Изучение свойств крепежных материалов

Горное дело - это отрасль промышленности, которая занимается поисками, эксплуатацией, переработкой и сбытом полезных ископаемых. Многие полезные ископаемые являются основным сырьем для различных отраслей промышленности. Уголь и нефть - главнейшие источники тепла и энергии; металлы, полученные из руд, служат для изготовления машин; многие минералы являются сырьем для химической промышленности; соль - пищевой продукт, и так далее.

Горное дело занимается извлечением минералов непосредственно из земной коры и не нуждается в другом сырье, поэтому его относят, подобно сельскому хозяйству, к числу сырьевых отраслей. Поскольку горное дело является основой для многих других отраслей промышленности, его называют основной промышленностью. Как известно, прежде чем приступить к разработке месторождений, необходимо провести поисковые геологоразведочные работы, определить размеры, запасы месторождения, состав полезного ископаемого.

Для нормальной и безопасной работы под землей все подземные выработки должны быть обеспечены свежим воздухом, что достигается путем проветривания шахт.

Согласно Правилам безопасности ведения подземных горных работ, на каждой действующей шахте должно быть не менее двух отдельных выходов на поверхность. Кроме того, горные выработки должны быть укреплены с использованием крепежных материалов для обеспечения безопасности ведения горных работ. Моя работа посвящена изучению горных крепей: их свойств, материалов, особенностей эксплуатации.

Геологическая характеристика месторождения

Североуральский бокситовый бассейн имеет меридиональное простирание более 150км от г. Карпинска на юге до г. Ивделя на севере. Шахтами разрабатывается участок в районе г. Североуральска, протяженностью 25км, представленный месторождениями «Красная Шапочка», Кальинское и Черемуховское. Месторождения представлены пластообразной наклонной залежью с углом падения на восток 25-30(, мощностью до 60м при средней 4,5-5м. Оруденение прослеживается до глубины 2,5км. Запасы промышленных категорий в объеме 280млн. тонн разведаны до глубины 1800м, 40% из них уже отработаны.

Месторождения СУБРа расположены на восточном склоне Северного Урала и занимают центральную часть Североуральского бокситового бассейна, включающую в себя Карпинский и Ивдельский бокситовые районы. Промышленная эксплуатация месторождений СУБРа ведется с 1933 года.

Отработка данных месторождений производится подземным способом четырьмя самостоятельными производственными единицами (шахтами): шахта «Красная Шапочка» (месторождение Красная Шапочка); шахта "Кальинская" (месторождения Кальинское и Ново-Кальинское); шахта «Ново-Кальинская» (месторождение Ново-Кальинское); шахта "Черемуховская" (месторождение Черемуховское). Предприятие расположено в экономически развитом районе, в непосредственной близости от г. Североуральска, промплощадки шахт соединены между собой сетью автомобильных дорог, ж/д путей, инженерных коммуникаций.

Североуральский бокситовый бассейн включает в себя следующие месторождения: Сосьвинское, Черемуховское, Ново-Кальинское, Кальинское, Красная Шапочка.

Черемуховское месторождение делится на два участка: Кедровский и Южный. Граница между ними проходит по дорудному Центрально-Черемуховскому сбросу. Простирание сбросов северо-восточное. Западная граница месторождения проходит по выходу рудного тела на поверхность, а восточная совпадает с Шегультанским взбросом.

По результатам сопоставления данных разведки и эксплуатации наблюдаются следующие закономерности для Черемуховского месторождения:

- с глубиной работ наблюдается рост тектонических нарушений, причем растет доля нарушений с амплитудой смещения от 1 до 5 метров;

- наблюдается рост тектонических нарушений широтного и диагонального простирания;

- преобладают тектонические нарушения с крутыми углами падения.

Физико-механические свойства руд и вмещающих пород по Черемуховскому месторождению аналогичны общерудничным.

Ярко выраженной особенностью северной половины Североуральского бассейна является меридионально вытянутая безрудная полоса, приуроченная на Черемуховском месторождении к глубинам 700-1000м (гор. -500м. , -800м. ). В южной половине бассейна характерно более равномерное распределение безрудных окон, которые занимают здесь около 25% площади.

Структурное положение Черемуховского месторождения в общих чертах аналогично остальным месторождениям Североуральского бокситового бассейна.

На Черемуховском месторождении выявлены три крупных тектонических зоны, заложившихся еще в дорудное время: зона Северо-Черемуховского сброса, являющаяся северной геологической границей; зона Центрально-Черемуховского сброса в средней части месторождения и зона Южно-Черемуховского сброса, ограничивающий месторождение с юга. В пределах месторождения породы моноклинально падают на восток 25°-35°. Форма рудной залежи слоистая и характеризуется ровной верхней поверхностью по контакту с темно-серыми битуминозными известняками и сланцами и крайне неровной нижней поверхностью по контакту подстилающими известняками. По условиям залегания рудное тело подразделяется на горизонтальную и наклонную части. Западная горизонтальная головная часть месторождения отработана. В настоящее время эксплуатируется наклонная часть. Наклонная часть рудного тела залегает среди девонских осадков, падающих на восток под 10°-35°. Она находится ниже уровня грунтовых вод и всегда в той или иной степени обводнена. Рудоносность месторождения определяется мощностью бокситовой залежи и прерывистостью ее по падению и простиранию.

Огромные запасы Североуральского бокситового бассейна и относительно выдержанные палеографические условия формирования рудного горизонта привели к образованию рудных залежей однообразных по строению минералов и химическому составу на различных участках бассейна.

