30.12.2020

Анкерная крепь


Анкерную крепь применяют в практике горнодобывающей промышленности и подземном строительстве с начала XX века.

Анкерная крепь, являясь прогрессивной и экономически выгодной для крепления подземных сооружений, применяется в широком диапазоне горнотехнических условий. Она относится к крепям бесподпорного типа и по сравнению с обычными подпорными конструкциями имеет следующие преимущества:

- повышает безопасность ведения горных работ, так как лучше любой другой крепи противостоит взрывным работам и может устанавливаться в забое как временная;

- обладает потенциальными возможностями для полной механизации процесса крепления;

- требует меньшего расхода крепежных материалов и меньших затрат на их доставку;

- позволяет уменьшить сечение горной выработки на 18—25%, и ее аэродинамическое сопротивление (по сравнению с рамной крепью).

С точки зрения условий применения и принципа взаимодействия крепи с массивом можно выделить три основные схемы анкерования (рис. 2.11).

Первая схема (метод «сшивки»), наиболее распространенная, заключается в следующем (рис. 2.11,а). Слоистые породы, скрепленные анкерами, работают до появления трещин как единая балка, сопротивление изгибу которой выше, чем суммарное сопротивление отдельных нескрепленных слоев. После появления трещин анкеры способствуют образованию породных блоков большой высоты, которые заклиниваются между собой и не обрушаются в выработку.

При второй схеме (методе «подшивки») (рис. 2.11,б) разрушенные породы в кровле выработки (слабые породы непосредственной кровли) подвешиваются анкерами к ненарушенным породам за пределами свода обрушения (к прочным породам основной кровли). При этом анкеры должны выдерживать вес пород в своде обрушения или всей пачки пород непосредственной кровли.

Третью схему анкеровання применяют в крепких трещиноватых породах, когда крепь выполняет роль ограждающей конструкции, предохраняющей выработку от отдельных случайных вывалов (рис. 2.11, в).

Анкерную крепь применяют в качестве постоянной и временной конструкции, в самостоятельном виде и в сочетании с традиционными подпорными металлическими и бетонными (в том числе с набрызгбетонными) крепями. Иногда анкерный болт используют для вспомогательных целей: к нему подвешивают конвейеры, монорельсовые дорожки, различные трубопроводы или кабели.

Исследованиями установлено, что в самостоятельном виде анкерную крепь можно применять при креплении подземных сооружений, размещенных в слабообводненных достаточно монолитных породах, вне зоны геологических нарушений при смещениях пород кровли не более 100 мм.

Считают также, что предельно возможная относительная деформация кровли горной выработки, закрепленной анкерами, не должна превышать 2%. Сверх этой величины кровли обычно обрушаются.

При смещениях кровли выработок 50—100 мм и более анкерную крепь используют в комбинации с поддерживающими крепями. Упрочняя массив горных пород, вмещающий выработку анкерная крепь существенно уменьшает смещения породного контура, позволяет облегчить и удешевить конструкцию основной поддерживающей крепи и повысить надежность эксплуатационного состояния подземного сооружения. Так, в сочетании с рамной крепью анкерная позволяет уменьшить в 1,5—2 раза плотность установки рам.

Условия работы анкерного болта в скважине и, следовательно, характер его взаимодействия с массивом горных пород зависят от способа его закрепления. Так, анкер можно закреплять в одной точке в забое скважины жестко (железобетонный или полимерный замок) или создавать возможность проскальзывания замка в шпуре (металлический распорный анкер).

Применяют конструкции железобетонных и армополимерных анкеров, которые закрепляют по всей длине скважины, жестко связывая породный массив.

Выбор конструкции анкерного болта и способа его крепления зависит от горнотехнических условий работы анкерной крепи.

При сшивке расслаивающихся и подшивке к массиву обрушающихся пород зоны неупругих деформаций эффект анкерования зависит от степени стяжки породных слоев анкерами и способности последних воспринять развивающиеся смещения. Эти смещения по длине анкера различны: в замковой части они минимальны, а по мере приближения к контуру выработки, за счет разрыхления пород в процессе их неупругого деформирования и разрушения, они увеличиваются и становятся максимальными, у контура.

Анкерная крепь снижает разницу смещений между различными точками зоны неупругих деформаций, однако полностью устранить ее не может. При рассмотренной схеме процесса анкер, жестко закрепленный по всей длине, не обеспечивает передачу усилия натяжения на все слои пород, а в процессе работы может быть разорван и потеряет несущую способность.

В этом случае целесообразно применять анкеры с точечным закреплением, способные воспринимать различные смещения пород по всей длине за счет проскальзывания замка в скважине (металлические распорные анкеры) или за счет специальной конструктивной податливости. Анкерная крепь будет работать в оптимальном режиме, если рабочая характеристика анкера (зависимость перемещения конца анкера от выдергивающего усилия) будет соответствовать геотехническим параметрам деформирования пород.

