05.01.2021

Конструкции крепи, использующих несущую способность заинъектированного массива


Исходя из обоснованной выше геомеханики в отраслевой лаборатории подземных сооружений МакИСИ разработаны два базовых способа крепления выработок, максимально использующих несущую способность заинъектированного массива.

Первый способ крепления выработок показан на рис. 3.23. При отходе забоя выработки на одну заходку на породную поверхность по ее периметру наносится покрытие в виде эластичной пленки 1, выполняющей ограждающие функции временной крепи и изолирующего покрытия при нагнетании скрепляющего раствора. Такое покрытие способно смещаться вместе с породным контуром без нарушения сплошности. При необходимости дополнительно устанавливаются податливые металлические арки 2, выполняющие несущие функции временной крепи. За зоной интенсивных смещений производят нагнетание скрепляющего раствора через инъекторы 4 в разрушенные и разгруженные от напряжений породы приконтурной зоны. Вытекание раствора в выработку при его нагнетании предотвращает изолирующая эластичная оболочка. После затвердевания раствора арки демонтируются и постоянная крепь представляет собой оболочку затампонированных пород 3, покрытых эластичной пленкой. Породобетонная оболочка воспринимает нагрузки со стороны массива и выполняет несущие функции, а синтетическое покрытие предохраняет породы от выветривания.

Второй способ крепления выработок показан на рис. 3.24. Выработку проводят под защитой щита-опалубки 1, который дает возможность породам смещаться в процессе деформирования и предохраняет выработку от их обрушения. Щит состоит из секций шириной, кратной величине заходки, которые наращиваются по мере подвигания забоя. Каждая секция представляет собой тонкостенную оболочку из листового железа с ребрами жесткости. По периметру секции предусмотрены отверстия, через которые бурят тампонажные скважины и вставляют инъекторы.

С целью обеспечения устойчивости и облегчения щита-опалубки, а также предотвращения больших вывалов породы могут быть применены анкеры-инъекторы 3. Они устанавливаются при проведении выработки и выполняют функции анкерной крепи, к которой подвешивают секции щиты-опалубки. За зоной интенсивных смещений (через 20—30 сут) производят нагнетание скрепляющего раствора в приконтурный массив через анкеры-инъекторы. В процессе заполнения трещин раствор вытекает в свободное пространство между породной поверхностью и щитом опалубкой и заполняет его, образуя вторую облицовочно-несущую оболочку 2. После того как раствор за опалубкой затвердеет, секции щита демонтируют и перемещают к забою выработки по монорельсу, подвешенному к своду щита-опалубки. Рассмотренные выше два базовых способа крепления выработок являются принципиальными конструктивно-технологическими решениями, из которых вытекают различные модификации крепей, использующих несущую способность заинъектированного массива. Они позволяют: уменьшить площадь сечения выработки в проходке, устранить чеканку швов и трещин в крепи или торкретирование ее поверхности, уменьшить расход тампонажного раствора за счет ликвидации пустот закрепного пространства, предохранить породы от выветривания.

Реализация первого способа крепления связана с разработкой эластичного покрытия, которое исходя из геомеханических и технологических соображений должно удовлетворять следующим требованиям: быть низкомодульным и деформироваться вместе с породным контуром без разрушения; хорошо работать на растяжение, выдерживая массу зависших на нем породных вывалов; иметь достаточную адгезию к горным породам; обеспечивать герметичность при выполнении инъекционных работ; обладать огнестойкостью.

Исходя из условий работы покрытия в тяжелых горно-геологических условиях оно должно иметь прочность на растяжение 10—15 МПа, адгезию не менее 1,5—2 МПа.

Из технологических соображений время нанесения покрытия толщиной 5—20 мм на поверхность площадью 10—20 м2 не должно превышать 1,5—2 ч. Покрытие наносится методом набрызга и набирает прочность в течение 2—3 ч при температуре 10—25 °С. Стоимость 1 м2 покрытия не должна превышать 5 руб. Исходные компоненты для его изготовления не должны быть дефицитными.

Из покрытий, применяемых в горной промышленности, наибольшее распространение получил набрызгбетон. Однако низкие деформативные свойства этого материала позволяют применять его при относительных смещениях контура u/a<0,014. Поэтому с целью расширения области применения набрызгбетона его комбинируют с металлической сеткой и анкерами. Универсальный материал для покрытия, отвечающий всем необходимым требованиям, может быть создан только с помощью химии полимеров.

Анализ синтетических покрытий, применяющихся в отечественной промышленности, свидетельствует, что на данном этапе ни одно из них не отвечает всем сформулированным выше требованиям. Из рассмотренных химических соединений следует отметить полиуретан и латекс, на базе которых может быть создано необходимое покрытие.

С целью выбора материала для покрытия, отвечающего перечисленным требованиям, были проанализированы свойства ряда полимерных составов (табл. 3.13). Как видно из данных, приведенных в табл. 3.13, в наибольшей степени требованиям, предъявляемым к покрытиям, отвечают составы на основе эпоксидной смолы, полиуретана и латекса. Исходя из этого были разработаны три состава, которые исследовались в лабораторных условиях с целью выяснения специальных эксплуатационных и технологических характеристик: адгезии к сухой и влажной породам, скорости схватывания и набора прочности, возможности нанесения покрытия на вертикальные стенки и кровлю.