Основные факторы работы ОАО «СУБР»

Отрицательные ФАКТОРЫ

➢ 1) сложные горно-геологические условия залегания бокситовой залежи

➢ 2) значительная обводнённость месторождений и повышенная удароопасность

➢ 3) большая глубина горных работ требует значительных затрат на подъём горной массы, воды, спуск материалов, подачу воздуха для проветривания

➢ 4) низкий уровень механизации и преобладание ручного труда при ведении горных работ

➢ 5) большая протяженность горных выработок более 180 км.

Положительные ФАКТОРЫ:

➢ расположение потребителей продукции в непосредственной близости от источников сырья

➢ высокое качество руды, удовлетворяющее технологиям производства потребителей

➢ обеспеченность разведанными промышленными запасами.

Технология добычи

Подготовка горизонтов на шахте “Черёмуховская” ведётся от центра к флангам путём проходки полевых штреков, проходимых в лесниках лежачего бока по нормали к рудному телу не менее 40 метров, что обусловлено горными ударами на шахте. Со штрека к рудному телу проходятся орты-заезды до вскрытия рудного тела. Подготовка очистных блоков осуществляется за счёт проходки рудных восстающих, проходимых с горизонта на горизонт и панельных штреков. Вид крепления выработок выбирается в зависимости от классификации пород кровли.

Полевые выработки, расположенные в монолитных не трещиноватых или слаботрещиноватых устойчивых известняках Петропавловской свиты, допускается проходить без крепления. Полевые выработки, проходимые в средне трещиноватых известняках крепятся железобетонными штангами или сталеполимерными штангами. Полевые выработки, проходимые в сильнотрещиноватых, неустойчивых известняках крепятся железобетонными или сталеполимерными штангами со стольными подхватами и затяжкой, с нанесением слоя набрызг -бетона толщиной 3-4см.

Сопряжения откаточных штреков с ортами-заездами крепятся железобетонными или сталеполимерными штангами, в трещиноватых породах с нанесением слоя набрызгбетона. В неустойчивых породах наряду с обычной штанговой крепью устанавливают подвеску из 9 штанг, длиной 3м с шагом 1,5 х 1,5м в центре сопряжения.

Рудные восстающие, проходимые под неустойчивым висячим боком, крепятся деревом.

Рудоспуски и другие выработки с углом наклона более 45˚ в устойчивых рудах и породах проходятся без крепи, в неустойчивых крепятся деревом.

Бурение шпуров в горизонтальных и наклонных выработках производятся ручными перфораторами ПР-30 с виброгасящими каретками ВК-IY. При проходке полевых откаточных штреков для бурения шпуров применяется буровая установка “Тамрою Минибур-Дизель”. Бурение шпуров при проходке рудоспусков и крутопадающих (>60˚) вентиляционных ходков, а так же для крепления кровли штанговой крепью, производится телескпопными перфораторами ПТ-29. Для вспомогательных работ применяются отбойные молотки МП-2. Погрузка отбитой горной массы при проходке производится машинами 2ПНБ-2, ПНБ-3К, ПНБ-3Д.

При проходке полевых и рудных восстающих, вентиляционных подэтажных штреков, ходков для уборки из забоя и доставки горной массы к месту загрузки в вагоны применяются скреперные лебёдки 55ЛС-2С, 30ЛС-2С.

Откатка горной массы производится электровозами типа 14КР, 10КР в глухих вагонах ёмкостью 4м.

Управление горным давлением осуществляется путём посадки отработанных выработок. При проходки в известняках лежачего бока выработкам придаются разнообразные конфигурации (сводчатые, шатровые, со смещённым шатром, “свиное ухо”).

Основными факторами, определяющими систему разработки для месторождений шахты «Черемуховская» являются:

• - глубина работ;

• - угол наклона рудных залежей;

• - устойчивость пород налегающей толщи;

• - удароопасность руд и вмещающих пород;

• - склонность пород висячего бока на отдельных участках к самовозгоранию;

• - мощность рудного тела;

• - зоны взаимосвязанных карстовых систем и остаточные напоры подземных вод, требующие разработки специальных мероприятий, предупреждающих их прорыв в подземные горные выработки.

При выемке участков рудных тел применяются следующие системы разработки:

• система слоевого обрушения (ССО);

• столбовая система разработки (ССР);

• камерно-столбовая система (КСС).

Перспективное развитие шахты «Черемуховская»

Алюминий и сплавы на его основе выходят на ведущее место в народном хозяйстве. Потребности в них растут из года в год. Растет и рудная база. Одним из источников сырья для нашей алюминиевой промышленности являются месторождения Североуральского рудного бассейна. Черемуховское месторождение, входящее в него, открыто 1933году. К настоящему времени детально разведано до глубины 1200-1450 м.

В период до 2030 года очистные и горно-подготовительные работы будут развиваться на Кедровском и Южном участках Черёмуховского месторождения бокситов. По ряду объективных причин уже много лет Кедровский участок отрабатывается значительно интенсивнее Южного участка.

С вводом нового ствола шахты "Черемуховская-Глубокая" проектная производительность шахты составит 1200тыс. т. руды в год, которая может быть достигнута к 2017 году.

Уровень обеспеченности запасами позволяет шахте увеличить объём добычи с 584 тыс. т. в 2004 году до 1200 тыс. т. в 2014 году. Рост объёмов обеспечивается исключительно за счёт введения в эксплуатацию вертикального ствола и вовлечения в эксплуатацию дополнительного количества очистных блоков и увеличения численности рабочих.

• Строительство шахты «Черемуховская-Глубокая» и ввод ее в эксплуатацию в 2013г. с последующим увеличением добычи боксита до 1 350 тыс. тонн. в год.

