Процессы крепления и поддержания капитальных и подготовительных горных выработок. Анкерная крепь

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ

ПРОЦЕССЫ КРЕПЛЕНИЯ И ПОДДЕРЖАНИЯ КАПИТАЛЬНЫХ И ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК. АНКЕРНАЯ КРЕПЬ

Содержание

Введение

1. Основные определения и классификация анкеров

2. Металлический клинощелевой анкер

3. Металлический распорный анкер

4. Металлический клино-распорный анкер ШК-1М

5. Металлический клино-распорный анкер АК-8У

6. Сталеполимерный анкер

7. Железобетонный анкер

8. Трубчатый анкер

9. Полимерный анкер

10. Канатный анкер

11. Стеклопластиковый анкер

Заключение

Список использованных источников

Введение

В угледобывающей промышленности важнейшее место занимают процессы крепления и поддержания капитальных и подготовительных горных выработок.

Исходя из того, что более половины ежегодной добычи угля осуществляется подземным способом, одной из основных задач повышения технико-экономических показателей в горной промышленности стало более эффективное использование существующих крепей и научное обоснование их оптимальных конструктивных параметров.

Шахтный ствол горнодобывающего предприятия является ключевым элементов, от исправного состояния которого зависит эксплуатация всего предприятия. Поэтому состоянию крепи шахтных стволов, их техническому обслуживанию, а также проведению современного качественного ремонта, должно уделяться особое внимание.

При выборе крепи учитывают размеры пролета выработки и степень трещиноватости и устойчивости пород. Анкеры как бы «прошивают» слои пород, расположенных вокруг выработки, не дают им расслаиваться и обрушаться. В данном реферате рассмотрены и представлены классификации анкерных крепей, их описание, достоинства и недостатки.

1. Основные определения и классификация анкерных крепей

Крепью называют искусственное сооружение, предназначенное для сохранения необходимых размеров выработок и предотвращения обрушения вмещающих пород.

Анкерная крепь -- горная крепь, основной элемент которой металлический, железобетонный, полимерный или деревянный стержень, закреплённый в шпуре.

Шпур -- цилиндрическая горная выработка диаметром до 75 мм глубиной до 5 м, образуемая в результате бурения. Шпуры используются для размещения в них заряда взрывчатых веществ при проведении выработок в скальных породах, отбойке полезных ископаемых, при нагнетании воды в пласт, для установки анкерной крепи.

Анкерная крепь предназначена для крепления бортов и кровли шахт, упрочнения массива горных пород и повышения устойчивости его обнажений путём скрепления различных по прочности породных слоев.

Первые сведения о применении анкеров для крепления горных выработок относятся к 1900, когда на угольной шахте в Верхней Силезии были использованы деревянные клинощелевые анкеры. Опыты с применением стальных анкеров для крепления штреков проведены в Нидерландах, Германии, Великобритании, США ещё перед 1-й мировой войной 1914-18. Промышленное использование анкерной крепи началось после 2-й мировой войны 1939-45.

Применение анкерной крепи возможно как в крепких скальных породах, так и нарушенных полускальных при достаточно ровном контуре выработки В более слабых породах анкерную крепь следует применять совместно с набрызг-бетоном или металлической арочной крепью. Анкерную крепь устанавливают немедленно после разработки породы в забое. В анкерной крепи используют металлические анкеры с замковыми устройствами (клинощелевые и распорные), железобетонные (набивные, нагнетаемые, "перфо") и полимербетонные, закреплённые по всей глубине шпура. анкер пласт распорный

При подземной разработке месторождений полезных ископаемых анкерной крепи применяют для крепления капитальных, подготовительных и очистных горных выработок (независимо от формы, поперечного сечения и срока службы) самостоятельно или в сочетании с рамными крепями; используют также как средство борьбы с пучением пород почвы, укрепления угольного или породного массива, который впоследствии должен разрушаться комбайном (полимерная и деревянная анкерная крепи), для предотвращения отжима угля в очистных забоях, подвески труб различного назначения и закрепления горно-шахтного оборудования. Различают анкерные крепи с закреплением анкеров в донной части шпура, скважины (точечное закрепление) с помощью различных механических замков и по всей длине или значительной её части (сплошное закрепление) химическими составами на основе синтетических смол, цементными (песчано-цементными) растворами, с помощью энергии взрыва. В CCCP распространение получила анкерная крепь с точечным закреплением анкеров (типа ШК, AK-8, АД-1, AP-2, ЭС-2).

