Использование цементно-песчаной смеси «Капцем Р» в качестве постоянной крепи с несущей способностью в условиях ОАО «Севуралбокситруда»

    Работы по креплению горных выработок и управлению кровлей являются наиболее трудоёмкими процессами при ведении горных работ. В современной практике для крепления горнокапитальных выработок применяются металлоёмкие конструкции или крепи монолитные на основе бетона и железобетона. Эти крепи являются сложными по конструкции, трудоёмкими при возведении и требуют больших материальных затрат.

    Более простыми и достаточно эффективными являются упрочняющие крепи из анкеров в комбинации с набрызг-бетонном (торкретбетоном) с металлической сеткой или без неё. Критерием устойчивости контура выработок при применении упрочняющих крепей является уровень растягивающих напряжений, который не превышает величины сжимающих.

    Противостоять действию растягивающих напряжений могут различные виды покрытий контура выработок, у которых прочность на растяжение превышает действующие напряжения. Покрытия на основе цементных смесей имеют достаточно высокую несущую способность, но являются хрупким материалом и не оказывают необходимого сопротивления растягивающим напряжениям.

    На предприятии накоплен большой опыт по испытанию и применению различных типов покрытий и цементно-песчаных смесей, таких как «Тефлекс», «Защита», МБВ 410, «Капцем КТ», «Капцем Р».

    В последние годы для сохранения выработок в эксплуатационном состоянии успешно применяются цементно-песчаные смеси с добавлением в них армированных полимерных волокон (фибры). Одним из таких материалов является цементно-песчаная смесь «Капцем Р».

    Институтом «СУБР-Проект» была проделана большая работа по оценке возможности использования цементно-песчаной смеси «Капцем Р» в качестве постоянной крепи с несущими способностями, взамен торкретбетона и бетона в условиях шахт ОАО «Севуралбокситруда».

    Для решения этой задачи было необходимо определить несущую способности цементно-песчаной смеси «Капцем Р», армированной полимерными волокнами, в сравнении с используемыми на предприятии торкретбетоном и бетоном, а также произвести экономическое сравнение технологии крепления горных выработок с применением цементно-песчаной смеси «Капцем Р» и существующей технологии крепления выработок торкретбетоном и бетоном.

    На горных предприятиях ОАО «Севуралбокситруда действует «Инструкция по выбору типа и параметров крепи капитальных и подготовительных горных выработок шахт Североуральского бокситового бассейна» [1]. Согласно «Инструкции …» [1] рекомендованы типы постоянного крепления через критерий устойчивости кровли и боков, выражающий отношение величин расчётных напряжений, действующих на элементы выработки к расчётной прочности пород Пв, категорию и состояние устойчивости пород. Монолитная бетонная или железобетонная крепь толщиной не менее 0,2 м применятся при следующих условиях: Пв > 4,5, IV2 категория – очень неустойчивое состояние. Применение набрызгбетона и торкретбетона толщиной до 5,0 см, как с металлической или синтетической решетчатой затяжкой, так и без затяжки, предусматривается при любом показателе Пв, всех категорий и состояния устойчивости пород.

    Для определения несущих способностей сравниваемых видов крепления были приняты следующие технические условия: выработка располагается на глубине 1200 метров; сечение выработки (квершлаг) Sвс. = 11,77 м2; выработка пройдена в порфиритах; величина Пв>4,5; категория пород - IV2; состояние устойчивости пород – очень неустойчивое.

    Данные технические условия позволяют оценить несущие способности сравниваемых видов крепления при прочих равных условиях.

    Используя теорию свода М. М. Протодъяконова и результаты расчётов ширины свода обрушения и его высоты, была рассчитана толщина бетонной крепи в замке свода D0 и толщина стен бетонной крепи Tст [4]. Исходя из опыта использования бетона на шахтах ОАО «Севуралбокситруда» был принят бетон марки М300, крепостью В22 и толщиной 300 мм.