Лабораторные исследования показали, что все отобранные составы удовлетворяют условиям работы полимерной оболочки. Однако, ввиду ряда существенных технологических недостатков эпоксидных композиций (многокомпонентность, токсичность отвердителя, пожаро- и взрывоопасность в процессе приготовления, техническая сложность приготовления и нанесения, высокая стоимость эпоксидных смол), для испытаний в шахтных условиях были отобраны латексные и полиуретановые составы, приведенные в табл. 3.14.

В процессе испытаний опробовались различные способы нанесения покрытий на породные обнажения. Оказалось, что композиции на основе латекса (композиции № 1 и № 2) после введения расчетного количества наполнителя не удалось нанести, вследствие оплывания покрытия с вертикальных поверхностей и сводов. Вручную было нанесено покрытие со значительным увеличением наполнителя (до 200% массы полимера). Это привело к значительному ухудшению адгезии, прочности при растяжении, налипаемости таких составов.

Наиболее перспективным оказался состав на основе полиуретана: он обладает наиболее высокой адгезией, прочностью и позволяет получать достаточно равномерное и сплошное покрытие методом набрызга.

На следующем этапе в качестве основы для создания изолирующе-ограждающей оболочки был использован пенополиуретан марки ППУ-13Н, имеющий состав (в массовых долях): компонент А — полиэфир П-509 — 100, трихлорэтилфосфат — 30—40, триэтиламин — 3—4, эмульгатор — 0,5, вода 1—3; компонент В — полиизоцианат или кодицин. Дозировка компонентов А:B= 1:1,5. Однако при нанесении такого состава получалось пористое покрытие, имеющее недостаточную герметичность и механическую прочность, что не позволяло использовать его в качестве изолирующе-ограждающего элемента крепи.

В результате лабораторных и шахтных экспериментов был скорректирован состав полиуретана, позволивший получить покрытие, отличающееся большей эластичностью, плотностью, огнестойкостью и меньшим временем твердения. По сравнению с базовым в подобранном составе отсутствует вода (вспениватель), увеличено содержание катализатора (до 4—5 массовых долей) и пластификатора (до 500 массовых долей), добавлен фосполиол для повышения огнестойкости, изменена дозировка компонентов А:В = 1,5:1.

Экспериментальный образец породобетоиной крепи с изолирующе-ограждающей оболочкой из отработанного полиуретанового состава прошел испытания на шахте «Шахтерская-Глубокая». Опытный участок был организован в воздухоподающем квершлаге площадью сечения в свету 11,2 м2. По проекту выработка крепилась арочной металлической крепью и железобетонными затяжками. Плотность крепи — две рамы на 1 м выработки. Вмещающие породы представлены песчаниками и песчано-глинистыми сланцами средней устойчивости. Средняя прочность пород при одноосном сжатии в месте заложения экспериментального участка равнялась 70—80 МПа. Глубина расположения выработки 1278 м. Параметр уН/R=0,40—0,45.

Процесс возведения крепи начинался с подготовки участка для нанесения полиуретанового покрытия. После проведения буровзрывных работ обиралась отслоившаяся порода и породный контур обдувался струей сжатого воздуха. Параллельно подготавливалось и настраивалось оборудование для приготовления материалов и нанесения покрытия набрызгом.

Полиуретан наносился пистолетом с помощью машины МНШ-3 конструкции ДонУГИ, которую обслуживало два человека. Толщина одного слоя покрытия равнялась 3 мм. Состав вспенивался и затвердевал в течение 3 мин. Покрытие толщиной 0,7—1 см (два-три слоя) и площадью 1 м2 образовывалось за 3—5 мин. Вначале с проходческого полка обрабатывалась кровля выработки, а затем — бока. После каждого кратковременного перерыва в напылении выполнялась промывка пистолета. Время нанесения полиуретанового покрытия на одну заходку (20 м2 породной поверхности) составило 1,5—2 ч. После этого с шагом 1 м устанавливались металлические податливые арки, выполнявшие несущие функции временной крепи.

Через 30 сут с момента проведения выработки на экспериментальном участке производилось упрочнение пород приконтурной зоны цементным раствором состава В:Ц=1:1, который закачивался насосом НГР-250/50 под давлением до 0,5—0,7 МПа в шпуры длиной 1,6 м, оборудованные кондукторами.

После набора раствором прочности верхняки арок были опущены так, что между ними и кровлей образовался зазор 10—15 см (учитывая экспериментальный характер работ, арки полностью не снимали). Таким образом, экспериментальная крепь представляла собой оболочку заинъектированных пород толщиной до 1,5 м, покрытую слоем полиуретана толщиной 0,7—1 см.

Инструментальные наблюдения показали, что смещения контура на экспериментальном участке не выходят за пределы упругоползучих деформаций. В течение нескольких лет выработка находится в нормальном эксплуатационном состоянии.

Анализ результатов эксперимента показал, что в подобных горно-геологических условиях крепь, состоящая из оболочки упрочненных пород и ограждающе-изолирующего покрытия, из полиуретана, является работоспособной конструкцией, обеспечивающей устойчивость выработки.

Полиуретановое покрытие отличается эластичностью и стойкостью к ударным нагрузкам, изолирует породное обнажение от выветривания, предохраняет выработку от выпадания небольших кусков породы (выполняет ограждающие функции) и предотвращает попадание в нее раствора при ведении инъекционных работ. Прочностные свойства испытанного состава полиуретана не позволяют использовать его для ограждающего покрытия в условиях, где возможны вывалы больших размеров.