При подшивке слабых пород непосредственной кровли к прочным породам основной и при третьей схеме айкерования, когда анкерная крепь выполняет роль ограждающей конструкции или усиливающих и упрочняющих элементов с набрызгбетонным покрытием, разность смещении, воспринимаемых анкерами по его длине, незначительна. В этих случаях можно применять анкеры и с жестким закреплением, как точечным, так и по всей длине. Необходимую податливость системы «порода — анкерный болт» позволяют обеспечить существующие конструкции опорных плит н шайб.

Иногда при креплении выработок трапециевидной формы, размещенных в слоистых горизонтально-залегающих породах конечной целью упрочнения массива является создание породных балок повышенной толщины и, следовательно, обладающих большим моментом сопротивления. В этом случае целесообразно закреплять анкеры по всей длине скважины.

Основными параметрами анкерной крепи являются длина анкеров, плотность их установки и величина натяжения. В настоящее время известно несколько методов расчета указанных параметров, отличающихся друг от друга гипотезами, положенными в основу механизма работы анкерной крепи.

Все известные методики в той или иной степени идеализируют механизм работы заанкерованной толщи пород, а входящие в эти расчеты характеристики физико-механических свойств массива горных пород определяются весьма приближенно. Поэтому этими методиками можно пользоваться только для ориентировочных расчетов, а полученные при этом параметры должны уточняться экспериментальным путем в процессе строительства и эксплуатации горной выработки. Это предусматривают существующие инструкции по применению анкерных крепей.

Экспериментальным путем установлено, что для различных горно-геологических условий выработок Донбасса длина анкеров не превышает 2—2,5 м, а натяжение должно быть в пределах 30—40 кН. Плотность установки анкеров определяется из условия 0,5—1,2 м2 площади поверхности выработки на один анкер.

В настоящее время в мире ежегодно используется 55—65 млн. анкеров различного типа. В отечественной угольной промышленности наиболее широкое распространение анкерная крепь получила в Кузбассе.

В горных выработках наибольшее распространение получили клинощелевые и распорные анкеры. Их доля в общем объеме анкерной крепи составляет 75—80%.

Клинощелевые анкеры применяют в породах крепких и средней крепости. Они состоят из стержня, на одном конце которого имеется прорезь под клин, а на другом — резьба под гайку. Клинощелевые анкеры, как правило, не извлекаемы, за исключением разъемных анкеров, у которых стержень отвинчивается и извлекается, а замок остается в шпуре. Широкое распространение клинощелевых анкеров обусловили простота конструкции и технологичность установки. К недостаткам их относится необходимость бурения шпуров строго установленной длины и диаметра.

Более совершенны анкеры распорного типа, которые подразделяются на распорноклиновые и распорноконусные (рис. 2.12). К распорноклиновым относятся анкеры ЭС-1 (Эстонсланца), ШК-1 (ВНИИгидроугля), АК-8 (КузНИУИ) и АД-1 (ДонУГИ); к распорноконусным — анкеры, выпускаемые, например, американской фирмой «Паттен».

Анкеры АК-8, ШК-1 и ЭС-1 состоят из стержня, на одном конце которого имеется плоский клин, а на другом — резьба под натяжную гайку, и двух полугильз. Клин анкера АК-8 имеет ограничитель движения полугильз, которые связаны между собой монтажной проволочной скобой.

Анкер конструкции ДонУГИ состоит из двух взаимозаменяемых клиньев (к одному из них приварена гайка для навинчивания на анкер), стержня и натяжной гайки. Один конец анкера снабжен квадратной головкой, за которую можно удержать стержень от скручивания при затяжке. За эту же головку вывинчивают анкер из замка при его извлечении.

Анкер фирмы «Паттен» (США) имеет распорный конус, который вставляется между двумя полугильзами и навинчивается вместе с ними на стержень. Обе половины гильзы схвачены пружинным хомутом. Распорный конус и гильзы создают постоянный распор замка между стенками шпура. Анкеры этого типа извлекаемы. Отечественными инструкциями при установке анкеров предусматривается натяжение в 30—40 кН для предупреждения расслоения пород и уменьшения их смещения в выработку. Некоторые зарубежные исследователи рекомендуют доводить натяжение до 50—60 кН. Все рассмотренные конструкции анкеров обеспечивают при установке необходимое начальное натяжение. В процессе смещения массива горных пород в выработку нагрузка на анкер увеличивается в зависимости от прочности пород до 80—120 кН, что оказывается достаточным для обеспечения надежной работы анкерной крепи. При этом в отдельных случаях проскальзывание металлического замка анкера в скважине достигает 80—140 мм.