    В виду того, что в данной работе набрызгбетон и торкретбетон рассматривается как постоянная крепь, обладающая несущими способностями, то согласно п. 3.25 ВСН 126-90 «Крепление выработок набрызгбетоном и анкерами при строительстве транспортных тоннелей и метрополитенов. Нормы проектирования и производства работ» [2] толщина данного типа покрытия должна быть не менее 5,0 см.

    Произведённый расчёт толщины набрызгбетона как несущей конструкции для наших условий был согласно методике расчёта в ВСН 126-90 [2]. Для подтверждения правильности полученных результатов, был сделан проверочный расчёт толщины набрызгбетонного крепления по методике В. К. Шехурдина, изложенной в «Задачнике по горным работам, проведению и креплению горных выработок», М, «Недра», 1985 [3]. Таким образом, мы получили подтверждение правильности произведённых расчётов толщины набрызгбетонного крепления со следующими несущими характеристиками: 9 см для неармированных конструкций и 7 см для армированных конструкций.

    По такому же принципу был произведен расчёт толщины нанесения цементно-песчаной смеси «Капцем Р» как несущей конструкции. Так же была произведена проверка правильности произведённых расчётов. Институтом «Маггеопроект» были рассчитаны толщины нанесения для условий Сибайского подземного рудника, изложенные в «Технологической инструкции по креплению разведочных, капитальных, подготовительных и нарезных горных работах Сибайского подземного рудника» [5]. Таким образом, мы получили подтверждение правильности произведённых расчётов толщины цементно-песчаной смеси «Капцем Р», с несущими характеристиками: 3,5 см для неармированных конструкций и 2,5 см для армированных конструкций.

    Произведенные аналитические расчёты эквивалентных толщин сравниваемых видов крепи проведены по существующим методикам расчёта монолитной бетонной крепи и набрызгбетона на несущую способность.

    Испытания в лабораторных условиях материала «Капцем Р» в лаборатории ДРЗиС филиала в г. Краснотурьинске Русской Инжиниринговой Компании на сжатие на 3 и 25 сутки, подтверждают технические характеристики материала, заявленные ООО «Минова». Испытания проводились на прессе ПСУ-10 по ГОСТ 5802-86.

    Прочностные показатели материала «Капцем Р» на одноосное сжатие при лабораторных испытаниях получились равными: 29,50 МПА на 3 сутки и 54,90 МПа на 25 сутки, что соответствует классу бетона B40; для набрызгбетона предел прочности на сжатие принимается равным 30 ÷ 40 МПА, что соответствует классу бетона В25 ÷ В30 [6].

    Себестоимость крепления 1 пог. метр готовой выработки различными видами крепи (монолитной бетонной, торкретбетона и на основе материала «Капцем Р») показана в таблице [7].

    Крепь на основе цементно-песчаная смеси «Капцем Р» является достаточно технологичной и универсальной в сравнении с бетонной и торкрет-бетонной крепями. Трудозатраты на возведение 1 пог. м в разы меньше по сравнению со сравниваемыми видами крепи [7].

    Горно-капитальные работы на шахтах ОАО «Севуралбокситруда» ведутся на глубине более 1000 м. Перепуск готовой торкретсмеси с поверхности по скважинам и транспортировка по выработкам до места производства работ требуют больших материальных затрат, а доставка компонентов цементно-песчаной смеси «Капцем Р» осуществляется в удобной для транспортировки упаковке. Кроме этого при перепуске торкретбетона по скважинам в 2 ÷ 3 ярусах происходят потери и расслоение смеси и резко снижаются ее закрепляющие свойства, что отрицательно сказывается на качестве крепления выработок. С учётом снижения затрат на доставку к месту работы, сокращения потерь материала и существенного повышения качества крепи, применение цементно-песчаной смеси «Капцем Р» является экономически выгодным.

Авторы статьи:

Ведущий инженер ГО, ООО СПИ «СУБР-Проект» Щербинин Д.О.

Главный инженер, ООО «СПИ «СУБР-Проект» Корнаушенко А.П.

Студент, ФГБОУ ВО «Уральский государственный горный университет» Шакалов А.В.

Данная информация взята из сборника «Наука XXI века: новый подход»: Материалы XVI молодёжной международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных 17-18 мая 2016 года, г. Санкт-Петербург.