Основным направлением развития угольной промышленности является дальнейшее развитие подземной добычи полезного ископаемого. Это возможно только с применением высокопроизводительных комплексов. Вместе с тем достижение намеченных задач на шахтах Донецкого бассейна отрабатывающих пласты пологого падения, препятствуют трудности, связанные с ухудшением горно-геологических условий.

Ухудшение горно-геологических условий приводит к тому, что нагрузка на очистной забой, оборудованный механизированным комплексом, не только не увеличивается, но даже несколько снижается.

Главными неблагоприятными горно-геологическими условиями можно назвать: наличие труднообрушаемой основной кровли или неустойчивой непосредственной кровли пласта. При отработке пластов с труднообрушаемыми кровлями наблюдается интенсивное проявление горного давления, характеризующиеся резкими осадками основной кровли, в результате которых происходят деформации элементов крепи, полные или частичные завалы очистных забоев.

Анализ практики отработки пластов в этих условиях и выполненных исследований показали, что серийно выпускаемые механизированные крепи по своим техническим характеристикам не могут обеспечить эффективной и безопасной работы очистных забоев. Дальнейшее расширение области применения механизированных комплексов, создание безопасных условий труда и обеспечение эффективности их использования возможно лишь при условии снижения интенсивности проявлений горного давления.

Сложные и весьма тяжелые условия эксплуатации механизированных комплексов, отсутствие механизированных крепей с повышенной несущей способностью для отработки пластов с труднообрушаемыми кровлями и др. предопределили актуальность работ по совершенствованию способов активного воздействия на породы кровли и установлению оптимальных параметров ее разупрочнения с целью снижения интенсивности проявлений горного давления, повышения эффективности работы и возможности расширения области применения серийных механизированных крепей [1].

В лавах, с неустойчивой непосредственной кровлей ситуация аналогична. При ведении работ с геологическими нарушениями, зонами неустойчивых пород очень часто происходят вывалы породы. Подобные ситуации повышают трудоемкость работ на концевых операциях, простоям очистной техники, снижению производительности труда, ухудшение условий и безопасности труда рабочих [2]. Добыча в забоях резко падает, увеличивается зольность угля. Большинство комплексов не обеспечивает удовлетворительного поддержания неустойчивой кровли.

При решении поставленных задач нужно руководствоваться следующими двумя принципами:

• сопротивляться природе;
• подстраиваться под природу.

Первый принцип означает активно противостоять неблагоприятным условиям, которые возникают при добыче полезного ископаемого. Так на пластах с труднообрушаемой основной кровлей необходимо применять меры по ее ослаблению. На пластах с неустойчивой непосредственной кровлей необходимо применять упрочнение.

Второй принцип заключается в том, что работы по добыче полезного ископаемого ведутся при существующих горно-геологических условиях. Вспомогательные же работы проводятся для того, чтобы исключить проявление неблагоприятных горно-геологических условий. Так на пластах с труднообрушаемой основной кровлей это меры, заключающиеся в плавном опускании пород. На пластах с неустойчивой непосредственной кровлей это меры, связанные с уменьшением времени и площади обнаженной поверхности пород кровли.

Цель данной работы выявить экономическую эффективность от применения мер по активному вмешательству в структуру пород или мер пассивного воздействия на породы кровли пласта [3].

В настоящий момент шахты ведут горные работы на глубинах превышающие 1000 м, что ведет к ухудшению горно-геологических условий, безопасности труда, и соответственно, к росту затрат на производство. В такой ситуации нужно выбирать: при помощи какого оборудования нужно вести горные работы. Если это механизированный комплекс, то какие мероприятия необходимо производить, чтобы он работал без простоев. Если это индивидуальная крепь, то сколько времени потребуется для крепления забоя. Актуальность работы и заключается в том, чтобы экономически сравнить всевозможные варианты применения технического оснащения очистного забоя.

На сегодняшний день проведено большое количество опытных экспериментов касающихся применения разупрочнения и упрочнения пород кровли. Когда речь идет о разупрочнении, то это прежде всего действие взрыва, который образует зону трещин.

