Анкерная крепь
Для увеличения несущей способности прилегающих к выработке трещиноватых грунтов применяют анкерную крепь.
Анкерная крепь – это система закрепленных в шпурах металлических стержней (штанг), установленных по периметру выработки для скрепления различных слоев или структурных блоков грунта.
Анкерную крепь как самостоятельную конструкцию можно применять в грунтах средней устойчивости с коэффициентом крепости f ≥ 4.
В более слабых грунтах анкерную крепь можно применять в сочетании с другими крепями (рамной, тюбинговой, набрызгбетонной или монолитной бетонной). Кроме того, анкерную крепь часто используют в качестве меры для предотвращения пучения грунта подошвы выработки, а также для вспомогательных целей: при ремонте выработок с нарушенной крепью и усилении последней; для подвески кабелей, трубопроводов и др.
В выработках трапециевидной формы при горизонтальном напластовании грунтов (рис. 1.38, а) крайние анкеры устанавливают под углом 30° к вертикали, но так, чтобы конец анкера выходил за пределы пролета выработки не менее чем на 40 см; средние анкеры устанавливают вертикально. В выработках со сводчатой формой при горизонтальной слоистости (рис. 1.38, б) анкеры следует располагать радиально.
Рис. 1.38 – Расположение анкеров при различной слоистости грунтов
В выработках со сводчатой формой при вертикальной (рис. 1.38, в) анкеры располагают как можно более перпендикулярно к плоскости простирания слоев.
Металлические замковые анкеры по конструкции замков подразделяются на клинощелевые и распорные.
Клинощелевые анкеры (рис. 1.39) наиболее просты по конструкции и надежны в эксплуатации, их рекомендуется применять в грунтах с коэффициентом крепости 6–10. Они состоят из стержня (4) с резьбой на одном и прорезью (5) на другом конце, хвостовика (3), клина (6), опорной шайбы (2) и натяжной гайки (1). Конец стержня, в прорезь которого вставлен клин, является замком анкера. Анкеры могут изготавливаться как на строительной площадке, так и в заводских условиях.
Установку анкера производят следующим образом: штангу со вставленным в прорезь клином вводят в подготовленный шпур до упора и на выступающий из шпура конец штанги надевают насадку, по которой отбойным молотком наносят удары. Под действием ударов клин входит в прорезь, раздвигая обе половины разрезной части штанги и заклинивая их в грунт. Затем на выступающий конец штанги надевают металлическую прокладку (шайбу) и навинчивают натяжную гайку. Если грунт кровли не имеет достаточной прочности, между подкладкой и кровлей устанавливают подхваты из швеллеров, уголков или полосового железа. В выработках, имеющих кровлю сводчатой формы, устанавливают подхваты в виде арки. В необходимых случаях между подхватами размещают затяжки. Если грунты склонны к осыпанию, производят затяжку поверхности выработки металлической сеткой толщиной 2–3 мм с ячейками размерами 10×10 см, которую прижимают к грунту шайбами анкеров. Иногда на сетку наносят набрызгбетон или торкрет-бетон. Штанги анкерной крепи имеют длину 1,2–2 м, но в зависимости от напластования грунтов, ширины выработки и величины заходки длина их может достигать 3–5 м и более. Располагают анкеры по сетке от 1×1 до 1,5×1,5 м. Существенным недостатком этих анкеров является невозможность извлечения их из грунта для повторного использования.
Рис. 1.39 – Конструкции клинощелевых анкеров с замковой частью диаметром 25 мм (а) и 36 мм (б)
Распорные анкеры применяются в грунтах с f = 4. К этому типу анкеров относят многочисленные конструкции. Примером может служить анкер (рис. 1.40), состоящий из разрезной распорной муфты (1), угол наклона внутренних поверхностей которой соответствует наклону граней клина, образованного на конце расклиненной штанги (3). Собранный анкер с проволочным кольцом (2), удерживающим на штанге половинки распорной муфты, вводят в шпур вместе с установочной трубой (4). При затягивании гайки (6), упирающейся в опорную шайбу (5), клин штанги перемещается вниз, раздвигая части распорной муфты и способствуя закреплению их в шпуре. После снятия трубы производят окончательное натяжение штанги при плотном примыкании опорной шайбы к поверхности кровли.
Рис. 1.40 – Конструкция распорного анкера
Достоинства этого, анкера по сравнению с клинощелевым:
- качество заделки не зависит от глубины шпура;
- возможность повторного использования анкеров;
- большая поверхность контакта распорной головки со стенками шпура;
- возможность уменьшения диаметра штанги;
- меньшее влияние точности бурения на качество заделки анкера.
Основным недостатком распорных анкеров является сложность конструкции замка, требующей заводского изготовления.
Наличие грунтовых вод ухудшает условия успешного применения анкерной крепи, так как при размокании некоторых грунтов возможно проскальзывание замка анкера. По этой причине бурение шпуров для анкеров лучше производить без промывки.
