VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

Крепление горных выработок в мерзлых породах отличается тем, что несущая способность их существенно зависит от температурного режима. Особенно это проявляется при проходке выработок в дисперсных мерзлых породах. При оттаивании таких пород прочность их резко снижается, поэтому к видам крепи в выработках предъявляются особые требования. Прежде всего - постоянство несущей способности крепи при изменении температурного режима пород в пределах деятельного слоя[6,7,9].

Авторами был предложен новый тип анкерной крепи для горных выработок, пройденных в высокольдистых мерзлых дисперсных породах. Принцип действия нового анкера основан на эффекте «раскрытия» замка анкера в предварительно надрезанной части трубы, и вдавливания «лепестков» в оттаявший массив вокруг замка за счет размещенного в замковой части расширяющегося при твердении с выделением большого количества тепла вещества [8]. Естественно, что эффективность такого анкера будет зависеть от скорости и глубины оттаивания пород вокруг замковой части.

Для достижения цели было проведено математическое моделирование процесса теплообмена замка анкера с мерзлыми горными породами, выполнен патентный поиск, и на обосновано новое техническое решение, обладающее патентной чистотой. Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для анкерного крепления горных выработок в криолитозоне, а также может быть использовано в строительстве, например при сооружении тоннелей различного назначения, в том числе проходимых в предварительно замороженных дисперсных грунтах или породах[1,2,3,4,5].

Формула изобретения

Способ анкерования горных пород, включающий установку пустотелого анкерного стержня предварительно разрезанного по длине и размещение в анкерном стержне вещества, увеличивающего свой объем при твердении, отличающийся тем, что в нижней части анкера выполняют внешнюю резьбу, а разрезы выполняют только в верхней части анкера на расстояние не менее 0,1 длины стержня и делают их не менее двух, при этом в верхней части полости размещают плотно прилегающую к стенкам стержня цилиндрическую капсулу, длина которой равна длине надрезов, выполненную из легко разрушающегося материала и содержащую расширяющийся при твердении с выделением большого количества тепла материал, например, суспензию на основе оксида кальция, причём, в нижней части капсула фиксируется металлическим диском, выполненным из материала с коэффициентом линейного расширения больше, чем у материала анкера, и соединенного с помощью жесткого стержня с резьбовой заглушкой, размещаемой в нижней части анкера за опорной плитой и соединенной внутренней резьбой с внешней резьбой анкерного стержня, при этом после окончания процесса твердения состава, заглушку заменяют обычной прижимной гайкой.

Обоснование технического результата

Техническим результатом изобретения является повышение надежности анкерного крепления мерзлых горных пород и исключение зависимости несущей способности анкерной крепи от температурного режима горной выработки.

Технический результат достигается тем, что в цельном полом анкерном стержне, в нижней части выполняют внешнюю резьбу, а в верхней части выполняют разрезы на расстояние не менее 0,1 длины стержня и делают их не менее двух. В верхней части полости размещают плотно прилегающую к стенкам стержня цилиндрическую капсулу, длина которой равна длине надрезов. Капсулу изготавливают из легко разрушающегося материала и наполняют расширяющимся при твердении с выделением большого количества тепла веществом, например, суспензией на основе оксида кальция. В нижней части капсула фиксируется металлическим диском, выполненным из материала с коэффициентом линейного расширения больше, чем у материала анкера. Диск соединяют с помощью жесткого стержня с резьбовой заглушкой, которую с помощью внутренней резьбы соединяют с внешней резьбой анкерного стержня, прижимая к опорной плите. После окончания процесса твердения материала в анкере заглушку с диском снимают и заменяют обычной прижимной гайкой.