Процесс нанесения полиуретанового покрытия достаточно технологичен, однако при напылении полиуретана выделяются токсичные вещества, что требует при выполнении этих работ применения индивидуальных средств защиты.

Возможности применения полиуретана в шахтах ограничивают требования противопожарных и санитарно-гигиенических норм. Так, в обычном виде полиуретан поддерживает горение при температуре 250—300 °С, а при добавлении в него специальных добавок (например, фосполиола) только обугливается. И при горении, и при обугливании выделяет токсичные вещества.

Стоимость 1 м2 полиуретанового покрытия на полиизоцианатной основе составляет 20—25 руб., а на кондициновой основе — 5 руб.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что ограждающе-изолирующее покрытие для крепления горных выработок на основе полиуретана может быть получено после соответствующей доработки его состава в направлении улучшения механических свойств и удовлетворения требованиям противопожарных и санитарно-гигиенических норм. Необходимо также создавать другие синтетические материалы, специально предназначенные для изолирующих и ограждающих покрытий породных обнажений.

По второму способу крепь из упрочненных пород и облицовочной оболочки из инъекционного раствора возводится с помощью щита-опалубки, который на первом этапе выполняет функции временной крепи, а на втором является опалубкой, формующей облицовочную оболочку и предохраняющей выработку от попадания в нее инъекционного раствора (см. рис. 3.24). Для выполнения вышеуказанных функций конструкция щита-опалубки должна отвечать следующим основным требованиям:

- быть герметичной;

- обеспечивать возможность смещаться породному контуру не менее чем на 200 мм;

- иметь несущую способность, обеспечивающую поддержание выработки в течение 30 сут с момента проведения;

- быть технологичной, многократно используемой и не мешать другим процессам проходческого цикла.

Анализ существующих инвентарных и передвижных опалубок показал, что в наибольшей степени отвечает перечисленным выше требованиям опалубка ОМП-1 конструкции КузНИИшахтостроя (рис. 3.25). Опалубка ОМП-1 состоит из ряда секций (от 5 до 20) и механизма перестановки. Каждая секция включает в себя сводчатую 6, бортовые 7 и откидные 8 части. Секция имеет фундаментные подставки 9. Каждая секция длиной 1 м изготавливается из двух арок из CB11-17, к которым приварено по внешнему периметру листовое железо с ребрами жесткости из уголков. К сводчатым секциям приваривается балка 5 из двутавра, служащая монорельсом, по которому в процессе передвижки секций перемещается механизм перестановки. В данном случае механизм перестановки представляет собой самоходную тележку, состоящую из двух консольных кареток 2, домкрата 1 с подъемной площадкой, лебедки 3 и пульта управления 4 (см. рис. 3.25). В зависимости от размера секций их масса составляет 500—1700 кг.
Конструкции крепи, использующих несущую способность заинъектированного массива

Опалубка перестанавливается следующим образом. После перемещения тележки под демонтируемую секцию выдвигается подъемная площадка домкрата, снимаются крепежные детали, извлекаются фундаментные блоки, боковые и откидные части секций поворачиваются в транспортное положение. После этого секция опускается на тележку и переносится в забой выработки, где она устанавливается и крепится к ближайшей к забою секции.

Имеется опыт перестановки секций с помощью специально переоборудованных для этой цели породопогрузочных машин как на рельсовом (ППМ-4), таки на гусеничном ходу (1ПНБ-2). В этом случае перестановщик при ведении взрывных работ можно отогнать на безопасное расстояние. Помимо этого, отпадает необходимость в столь тщательной центровке секций, на которую обычно уходит до 40% времени, затрачиваемого на перестановку секций. Однако в этом случае в среднем почти в 2 раза возрастает время на передвижку каждой секции; в выработке появляется лишняя единица оборудования, которая мешает нормальной работе транспорта.

Использование опалубки ОМП-1 для возведения породобетонной крепи следует считать временным решением в практической реализации данного варианта, поскольку ее конструкция не в полной мере отвечает требованиям, предъявляемым к щиту-опалубке, и имеет ряд недостатков:

- секции крепи металлоемки, конструкция опалубки в целом является жесткой и не имеет контакта с породным контуром. Поэтому использование опалубки в качестве временной крепи возможно, лишь при проведении выработки в устойчивых породах, где она будет играть роль ограждающей конструкции;

- секции опалубки соединяются между собой при помощи 12 болтов. В процессе ведения буровзрывных работ, через несколько месяцев, секции соединяются уже не 12 болтами, а тремя-четырьмя. Это приводит к тому, что между секциями появляются зазоры до 4—5 см. Такие зазоры не являются помехой при выполнении бетонных работ, но при работе с песчано-цементным раствором, применяемым для инъекционного упрочнения вмещающего массива, опалубка с такими зазорами не сможет предотвратить его вытекание в выработку;

- передвижчик секций, перемещаясь по двутавровой балке, требует идеального направления при проведении выработки. В противном случае эксплуатация передвижчика затрудняется, так как при перемещении он заклинивается и часто срывается с направляющей балки. Этим объясняется достаточно большая трудоемкость передвижки и установки секций опалубки.

С учетом недостатков опалубки ОМП-1 и других инвентарных и передвижных опалубок МакИСИ разработана опытная конструкция инвентарного щита-опалубки на базе металлических арок и затяжек.

Щит-опалубка состоит из типовой арочной крепи (спецпрофиль или двутавр) и металлической затяжки, соединяемой с арками посредством монтажных вырезов (рис. 3.26) на ребре жесткости (уголок № 5). При этом несколько изменена конструкция узлов податливой арки из СВП и увеличена длина меж-рамных стяжек.