• Доработка запасов шахты «Красная Шапочка» и вывод ее из эксплуатации в 2014г.

• Объединение шахт «Кальинская» и «Ново-Кальинская» с 2011г. в одно структурное подразделение с годовой производительностью до 1 800 тыс. тонн.

• Расширение парка самоходного оборудования на очистных и горнопроходческих работах.

• Поддержание годовой производительности предприятия на уровне 3 350 тыс. тонн.

• Реконструкция и техническое перевооружение Петропавловского известнякового карьера.

• Добыча бокситов Пешинской залежи ниже уровня грунтовых вод ООО «Тошемские бокситовые карьеры».

Черемуховское месторождение бокситов эксплуатируется с 1949 года. Его доля в общих запасах составляет 14% , в объеме добычи - 21%.

К настоящему времени Черемуховское месторождение разведано по категории В+С1 до глубины 1750м, по категории С2 до глубины 2000м.

Черемуховское месторождение разведано со следующей степенью детальности: до глубины 1000-1100 м по сети 100*100 м по категории В и С1; ниже до глубины 1500-1750 м залежь разведана по сети 200*200м и 200*200м с центральной скважиной, запасы отнесены к категории С1. Запасы до глубины 2000м по категории С2 оценены по сети 400*400м одиночными скважинами. Методика разведки заключалась в бурении скважин с поверхности по разведочным линиям.

В процессе геологоразведочных работ все рудные пересечения полностью опробованы по разновидностям боксита. Интервал опробования 1 м. Пробы обрабатывались по стандартной методике, и качество бокситов определялось химическим анализом.

В результате разведочных работ подсчитаны запасы методом геологических блоков. Кондиции предусматривают минимальную промышленную мощность бокситов 1м, мощность пустых пород в контуре подсчета запасов 1м. При подсчете запасов обосновывается коэффициент рудоносности в зависимости от характера прерывистости, который варьирует от 0,7 до 1,0 по разным геологическим блокам.

В процессе разработки месторождения разведка не прекращается - бурением скважин и проведением выработок уточняют контуры рудных тел, а также производят опробование рудного тела с целью планирования качества добываемых бокситов.

На шахте каждый год производится пересчет запасов бокситов, числящихся на балансе предприятия для целей планирования горных работ, учета полноты отработки запасов и т. д.

На основе пересчета запасов определяется обеспеченность запасами согласно существующим нормативам, осуществляется планирование горных работ на год.

С учетом потерь балансовые запасы Черемуховского месторождения до отметки -1220м составляют 25870,5тыс. тонн.

Общие сведения о крепи и крепежных материалах

Горная крепь

Рудничная крепь, шахтная крепь, крепь— искусственные сооружения, возводимые в горных выработках для предотвращения обрушения окружающих пород и сохранения необходимых размеров поперечных сечений, а также для управления горным давлением. Горная крепь должна удовлетворять следующим основным технико-экономическим требованиям: поддерживать выработку в рабочем безопасном состоянии в течение всего срока ее службы: быть экономичной, т. е. чтобы сумма затрат на изготовление (возведение), эксплуатацию и ремонт была минимальной; быть простой в изготовлении, транспортабельной, удобной для обслуживания, иметь устойчивую рабочую характеристику, не загромождать выработку, оказывать минимальное сопротивление движению воздуха, быть огнестойкой.

Крепежные материалы

Крепежные материалы — материалы для изготовления горной крепи. Подразделяются: по использованию — на крепежные материалы, применяемые в несущих конструкциях крепей (металл, бетон, дерево, естественные и искусственные камни, пластмассы и др. ), вяжущие, служащие для приготовления растворов, бетонов и пластмасс (цементы, известь, смолы и др. ), вспомогательные крепежные материалы (водоизоляционные материалы, химические реагенты и др. ); по степени сопротивляемости действию огня (в условиях пожара) — на огнестойкие (бетон, железобетон, некоторые камни), полуогнестойкие (металл, пластмассы), сгораемые (древесина); по сроку службы в выработках — на долговечные (бетон, железобетон, металл и др. ) и недолговечные (дерево); по характеру деформации под нагрузкой — на хрупкие (бетон, камни и др. ) и упругопластические (дерево, металл).

Основные крепежные материалы: металл, бетон, железобетон, определённые сорта древесины (преимущественно хвойных пород), естественные и искусственные камни, а с 70-х гг. стеклопластики, различные синтетические смолы и другие полимерные материалы. Крепежные материалы выбирают в зависимости от конструкции крепи с учётом назначения и срока службы выработки. Основные требования, предъявляемые к крепежным материалам: высокая удельная прочность, т. е. наибольшее отношение временного сопротивления (прочности) материала к его объёмной массе; небольшая стоимость, доступность получения, огнестойкость, а также стойкость против коррозии и гниения (долговечность).

Дерево и камень как крепежные материалы известны с глубокой древности. В подземных разработках того времени деревянные подпорки (стойки) поддерживали укладываемые в кровле вдоль оси горных выработок брёвна или пластины. На острове Самос (Греция) обнаружен тоннель, сооружённый в 7 в. до н. э. , с крепью из сухой каменной кладки. Этот крепежный материал широко применяли в Древнем Риме. В Древнем Египте (6 в. до н. э. ) наряду с камнем была известна крепь из кирпича. В качестве вяжущих для каменной и кирпичной крепей использовались глина и асфальт. По сохранившимся остаткам древнеримских подземных сооружений можно полагать, что римлянам в качестве крепежного материала был известен бетон. Для растворов римляне применяли гидравлическую известь либо пуццолановую землю. Подземные разработки с широким использованием деревянной крепи относятся к 12 в. Появившийся в начале 20 века в странах Западной Европы недостаток в лесных материалах предопределил переход на применение металла в горных крепях. В угольной промышленности CCCP металлическая крепь начала интенсивно внедряться в 1975-80.

