежных шахтах применение находят два вида анкеров: гладкий и с луковицей. На конце анкера есть рыболовный крючок для удержания анкера в шпуре. Предварительное натяжение позволяет провести цанговый зажим. Между шайбой и цанговым зажимом присутствует специальная втулка, которая обеспечивает некоторую соосность даже тогда, когда анкер не находится строго перпендикулярно к кровле.
Само предварительное натяжение обеспечивает специальный натяжитель, который работает с приводом от гидравлического насоса.
Кроме того, иностранные горняки, реализуя такую технологию, используют либо цементирование, либо полное заполнение шпура полимерным материалом. Поскольку цементирование — процесс достаточно трудоёмкий, специалисты КузГТУ пошли по второму пути, выбрав смолы из присутствующих на российском рынке. Важно, что речь идёт о минеральных смолах, так как полиуретановые имеют свойство расширяться, а такой эффект ученым был не нужен.
Стендовые испытания
Перед тем как испытывать технологию в условиях реальной шахты, специалисты КузГТУ провели ряд экспериментов на поверхности. В разработке изначально было три направления. Перовое — так называемая самозабуривающаяся крепь, которая внутри имеет полости, куда подаётся смола. Заполнение шпура в этом случае идёт сверху вниз. В институте признали эту технологию эффективной, однако выбор остановили на другом варианте.
Второй эксперимент также подразумевал закачку смолы сверху вниз при использовании полимерной трубки. Этот эксперимент был признан неудачным, так как насос не смог подать смолу на необходимый уровень.
Результаты третьего эксперимента в целом всех устроили: шпур заполнялся смолой снизу вверх, потом внутрь шпура ставилась трубка для отвода воздуха. В этом направлении институт и стал двигаться дальше.
Для того чтобы провести стендовые испытания установки канатных анкеров с предварительным натяжением и закреплением анкера в шпуре полимерным материалов, в КузГТУ изготовили две имитации шурпа. В основу легли две трубы диаметром 35 и 27 мм: первая для того, чтобы разместить анкер с луковицей, а вторая имела стандартный размер для гладкого анкера. Но, как выяснилось, диаметр луковицы превышает 28 мм, то есть в шпур он не поместился, и диаметр металлической трубы пришлось увеличить.
«Что мы сделали? Мы установили в металлические трубы анкеры, там были трубки для отвода воздуха и подачи смолы, и начали закачивать смолу. После этого, выждав время на то, чтобы смола охладилась и затвердела (в нашем случае на это потребовалось 40 минут), мы провели оценку несущей способности анкеров с помощью действующих штанговыдёргивателей», — рассказал Константин Бубнов.
Опыт показал, что анкер с луковицей выдержал необходимую нагрузку в 24 тонны, а вот гладкий анкер на 16 тоннах начал вытягиваться из смолы. Поэтому этот анкер исследователи отбросили в сторону и в дальнейшем работали с анкером с луковицей.
Константин Бубнов уточнил, что на первом этапе он и его коллеги несколько упростили опыт, использовав гладкую металлическую трубу. Шпур определённо не будет обладать такими характеристиками: он в любом случае имеет трещиноватость, какие-то неровности. При повторном эксперименте анкер с луковицей вышел из трубы вместе со смолой. Но, что важно, он не вышел из смолы: луковица позволила ему прочно сцепиться с материалом.
Для дальнейших экспериментов металлическую трубу сделали неровной: постучали по ней, залили внутрь серную и соляную кислоту. После чего повторили опыт. Анкер выдержал, продемонстрировал необходимую несущую способность, но погнулась металлическая труба. Эксперимент был признан успешным. Следующим этапом стали испытания в реальной подземной горной выработке.
Испытания в шахте
«Каким образом происходит установка анкерной канатной крепи с предварительным натяжением? Бурится шпур 43 мм, устанавливается канатный анкер. С помощью рыболовного крючка анкер держится в шпуре. Затем устье шпура герметизируется специальным полимерным составом, причём нужно подождать 15 минут, чтобы он схватился.
Далее мы соединяем трубку для подачи полимерного состава с насосом, начинается закачка закрепляющего состава. Помимо этого, у нас есть отвод воздуховодной трубки, которую мы помещаем в ёмкость с водой, чтобы по пузырькам воздуха контролировать процесс закачки. Чтобы смола затвердела, необходимо выждать определённое время, по результатам стендовых испытаний мы определили его как 30 минут. И после этого производится натяжение анкера.
Для этого на хвост анкера мы устанавливаем шайбу, втулку и цанговый зажим. Надеваем натяжитель, а предварительно — цепочку для безопасности. Начинаем натяжение с помощью гидравлического насоса, а по показателям манометра отслеживаем необходимое усилие. После того, как канатный анкер натянут, натяжитель можно снимать», — объяснил Константин Бубнов, уточнив, что всего в одной из выработок шахты было установлено 100 анкеров на протяжении 100 м.
Специалист уточнил и усилия натяжения. Для первого анкера это было 300 бар, 11,4 тонны — такое давление применяют в зарубежных шахтах. Далее специалисты института снизили напряжение до 9,5 тонн, а для последующих анкеров применяли уже 7,6 тонн.
Результаты и рекомендации
«Технология новая, соответственно, она потребует и новой технологии оценки несущей способности. Для этого был разработан специальный переходник для натяжителя, который надевается на шайбу, и тут же к нему присоединяется сам натяжитель. Его мы предлагаем использовать и для натяжения анкеров, и для оценки несущей способности. Все те анкеры, которые мы проверяли, подтвердили свою несущую способность по инструкции. Данная технология оценки тоже прошла апробацию», — рассказал Константин Бубнов.
В процессе эксперимента специалисты КузГТУ также определили продолжительность операции: получилось, что на установку одного анкера уходит 56 минут. Большая часть времени уходила на герметизацию шпура и закачку смолы. А затем нужно было ещё ждать 30 минут, пока смола затвердеет.
«Теоретически мы просчитали, что для оптимизации процесса нужно сделать диаметр шпура 30 мм, а для этого необходимо предусмотреть конструкцию анкера с диаметром луковицы, размеры которого не выходят за эти параметры. Это позволит сократить время, правда, незначительно — на 5 минут», — комментирует вычисления Константин Бубнов.
Безусловно, 56 и даже 50 минут — это очень много, ведь на установку анкеров по стандартной технологии уходят считаные минуты. Поэтому специалисты института предлагают совмещать технологические процессы. Если сделать это и поставить процесс на поток, его удастся оптимизировать.
Также исследователи рекомендуют применять идентификаторы нагрузки для каждого анкера, которые смогут сигнализировать, что тот в данный момент находится в критической зоне.
«Проведённые испытания показали, что технология установки анкерной крепи с предварительным натяжением имеет место. Мы провели цикл испытаний, от стендовых до промышленных. Провели поверку несущей способности анкеров в лаборатории «ВостНИИ» и получили сертификат на данный тип анкера.
Кроме того, мы апробировали оценку несущей способности и наметили те направления, в которых в дальнейшем надо двигаться: это уменьшение диаметра луковиц и совмещение процессов при установке анкеров. Но требуется разработка методики в рамках одной компании или Кузбасса, чтобы в дальнейшем опробовать её на предприятиях России.
Зарубежные авторы утверждают, что можно уменьшить длину анкера на 30% при сохранении показателей безопасности. Это подтверждает и наш анализ. Соответственно, есть дальнейшее направление оптимизации. Данную технологию мы рекомендуем для широкого использования», — резюмировал Константин Бубнов.
По материалам Института экологической и промышленной безопасности КузГТУ
Спасибо!
Теперь редакторы в курсе.