Широко распространены в горнорудной промышленности, а особенно в практике строительства подземных сооружений, железобетонные анкеры. Представляя собой сочетание цементно-песчаного раствора и стальной арматуры, железобетонные анкеры отличаются высокой прочностью закрепления, хорошо воспринимают сдвигающие и растягивающие нагрузки, просты в изготовлении и дешевы. В качестве арматуры в этих анкерах чаще всего применяется сталь периодического профиля диаметром 16—24 мм, реже — канаты. В качестве заполнителя — раствор в виде мелкозернистой песчаной бетонной смеси, приготовленной на портландцементе марки 400—600. В условиях, когда необходимо включение в работу анкеров сразу после их установки, используют глиноземистый цемент. Такой раствор позволяет получить прочность закрепления анкера, достаточную для восприятия нагрузки 60—80 кН через 4—6 ч.

Несущая способность железобетонных анкеров в зависимости от их длины достигает 100—170 кН. Установлено, что нарушение несущей способности железобетонных анкеров в результате потери сцепления между бетоном и арматурой полностью не выводит их из работы, так как со временем связь частично восстанавливается.

В последние годы начинает находить применение армополимерная анкерная крепь. В этой конструкции бетон заменяется различными быстротвердеющими смолами или другими химическими составами. Такой анкер конструкции ИГД им. А.А. Скочинского состоит из штанги, изготовленной из арматурной стали с концом, раздвоенным в виде «ласточкиного хвоста», и ампулы с быстротвердеющим составом, изготовленным на основе песка и синтетической смолы. Уплотнительное резиновое кольцо предохраняет раствор от вытекания в процессе его твердения. Заканчивается анкер опорной плитой и натяжной гайкой В скважину вводится ампула, а затем анкер, который, вращаясь погружается в ампулу, перемешивая ее компоненты.

Анкеры, закрепленные по всей длине скважины, существенно повышают устойчивость породного массива. Такие анкеры (железобетонные или полимерные) скрепляют между собой отдельные разрушенные блоки породы. Ограничивая свободу их перемещении, анкеры снижают вероятность взаимного проскальзывания блоков и возможность их вывалов.

В качестве временной и ограждающей крепи иногда находят применение деревянные анкеры, представляющие собой круглый стержень диаметром 40—70 мм с торцевыми продольными щелями на обоих концах, предназначенными для введения деревянных клиньев. Щели располагаются во взаимно перпендикулярных направлениях. Элементы деревянного анкера целесообразно изготавливать из упрочненной прессованной или пластифицированной древесины. Испытания деревянных анкеров на прочность закрепления в скважинах показали, что несущая способность зависит от качества древесины и типа пород, достигая 8—12 кН.

Передача усилия от анкера на породную поверхность осуществляется с помощью специальных опорных плит. Плоскость опорной плиты должна быть перпендикулярна к оси анкера.

При наличии слабых, трещиноватых пород анкеры устанавливают с подхватами и затяжкой. Подхваты, как правило, применяют металлические, а при сроке службы горной выработки до двух лет могут быть деревянными. В качестве затяжки с анкерами используют металлическую сетку, стекловолокно, дерево и другой материал. Металлическую сетку целесообразно применять в сочетании с набрызгбетонным покрытием.

Применение анкерной крепи в самостоятельном виде в слабых глинистых, сыпучих и плывучих породах, а также в зонах геологических нарушений, сильно перемятых или обводненных пород не допускается.

Надежность работы анкерной крепи во многом зависит от качества ее установки, контроля за натяжением анкеров в процессе эксплуатации и состояния породного контура. Анкеры следует устанавливать вслед за подвиганием забоя выработки с минимальным отставанием.

Контроль за натяжением анкеров необходим в процессе их установки и перед взрывными работами. Кроме того, периодически (один раз в 1,5—2 мес) проверяют состояние анкеров и породного обнажения выработки.

Натяжение анкеров в процессе установки контролируется с помощью динамометрических ключей или шайб Гровера.

Контроль прочности закрепления анкеров в скважине производится механическими и гидравлическими приборами (ПКА, ПА-3, УВГ-15/5), выпускаемыми серийно. Эти приборы создают тяговые усилия 150—250 кН, просты и надежны в эксплуатации Возведение анкерной крепи включает, процессы бурения скважины, установку штанги с замком и закрепление замка. В последнем случае необходимо завинтить ганку, прилагая к ней крутящий момент, равный 250—300 кН*м. Наиболее трудоемок процесс бурения скважин.

В зависимости от прочности пород скважины бурят ручными пневмо- или электросверлами (по породам прочностью не более 30 МПа), а также колонковыми электросверлами или бурильными молотками (по породам свыше 30 МПа), укрепленными на различных переносных колонках, самоходных тележках и манипуляторах проходческих машин. При этом следует иметь в виду, что бурение скважин под анкеры в слабых породах производят без промывки, так как смачивание породы резко снижает несущую способность анкерной крепи. Поэтому буровые механизмы должны быть снабжены средствами сухого пылеулавливания.





Яндекс.Метрика