СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СПОСОБОВ ЗАКРЕПЛЕНИЯ АНКЕРНЫХ СИСТЕМ ДЛЯ ПОДДЕРЖАНИЯ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК

Канд. техн. наук Н.Н.Касьян, инж. П.С.Дрипан, (ДонГТУ)

 

Анализ условий отработки угольных пластов на глубинах, превышающих 1000м показывает, что основную часть непроизводительных расходов составляют затраты, связанные с обеспечением устойчивости подготовительных выработок. По ГХК “Донуголь” протяженность выработок находящихся в неудовлетворительном состоянии с 1991 по 1996 гг. увеличилась с 13,5 до 31,9% от их общей протяженности. При этом объем ремонтируемых выработок за этот же период уменьшился с 5,8 до 2,4% от общей протяженности [1].

Существенное улучшение состояния выработок в условиях общего экономического спада, может быть обеспечено только за счет разработки новых и совершенствования известных малозатратных способов и средств, направленных на повышение устойчивости окружающих пород.

Одним из перспективных направлений при решении поставленной задачи является применение анкерных систем. Традиционно, анкер рассматривается как силовой элемент, повышающий отпор массиву на контуре выработки и оказывающий сопротивление расслоению пород. В настоящее время многие исследователи полагают, что применение анкера в качестве только силового элемента не позволяет полностью использовать его технический потенциал. Значительно эффективнее использование анкерной крепи как средства армирования окружающего выработку массива [2, 3]. В начальный момент анкерная крепь повышает условно-мгновенную прочность массива, а при образовании зоны неупругих деформаций играет роль “подпорной стенки” повышая остаточную прочность пород [3].

С технической точки зрения анкерная крепь характеризуется конструктивным исполнением и несущей способностью (усилие выдергивания). Технологические параметры анкерной крепи оцениваются временем установки и временем включения в работу.

Конструктивно, анкерная крепь изготавливается в виде: металлических стержней с гладкой или рифленой поверхностью; металлических труб цельных и с разрезом вдоль оси. Несущая способность анкера определяется способом и условиями закрепления в шпуре и является одной из важнейших его характеристик.

Поэтому совершенствование способов и средств закрепления анкера неразрывно связано с повышением надежности и эффективности анкерных систем.

Известен способ закрепления металлического анкера с помощью замков различной конструкции, которые распираются в шпуре при вращении анкера [4]. Несущая способность анкера составляет 20-60 кН при времени установки 2—5 мин. Этот тип анкера отличает относительная сложность в изготовлении, возможность повторного использования, ввод в работу с момента установки.

Применение для закрепления анкера цементирующих составов и синтетических смол позволило расширить объемы и область применения анкерных систем [4]. Анкер закрепляется на некотором участке или по всей длине. В последнем случае он выступает в роли армирующего элемента. Усилие закрепления такого анкера достигает 50—130 кН. Установка армополимерного анкера производится за 3—5 мин, но включение в работу происходит через более длительный период, связанный с временем схватывания связующего состава. Совершенствование этой анкерной системы, применительно к условиям шахт Украины, на наш взгляд, заключается в разработке и применении дешевых быстросхватывающихся скрепляющих составов и переходе на шпуры меньшего диаметра. Простые расчеты показывают, что уменьшение диаметра шпура под анкер с 42 до 30 мм приводит к уменьшению расхода скрепляющего состава в 3 раза.

На настоящее время разработан и испытан в шахтных условиях целый ряд анкерных систем, в которых закрепление анкера производится без связующих составов и механических замков — беззамковые анкеры.

В трубчатом взрывораспорном анкере закрепление на участке или по всей длине производится энергией взрыва. Усилие закрепления составляет 50—70 кН на 1 м длины анкера. Время установки составляет 4 мин [4]. Недостатком данной анкерной системы является многооперационность, ведение взрывных работ, сейсмика. Винтовой анкер закрепляется за счет завинчивания анкера-винта диаметром 32 мм в шпур диаметром 27 мм. Усилие закрепления 25—75 кН. Время установки составляет 0,5 мин. Эта анкерная система не получила широкого распространения ввиду сложности изготовления и установки.

В последнее время широкое распространение получили анкерные системы “Сплит-Сет” и “Свелекс” [5].

В первой, закрепление анкера осуществляется за счет распора при введении трубчатого анкера диаметром 38 мм с разрезом в шпур диаметром 35 мм. Усилие закрепления составляет от 25 до 50 кН на 1 м. Время установки до 2 мин.

Во второй, закрепление осуществляется за счет выпрямления предварительно смятой внутрь тонкостенной трубы диаметром 41 мм в шпуре диаметром 30—39 мм под действием давления воды 30 МПа. Разрушающая нагрузка на анкер составляет 100 кН. Время установки анкера 2 мин. Эти анкера имеют значительно меньшую прочность на сдвиг чем анкера имеющие сплошную штангу.

Проведенный анализ различных анкерных систем показывает, что наиболее перспективными являются системы “Сплит-Сет” и “Свелекс”, в которых анкер закрепляется без применения скрепляющих составов. Наряду с высокой производительностью данные анкерные системы обеспечивают достаточно высокую несущую способность. Общим недостатком их является низкая сопротивляемость усилиям среза.

В связи с этим представляет интерес техническая оценка возможности закрепления сплошного анкера при запрессовке его в шпур несколько меньшего диаметра. При этом закрепление анкера будет происходить за счет сил упругого и упруго-пластического взаимного деформирования тела анкера и окружающего его массива пород. По аналогии с прессовыми посадками этот процесс может быть описан зависимостью [6]:

Р = D E ( 2 r_o((1-m )+x (1+m _п)))^-1, МПа (1)

где Р — контактное давление на посадочной поверхности, МПа; D — начальная разность диаметров анкера и шпура (D = d_а – d_ш), м; r_o – радиус поверхности контакта при взаимном деформировании, м; Е — модуль упругости материала анкера, МПа; m , m _п — соответственно, коэффициент Пуассона материала анкера и породы, x — отношение модулей упругости материала анкера (Е) и породы (Е_п), Мпа.

Величина силы необходимая для запрессовки анкера (N ) на глубину l будет равна:

N =D E fp l ((1-m )+x (1+m _п))^-1, кН (2)

где f — коэффициент трения между анкером и породой. Для реальных условий (Е = 2 10⁵ МПа; Е_п= 2 10⁴ МПа; f = 0,1; m = 0,25; m _п = 0,1; l = 1м) с использованием зависимости (2) были произведены расчеты силы запрессовки анкера в зависимости от разности диаметров анкера и шпура. На рисунке 1 приведены результаты расчетов. Их анализ показывает, что для запрессовки анкера на 1 м в зависимости от разности диаметров анкера и шпура (1—5%) необходимая величина прикладываемой силы изменяется от 1 до 5 МН.

Полученные соотношения между разностью диаметров анкера и шпура и силой запрессовки анкера справедливы при сплошном контакте поверхностей анкера и шпура. Уменьшение площади контактных поверхностей за счет изменения профиля анкера по длине приведет к адекватному уменьшению необходимой силы запрессовки анкера. Уменьшение коэффициента трения между анкером и породой также приводит к уменьшению силы запрессовки анкера. Для промышленного использования анкерной системы, в которой закрепление анкера производится за счет сил взаимного деформирования материала анкера и окружающих пород, необходимо провести комплекс лабораторных и шахтных исследований для обоснования рациональных параметров технологии установки анкера и области применения.