В 20-х годах 20 века за рубежом в подземных выработках в качестве крепежного материала начали применять сборный железобетон (в современных условиях на шахтах распространения не получил). С 1945 этот материал используется в угольной промышленности CCCP.

Крепежными материалами называют материалы, применяемые для изготовления горной крепи, под которой понимают искусственные сооружения, возводимые в выработке для предотвращения обрушения неустойчивых пород и сохранения необходимой площади поперечного сечения на период эксплуатации. Крепежные материалы делятся по использованию и конструкции крепи на: основные, применяемые в несущих элементах конструкции (металл, бетон, дерево и др. ), вяжущие, служащие для приготовления растворов, и вспомогательные (водоизоляционные материалы, химические реагенты и др); по сроку службы в выработках на: долговечные (бетон, металл и др. ); недолговечные (дерево).

Крепежные материалы должны обладать высокой удельной прочностью, которую определяют отношением предела прочности материала к его плотности и называют коэффициентом конструктивного качества. Этот коэффициент, например, у стали ЗОХГС составляет 140, а у сосны - 200 (по растяжению) и 67 (по сжатию). Кроме того, крепежный материал должен иметь невысокую стоимость, не быть легковоспламеняющимся и обладать стойкостью против коррозии и гниения.

Лесоматериалы

Дерево как крепежный материал имеет широкое распространение для крепления горноразведочных выработок. Наибольшее применение имеют следующие породы дерева: ель, сосна, лиственница, кедр и пихта. Достоинства деревянных конструкций: простота изготовления, невысокая трудоемкость и относительно невысокая первоначальная стоимость. Недостатки: малый срок службы в подземных условиях, огнеопасность, подверженность гниению и невозможность многократного использования. Наибольшее распространение в качестве крепежного материала получила сосна, обладающая более высокими механическими свойствами, чем ель и пихта.

На круглый крепежный лесоматериал для крепления подземных выработок установлен ГОСТ 616 - 83. Для изготовления крепи необходимо по возможности применять сухой лесоматериал. Допустимое содержание влаги для хвойных пород деревьев - 10 - 12%, а для лиственных - 14 - 15%. У свежесрубленной древесины влажность в среднем составляет 40%. Механическая прочность древесины увеличивается с уменьшением влажности и повышением плотности. Пороки древесины (косослой, сучковатость, гниль) резко снижают ее механические свойства. Применение лесоматериалов, зараженных гнилью, не допускается.

Сорта крепежного леса. К круглым лесоматериалам относятся следующие виды: бревна, подтоварник, стойки, а к пиломатериалам - пластины (распилы), брусья, доски и обаполы (горбыли). Наибольшее применение для крепления выработок нашли стойки и обаполы. Бревна - обрезки древесного ствола длиной от 5 до 9 м и толщиной в верхнем торце 12см и больше. Подтоварник - круглый лесоматериал длиной от 3 до 9 м и толщиной в верхнем торце от 9 до 11см. Рудничные стойки - круглый лесоматериал длиной от 0,5 до 5 м и толщиной в верхнем торце от 7 до 30см. Отклонение в длине стоек допускается в размере ±2см, в диаметре - 0,5см для стоек толщиной до 11см (включительно) и 1см для стоек толщиной 12см и более.

Для крепления горных выработок применяют следующие пиломатериалы, размеры и нормы пороков которых должны соответствовать ГОСТ 8468 - 81. Распилы - стойки, распиленные пополам вдоль продольной оси. Распилы и пластины в основном применяются в качестве верхняков временной крепи и для крепления шурфов, а также в качестве затяжки боков и кровли выработки. Брусья - пиломатериалы, толщина которых равна ширине или более половины ширины. Если толщина и ширина составляют 10см и меньше, то их называют брусками. Стороны брусьев называют кантами. Брусья иногда применяют для крепления неглубоких стволов разведочных шахт. Различают брусья четырех- и двух- кантные, у последних пропилены только две стороны. Длина брусьев колеблется от 1 до 6,5 м, а сечение - от 13х13 до 25х25см. Двух- канатные брусья применяют для крепления шурфов и изготовления рудничных шпал.

Доски - пиломатериалы, ширина которых более двойной толщины. Доски бывают не обрезные, у которых боковые кромки не опилены, и обрезные, имеющие прямоугольное сечение. Доски применяются в качестве затяжки кровли и боков выработки, отшивки ходовых отделений в восстающих и т. п. Обапол разделяют на горбыльный - с непропиленной наружной поверхностью или пропиленной не более чем на половину длины и дощатый - с пропиленной наружной поверхностью более чем на половину длины обапола.

Прочность древесины (сопротивление сжатию, растяжению и изгибу) зависит от породы дерева, влажности, строения, характера, направления и места приложения силы.

Предохранение крепежного леса от гниения производится пропиткой или промазкой его антисептиком. Антисептики должны быть безвредными для людей, не выщелачиваться из пропитанной древесины, не иметь запаха и вредных газов при высыхании, не способствовать горению, а при горении не выделять вредных газов и густого дыма. Для защиты дерева от грибка (гниения) его пропитывают 2 - 4%-ным раствором фтористого натрия, который легко проникает в древесину, не горит и не имеет запаха. Хлористый цинк обладает теми же свойствами, что и фтористый натрий, но легко выщелачивается при наличии воды. Кремнефтористый натрий применяют для пропитки дерева только в виде горячих растворов, так как в холодных растворах он плохо проникает в древесину.