Устройство реализуется следующим образом. Крепят с помощью анкеров горную выработку, пройденную в дисперсных горных породах и эксплуатируемую при переменном тепловом режиме. Максимальная глубина оттаивания в кровле выработки составляет 0,6 метра. Для анкерования мерзлых горных пород используем пустотелую трубу из упругого материала, например стальную, длиной 1 метр, на которой предварительно в верхней части выполняем четыре взаимно перпендикулярных надреза на расстояние 0,1 от общей длины трубы, т.е. 10 см. На нижнем конце анкера выполнена резьба, на длину, обеспечивающую надежное крепление прижимной гайки для удержания опорной плиты. В месте надрезов, в полости трубы размещаем плотно прилегающую к стенкам стержня цилиндрическую капсулу, длиной 10 см т.е. равной длине надрезов, выполненную из легко разрушающегося материала, например полиэтилена. Капсулу, непосредственно перед установкой, заполняем расширяющимся при твердении с выделением большого количества тепла материалом (РТМ), например невзрывчатым разрушающимся составом НРС-2.

НРС-2 содержит измельченный оксид кальция из обожженных известняка и гипса, дополнительно содержит хлорид кальция, хлорид алюминия и денатурированный этиловый спирт при соотношении компонентов масс. хлорид кальция 0.7-7.8; хлорид алюминия 0.5-4.5; денатурированный этиловый спирт 1.0-13.0; оксид кальция из обожженного известняка и гипса остальное. таблица)

Общий вид собранного анкера приведен на рис.1.

Рис.1 Общий вид анкера.

1-анкер; 2-шпур; 3-втулка; 4-капсула с РТМ; 5-разрезы; 6-диск; 7-стержень; 8-заглушка.

Для определения рациональной области использования анкерной крепи были проведены многовариантные расчеты, которые представлены в виде графиков. Пример графического преставления показан на рисунках 2 и 3.

Рис.2

Изменение размера ореола оттаивания в зависимости от температуры НРС.

Рис.3

Изменение размера ореола оттаивания в зависимости от времени при постоянной льдистости.

Как показал анализ полученных данных, область применения нового вида крепи достаточно большая и перекрывает почти все известные геокриологические условия разработки месторождений полезных ископаемых. Дальнейшие исследования в данном направлении должны быть сконцентрированы на экспериментальной проверке надежности нового вида анкерной крепи на конкретных горных объектах.

Оценка экономической эффективности внедрения

нового технического решения.

Для оценки используем следующие положения.

1. Ввиду того, что эффективных и надежных способов анкерного крепления пород в криолитозоне для выработок эксплуатируемых с естественным тепловым режимом () нет, применяют арочную крепь.

2. При внедрении анкерной крепи нового поколения, которая нами разработана и обоснована, обеспечить устойчивость выработок можно без использования арочной крепи.

3. Общая формула экономической эффективности перехода на анкерную крепь имеет вид (из расчета на 1 погонный метр типовой выработки).

Где: стоимость анкера, руб./шт.

количество анкеров на 1 метр погонный выработки, шт.

количество арок на 1 метр погонный выработки, шт.

стоимость установки арки, руб./шт.

стоимость установки анкера, руб./шт.

1. Для оценочных расчетов можно принять, что стоимость установки арки и анкеров приблизительно одинаковая, хотя, на самом деле, учитывая что установка анкеров в настоящее время является полностью механизированной операцией (установщики фирмы «Sandvik») затраты на установку арочной крепи выше. Данные допущения идет в расчетный запас, то есть повышает качество экономической оценки.

2. Возьмем условную характерную выработку, закрепленную арочной крепью с шагом 1, то есть 1 арка на 1 мер погонный выработки. Для обеспечения устойчивости выработки с использованием анкерной крепи необходимо 8 анкеров на 1 погонный метр выработки с внутренним диаметром 0,04 м длиной 1,8 м, с замком

3. Формула экономической эффективности примет вид:

, руб/м

1. Стоимость анкера состоит из стоимости трубы, длиной 1,8 м и стоимости замка, которая определяется по формуле

Где: обьем внутреннего замка, .

плотность состава НРС в сухом состоянии,

Стоимость НРС (Оксида кальция),

По справочным таблицам принимаем среднюю стоимость НРС ; Объем определяем по следующей формуле:

Стоимость замка составит:

Стоимость собственно анкера (трубы), согласно справочнику, в среднем, равна (при удельной весовой стоимости труб 27 руб./кг и весе 3,6 кг/м.)