Для обеспечения гладкого внешнего контура замковой части арочной крепи спецпрофиля в днище профиля верхняка и стойки прорезаны овальные отверстия, которые совмещаются при установке крепи и соединяются хомутом (рис. 3.27). Межрамные стяжки навешивают при помощи болтов, устанавливаемых в днище СВП (рис. 3.28).

В случае, когда арка выполнена из двутавровой балки, применяется конструкция крепи типа КДАУ или АЖ. При этом предпочтительно применение крепи типа АЖ из двутавра № 14 или 16. Податливость крепи осуществляется путем смятия деревянных брусков, установленных под стойки арки.

Арки перекрываются металлическими затяжками из листовой стали толщиной 3 мм. При расчете затяжки исходили из того, чтобы она по прочности и жесткости была эквивалентна используемой в настоящее время железобетонной затяжке.

Металлическая затяжка делится на три вида: щит, рядовая затяжка и затяжка под инъектор.

Щит (рис. 3.29, а) представляет собой металлический лист размером 1100х1000 мм с приваренным ребром жесткости, устанавливаемый в боках выработки на почву на прямолинейном участке арки. На щиты в дальнейшем собираются остальные затяжки. Масса одного щита 29 кг.

Рядовая затяжка (рис. 3.29, б) состоит из листа размером 1100х300 мм с приваренными к нему ребром жесткости и фиксаторами. Масса одной затяжки 11,1 кг. Затяжка под инъектор отличается от рядовой наличием отверстия.

Герметичность опалубки достигается установкой затяжки внахлестку как но периметру, так и по длине выработки.

Для установки затяжек друг на друга при сборке опалубки в нижней части затяжки приваривается по два фиксатора, выполненных из той же листовой стали толщиной 3 мм и размером 30х75 мм.

Для обеспечения прочности и жесткости к металлическому листу необходимо приваривать ребра жесткости из уголка равнобокого № 5 с толщиной полки 5 мм. В зависимости от того, на базе какой арки (из СВП или двутавра) собирается щит-опалубка, применяются ребра жесткости разной длины и с монтажными вырезами разной величины.

Описанная конструкция двух вариантов щита-опалубки (на базе арок из спецпрофиля и двутавра) испытывалась на шахте «Шахтерская-Глубокая» (воздухоподающий квершлаг).

Технология возведения обеих конструкций была практически одинакова. После установки арок с обеих сторон на почву устанавливались металлические щиты. Затем в направлении снизу вверх арка перекрывалась металлическими затяжками. В каждой секции было установлено по три затяжки с отверстиями для установки кондукторов (две затяжки по бокам и одна в кровле выработки). Установка рамы щита-опалубки ни по времени, ни по трудоемкости не отличается от установки обычной металлической арки. Проведенный хронометраж показал, что установка межрамных ограждений из металлической затяжки звеном проходчиков в составе 5 чел. занимает 30—35 мин рабочего времени. Трудоемкость такой работы составляет 2,5—3 чел/ч. Это меньше, чем при установке железобетонных затяжек. Сразу же после установки щита-опалубки затяжки плотно прилегали друг к другу, видимых зазоров между ними не было. Если сравнивать трудоемкость возведения испытываемых двух вариантов щита-опалубки, то можно отметить, что установка двутавровых арок более трудоемка, чем арок из спецпрофиля (примерно в 1,5 раза).

Щит-опалубка устанавливалась непосредственно в забое выработки. В результате не совсем качественного ведения буровзрывных работ, а также из-за того, что выработка проводилась по относительно крепким породам, при ведении взрывных работ имели место значительный разлет породных кусков и разрушение крепи. Приходилось повторно устанавливать 25—30% затяжек. В конечном счете трудоемкость возведения щита-опалубки возросла, но не превысила трудоемкость установки арок с железобетонными затяжками в этих же условиях.

Многократная установка металлических затяжек щита-опалубки, их ремонт (хотя и небольшой) привели к тому, что герметичность щита нарушилась, появились многочисленные щели, особенно большие в местах соединения затяжек с арками. В результате этого перед производством тампонажных работ появилась необходимость выполнения пикотажных работ. Однако объем этих работ был в 3—4 раза меньше, чем на участке выработки с железобетонными затяжками.

Результаты шахтных испытаний показали, что инвентарный щит-опалубка из металлических арок и затяжек технологичен в установке, может выполнять функции временной крепи и опалубки, обеспечивающей изоляцию выработки при ведении инъекционных работ. Однако, учитывая недостаточную устойчивость этой конструкции при взрывных работах и возможные при этом переборы (повышается расход тампонажного раствора), рекомендуется ограничить область ее применения выработками, проводимыми комбайнами.

Дальнейшая реализация рассмотренных выше двух способов крепления возможна по двум направлениям. Первое предполагает проведение комплекса научно-исследовательских и конструкторских работ по созданию покрытий из новых экономичных синтетических материалов с заданными физико-механическими характеристиками и разработке легкой и технологичной конструкции щита-опалубки.

Второе направление позволяет реализовать предложенный ресурсосберегающий способ крепления уже на данном этапе, используя для этих целей существующие материалы, конструкции и технологию. В рамках этого направления МакИСИ проведены шахтные испытания различных модификаций крепей, основанных на создании вокруг выработки породобетонной несущей оболочки и отличающихся конструктивно-технологическими решениями элементов временной крепи, поддерживающей выработку до образования породобетонной конструкции и выполняющей изолирующие функции при ведении инъекционных работ. В результате этих испытаний производилась оценка работоспособности крепи и отдельных ее элементов, отрабатывалась технология ведения работ.