Для придания дереву огнезащитных свойств крепь пропитывают огнезащитными составами: фосфорнокислым аммонием или смесью фосфорнокислого и сернокислого аммония с керосиновым контактом Петрова. Последняя смесь не гигроскопична и не понижает прочности древесины. Для предохранения дерева от гниения в огнезащитные смеси добавляют фтористый натрий или другие антисептики.

Бетон и железобетон

Бетоном называют искусственный каменный материал, применяемый в строительстве и получаемый в результате затвердевания смеси из вяжущего вещества, песка, щебня или гравия после затворения водой или введения отвердителя. Прочность щебня или гравия должна быть не ниже прочности получаемого из него бетона. Наибольшее применение нашли бетоны на цементном вяжущем. Если в качестве вяжущего вещества применяют синтетическую смолу, то полученный бетон называют пласт бетоном.

Песок (мелкий заполнитель) и щебень или гравий (крупный заполнитель) являются инертными добавками, которые наряду с сокращением расхода цемента обеспечивают высокую прочность и плотность бетона. Вяжущие, вода и отвердитель являются активными составляющими бетона и пластбетона.

Бетоны по плотности разделяют на тяжелые и легкие. Для горной крепи применяют в основном тяжелые бетоны с плотностью 2200 - 2300 кг/м. куб. По расходу цемента на 1м. куб. бетонной смеси различают жирные (более 250 кг/м. куб. ), средние (200 - 250 кг/м. куб. ) и тощие (менее 200 кг/м. куб. ) бетоны. Для горной крепи применяют жирные и средние бетоны.

По консистенции бетонные смеси разделяют на жесткие, пластичные и литые. Жесткие смеси содержат 6 - 6,5% воды (130 - 170 л/м. куб. ) от массы сухой смеси. При укладке они требуют вибрирования или трамбования. Пластичные бетоны содержат 6,5 - 8% воды (170 - 230 л на 1м. куб. ) и хорошо укладываются при слабом трамбовании. В литых бетонах 8 - 12% воды (более 230 л/м. куб. ), они свободно растекаются и укладываются в опалубки. Для изготовления горной крепи применяют жесткий бетон. Пластичные бетоны чаще используют при возведении железобетонных конструкций, а литые - в случае применения бетоноукладчиков.

Подбор состава бетонной смеси производится в лаборатории. При этом преследуется цель: при наименьшем расходе цемента получить удобную для укладки бетонную смесь, обеспечивающую после твердения заданную прочность бетона.

Торкретбетон - бетон, состоящий из цемента и песка, затворенных водой (цементно-песчаный раствор). Крупность песка в торкретбетоне до 8 мм. При включении крупных фракций песка или щебня (до 25 мм) бетон называют набрызгбетоном. Водоцементное отношение в таких бетонах находится в пределах 0,3 - 0,4. Отличительными особенностями торкретбетона и набрызгбетона являются способы приготовления бетонной смеси и ее укладки. Предварительно заготовленную сухую смесь цемента и заполнителей загружают в специальную пневматическую бетономешалку, из которой под действием сжатого воздуха под давлением 0,2 - 0,3 МПа. Смесь подают по шлангу, оборудованному на конце соплом. Затворение смеси водой происходит в сопле и она сразу же наносится на поверхность выработки. Набрызгбетон получил широкое распространение в различных видах строительства, а в подземных условиях становится одним из основных материалов для крепления выработок. Торкретбетон применяют для нанесения покрытий, предохраняющих породу от выветривания и отслаивания, создания гидроизоляционных покрытий, усиления и ремонта бетонных крепей. Для ускорения твердения в бетон добавляют фтористый натрий в количестве 2 - 5% от массы цемента.

Для получения необходимой марки бетона состав набрызгбетона получают по расходу цемента.

Железобетон - бетон, армированный металлом. Для крепления геологоразведочных выработок он имеет ограниченное применение в связи с большой трудоемкостью изготовления и высокой стоимостью. В последнее время из железобетона изготовляют элементы рамной или сплошной крепи (стойки, верхняки, затяжку, плиты и др. ).

В угольных шахтах применяют смешанные рамные крепи, состоящие из железобетонных трубчатых стоек и металлических: верхняков, но объем такого вида крепи мал. В особо тяжелых горно-геологических условиях применяют сборные сплошные железобетонные крепи, элементы которых состоят из криволинейных блоков, позволяющих крепить выработки круглого и подковообразного сечения.

Лесные материалы для крепления горных выработок

Лесоматериалы довольно широко применяются для крепления горных выработок, так как древесина имеет относительно высокую прочность при небольшой массе, обладает упругостью, легко обрабатывается и сравнительно дешева. Деревянная крепь имеет некоторые преимущества по сравнению с другими видами крепи: установка, переноска и ремонт деревянной крепи проще; для условий, встречающихся в горной практике, дерево обладает достаточной прочностью и податливостью; при значительном росте давления кровли древесина, расщепляясь по годовым слоям, издает характерный треск, что предупреждает о приближении опасности.

Деревянная крепь имеет и ряд недостатков. Основными из них являются: неогнестойкость; значительный разброс прочностных показателей и сравнительно небольшая механическая прочность, вследствие чего в ряде случаев крепь под влиянием горного давления при сдвигах окружающих пород разрушается; подверженность гниению, которое особенно интенсивно происходит в подземных условиях; необходимость частого перекрепления выработок; сложность механизации работ по установке и ремонту деревянной крепи; подготовительные выработки, закрепленные деревом, обычно находятся в менее удовлетворительном состоянии, чем выработки, закрепленные более прогрессивными видами крепи - металлическими, из сборного железобетона и др.