Требования к крепежным материалам: должны обладать высокой прочностью, быть устойчивыми против коррозии и гниения, иметь невысокую стоимость, не быть дефицитными и огнеопасными, противостоять воздействию подземных вод и шахтной атмосферы. Крепь должна быть прочная, надежная, долговечная, занимать как можно меньше места, иметь возможность механизации возведения, должна быть транспортабельной, нетрудоемкой при возведении, оказывать минимальное сопротивление воздуху, иметь минимальные затраты, огнестойкость, и пр. Материал крепи выбирают с учетом его огнестойкости, назначения и срока службы выработки, её поперечного сечения, величины и характера горного давления.

2. Металлический клинощелевой анкер

Клинощелевой анкер достаточно прост по конструкции и достаточно надежен (Рисунок). Комплект такого анкера состоит из стержня с резьбой на одном его конце и прорезью на другом, клина, опорной шайбы и гайки. Анкер вставляют в шпур, диаметр которого несколько больше стержня анкера. Под действием ударов, наносимых по наружному концу анкера, он заглубляется в шпур, при этом его замковая часть расширяется и раскрепляется в стенки шпура. Затем на выступающий конец анкера надевают шайбу и завинчивают гайку с некоторым натяжением анкера.

Одной из особенностей устройства анкерной крепи является необходимость точного соблюдения размеров элементов анкера, что достигается при изготовлении анкеров только в заводских условиях. Рабочие поверхности клиньев и прорезей клинощелевых анкеров должны быть гладкими и плоскими, благодаря чему обеспечивается высокая надежность их закрепления.

Рисунок - Клинощелевой анкер

1 - клин, 2 - опорная шайба, 3 - стальной стержень анкера, 4 - прорезь в стержне, 5 - гайка

К достоинствам клинощелевых анкеров относится их достаточно высокая несущая способность в породах, простота конструкции и установки, относительно небольшая стоимость.

3. Металлический распорный анкер

Однораспорный анкер с гайкой или в простонародье анкер-гайка используется для монтажа статически нагруженных элементов стальных конструкций, рам, барьеров и других конструкций к основанию из армированного и неармированного полнотелого бетона. Данная модель анкера предназначена для невысоких нагрузок.

Анкер (Рисунок) состоит из распорной гильзы, изготовленной методом штамповки из листовой стали и закрученной в трубку (не заваренную), распорной шпильки с конусообразным утолщением на конце и гайки с фланцем. При монтаже распорная шпилька вытягивается при закручивании гайки, расклинивая распорную гильзу в отверстии, после монтажа следует обязательно проверить надежность крепления.

Рисунок - Анкер металлический распорный

4. Металлический клино-распорный анкер ШК-1М

Крепь анкерная ШК-1М, представленная на Рисунке состоит из системы армирующих элементов, закрепленных в скважинах, пробуренных по контуру выработки, которые в сочетании с поддерживающими и ограждающими элементами (или без них) предназначены для предотвращения обрушения ослабляемых пород за счет их скрепления и подвески к устойчивой части породного массива.

Рисунок - Клино-распорный анкер ШК-1М

Крепь анкерная ШК-1М состоит: 1 Стержень из круга диаметром 20мм 2 Шайба из листа 8х65х100 3 Полувтулка из листа 8мм 4 Гайка М20

Крепь анкерная, установленная с предварительным натяжением, повышает сопротивление сдвигу слоев пород относительно друг друга и создает грузонесущую конструкцию в виде породной армированной балки или арки, защемленной между двумя опорами.

Крепь анкерная ШК-1М предназначена для крепления кровли выработок с прочностью углей и пород на сжатие соответственно не менее 6 и 20 МПа. Выработки, закрепленные крепью , служат для транспортирования горной массы, доставки оборудования и материалов, передвижения людей.

5. Металлический клино-распорный анкер АК-8У

Крепь анкерная АК-8У (Рисунок) состоит из системы армирующих элементов, закрепленных в скважинах, пробуренных по контуру выработки, которые в сочетании с поддерживающими и ограждающими элементами (или без них) предназначены для предотвращения обрушения ослабляемых пород за счет их скрепления и подвески к устойчивой части породного массива.

Рисунок - Клино-распорный анкер АК-8У

Анкер АК8-У состоит:

1 Стержень из круга диаметром 20мм

2 Шайба из листа 8х60х100

3 Полувтулка из листа 8мм

4 Гайка М20

Крепь анкерная, установленная с предварительным натяжением, повышает сопротивление сдвигу слоев пород относительно друг друга и создает грузонесущую конструкцию в виде породной армированной балки или арки, защемленной между двумя опорами.