На шахте «Южно-Донбасская» № 3 были испытаны три варианта крепи с использованием на первом этапе поддержания выработки набрызгбетона с различными элементами усиления. Испытания проводились в вентиляционной сбойке околоствольного двора воздухоподающего ствола на горизонте 624 м. Сбойка проходилась буровзрывным способом и представляла собой выработку квершлажного типа площадью сечения 10,9 м2, которая должна была по проекту крепиться арочной податливой крепью с железобетонной затяжкой. Параметр уH/R=0,44.

I вариант. После проведения буровзрывных работ производилась оборка кровли и боков, после чего в забое по периметру выработки наносился слой набрызгбетона на величину заходки. Нанесение иабрызгбетонного покрытия осуществлялось при помощи агрегата ИНА-1 конструкции МакИСИ. Агрегат располагался на расстоянии 20—35 м от забоя выработки, поэтому работы в забое и подготовительно-заключительные операции набрызгбетонирования (подключение и отключение оборудования, доставка и приготовление смеси и др.) выполнялись независимо друг от друга. Время нанесения набрызгбетонного покрытия толщиной 3—5 см на породную поверхность одной заходки составляло 40—50 мин.

После уборки породы устанавливали арки металлической крепи (с зазором) с железобетонными затяжками без забутовки закрепного пространства. При укладке затяжек в кровле и боках выработки оставляли «окна» для наблюдения за характером деформирования набрызгбетона.

Визуальные наблюдения показали, что в результате взрывных работ в кровле выработки на расстоянии 2—3 м от забоя происходило частичное обрушение отслоившихся кусков породы вместе с нанесенным набрызгбетонным покрытием.

Причиной обрушения отслоившихся пород явилось то, что наносимое набрызгбетонное покрытие к моменту ведения взрывных работ не успело набрать необходимую прочность. Медленный набор прочности обусловлен самой технологией приготовления и нанесения смеси, что ограничивает возможность применения «мокрого» способа набрызга для создания несуще-изоляционной оболочки в аналогичных условиях.

Через 28—30 сут после отхода забоя на этом участке бурили шпуры, оборудуя их кондукторами, через которые нагнетали цементный раствор. Инъекция раствора выполнялась с использованием того же агрегата, что и для набрызгбетонирования. Для нагнетания использовали цементный раствор с водоцементным отношением 2:1. Давление нагнетания не превышало 0,2 МПа. Во время нагнетания скрепляющего раствора происходило частичное вытекание его в выработку, так как герметичность набрызгбетонного покрытия была нарушена вследствие образовавшихся отдельных трещин и заколов, а также ранее отслоившихся коржей вместе с породой.

II вариант. После приведения забоя в безопасное состояние и нанесения набрызгбетонного покрытия на контур выработки в кровлю и бока устанавливались анкеры-инъекторы (четыре анкера-инъектора в сечении) с замком клино-щелевого типа. Ряды анкеров-инъекторов устанавливались по длине выработки через 1 м. Бурение шпуров в кровлю под анкеры-инъекторы осуществлялось ручными пневмосверлами СР-3 с пневмоподдержек. Примененное бурильное оборудование оказалось малопроизводительным: на бурение одного шпура длиной 2 м затрачивалось 15—20 мин.

Как и в предыдущем варианте, в целях страховки после установки анкеров-инъекторов монтировались арки металлической крепи, на которые укладывались «вразбежку» железобетонные затяжки без забутовки закрепного пространства. Нагнетание цементного раствора осуществлялось через анкеры-инъекторы таким же образом, как и в первом варианте.

Для предотвращения вытекания раствора перед нагнетанием производилась герметизация устьев шпуров жирным песчано-цементным раствором. Эта операция трудоемка и выполнялась вручную. В дальнейшем с целью снижения трудоемкости этого процесса необходимо использовать разжимные тампоны, устанавливаемые на анкерной штанге, или специальные уплотнения из резины или синтетического материала.

III вариант. В забое выработки, приведенном в безопасное состояние, после уборки породы устанавливались металлические арки, на которые укладывалась металлическая сетка в виде матов из арматурной стали диаметром 6 мм. Общий размер металлического мата 1200х800 мм с ячейками 160х100 мм. Эти маты, уложенные внахлестку длинной стороной вдоль выработки и связанные между собой проволокой, образовывали на арках крепи сплошное сетчатое покрытие. Затем устанавливались анкеры-инъекторы с замком конструкции ДонУГИ, с помощью которых сетчатые маты прижимались к породному контуру, после этого производилось нанесение набрызгбетонного покрытия. Из-за больших неровностей контура выработки и недостаточной гибкости сетки последнюю не всегда удавалось плотно прижать к породе и обеспечить монолитность системы «порода — арматурная сетка — набрызгбетон».

Следует отметить, что процесс создания набрызгбетонной оболочки толщиной 10 см, возводимой на участке, выработки длиной 2 м, длился по времени около 6 ч, что, в конечном итоге, сдерживало выполнение остальных операций проходческого цикла. Поэтому для возведения набрызгбетонных покрытий толщиной свыше 5 см целесообразно использовать более производительные машины, основанные на «сухом» способе нанесения набрызгбетона.