Вследствие гниения срок службы сосновой крепи в среднем составляет всего 2-3 года, а при неблагоприятных условиях (в выработках с исходящей вентиляционной струей и повышенной влажностью) - менее года, поэтому горные выработки с деревянной крепью приходится за срок их службы перекреплять.

Деревянная крепь на шахтах ОАО «Севуралбокситруда» изготавливается чаще из сосны, реже из ели, лиственницы, пихты и кедра.

Сосна отличается прямизною своего ствола и при небольшом весе - сравнительно большой прочностью. Ширина годовых колец в очень плотной и смолистой древесине сосны 0,9 - 1,5 мм, а в крупнослойной сосне доходит до 2,5 мм. Чем мелкослойнее и смолистее сосна, тем она прочнее и устойчивее против гниения. Смолистость сосны - 18-20 кг смолы на 1 м3 древесины и является природным антисептиком. Сосну применяют для крепления капитальных, подготовительных и очистных выработок.

Ель в рудничном креплении применяется реже, чем сосна. Ширина годовых колец у нее составляет 2,0 - 2,5 мм и больше. Она содержит смолы меньше, чем сосна (5-10 кг/м3) и поэтому скорее загнивает. Упругостью еловая древесина превосходит сосновую и в сухом состоянии по прочности мало уступает сосне. В рудничном креплении ель применяется там, где горное давление невелико, выработки сухие и с малым сроком службы. Еловая сухая стойка служит хорошим сигнализатором.

Лиственница обладает хорошими механическими качествами и вследствие значительной смолистости (большей, чем у сосны) хорошо противостоит гниению. Древесина лиственницы плотнее, чем у сосны. Однако распространенность лиственницы в природе значительно меньше, поэтому стоимость ее довольно высока и применение ограничено только выработками с большим сроком службы.

Пихта мало отличается от ели, уступая ей в механической прочности и стойкости против гниения. Древесина пихты обрабатывается хуже, чем древесина ели. Пихта не имеет смолы, а поэтому сильнее подвержена гниению. В рудничном креплении пихта применяется в таких же условиях, как и ель.

Кедр имеет ограниченное применение для крепления ввиду малой распространенности в природе и промысловой ценности. Существенное отличие его от других древесных пород - наличие мягкой, легкой и равномерно плотной древесины, стойкой в отношении гниения.

При применении древесины приходится учитывать имеющиеся в ней отклонения от нормы и повреждения, называемые пороками. Наличие пороков оказывает то или иное влияние на пригодность древесины для различных технических целей. Пороки древесины разделяются на следующие группы: сучки, ненормальные окраски и гнили, повреждения насекомыми, трещины, пороки формы ствола, пороки строения древесины, раны и ненормальные отложения.

Наиболее часто встречаются следующие неправильности строения: закомлеватость, или разница в размере толстого и тонкого концов дерева, превышающая допускаемую (нормально сбег у хвойных пород составляет 1 - 1,5 см на 1 п. м и у лиственных - 1,5 - 2,5 см); кривизна, в особенности двойная; косослой, или винтообразное расположение волокон, - порок, имеющий значение при изготовлении досок; свилеватость, или волнообразное расположение волокон (встречается чаще у лиственных пород), - порок, имеющий то же значение, что и косослой; эксцентричность - с одной стороны годичные кольца шире, чем с другой, - порок, имеющий значение при изготовлении досок. Для рудничного круглого леса эти пороки, за исключением закомлеватости и кривизны, особого значения не имеют. Сучки обуславливают неоднородность строения дерева, затрудняют обработку и обычно понижают его прочность и служат нередко причиною поломки конструкций крепи. Трещины также понижают прочность древесины. Они получаются от действия морозов, от раскачивания дерева на корню ветром и т. п. , а также от высыхания дерева при лежании его на складе. Гниль - особо важный порок древесины, от которого погибает много древесинной крепи. Она обязана жизнедеятельности грибов, в большинстве имеющих растительный характер, и заключается в изменении и разложении вещества древесины.

Влажность древесины - отношение массы содержащейся в древесине влаги к массе абсолютно сухой древесины (высушенной при температуре 100-150°С), выраженное в процентах. Влажность свежесрубленной древесины колеблется в широких пределах - от 35 до80% и в среднем составляет для сосны 40%, ели - 45%, пихты - 37%, лиственницы - 26%.

Прочность древесины даже одной и той же породы колеблется в Широких пределах в зависимости от характера и направления силы (нагрузки), от влажности, строения, возраста и других причин. Древесин является анизотропным материалом. Она лучше сопротивляется растяжению, чем сжатию или скалыванию, и лучше работает при действии этих усилий вдоль волокон, чем поперек. Если предел прочности при сжатии вдоль волокон принять за единицу, то при сжатии поперек волокон он будет равен 0,1-0,3; при растяжении вдоль волокон - 2-3, поперек волокон - 0,5-0,3. Прочность древесины на скалывание примерно в 7 раз меньше прочности на сжатие вдоль волокон.

Значительно снижается прочность древесины с увеличением ее важности. Поэтому в качестве крепежного материала не следует применять сырой лес. Прочность древесины также зависит от ее возраста: древесина молодых деревьев менее прочна. Гниение, сучки, трещины, Свилеватость, червоточины и другие пороки снижают прочность древесины.

Рудничные стойки - круглый лесоматериал длиной от 0,5 до 5 м и толщиной в верхнем торце от 7 до 30 см. отклонения длины стоек допускаются в размере ±2 см, диаметра - 0,5 см для стоек толщиной до 11 см (включительно) и 1 см для стоек толщиной 12 см и более.