В соответствии с представлениями механики подземного взрыва [4] различают следующие зоны действия взрыва в скальном грунте: камуфлетная полость, зона дробления, зона растрескивания. Более слабое воздействие взрыва на породу отмечается в более удаленной зоне остаточных напряжений или деформаций и далее – в зоне сейсмического действия. Характерные максимальные радиусы перечисленных зон обозначим R_к, R_др, R_деф, R_р. Расчетные формулы для определения радиусов указанных зон имеются только для сферически-симметричного взрыва.

Для радиуса камуфлетной полости получены приближенные расчетные формулы как для сферической, так и для цилиндрической симметрии взрыва [5]. Имеющиеся формулы для радиусов действия взрыва сведены в таблице 1.

Таблица 1. - Расчетные формулы для расчета радиусов взрыва по зонам

Зона	Радиус для сферической симметрии	Радиус для цилиндрической симметрии взрыва
Камуфлетного действия*
Дробления**
Растрескивания
Остаточных деформаций

*Выражение R_к получено из эмпирических данных.
**Выражение R_др получено из общефизических выражений и анализа сейсмологических данных.

Существующие воззрения и экспериментальные данные показывают, что каждой зоне действия взрыва соответствует свой характерный диапазон изменения массовых скоростей, который помимо расстояния от места взрыва зависит также от энергии взрыва, его симметрии и свойств породы.

Зависимость массовой скорости во взрывной волне от расстояния до места взрыва показана на рисунке 1. Из графика видно, что диапазон изменения границы для каждой зоны увеличивается с удалением от заряда. Так, для радиуса камуфлетной полости, составляющего для скальных пород величину порядка 2R₀, это значение изменяется в пределах ±R₀. Для зоны дробления, равной приблизительно 6,5R₀, получаем уширение границы до – 1,5R₀. Зона растрескивания характеризуется средним радиусом 17R₀, а вариация ее границы составляет ±4R₀.

Наибольший интерес для нашей задачи разупрочнения представляет поведение границы зоны остаточных деформаций. Если для крепких и вязких пород типа гранитов и мрамора эта граница не сильно превышает радиус зоны растрескивания (R_деф≈ 25R₀), то для хрупких, средней крепости пород с естественной микротрещиноватостью граница этой зоны может достигать (50-100)R₀.

Отметим также, что если для действия взрыва в ближних зонах основное значение имеет объемная концентрация энергии заряда ВВ и прочностные свойства породы, то для процессов в удаленной от заряда зоне остаточных деформаций важную роль играет волновое сопротивление породы и критическая массовая скорость, вызывающая развитие микротрещин [1].

В механике подземного взрыва известен ряд моделей процесса образования камуфлетной полости, построенных с использованием различных ограничивающих предположений о свойствах взрывного источника и поведении грунта.

С инженерной точки зрения наиболее реалистическим подходом к описанию камуфлетного взрыва в скальном грунте отличается модель Родионова, характеризующаяся простотой построений и учетом таких факторов, как сжимаемость и прочность породы.

Практика взрывного дела в угольных шахтах в связи с ростом глубины разработки ставит в число актуальных задач исследование камуфлетного взрыва цилиндрического или скважинного заряда, поскольку с этим вопросом связано решение проблем торпедирования труднообрушаемой кровли в очистных забоях и сотрясательного взрывания в выбросоопасных пластах.

Расчет камуфлетного взрыва цилиндрического заряда из-за общности решения является затруднительным при попытке практического использования полученных формул вследствие сложности машинного счета и большой свободы выбора значений эмпирических параметров и коэффициентов.

На основе модели Родионова, модифицированной с помощью методов анализа размерностей, было получено простое выражение, описывающее зависимость конечного размера полости от свойств ВВ и породы для случая камуфлетного взрыва сферической и цилиндрической симметрии.