Через 30 сут после отхода забоя осуществлялось нагнетание цементного раствора через анкеры-инъекторы в приконтурную часть массива.

Еще один вариант породобетонной крепи с использованием комбинированной набрызгбетонной оболочки был испытан на шахте им. газеты «Социалистический Донбасс» ПО «Донецк-уголь». Этой крепью был закреплен участок откаточного штрека № 1 пл. h8 длиной 20 м (ПК 26 — ПК 28). Штрек площадью сечения в свету 8,5 м2 проходился по пласту угля мощностью 0,7 м. В кровле пласта залегал песчаный сланец со средней прочностью на сжатие 56,7 МПа, в почве — песчаный сланец со средней прочностью 45 МПа. Безразмерный параметр yH/R = 0,39.

Возведение крепи осуществлялось следующим образом. По окончании ведения буровзрывных работ производилась' оборка кровли и боков выработки и уборка породы. Учитывая экспериментальный характер работ, в целях повышения безопасности в забое выработки с зазором устанавливали арки металлической крепи с шагом 1,25 м без затяжки и забутовки закрепного пространства. На арки укладывали металлическую панцирную сетку с ячейками 40X40 мм с нахлесткой 300—400 мм. Затем по периметру выработки бурили шпуры, в которые устанавливали анкеры-инъекторы, прижимающие сетку к породному контуру. При креплении выработки использовалось два типа анкерного замка: клинощелевой и сталеполимерный. Бурение шпуров осуществлялось пневматическим сверлом СР-3. Время бурения одного шпура длиной 2 м составляло 8 мин. Установка анкеров-инъекторов со сталеполимерным замком производилась следующим образом. В пробуренный шпур закладывали 3—4 ампулы с химическим составом и забойником проталкивали их до дна шпура. Разрушение ампул и перемешивание осуществлялось анкерной штангой. Вращение анкера-инъектора производили ручным пневмосверлом с переходным патроном. Время перемешивания составляло 30—40 с, в делом. на установку анкера-инъектора затрачивалось 2—3 мин.

Для обеспечения плотного прилегания сетки к породе использовались опорные плитки с распределительной арматурой. Так как экспериментальный участок находился в зоне мелкоамплитудного геологического нарушения (типа «надвиг»), в некоторых местах переборы достигали 500 мм. В этом случае сетку дополнительно отжимали к породе с помощью Т-образных костылей, которые забивали в «подбурки» длиной 150—250 мм.

Набрызгбетонные работы начинали с отставанием 20 м от забоя, предварительно выпустив из-под сетки куски отслоившейся породы. Для безопалубочного бетонирования использовался агрегат ИНА-1 конструкции МакИСИ.

Из-за повышенного водосодержания толщина уложенного набрызгбетона составляла 5—20 мм. Поэтому покрытие толщиной 50—80 мм пришлось наносить за несколько приемов. Фактический расход цементно-песчаного раствора Ц:П:В = 1:3:0,9 составил 0,74 м3 на 1 м выработки.

Нагнетание цементного раствора в приконтурную зону вмещающего выработку массива осуществлялось через 7—10 сут после создания изолирующей набрызгбетонной оболочки. Инъекция выполнялась через анкеры-инъекторы с применением того же оборудования, что и для набрызгбетонирования. Для нагнетания использовался цементный раствор с водоцементным отношением В:Ц=1:1. Расход раствора составил 0.15—0,18 м3 на 1 м выработки. Давление нагнетания не превышало 0,8 МПа.

Результаты проведенных шахтных испытаний, основанные на анализе инструментальных измерений и данных хронометражных наблюдений, позволяют сделать следующие выводы: на всех этапах возведения и эксплуатации конструкция крепи обеспечивала надежное поддержание выработки, опасных деформаций крепи и ее элементов не наблюдалось;

- на всех этапах возведения конструкция крепи оказалась достаточно технологичной;

- на отдельных участках с большой амплитудой неровностей породного контура требовалось выполнять дополнительные мероприятия по закреплению металлической сетки и увеличивать толщину набрызгбетонного покрытия, поэтому при применении данной крепи должны предъявляться повышенные требования к качеству оконтуривания сечения выработки;

- применение агрегата для набрызгбетонных и тампонажных работ на базе насоса CO-10 не позволяет создавать набрызгбетонные покрытия толщиной 100 мм и более;

- для качественного контакта набрызгбетона с породой необходимо применять металлическую сетку с размером ячейки не менее 80х80 мм.

В процессе шахтных экспериментов апробировались и испытывались различные варианты анкеров-инъекторов, ограждающих и поддерживающих элементов.

Было разработано три разновидности анкеров-инъекторов, отличающихся решением замковой части: с металлическим клинощелевым замком (рис. 3.30), сталеполимерным замком (рис. 3.31) и с распорным замком из взаимозаменяемых клиньев конструкции ДоиУГИ (рис. 3.32).

Испытание разработанных конструкций производилось на шахтах «Южно-Донбасская» № 3 и «Ворошиловградская» № 1. Целью испытаний являлось определение рабочих характеристик анкеров-инъекторов и выбор наиболее работоспособной конструкции для широкого диапазона горно-геологических условий.

Прочность закрепления замков определялась методом извлечения из скважины анкера-инъектора прибором ПА-3.