Крепь анкерная АК-8У предназначена для крепления кровли выработок с прочностью углей и пород на сжатие соответственно не менее 6 и 20 МПа. Выработки, закрепленные крепью, служат для транспортирования горной массы, доставки оборудования и материалов, передвижения людей.

6. Сталеполимерный анкер

Одними из перспективных видов анкерной крепи являются сталеполимерные анкеры. Армирующий стержень такого анкера закрепляется в шпуре быстротвердеющими синтетическими смолами.

В настоящее время широко применяют патронированный способ использования синтетических составов, при котором закрепляющую смесь вводят в шпур в ампулах-патронах из целлюлозы, стекла или полиэтилена. Такая ампула (Рисунок) представляет собой двухкамерную оболочку, одна из камер содержит смолу с наполнителем, другая -- отвердитель-инициатор с модификатором.

Рисунок - Схема установки сталеполимерного анкера

а) введение в конец шпура ампулы-патрона с закрепляющим составом; б) введение в шпур анкерного стержня; в) вращение анкерного стержня с целью разрушения ампулы-патрона и перемешивания закрепляющего состава, досылка стержня до дна шпура; г) анкер в рабочем положении;

1 - полиэтиленовая ампула-патрон с закрепляющим составом; 2 - смесь связующего (смолы) и наполнителя (песка); 3 - отвердитель, заключенный во внутреннюю полиэтиленовую или стеклянную оболочку; 4 - анкерный стержень; 5- уплотняющая шайба; 6 - натяжная гайка; 7 - плоский опорный элемент;

Армирующий стержень анкера выполнен из стали периодического или гладкого профиля со скошенным концом. При вращении или забивании анкера скошенный конец стержня разрывает оболочку с закрепляющим составом и перемешивает его. При этом обеспечивается высокая степень сцепления стержня с породой.

В скальных трещиноватых и сильнотрещиноватых породах, плотных глинах, мергелах в качестве временной крепи применяют набрызг-бетон.

Сущность способа крепления выработки набрызг-бетоном заключается в том, что сразу после разработки грунта или в процессе ее на обнажаемую поверхность выработки наносят поддерживающий слой из быстросхватывающегося и быстротвердеющего бетона. Этот слой наносят методом набрызга (торкетированием). Это достигается путем подачи по шлангу под давлением сжатого воздуха сухой смеси песка, мелкого щебня и цемента, которая в специальном устройстве -- сопле -- смешивается с водой и выбрасывается на набрызгиваемую поверхность. Высокая скорость истечения смеси от сопла обеспечивает ее плотную укладку и хорошее сцепление с породой.

При креплении поверхности подземных выработок набрызг-бетонном необходимо обеспечить условия для быстрого увеличения его прочности. Применяют быстротвердеющие цементы, глиноземистые и водонепроницаемые расширяющиеся цементы, портландцементы с добавками, ускоряющими процесс твердения.

В комплекс оборудования для нанесения набрызгбетона входят: установка для приготовления сухой смеси, средства для подачи сухой смеси к забою, торкрет-машина и механизм для перегрузки сухой смеси, резервуары для воды с растворенной в ней добавкой, ускоряющей твердение смеси, передвижные подмости, которые используют при нанесении покрытия на свод и стены тоннеля.

7. Железобетонный анкер

Для широкого применения рекомендуются железобетонные набивные анкеры, которые могут быть использованы в большом диапазоне инженерно-геологических условий. Конструкция такого анкера предельно проста; он обладает высокой несущей способностью и долговечностью, что позволяет использовать эти анкеры в качестве составных элементов обделки.

Железобетонный набивной анкер (Рисунок) состоит из стержня, изготовленного из арматуры периодического профиля с проушиной на конце, стержень устанавливают в шпур диаметром 42 мм, предварительно заполненный цементно-песчаным раствором.

Рисунок - Железобетонный анкер

1 - стержень из арматурной стали; 2 - цементный раствор; 3 - хвостовик с проушиной для крепления сетки;

Для заполнения шпуров применяют раствор, состоящий из глиноземистого цемента марки М400-М500 и песка в соотношении по массе от 1:0,5 до 1:1,5 при водоцементном отношении В/Ц=0,3-0,4 с добавкой 6% (по массе) хлористого кальция (такая добавка ускоряет набор прочности раствором).