Общая стоимость анкера равна:

1. Стоимость комплекта арочного крепления из СВП-22 составляет 5160 руб.

2. Экономическая эффективность внедрения на 1 погонный метр выработки составит:

1. Средняя длина вскрывающих и вспомогательных выработок на руднике, где возможна замена, составляет 3000 метров, Таким образом экономический эффект по одному руднику составит 10 140 000 рублей ( 10 миллионов 140 тысяч рублей).

Выводы.

• В результате исследований нами был разработан новый вид анкерной крепи для условий криолитозоны.

• Получен приоритет на базовый патент № 2013153880

• Сформулирована и решена задача для оценки возможности технической реализации нового способа.

• Установлены основные закономерности изменения глубины оттаивания пород от температуры и льдистости.

• Доказана технологическая возможность реализации способа в характерных геокриологических условиях разработки месторождения Севера.

Заключение

Обоснована новая технология крепления горных выработок, позволяющая существенно повысить прочность закрепления анкеров в дисперсных мерзлых породах и обеспечить устойчивость горных выработок, как при естественном нерегулируемом нестационарном тепловом режиме, так и при регулировании теплового режима по принципу «нулевого теплового баланса». Сущность новой технологии и устройств для её осуществления заключается в использовании полых анкеров специальной конструкции, частично или полностью заполненных расширяющимся при твердении с выделением большого количества тепла веществом. Это позволяет обеспечить оттаивание дисперсных горных пород вокруг анкера на заданную глубину и вдавливание его элементов в окружающий породный массив. После окончания твердения и остывания расширяющегося состава происходит обратное смерзание пород и надежное закрепление анкеров в массиве.

Основным отличительным свойством новой технологии является возможность использования ее для крепления горных выработок, деятельный слой которых подвергается апериодическим или периодическим температурным воздействиям, которые в некоторых случаях, кратно изменяют прочностные характеристики горных пород. Использование традиционных технологий для крепления горных выработок в таких условиях практически невозможно или не обеспечивает должной надежности и безопасности их эксплуатации.

Область применения новой технологии – горные выработки шах, рудников и подземных сооружений криолитозоны различного назначения, а также выработки проходимые с предварительным замораживанием горных пород. Главным образом, технология может быть использована в породах с существенно изменяющимися при изменении температурного режима механическими свойствами, например, при их оттаивании. Принцип, заложенный в создание новой технологии, может быть также применен при возведении свайных фундаментов в многолетнемерзлых грунтах для строительства малоэтажных зданий.

Экономические показатели новой технологии не превышают традиционно используемых технологий для анкерного крепления горных выработок при существенном увеличении надежности и расширении области применения.

В дальнейшем на основе этой технологии планируется усовершенствование замков анкера, а также создание полых свай для строительства инженерных коммуникаций и малоэтажных зданий на мерзлых грунтах.

Литература

1. Патент № 2166092 опубликован 27.04.2001

2. Патент № 2082008 опубликован 20.06.1997

3. Патент № 2011841 опубликован 30.04.1994

4. Патент № 2009328 опубликован 15.03.1994

5. Патент. № 2081332 опубликован 28.07.1994

6. Галкин А.Ф. Тепловой режим подземных сооружений Севера.- Новосибирск: Наука, 2000.- 305 с.

7. Дядькин Ю.Д. Основы горной теплофизики.- М. :Недра, 1968.-256 с.

8. Сахно И.Г., Касьян Н.Н., Мокриенко В.Н. «Опыт разрушения горных пород НРС в условиях шахты «Щеголевская Глубокая» Вісті Донецького гірничого інституту. 2011., № 1, С. 15–22

9. Скуба В.Н. Исследование устойчивости горных выработок в условиях многолетней мерзлоты. - Новосибирск: Наука, 1974. - 118 с.

 

8

 

Код для цитирования: Скопировать