Для крепления горных выработок применяют в основном следующие пиломатериалы.

Распилы (пластины) - стойки, распиленные пополам вдоль продольной оси. Пластины и распилы в основном служат в качестве затяжки боков и кровли выработок и для монтажа вместо накатника.

Брусья - пиломатериалы, толщина которых равна ширине или более ширины. Причем, если толщина и ширина их составляет 10 см и меньше, их называют брусками. Стороны брусьев называют кантами. Различают брусья четырехкантные, у которых пропилены четыре стороны, и двухкантные, у которых пропилены только две стороны. Длины брусьев колеблется от 1 до 6,5 м, сечение - от 13x13 до 25 x 25 см. Брусья применяют для крепления неглубоких вертикальных выработок, наклонных выработок прямоугольного сечения, для шпал рельсового пути и др. Бруски применяют для изготовления лестниц, трапов и ходовых отделений.

Доски - пиломатериалы, ширина которых более двойной толщины. Доски могут быть необрезные, у которых боковые кромки не опилены, и обрезные, имеющие прямоугольное сечение. Доски применяют для затяжки боков и кровли выработок, устройства кружал, опалубки, полков, обшивки ходовых отделений и перемычек, трапов и ходовых отделений.

Обаполы, или горбыли - крайние части ствола дерева, распиленного на брусья или доски. Обапол может быть горбыльным, когда пропил имеется только с одной стороны, и дощатым - с пропилом с двух сторон. Обаполы используют в основном для затяжки кровли и боков выработок.

Сталеполимерная штанговая крепь

Сталеполимерная штанговая крепь представляет собой конструкцию, состоящую из быстротвердеющих полимербетонных ампул, металлического стержня определенной длины и оснастки, обеспечивающей необходимое натяжение анкера

В комплект анкера входят арматурный стержень, опорная плитка толщиной не менее 5 мм, центровочная шайба и натяжная гайка.

Для изготовления СПШ могут применяться стержни из стали периодического профиля класса А-Ш со средним диаметром 16, 18 и 20 мм, а также из гладкой стали диаметром 20-22 мм. Податливость крепи из стержней периодического профиля обеспечивается опорной плиткой со сферической выпуклостью в центре, а при использовании гладкой стали за счет проскальзывания анкера при критической нагрузке.

Сталеполимерный анкер может закрепляться в шпуре в глубинной части

- замковая штанга или по всей длине - сплошная штанга с закреплением по всей длине шпура оказывают более высокое сопротивление смещению пород при динамике горного давления. Поэтому, с точки зрения механики и условий безопасности ведения горных работ в удароопасных условиях, применение анкеров, закрепляемых по всей длине шпура, предпочтительнее использования замковых штанг. Анкерная крепь с закреплением шпура по всей длине имеет повышенную несущую способность, но требует большого расхода материалов, характеризуется высокой стоимостью и повышенной трудоемкостью при установке.

Для закрепления анкеров в шпуре применяются ампулы диаметром 25 мм в двухкамерной полиэтиленовой оболочке, состоящие из ненасыщенной полиэфирной смолы, инертного заполнителя - карбоната кальция и отвердителя - пероксида бензоила. Количество и длина ампул выбираются в зависимости от конструкции штанги. При замковом закреплении в шпуре, длина закрепленной части должна быть не менее

30 см. При закреплении стержня по всей длине объем заполнения шпура полимербетоном должен составлять не менее 90%.

Сталеполимерная штанговая крепь замкового закрепления

Сталеполимерная штанговая крепь с полным заполнением шпура

Общие требования к крепи горных выработок

Крепь горных выработок должна удовлетворять следующим основным техническим и экономическим требованиям:

1) выдерживать давление горных пород, не разрушаясь (т. е. быть достаточно прочной) и обеспечивать рабочее состояние выработки (сохранение формы и размеров поперечного сечения выработки в пределах, необходимых для нормальных условий эксплуатации в соответствии с требованиями правил безопасности (в течение всего срока ее службы);

2) не мешать выполнению производственных процессов, не вызывать технологических осложнений при проведении и эксплуатации выработок (не иметь сложную конфигурацию периметра выработки, не загромождать рабочее пространство выработки и т. п. );

3) быть несложной и нетрудоемкой в изготовлении (технологичной), транспортабельной, удобной и нетрудоемкой при возведении ее в выработке, доступной (ремонтопригодной) для обслуживания в период эксплуатации и не оказывать значительного сопротивления движению воздуха по выработке (иметь минимальный коэффициент аэродинамического сопротивления);

4) быть надежной в работе, т. е. иметь устойчивую рабочую

5) бить неогнеопасной и стойкой против коррозии и гниения;

6) предусматривать возможность удобной подвески в выработке кабеля, вентиляционных труб, трубопроводов сжатого воздуха и т. п. ;

7) выход крепежных материалов на единицу несущей способности крепи должен быть минимальным;

8) сумма первоначальных затрат (трудовых и материальных) на изготовление и установку крепи в выработке и затрат на эксплуатацию и поддержание (ремонт) крепи в течение срока службы выработки должна быть минимальным; 9) сумма первоначальных затрат (трудовых и материальных) на изготовление и установку крепи в выработке и затрат на эксплуатацию и поддержание (ремонт) крепи в течение срока службы выработки должна быть минимальной.

Эти требования являются общими для всех видов и конструкций крепей капитальных и подготовительных выработок и должны служить основными критериями при оценке конструктивных и эксплуатационных качеств крепей и при выборе конструкции крепи для конкретных геологических условий выработок. Важным с точки зрения безопасности является требование, чтобы деформирование крепи в случае достижения ее предельной несущей способности происходило постепенно, без внезапного разрушения с тем, чтобы иметь время для принятия необходимых мер по предотвращению завала выработки, обеспечению безопасности людей, сохранению оборудования.