В очень крепких грунтах (кварц, базальт, кварциты) трудно осуществить надежное закрепление металлических анкеров, так как для раздвижки замка в этом случае требуется приложить очень большие усилия. В недостаточно прочных грунтах (твердая глина, сланцевая глина) в месте расположения замка металлического анкера постепенно происходит деформация грунта и ослабление заделки. В связи с этим металлическую анкерную крепь следует считать временной, так как анкеры не защищены от коррозии и не могут быть достаточно долговечны.
Анкеры на пласторастворах (сталеполимерные) закрепляют в шпуре быстротвердеющим полимерным бетоном на основе эпоксидных (ЭД-5), полиэфирных (ПН-1) и фенольных (ФРА и ФФ-1Ф) смол, при этом раствором заполняют либо весь шпур, либо только его замковую часть. Достоинством такого закрепления является быстрое твердение растворов и хорошее сцепление раствора со стержнем и стенками шпура. Такие анкеры способны воспринимать нагрузку уже через 1–2 ч.
Во влажной среде прочность закрепления таких анкеров существенно снижается. Применение такого вида крепи целесообразно в грунтах f < 3÷4, в которых анкеры других типов имеют небольшую прочность закрепления. Не исключается возможность применения сталеполимерных анкеров и в более крепких грунтах.
В комплект анкерной крепи входят: стержень анкера из стали периодического профиля (полимерных материалов или дерева), ампула с химическим закрепителем на основе синтетической смолы, уплотнительное кольцо, опорная плита и натяжная гайка. При уменьшенном диаметре шпура применение уплотнительного кольца необязательно.
Ампула на основе полиэфирной смолы (рис. 1.41, а) состоит из полиэтиленовой оболочки (1), в которую помещают перемешанную с песком смолу (2). В ампулу помещают две стеклянные трубки с отвердителем (3) и ускорителем (4).
Pис. 2. Cхема закрепления анкера в скважине c помощью химического состава: a - введение стержня вскважину; б - перемешивание состава в скважине; в - закреплённый анкер c опорной плитой; в - стержень; 2- ампулы c химическим закрепителем; 3 - уплотнительное кольцо; 4 - опорная плита; 5 - натяжная гайка.
Рис. 1.41 – Конструкции анкеров на пласторастворах
Ампула на основе эпоксидных смол (рис. 1.41, б) состоит из полиэтиленовой оболочки (1) в которую помещают перемешанную эпоксидную смолу с заполнителем (2). В ампулу помещают одну стеклянную или полиэтиленовую трубку, в которой находятся вместе отвердитель и ускоритель (3).
Ампула с закрепляющим составом на основе смолы ФРА и ФФ-1Ф (рис. 1.41, в) состоит из полиэтиленовой оболочки (1), разделенной продольной перегородкой (4) на две полости, в одну из которых помещают смолу с песком (2), в другую – отвердитель с песком (3).
Длина ампулы 300–350 мм и более, а диаметр 23–36 мм в зависимости от диаметра шпура. Металлические стержни диаметром 18–25 мм изготавливают из стали периодического профиля или из круглой стали, но с шероховатой поверхностью для лучшего сцепления с закрепляющим составом. Обычно концу стержня, вводимому в шпур, придается долотообразная форма или форма в виде «ласточкина хвоста», необходимая для разрыва оболочки ампулы и лучшего перемешивания ее содержимого при установке анкера; другой конец имеет резьбу длиной 120–150 мм под гайку и выполняется в виде хвостовика.
Технология установки такой анкерной крепи следующая: забойником ампулы посылают до дна шпура, затем вводят армирующий стержень. При вращении стержня (электросверлом или перфоратором) оболочка ампулы разрывается и смола смешивается с отвердителем и другими составляющими. Надетая на штангу уплотнитёльная манжета предотвращает вытекание раствора из шпура. По сравнению с замковой анкерной крепью эта крепь имеет следующие достоинства:
- высокую прочность закрепления в самых различных грунтах (закрепление происходит по всей длине шпура или значительной ее части, что обеспечивает высокую несущую способность анкера),
- простоту конструкции и технологии установки.
Недостатки:
- необходимость заводского изготовления,
- сложность транспортировки хрупких ампул,
- пока что высокая стоимость синтетических смол.
Набивной железобетонный анкер (рис. 1.42) наиболее прост – он состоит из стержня (1), изготовленного из арматуры периодического профиля и забитого в шпур диаметром 42–46 мм, предварительно заполненный цементно-песчаным раствором (2). Нижний конец стержня имеет отверстие (3) для подвески защитной сетки.
Рис. 1.42 – Конструкция набивного железобетонного анкера
Набивные железобетонные анкеры просты не только по конструкции, но и по технологии установки и рекомендуются для широкого применения. Рост прочности закрепления железобетонного анкера должен опережать процесс деформации закрепляемых грунтов, поэтому, как правило, в этом случае следует применять быстротвердеющие растворы, которые обеспечивали бы работу железобетонного анкера уже через 4–6 ч после установки. В качестве быстротвердеющего применяется раствор следующего состава: глиноземистый цемент M400-5G0 и песок в соотношении 1:1 по массе, а также вода (водоцементное отношение В/Ц = 0,4÷0,45) с добавкой 5–6% хлористого кальция (от массы цемента). В устойчивых грунтах применяют обычные растворы такого состава: глиноземистый цемент М400-500 и песок в соотношении 1:1 (по массе), В/Ц = 0,4÷0,45 с добавкой 3% хлористого кальция.