Анкеры устанавливают рядами по прямоугольной сетке в соответствии с утвержденным паспортом временного крепления, в котором должны быть указаны тип и длина анкеров, расстояние между ними и степень натяжения стержней.

В тех случаях, когда из промежутка между анкерами могут выпадать мелкие куски породы, на выступающие в выработку концы анкеров следует навешивать металлическую сетку (из проволоки диаметром не менее 3 мм), прикрепляя ее к анкерам с помощью штырей, гаек и опорных шайб. В трещиноватых и сильнотрещиноватых породах анкеры следует объединять подхватами из полосовой или швеллерной стали.

8. Трубчатый анкер

Трубчатый анкер (Рисунок) используется для крепления бортов и кровли горных выработок в рудниках и шахтах опасных по пыле-, газо- и нефтепроявлениям.

Рисунок - Трубчатый анкер

Благодаря трубчатому анкеру, повышается эксплуатационная надежность анкера. Анкер состоит из трубы, диаметр которой превышает диаметр шпура, с разрезом на всю длину по винтовой линии. Шаг последней увеличивается к головному концу. Хвостовик снабжен опорным кольцом для плиты, а головной конец - упором для монтажной штанги. Перед размещением в шпуре предварительно разрезанный по винтовой линии скручивают монтажную штангу в пределах упругой деформации, после чего размещают с зазором в шпуре и производят закрепление путем снятия деформации.

К недостаткам следует отнести невысокую надежность крепления участков, подвергаемых сейсмическому воздействию от взрывных работ, и невозможность извлечения штанговой крепи из шпуров или скважин для их повторного использования.

Преимущества: полная несущая способность сразу после установки; закрепление по всей длине шпура; возможность установки, как при помощи буровой установки, так и при помощи ручных перфораторов.

9. Полимерный анкер

Анкер полимерный, предназначенный для крепления кровли и боков горных выработок, состоит из полимерной композиционной трубки диаметром 19-20 мм, цилиндрической армополимерной муфты с внешней резьбой, армополимерной гайки и опорной плитки из полимера (Рисунок).

Анкерная крепь по сравнению с известными конструкциями аналогичного назначения, например, сталеполимерной, обладает рядом преимуществ. Перечень их включает в себя: неподверженность коррозии; податливость до 50 мм без установки дополнительных демпфирующих элементов; лёгкость (масса 1 м трубчатого полимерного композиционного стержня составляет 420 ± 20 г, тогда как масса анкерного стержня, изготовленного из арматурной стали периодического профиля номинальным диаметром 22 мм, - 2980 ± 90 г; масса комплекта анкерной полимерной крепи при длине трубчатого стержня 1,8 м составляет 1,1 кг, а комплекта анкерной сталеполимерной крепи такой же длины и размером - 7,0 кг); технологичностью установки (установка анкерной сталеполимерной крепи менее технологична ввиду её значительно большего веса и необходимости в дополнительных элементах - податливом и центрирующем); возможность установки с отклонением от нормали к плоскости кровли или бока выработки на угол до 35є (данный показатель для сталеполимерной составляет 18є); искробезопасность при установке (отсутствует фрикционное искрение); применяемость в качестве опережающей крепи в очистных и подготовительных забоях (элементы анкерной полимерной крепи легко срезаются исполнительными органами комбайнов, а разрушенные фрагменты не препятствуют работе конвейеров и другого оборудования); сниженная травмоопасность (исключается поражение электрическим током через элементы анкерной крепи; минимизация риска получения травм при неосторожном выполнении работ); низкая стоимость.

Рисунок - Крепь анкерная полимерная

1 - композиционная трубка внутренним диаметром 10 мм, наружным - 20 мм; 2 - армополимерная муфта длиной 150 мм с наружной трапециидальной резьбой внешним диаметром 45 мм, внутренним - 32 мм, с шагом- 12 мм; 3 - армополимерная полусферическая гайка высотой 60 мм; 4 - полимерная опорная плитка высотой 45 мм, с диаметром основания 125 мм; 5 - шпур диаметром 28-32 мм; 6 - полимерный состав для закрепления анкера в шпуре

10. Канатный анкер

Канатный анкер, представленный на Рисунке, закрепляется ампулами с минеральной или полиэфирной композицией