По результатам испытаний для наиболее типичных условий (алевролиты средней прочности) были построены силовые характеристики анкеров-инъекторов (рис. 3.33). Как видно из графиков конструкция с замком клинощелевого типа имеет рабочую характеристику постоянного сопротивления. Несущая способность достигает 16—20 кН при смещениях замка в скважине до 100—150 мм. Относительно небольшая несущая способность анкера объясняется тем, что надежное и прочное закрепление данной конструкции достигается при строго выдержанном диаметре скважины, а в реальных условиях при бурении шпуров ручными сверлами этого достичь трудно. После выполнения инъекционных работ несущая способность такой конструкции повышается до 85 кН.

Анкер-инъектор с металлическим распорным замком имеет рабочую характеристику нарастающего сопротивления. Максимальная несущая способность замка составила 80 кН при смещениях до 80 мм. Однако на участках слабых и обводненных пород такая конструкция оказалась неработоспособной: после установки несущая способность составила 40 кН, а через несколько часов снижалась до 10 кН.

Наиболее работоспособным оказался сталеполимерный анкер-инъектор. Для закрепления анкерной штанги в шпуре использовался вспенивающийся пенополиуретан на кодициновой основе ППУ-13Н. Устанавливался анкер-инъектор следующим образом. В шпур вводилось три ампулы с полиуретаном, а затем — анкер-инъектор. Анкерная штанга, вращаемая электро-или пневмосверлом, погружалась в ампулы, перемешивала их компоненты в течение 2—3 мин. Через 15 мин после начала твердения раствора на выступающий конец штанги устанавливалась опорная плитка.

Испытания показали, что анкер-инъектор со сталеполимерным замком имеет эксплуатационную рабочую характеристику постоянного сопротивления. Анкер-инъектор выдерживал усилие до 100 кН и оставался в шпуре неизвлеченным. При такой величине нагрузки смещение замка в скважине составляло 20—35 мм.

Кроме вышеуказанных, были испытаны анкеры с замком, работающим за счет расклинивания в шпуре сыпучего материала (гранитной крошки), и замком, закрепляющимся с помощью патронируемых смесей па цементной основе. Обе конструкции оказались непригодными для рассматриваемых условий: первая — из-за сложности установки, а вторая — из-за медленного набора прочности закрепляющего состава.

Результаты проведенных испытаний позволяют сделать следующие выводы:

- анкер-инъектор с замком, закрепленным полиуретаном ППУ-13Н, может быть использован в широком диапазоне горно-геологических условий (в слабых неустойчивых породах и породах средней устойчивости);

- область применения анкера-инъектор а с металлическим распорным замком конструкции ДонУГИ ограничивается породами средней устойчивости при отсутствии выделения воды из кровли.

На экспериментальных участках шахт «Ворошиловградская» № 1 (совместно с МГИ), «Южно-Донбасская» № 3 были также испытаны различные конструкции ограждающих (панцирная сетка, маты из арматурной стали, металлическая затяжка MP3 конструкции ЦНИИподземмаша) и поддерживающих элементов (опорные плиты, подхваты). В результате было установлено, что жесткие конструкции подхватов и сеток непригодны для крепей, использующих несущую способность упрочненного массива, поскольку они не обеспечивают плотного контакта с породным контуром. Для этих целей рекомендуются гибкая металлическая сетка с ячейкой не менее 80х80 мм и гибкие поддерживающие элементы (рис. 3.34 и 3.35).

На основании анализа результатов проведенных шахтных испытаний и опыта крепления выработок с применением тампонажа закрепного пространства и инъекционного упрочнения пород для широкого диапазона горно-геологических условий разработано пять конструктивно-технологических схем, основанных на комбинации традиционных облегченных крепей с оболочкой заинъектированпых пород.

Схема I: анкеры-инъекторы+набрызгбетон+оболочка за инъектированных пород — предполагает следующую технологическую последовательность возведения конструктивных элементов (рис. 3.36). После обнажения очередной заходки в кровле выработки бурят скважины из расчета один шпур на 1—2 м2 поверхности, в которые устанавливают анкеры-инъекторы. С отставанием в 3—5 заходок по периметру выработки наносится слой набрызгбетона толщиной до 5 см. Через 20—40 сут после проведения выработки производится нагнетание скрепляющего раствора в трещиноватые породы приконтурной зоны через анкеры-инъекторы. Если к моменту проведения инъекционных работ в набрызгбетонном покрытии появятся трещины, то необходимо произвести их замоноличивание повторным набрызгом.

Схема II аналогична схеме I и отличается применением металлической сетки (рис. 3.37). После обнажения очередной заходки последняя крепится металлической сеткой, подвешиваемой на анкерах-инъекторах. В зависимости от горно-геологических условий и технической увязки оборудования набрызгбетонное покрытие может наноситься на различном удалении от забоя. Процесс создания оболочки из заинъектированных пород остается таким же, как и по схеме I.

Необходимым условием применения схем I и II является обеспечение качественного оконтуривания выработки, которое может быть достигнуто при буровзрывном способе проходки с помощью контурного взрывания. He рекомендуется применять вышеуказанные схемы в зонах геологических нарушений, при наличии в кровле легкообрушающихся пород.

Схема III: арочная податливая крепь с железобетонной затяжкой+ изоляционный слой набрызгбетона+породобетонная оболочка, получаемая за счет тампонажа закрепного пространства (рис. 3.38).

Схема IV: арочная податливая крепь с железобетонной затяжкой+изоляционный слой набрызгбетона+породобетонная оболочка, получаемая за счет тампонажа закрепного пространства и инъекционного упрочнения трещиноватых пород приконтурной зоны (см. рис. 3.38).