Предварительно напряженные анкеры применяют для крепления выработок большого поперечного сечения (шириной более 10 м и на глубину более 5 м) в трещиноватых грунтах f ≥ 2. Установка анкеров должна производиться при температуре воздуха в тоннеле и цементно-песчаного раствора не ниже 5 °С.
Предварительно напряженный анкер (рис. 1.43) состоит из стального стержня (2), который после предварительного напряжения омоноличивают нагнетанием в скважину диаметром 105 мм раствора (3), манжеты (1) с направляющими полозками, обсадной трубы (4), опорной подушки (5), плиты оголовка (6), опорной плиты (7), анкерной гайки (8) и хвостовику (9) с резьбой. Для омоноличивания анкера приготавливают раствор из следующих материалов: сульфатостойкий портландцемент марки не ниже 400, песок с модулем крупности не более 2,5 и не менее 1,8 и вода. Цемент и песок вводятся в соотношении 1:0,5 (по массе). Содержание воды в растворе принимается таким, чтобы смесь обладала подвижностью 11–12 см.
Рис. 1.43 – Конструкция предварительно напряженного анкера
Операции по установке анкера про изводятся в следующем порядке: сначала замоноличивается замковая часть анкера, которая ограничивается манжетой, а потом после набора бетоном 50% прочности омоноличивается остальная часть анкера (вторичное нагнетание). Натяжение анкерного стержня следует производить не позднее 1 часа с момента окончания вторичного нагнетания.
САМОЗАКРЕПЛЯЮЩАЯСЯ АНКЕРНАЯ КРЕПЬ
– это инновационное решение задачи крепления горных выработок. Cамозакрепляющаяся анкерная крепь предназначена для крепления кровли, стенок подземных горных выработок и тоннелей, бортов и уступов карьера при освоении рудных, нерудных и россыпных месторождений. В зависимости от горно-геологических условий анкеры СЗА применяются самостоятельно и в составе усиленной комбинированной крепи:
- анкер СЗА;
- анкер СЗА+армокаркас;
- анкер СЗА+армокаркас+торкрет-бетон.
Снижение трудозатрат на крепление горных выработок, высокая степень механизации, безопасность выполнения работ достигается за счет использования новых конструкций крепей и технологи их установки. Фиксация анкера в шпуре обеспечивается за счет упругих свойств металла.
Работая на растяжение, анкеры удерживают закрепляемые породы от расслоения, сдвижения и обрушения. Соблюдение соотношения диаметров шпура и анкера обеспечивается максимальная несущая способность, которая создается сразу после установки анкера в шпур и составляет 70 кН (7 т).
Опорная плита, установленная на хвостовой части, удерживает породы в области «пирамиды вывала» между анкерами.
Самозакрепляющаяся анкерная крепь СЗА состоит из:
1. анкера – цилиндрического металлического стержня из специального профиля;
2. цилиндрической втулки – кольца цилиндрической формы;
3. опорной плиты – пластины объемной формы.
Соблюдение правильного соотношения диаметров шпура и анкера обеспечивает максимальную несущую способность, которая создается сразу после установки анкера в шпур и составляет 70 кН (7 т).
КОНКУРЕНТНЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА САМОЗАКРЕПЛЯЮЩЕЙСЯ АНКЕРНОЙ КРЕПИ
· Не требует использования закрепляющих составов на основе цементов или полимеров, что сокращает затраты, связанные с установкой и позволяет применять анкеры в условиях вечной мерзлоты;
· Повышение безопасности работ в связи с отсутствием рабочих во время установки анкеров под незакрепленным массивом;
· Сокращение трудозатрат - требуется 1 оператор буровой установки и 2 помощника;
· Конструкция крепи имеет достаточную податливость, что позволяет применять ее на удароопасных месторождениях и при креплении неустойчивых пород в составе усиленных комбинированных крепей
· Современное антикоррозийное покрытие анкеров, выполненное в соответствии с требованиями нормативных документов, позволяет использовать их в условиях агрессивных шахтных сред, увеличивая срок службы и надежность анкерной крепи.
· Анкеры вступают в работу сразу после их установки, что позволяет производить буровзрывные работы в забое при минимальном отставании
· Возможность применения имеющегося бурового оборудования, как самоходного, так и переносного
· Высокая несущая способность анкера и наличие опорной плиты позволяют увеличить расстояние между штангами, тем самым сокращаются объемы работ по бурению шпуров под анкеры
· Интенсификация строительства горных выработок за счет значительного сокращения времени на крепление
Параметры анкерной крепи. К основным параметрам анкерной крепи относят длину анкера, предельное расстояние между анкерами, расчетную нагрузку на анкер и диаметр стержня анкера.
Для крепления запрещается применять анкеры длиной менее 1 м с прочностью закрепления менее 40 кН.