Рисунок - Канатный анкер

Назначением канатного анкера является упрочнение приконтурного массива горных выработок за счет сшивки слоистой толщи пород и подвески неустойчивой части массива к устойчивой. Область применения: выработки, расположенные на границе с выработанным пространством; демонтажные камеры; газо-дренажные каналы; выработки для повторного использования; монтажные камеры; сопряжения выработок; выработки с неустойчивой кровлей мощностью более 3-4м; крепление приводных головок ленточных конвейеров; подвеска монорельсовых дрог; крепление тоннелей;

Крепь состоит из стержня анкера, выполненного из стального семижильного каната 15К7, соединенного с муфтой посредством клиновой втулки. Муфта снабжена гайкой. Для увеличения жесткости каната на сопряжении с муфтой к торцу последней присоединена направляющая трубка. Для увеличения плотности закрепляющего материала и качественного перемешивания двухкомпонентного составов канат снабжен проволочным шнеком. При закреплении канатного анкера минеральной композицией ампульным способом в головной части каната выполнен винт, обеспечивающий предварительное натяжение анкера без времени ожидания отверждения в сухих и обводненных породах.

Преимущества: высокое разрывное усилие и усилие на срез; Оптимальная несущая способность системы; легко устанавливаются в забое; обеспечивают закрепление породы стандартной смолой по всей длине; могут быть фиксированными или натяжными.

11. Стеклопластиковый анкер

Стеклопластиковый анкер нашел широкое применение, как в креплении наружных теплоизоляционных материалов (анкер строительный забивной, имеющий стеклопластиковый стержень, использующийся при реконструкции или капитальном ремонте зданий), так и в работе с горными выработками.

В строительной отрасли именно он, отличаясь простотой и надежностью применения, делает (благодаря стеклопластиковому элементу) деталь нетеплопроводимой и высокопрочной, позволяя прикреплять плиты теплоизоляции, практически, любой допустимой толщины.

Стеклопластиковый анкер для крепления горных пород изготовлен из стекловолоконного вида материала, имеет высокую прочность на растяжение. Закрепляется на шпурах с помощью ампул или составов из полимера.

Данный вид анкера применяется при работе с выработками (горными) и боками, и процессе упрочнения пластов (угольных), в подготовительных и очистных видах забоев.

Преимущества его применения: высочайшая прочность на растяжение; стойкость к коррозийным процессам; малый вес (примерно в пять раз легче анкера из металла, это облегчает как его транспортировку, так и установку); не мешают процессам выемки угольных пород органами (исполнительным) очистных и проходческих комбайнов; бурение углублений (шпуров) и установка этих деталей производится полностью аналогично схемам установок иных анкеров (сталеполимерных), безопасное применение, так как в нем нет металла, полностью исключается вероятность фрикционного искрения; простота, удобство и надежность установки.

Заключение

Анкерная крепь является прогрессивной и экономически выгодной, применяется в широком диапазоне горнотехнических условий.

Начиная с конца прошлого века, анкерная крепь получила весьма широкое распространение, особенно после появления сталеполимерных анкеров, когда закрепление металлических стержней в шпурах производится с помощью быстротвердеющих составов. В настоящий момент в Кузбассе на шахтах, отрабатывающих пласты пологого и крутого залегания, ежегодно проводится и крепится анкерной крепью порядка 250 км подготовительных выработок.

К главным ее преимуществам относится возможность повышения безопасности ведения горных работ, так как лучше любой другой крепи противостоит взрывным работам, возможность полной механизации возведения, меньшие расходы материалов и затраты на доставку, позволят по сравнению с рамной крепью уменьшить сечение выработки на 18 - 25 % и ее аэродинамическое сопротивление. Но есть и недостаток - это ограниченное применение в сложных условиях.

Список использованных источников

1. «Рациональные конструкции анкеров» [Электронный ресурс] URL: Режим доступа: http://fundament.polystromdom.ru/about_vints_2.html,дата обращения: 20.10.2014

2. «Горная энциклопедия» [Электронный ресурс] URL: Режим доступа: http://www.mining-enc.ru/, дата обращения: 19.10.2014

3. «Анкерная полимерная крепь» [Электронный ресурс] URL: Режим доступа: http://www.siurgtu.ru/actionsferas/science/sbornik/3/9.php,дата обращения: 20.10.2014

4. «Шахтный анкер» [Электронный ресурс] URL: Режим доступа: http://kuwalda.fixmag.ru/tools/id_999843141.html, дата обращения: 20.10.2014

5. [Электронный ресурс] URL: Режим доступа: http://www.findpatent.ru/patent/236/2364724.html, дата обращения: 20.10.2014

Размещено на Allbest.ru