III и IV схемы применяются вместо металлобетонных крепей в выработках околоствольных дворов строящихся и реконструируемых шахт, а также для крепления других основных выработок, сооружаемых в неустойчивых породах или зонах геологических нарушений. В забое выработка крепится арочной податливой крепью с железобетонной затяжкой, а затем с расчетным отставанием производится тампонаж закрепного пространства (схема III) или тампонаж закрепного пространства с последующим инъекционным упрочнением пород (схема IV). Перед выполнением инъекционных работ производится изоляция крепи набрызгом бетона.

Конструктивно III и IV схемы отличаются толщиной породобетонной оболочки. При тампонаже закрепного пространства породобетонная оболочка образуется за счет заполнения раствором забученных породой пустот закрепного пространства и проникновения его в трещины приконтурного массива. Проведенные натурные наблюдения показали, что при обычном тампонаже закрепного пространства (давление нагнетания не превышало 0,2 МПа) раствор может проникать в крупные трещины (раскрытием более 1 мм) на глубину до 1 м. Поэтому можно считать, что с помощью тампонажа создается породобетонная оболочка толщиной до 0,8—1 м.

При создании породобетонной оболочки в два этапа толщина ее определяется длиной инъекционных скважин, которые, как правило, бурят на всю глубину зоны интенсивной трещиноватости, образующейся вокруг выработки (в зависимости от размеров выработки и горно-геологических условий она колеблется в пределах 1—3 м).

Схема V (рис. 3.39): металлическая арочная крепь с сетчатой затяжкой+набрызгбетон+инъекционное упрочнение пород — рекомендуется для выработок, проводимых с минимальными неровностями породного контура (комбайновая проходка, контурное взрывание, при расширении выработок на отбойный молоток). При проведении выработка крепится арочной податливой крепью с затяжкой из рулонной сетки или сетчатых матов. Затем, с отставанием от проходческого забоя, зависящим от ожидаемых смещений породного контура и возможности размещения технологического оборудования, по сетке наносится слой набрызгбетона, выполняющий ограждающие и изолирующие функции. Через расчетное время производится инъекционное упрочнение пород, для чего по периметру выработки бурят инъекционные скважины и оборудуют кондукторами. В случае появления трещин в набрызгбетонном покрытии выполняют повторный набрызг.

Рекомендации по выбору той или иной конструктивно-технологической схемы в зависимости. от горно-геологических условий и характера проявлений горного давления, которые интегрально определяются значением параметра уН/R, приведены в табл. 3.15.

Конструктивно-технологические схемы I-V прошли опытнопромышленную проверку на шахтах Донбасса, оказались работоспособными и экономически эффективными.

В табл. 3.16 приведены экономические показатели проведения выработки площадью сечения в свету 11 м2 с применением новых и традиционных крепей.

Из рекомендуемых конструктивно-технологических схем наибольшее распространение на практике получили III и IV: арочная податливая крепь с тампонажем закрепного пространства, а в особо сложных условиях и с глубинным упрочнением пород.

За последние 20 лет только на шахтах Западного Донбасса такой крепью было закреплено более 60 км основных выработок, что позволило обеспечить их устойчивость и предотвратить деформации крепи. По данным Днепрогипрошахта стоимость поддержания I м выработки без тампонажа на шахте им. Гeроев Космоса составляет 80—90 руб./год, в то же время затраты на поддержание 1 м выработки с тампонажем не превышают 10—15 руб.

На шахтах «Ворошиловградская» № 1, «Должанская-Капитальная», «Нагольчанская» на 20 км капитальных выработок трудоемкая и дорогостоящая металлобетонная крепь была успешно заменена арочной податливой крепью с железобетонной затяжкой и тампонажем закрепного пространства.

При строительстве шахты «Южно-Донбасская» № 3 из 34 600 м горизонтальных и наклонных выработок с тампонажем закрепного пространства пройдено 16 600 м и получен экономический эффект 2,8 млн. руб.

Опыт эксплуатации затампонированных выработок, закрепленных металлической арочной крепью из СВП-17 и СВП-27 при шаге 0,5—1,0 м, на шахтах им. Ленинского комсомола и № 6/18 ПО «Средазуголь» показал, что за период наблюдения в течение трех лет не было случаев нарушения крепи. В то же время в незатампонированных выработках с шагом арок 0,5 м при использовании спецпрофиля СВП-27 за такой же период было проведено несколько ремонтов крепи, затраты на которые в несколько раз превысили стоимость тампонажа.

В настоящее время тампонаж закрепного пространства и инъекционное упрочнение пород закладывается в проекты всех строящихся и реконструируемых шахт Донбасса, ежегодно расширяется объем применения арочной крепи с тампонажем и на эксплуатирующихся шахтах.

Анализ применения крепей с тампонажем закрепного пространства и инъекционным упрочнением пород показывает, что они пока еще не всегда используются в оптимальном варианте: в ряде случаев возможности затампонированной оболочки как несущей конструкции полностью не реализуются и тампонаж применяется как дополнительное средство к уже достаточно мощной крепи. Так, нередки случаи, когда в выработке устанавливаются две рамы и более на метр, а затем производится тампонаж. Расчеты, подтвержденные практическим опытом, показывают, что при выполнении тампонажа вторая рама увеличивает незначительно и без того высокую несущую способность крепи и может быть исключена из конструкции. При этом снижается трудоемкость работ, повышаются темпы проходки и экономится до 300 т металла на 1 км выработки.





Яндекс.Метрика