Отверстия под анкерные болты: почему качество бурения определяет надежность крепления болта.
Качество анкерного болта напрямую зависит от качества отверстия, в которое он вкручивается. Можно использовать высококачественную сталь, лучший смоляной картридж и затянуть болт с требуемым моментом затяжки — и он всё равно выйдет из строя, если отверстие было просверлено под неправильным углом, через плоскость трещины или имеет неправильный диаметр. Качество болта зависит от отверстия. А качество отверстия зависит от сверла и буровой штанги, которые в нём были сделаны.
Крепление кровли анкерными болтами — наиболее распространенный метод крепления грунта в подземных горных работах и тоннелях, и это неспроста: он быстрый, гибкий и стоит значительно дешевле, чем стальные анкерные болты или торкрет-бетонная облицовка. Но скорость и низкая стоимость достигаются только при правильном выполнении крепления. Вот что означает «правильное выполнение» с точки зрения бурения — еще до того, как болт будет установлен.
Угол отверстия: геометрическая величина, определяющая всё.
Анкерный болт работает за счет закрепления в прочной породе за пределами зоны трещиноватости или пластичности, а затем приложения натяжения для сжатия рыхлой породы относительно устойчивой породы позади нее. Для этого болт должен пересекать слои породы под прямым углом.
Основное правило заключается в том, что болты следует устанавливать перпендикулярно поверхности породы везде, где это возможно. Болт, установленный под углом к поверхности, создает асимметричное распределение напряжений — одна сторона болта нагружается сильнее, чем другая, опорная пластина не прилегает плотно, и эффективная сила затяжки болта снижается.
В слоистых или ламинированных породах идеальный угол забивки болта перпендикулярен плоскостям напластования, а не обязательно перпендикулярен поверхности выработки. Болт, идущий параллельно напластованию, практически бесполезен — это как пытаться забить гвоздь через страницы книги с корешка. Страницы все равно могут скользить друг относительно друга, потому что гвоздь ориентирован по направлению скольжения, а не поперек него.
Бурение скважины под точным углом в ограниченном подземном выработке с помощью ручной дрели сложнее, чем кажется. Буровое долото стремится сместиться, как только коснется породы. Оператор борется с весом дрели. Грунт может быть неровным в местах, где отмечена направляющая штанга. И если первые несколько сантиметров скважины имеют неправильный угол, то и остальная часть скважины будет иметь такой же угол — коническую буровую штангу невозможно направлять, когда она уже находится в породе.
Решение кроется в правильной подготовке: четко отметьте место для скважины, расположите буровую штангу так, чтобы она находилась под заданным углом до того, как долото коснется породы, и начните бурение с небольшим давлением подачи и низкой скоростью вращения, пока долото не образует ровный зазор. Именно эти первые несколько секунд бурения определяют, выполнит ли болт, вставленный в скважину, свою задачу.
Глубина скважины: не останавливайтесь на месте трещины.
Слишком мелкое отверстие для болта — такое, которое заканчивается внутри зоны трещин или выветривания, а не достигает твердой породы — означает, что болт закреплен в материале, который не может его удерживать. При первом смещении грунта точка крепления перемещается вместе с ним, и болт теряет натяжение.
Необходимая глубина скважины определяется длиной болта, которая, в свою очередь, зависит от геологических особенностей. Болт должен выступать как минимум на 0,3–0,5 метра за пределы предполагаемой зоны разлома в прочную породу. Если толщина зоны разлома составляет 2 метра, необходим болт длиной не менее 2,5 метров, а глубина скважины должна быть достаточной для размещения болта полной длины плюс картриджа со смолой.
Это звучит очевидно. Менее очевидно то, что требования к глубине скважины влияют на выбор бурового долота и бурильной штанги. Для глубокой скважины под анкерный болт — 3 метра и более, что часто встречается в крупных шахтах — необходима бурильная штанга достаточной длины, чтобы достичь этой глубины без добавления удлинителей в середине скважины. Необходимо также буровое долото, способное бурить прямо на такой глубине без отклонения от заданного направления. И необходим достаточно сильный поток бурового раствора, чтобы удалить шлам из скважины, длина которой превышает рост оператора.
Зоны разломов: невидимая дыра
Худшее отверстие от болта — это то, которое просверлено прямо в плоскость разлома и выходит с другой стороны в рыхлый грунт. Болт вставляется, смола застывает, всё выглядит нормально — и при первой же нагрузке на грунт болт вырывается, потому что он был закреплён в блоке, который не был прикреплён ни к чему прочному.
Задача бурильщика — внимательно прислушиваться к сигналам буровой установки. Когда долото достигает зоны трещины, скорость проходки меняется — обычно она увеличивается по мере того, как долото проникает в открытый или разрушенный грунт. Звук работы буровой установки меняется — удар становится менее резким, более глухим. Обратный поток может уменьшиться, поскольку вода или воздух просачиваются в трещину вместо того, чтобы возвращаться в скважину.
Любой из этих сигналов означает, что скважина пересекла значительную трещину. Если это происходит на близкой к целевой глубине, болт еще может быть пригоден для использования — трещина может находиться выше зоны анкеровки. Если это происходит раньше, скважину необходимо законсервировать и пробурить заново в другом месте или под другим углом. Продолжение бурения в зону трещины и установка болта в этом месте означает установку болта, который уже находится под угрозой повреждения.
Склеивание смолой: химия, требующая идеально ровных отверстий.
Анкерные болты, закрепляемые смолой — наиболее распространенный тип в современной горнодобывающей промышленности — используют двухкомпонентный смоляной картридж, который вставляется в отверстие перед болтом. Когда болт вращается в отверстии, он разрывает картридж, смешивает смолу и отвердитель, и смесь застывает вокруг болта, образуя химический якорь.
Для обеспечения надлежащего сцепления смолы стенка скважины должна быть чистой. Каменная пыль, буровой шлам или грязь, оставшиеся в скважине после бурения, будут препятствовать полному контакту смолы с породой, снижая прочность сцепления. Скважина, заполненная буровым шламом, также будет препятствовать проникновению смолы в кольцевое пространство между болтом и стенкой скважины — смола будет выталкиваться из скважины, а не заполнять зазор.
Решение заключается в обеспечении достаточного потока промывочной воды во время бурения и окончательной продувке после достижения глубины отверстия. После остановки продвижения сверла пропустите промывочную воду или воздух в течение нескольких дополнительных секунд, чтобы удалить остатки бурового шлама из отверстия. Это занимает несколько секунд и значительно повышает надежность сцепления смолы.
Соединение с помощью буровых и болтовых соединений
Установка анкерных болтов и бурение обычно выполняются разными бригадами — бурильщики сверлят отверстия, а анкеровщики устанавливают болты. Но качество установки болтов определяется на этапе бурения. Болт, установленный в плохо пробуренное отверстие — под неправильным углом, на неправильной глубине, с загрязненными стенками отверстия — выйдет из строя независимо от того, насколько тщательно он установлен.
Для бурильщика это означает понимание того, что эти отверстия для болтов — это не просто отверстия. Они являются основой системы крепления грунта, а буровое долото и буровая штанга, которые их создают, — это первое звено в цепи безопасности.
