Анкерная крепь

Под анкерной крепью понимают систему закрепленных определенным образом в кровле, боках и почве выработок, анкеров для упрочнения массива горных пород и повышения устойчивости обнажений, за счет скрепления породных слоев или структурных блоков между собой или с более прочными окружающими породами.

Сравнительные характеристики, широко применяемых анкеров, приведены на рис. 8.1, где представлены железобетонные штанги (ЖБШ), металлические замковые анкера (МЗА), анкера Split-Set (CCA), анкера Swellex (CBA), армополимерные штанги (АПШ) [В.Н. Опарин, 2007].

Рис. 8.1. Сравнительная характеристика анкеров.

ЖБШ наиболее широко используются при креплении горных выработок как за рубежом, так и в России. Они имеют относительно низкую удельную стоимость установки и достаточную несущую способность 50÷ 70 кН. Недостаток ЖБШ – относительно длительное достижение анкером расчетной нагрузки (обычно до 10 суток). При использовании быстротвердеющих цементных растворов ЖБШ воспринимают нагрузку через 1, 5÷ 2 часа.

В мировой практике, в технологическом цикле возведения крепи принято разделение операций бурения шпуров под анкера, подачи раствора в шпур и установки арматуры, что связано с большой продолжительностью твердения раствора. Бурение шпуров под штанги обычно входит в проходческий цикл и выполняется высокопроизводительной буровой техникой, применяемой для проходки подготовительно-нарезных выработок. Операции подачи раствора в шпур и установки арматуры осложняются в связи с необходимостью поиска пробуренных шпуров, настройки на них оборудования и ожидания схватывания раствора.

Полный цикл возведения ЖБШ, включая бурение шпуров, подачу раствора и введение арматуры, выполняют зарубежными самоходными установками Robolt 06 фирмы «Sandvinik» (Финляндия) производительностью около 40 анкеров в смену.

Канатные анкера являются разновидностью анкеров, закрепляемых на цементных растворах. Преимущества этого типа крепления над ЖБШ особенно ощутимы при разработке мощных рудных залежей при слоевой выемке руды в восходящем порядке с закладкой. Канатные анкера, установленные в скважинах длиной до 15 м на цементном растворе, служат крепью при отбойке 2-3 слоев в восходящем порядке. Широко применяются на рудниках Швеции, Канады, США, Австралии для крепления подготовительно-нарезных и очистных забоев.

Технология возведения крепи включает следующие операции (рис. 8.2): бурение шпуров, подача цементного раствора в шпур, установка каната в шпуре.

Рис. 8.2. Последовательность операций при автоматизированной установке канатного анкера фирмой GIA Industri AB (Швеция). 1 – массив горных пород; 2 – выработка; 3 – шпур; 4 – трещина расслоения; 5 – растворопровод; 6 – раствор; 7 – канат.

Введение растворопровода в шпур до упора в его днище облегчается применением специальной направляющей насадки. Подача раствора в шпур при обратном перемещении растворопровода к устью шпура обеспечивает избыточное давление в шпуре и поступление раствора в трещины массива. Рекомендуемый диаметр шпуров 48-64 мм. Цементный раствор (соотношение В/Ц = 0, 35) набирает полную прочность на 11 сутки. Канатный анкер длиной 3 м на цементном растворе имеет несущую способность 600-660 кН.

Фирма «Atlas Copco» (Швеция) выпускает полностью механизированную буровую установку двойного назначения Cabletec LC, оснащенную двумя стрелами: для добычного бурения перфоратором и установки тросовых анкеров на цементном растворе (рис. 8.3).

Анкера МЗА с механическим их закреплением в шпуре вступают под нагрузку сразу по установке, но сложны в изготовлении, что определяет относительно более высокую их стоимость в сравнении с ЖБШ при относительно невысокой удельной несущей способности (70-80 кН).

Рис. 8.3. Установка Cabletec LC для бурения шпуров и установки тросовых анкеров.

Анкера ССА разработаны американской фирмой «Ингерсол». Они более технологичны в установке и представляют собой стальную трубку диаметром на 2-3 мм больше диаметра шпура с продольной прорезью по всей длине, конусностью на переднем конце и буртиком для опорной пластины – на заднем. По удельной несущей способности ССА равен или несколько уступает ЖБШ, но по стоимости более дорогие. Для достижения достаточной удельной несущей способности (120-130 кН) анкера Split-Set должны изготавливаться из хорошей (пружинной) стали.

Анкерная крепь СВА, разработанная канадским отделением фирмы «Atlas Copco» (Швеция) представляет тонкостенную (до 2 мм) трубку с продольной вмятиной, выполненной холодной прокаткой, заглушенную с обеих сторон. Технология возведения состоит в следующем: на анкер надевают опорную пластину, вставляют его в шпур и подают воду под давлением 25-30 МПа специальной насосной установкой. Испытания анкеров Swellex диаметром 32 мм и длиной 122-183 мм в шпурах диаметром 38 мм показали, что разрушающая нагрузка для них составляет 138 кН. Анкера Swellex по простоте конструкции и технологии возведения наиболее подходят для создания роботизированных комплексов.

Анкера АПШ. В России и за рубежом накоплен значительный опыт применения АПШ с закреплением их в шпурах быстротвердеющими синтетическими смолами. Практика показала высокую эффективность этих конструкций в неустойчивых породах, так как, проникая в трещины, составы склеивают между собой структурные отдельности массива, дополнительно упрочняя его. Так как АПШ обладают бό льшей податливостью относительно ЖБШ и стоимость полимерных твердеющих составов достаточно высока, то в мировой практике наметилась тенденция уменьшения диаметра бурения под анкера, чтобы снизить величину зазора между арматурой и стенкой шпура. В ряде случаев буровую штангу оставляют в шпуре в качестве анкерного стержня, осуществляя подачу смолы в шпур сразу по завершении операции бурения. Как видно на рис. 8.1, АПШ (в случае применения эпоксидной смолы) превосходят по несущей способности другие типы анкеров, имеют значительно меньшее время вступления под нагрузку, чем ЖБШ, но в несколько раз дороже их.

Техническая характеристика, применяемых в России сталеполимерных анкерных крепей, приведена в табл. 8.2.

Таблица 8.2

Технические характеристики анкеров

Базой для автоматизации процесса возведения армополимерных штанг может служить самоходная установка Robolt 07 фирмы «Sandvinik» (Финляндия). Специальные самоходные установки Robolt G-320 и G-330 (рис. 8.4) настраиваются фирмой-изготовителем на любые типы анкеров по желанию заказчика [В.Н. Опарин, 2007].

а б	Рис. 8.4. Специальные самоходные установки Robolt G-320 и Robolt G-330 для возведения ЖБШ, МЗА, СВА, АПШ и других типов анкеров.