В последние десятилетия на шахтах Запада нашло широкое распространение применение анкерных крепей. В некоторых странах (США, Австралия, Англия) крепление выработок почти полностью осуществляется анкерной крепью. Технико экономические показатели применения анкерных крепей существенно выше рамных, поэтому ведутся активные работы по усовершенствованию, как самих анкеров, так и способов крепления ими выработок. Особенно остро проблема встает с увеличением глубин разработки шахтопластов. Первым направлением, которому было уделено внимание, стало увеличение несущей способности анкеров и конструкций на их основе. Однако это направление зашло в тупик, так как привело к значительному повышению стоимости крепей, а ощутимых результатов в обеспечении устойчивости выработок достигнуто не было. В связи с этим встречаются решения по применению податливых анкеров. Ученые стали обращать внимание на тот факт, что породы на контуре подземной выработки смещаются неравномерно. Практически всегда наблюдаются участки контура выработки, где смещения больше чем на остальной части породного контура. Отсюда напрашивается вывод об избирательности воздействия на окружающие выработку породы с помощью податливых анкерных крепей. Указанная неравномерность смещений должна учитываться при составлении паспортов крепления выработок. Известно, что оптимальные условия закрепления горных выработок значительно меняются в зависимости от горно-геологических и горнотехнических условий эксплуатации выработки. Так необходима различная податливость анкеров, которая изменяется в диапазоне от 10 мм до 0,5 м и более, разная несущая способность, которая требуется в пределах от 50 кН до 500 кН и выше. В одной и той же выработке в одном и том же ее поперечном сечении могут понадобиться анкеры разной податливости и несущей способности [1]. Более того, существуют ситуации, когда требуется изменение режима работы анкера в процессе его эксплуатации во времени. Такая ситуация часто возникает при создании эффекта саморасклинивания разрушенных пород на контуре выработки [2]. На участках, где породы не склонны к смещению в полость выработки необходимо установить весьма податливые анкеры, которые спровоцируют их смещение. В результате смещения выравниваются по всему контуру, то есть смещения на отстающих участках выравниваются со смещениями на опережающих, в результате чего создается благоприятная ситуация для возникновения эффекта саморасклинивания пород. Этот эффект стабилизирует смещения на контуре выработки и таким образом обеспечивает ее устойчивость в весьма тяжелых условиях, когда невозможно сохранить целостность пород вокруг выработки.
Известны новые исследования в намеченном направлении [3]. Описывается способ крепления выработки анкерной крепью, при котором выделяют породную складку, образующуюся при расслоении примыкающих к контуру выработки пород, и устанавливают на участке контура примыкающего к складке два скрещивающиеся анкера, ориентируя их вдоль крыльев складки, а на остальных участках контура выработки устанавливают анкеры радиально по отношению к центру сечения выработки.
Автор данной работы развивает затронутую тему и использует новый подход к исследованию проблемы. В основу поставлена задача регулирования смещением пород, при котором оно вначале провоцируется без заметного сопротивления, а затем стабилизируется по мере выравнивания смещений по всему контуру выработки. Этим достигается эффект саморасклинивания пород у контура выработки, что повышает ее устойчивость.
Решение поставленной задачи достигается тем, что длину анкера принимают большей, чем первоначальная длина шпура, причем оставляют выступающим в полость выработки участок (между устьем шпура и затяжной гайкой) длиной 0,01 0,5 от общей длины анкера. Целесообразно, но не обязательно выступающий в полость выработки конец анкера загнуть. Форма изгиба может быть произвольной и определяться простотой и доступностью технологии. Однако существуют варианты, при которых операция изгиба даст больший эффект по сравнению с произвольной формой. При этом загнуть его по дуге окружности или в виде пространственного винта с шагом 2 10 диаметров тела самого анкера. В результате проведения предложенных операций создается возможность смещения пород, находящихся у контура вдоль выступающей части анкера. При этом сопротивление смещению минимально и определяется принципом закрепления анкера по всей длине участка, который находится внутри шпура. При цементном или полимерном закреплении сопротивление смещению составляет предел прочности цементного (полимерного) камня на сдвиг и разрыв вдоль оси шпура, при винтовом принципе закрепления – предел породы на срез. В любом случае это сопротивление равномерно распределяется по той части анкера, которая выступает в полость выработки. При достижении необходимой заранее заданной величины, смещения прекращаются, поскольку перемещающиеся породы сами упираются в затяжную гайку с упорной планкой, и анкер увеличивает свое сопротивление до проектной величины. В этом случае начинает смещаться вдоль анкера следующая порция породы, находящаяся уже на некоторой глубине от устья шпура. Однако эта порция породы приближается к той, которая сместилась первоначально и таким образом останавливается. В результате обеспечивается регулируемое перемещение пород с одновременным обеспечением сопротивления анкера перемещениям выше допустимого уровня. Процесс таких повторных смещений в виде порций может повторяться 3 4 раза. Формируется многократно сжимаемая и уплотняемая область ранее разрушенных пород у контура выработки. Эта область играет положительную роль вспомогательной крепи за счет реализации эффекта саморасклинивания пород.
Способ осуществляется следующим образом: путем физического моделирования методом эквивалентных материалов (возможно применение любого другого метода) определяется характер смещений 10 пород на контуре 17 выработки 14. Пример максимальной величины смещений контура выработки показан тонкой прерывистой линией 8. В качестве одного из видов анкерной крепи возможно использование металлических анкеров 1, 3, 4, 5, 7, закрепляемых по всей длине шпура клеящей фенол-формальдегидной смолой. Длина анкеров должна составлять не более 2,5 м (в зависимости от высоты зоны разрушений над выработкой). Анкера досылаются в шпуры не полностью, а с оставлением выступающих участков 16, 15, 12, 11 длиною равной разности максимального и текущего смещений пород на контуре выработки 18, 2, 6, 9. Далее анкеры закрепляются в шпурах и устанавливаются затяжные гайки 13 на выступающих в полость выработки участках анкеров, обеспечив зазоры. Это позволит спровоцировать смещение пород в местах, где ожидалась минимальная величина смещений и приостановить смещение в наиболее опасной зоне контура. За счёт этого обеспечивается синхронизация сдвижений пород на контуре выработки, что неизбежно приведет к их самозаклиниванию.
В итоге проведенных автором исследований получен новый принцип управления устойчивостью выработки, основанный на управляемой с помощью податливой анкерной крепи саморазгрузке и самостабилизации вмещающих пород.
Список использованной литературы
- Клюев А.П. Обоснование параметров крепления подготовительных выработок податливой крепью в зоне влияния очистных работ. Автореф. дисс. канд. техн. наук. Донецк, 1989. – 202 с.
- Сажнев В.П., Лаптеев А.А., Александров С.Н., Назимко В.В. Численное моделирование увеличения несущей способности вмещающих выработку пород за счет эффекта их саморасклинивания // Известия Донецкого горного института. – 1996 – № 4. – С. 15–29.
- V.V. Nazimko; A.A. Lapteev; V.P. Sazhnev, Rock mass self supporting effect utilization for enhancement stability of a tunnel, Int. J. Rock Mech. & Min. Sci. 34:3–4 (NYRocks 1997), paper № 223.