Примечание: числитель - min и max значения; знаменатель - среднее значение. Данные физико-механических свойств пород и руд составлены лабораторией физмехсвойств горных пород специализированного проектного института «СУБР-проект».

Опытно-промышленные работы на шахте «Черемуховская»

С внедрением в практику ведения горных работ сталеполимерного анкерного крепления появилась возможность укрепления пород кровли сразу вслед за их обнажением, что позволяет снизить развитие их деформации и повысить устойчивость обнажений.

По предложению руководства ОАО «Севуралбокситруда» в сентябре 2009 года на шахте «Черемуховская» при отработке очистных блоков столбовой системой разработки (ССР) были начаты опытно-промышленные работы по испытанию крепления кровли выработок, представленной сланцами V класса устойчивости, с применением комбинации деревянной крепи и сталеполимерных анкеров (СПА). Основной целью испытаний являлась разработка различных вариантов паспортов крепления кровли с применением СПА и технологии очистной выемки, обеспечивающих безопасное ведение горных работ при проведении выработок и отработке бокситовой залежи.

С понижением горных работ на шахте «Черемуховская» увеличивается доля участков рудной залежи с неустойчивой кровлей и мощностью пласта более 6 м. Проблема совершенствования параметров и типа крепи, выбор и испытание производительной технологии отработки месторождения в этих условиях имеют важное значение.

Вариант столбовой системы разработки, применяемый на шахтах СУБРа, предусматривает крепление выработок поддерживающей деревянной крепью (рамами НДО), является весьма трудоемким и малопроизводительным, потери руды в недрах достигают 16 %. Применение сталеполимерной анкерной крепи позволит снизить трудоемкость ведения горных работ и увеличить производительность труда горнорабочих.

Интервью с заместителем главного инженера шахты «Черемуховская» Минзариповым Рустамом Галимжановичем

В ходе работы над проектом я встретилась с заместителем главного инженера Минзариповым Рустамом Галимжановичем

Дата: 18 ноября 2010года

Вопросы, заданные в ходе интервью:

1. Какие материалы относятся к крепежным?

2. Какие материалы используются для крепления в большей степени?

3. Какие физико-механические свойства материалов при этом учитываются?

Ответы:

1. Для крепления горных выработок применяется:

- штанговая анкерная крепь для упрочнения контура выработок в устойчивых породах;

- поддерживающая деревянная крепь для крепления неустойчивых пород;

- бетонная крепь для повышения устойчивости пород в выработках с длительным сроком эксплуатации;

- различные комбинации перечисленных видов в зависимости от фактических условий.

Из этого следует, что для применения горной крепи необходимо использовать:

- металл и изделия металлопроката;

- дерево и продукцию распиловки древесины;

- бетон в различных модификациях.

Металл (пруток из стали периодического профиля, специальный взаимозаменяемый профиль СВП, двутавр, швеллер).

Дерево (круглый лес Ø14-30мм), доска, плаха, обапол.

Бетон (водостойкие марки, торкрет, набрызг) и строительные.

2. Широкое распространение на предприятии имеет анкерная (сталеполимерная) крепь, применение которой обусловлено незначительной трудоемкостью и простотой возведения, значительными силовыми характеристиками работы. Анкер состоит из стержня арматурной стали периодического профиля, закрепляется в шпуре по всей длине полимерным составом.

3. При использовании анкерной штанговой крепи учитываются упругие свойства стали:

- прочность на разрыв стержня анкера;

- сцепление с полимерным составом;

- прочность на срез.

Указанные свойства позволяют создать достаточную реакцию отпора крепи под воздействием внешней нагрузки на выработку.

Нагрузка от массива пород передается через полимербетон непосредственно на анкерный стержень и притом вблизи того места, где в результате деформации пород возникают усилия, которые должны восприниматься стержнем. В таких местах, увеличивающейся деформации пород противодействует возрастающее сопротивление анкера, вплоть до предельных прочностных характеристик металла.

Экскурсия на шахту «Черемуховская»

Для дальнейшего изучения свойств крепежных материалов, применяемых на шахте «Черемуховская», инженерно-техническими работниками шахты: заместителем главного инженера шахты по горным ударам Минзариповым Рустамом Галимжановичем, заместителем главного инженера шахты по охране труда и промышленной безопасности Кухаром Виктором Михайловичем, инженером по горным работам Балбековой Еленой Степановной проведена экскурсия в шахту с моим участием. Я ознакомилась с некоторыми видами крепёжных материалов. Увидела, как проходит работа по добычи руды.

Заключение

За последние годы различными научно-исследовательскими, проектными и промышленными организациями проведены значительные объемы работ по испытанию и совершенствованию различных типов и параметров крепи горных выработок.

Решение проблемы рационального крепления и надежного поддержания выработок имеет важную роль в повышении эффективности производства, снижении себестоимости продукции, увеличении производительности труда и обеспечении безопасности ведения горных работ.

В ходе работы над проектом стало очевидным, что отработка Черемуховского месторождения может производиться только подземным способом, а это значит, что для обеспечения безопасности горных работ в процессе разработки и эксплуатации необходимо укрепление кровли и боковых стенок выработок самыми современными материалами.

Кроме того Черемуховское месторождение отнесено к опасным по горным ударам на глубинах 250-440м. Гидрогеологические условия месторождения характеризуются как сложные, так как залежи руды приближены к обводненным массивам. Это является дополнительным аргументом к тому, чтобы очень внимательно подходить к выбору крепежных материалов.