В соответствии с представлениями о бесколебательном движении камуфлетной полости определяющими параметрами процесса развития полости от объема заряда V_о до конечного объема полости V_к являются плотность ВВ – ρ₀, теплота взрыва Q₀, скорость звука С₁, плотность породы ρ₁, прочность σ₁ порды. Тогда получаем
Введем безразмерные переменные П₁ и П₂:

где П₁, П₂ – относительное увеличение объема полости;
ρ₀*Q₀ – объемная плотность энергии взрыва в зарядной полости (характеризует пиковое давление продуктов детонации).

Сопоставление расчетных значений R_к=R_к/R₀ согласно аналитическим формулам и экспериментальным материалам по камуфлетным взрывам зарядов сферической и цилиндрической симметрии представлено на рисунке 2.

Обработка этих материалов позволила получить в окончательном виде расчетные зависимости для конечного радиуса камуфлетной полости при сферическом взрыве

при цилиндрическом взрыве

Здесь величина ρ₀ имеет значение плотности ВВ в зарядной полости, т.е. в случае неравенства объема заряда V_з и объема полости V_о следует
где ρ_и – истинная плотность ВВ.

Отметим, что выражение (3) практически совпадает с известным соотношением для конечного радиуса сферической камуфлетной полости, полученным путем решения камуфлетного уравнения с учетом прочности и сжимаемости.

Результаты проведенного исследования, выполненного с помощью методов анализа размерности и газодинамики, свидетельствуют, что если не ограничиваться заранее предложением о степени влияния прочности и сжимаемости породы на ее простреливаемость (т.е. значениями m и n), то искомая зависимость (1) в более общем виде выразится соотношением

где

Выбор значений m и n в этом случае определяется конкретными свойствами породы и характером динамической нагрузки, достаточно часто реализуется при взрывании химических ВВ в реальных грунтах.

Предложенная модификация модели Родионова допускает возможность асимптотического представления зависимости (6), важного для инженерных расчетов. Ранее отмечалось, что влияние прочности породы на конечный размер камуфлетной полости является более сильным, чем влияние сжимаемости. Численные исследования цилиндрического и сферического взрывов в упругопластической среде также выявили очень слабую зависимость размера камуфлетной полости от сжимаемости среды. Это дает основание для рассмотрения предельного случая, когда m=1, n=0, или Р*=σ₁, откуда вместо (6) получим

где численные значения А соответствуют приведенным в (4) и (5).

Лабораторные эксперименты были проведены на образцах из оргстекла, мрамора, песчаника, гранита, травертина. Образцы из оргстекла использовались для отработки методики. Здесь зона видимых нарушений совпала с зоной, определяемой ультразвуковыми измерениями (см. рисунок 3.).

В качестве информативного параметра ультразвуковых исследований была принята скорость продольных волн. Определение скорости продольных волн производилось по первому вступлению при прозвучивании образца с помощью прибора УКБ-1м.

Скорость распространения продольной волны рассчитывалась по формуле:

где
S – измерительная база;
t* – время прохождения ультразвуковой волны.

Ультразвуковые измерения проводились в одних и тех же точках до и после взрыва на частоте 150 кГц шагом перемещения излучателя и приемника по длине образца, равным 3см (см. рисунок 4.).

Ультразвуковое прозвучивание образцов отвечало условию:

λ_р – длина продольной волны.

Размеры базы измерялись с точностью ΔL до 1мм, время вступлений отсчитывалось с точностью Δt=±2мкс. Погрешность единичного измерения скорости составляла в среднем не более 3-5%.

В экспериментах заряд ВВ помещался в цилиндрическом отверстии диаметром 4мм. Отношение длины заряда к его диаметру было равно 4, в качестве ВВ применялся порошкообразный ТЭН, забойкой служил кварцевый песок. Инициирование осуществлялось азидосвинцовой капелькой. При одинаковых массе заряда 250мг и конструкции варьировалась объемная концентрация энергии путем добавления в ТЭН порошкообразного NaCl. Были использованы составы с содержанием 25, 50 и 75% ТЭН.

По результатам экспериментов получены зависимости изменения скорости распространения упругих волн от расстояния до центра взрыва (см. рисунок 5) . Снижение скоростей продольных волн связано с возникновением микротрещиноватости и рассматривается как критерий степени нарушения образцов взрывом

где C*_pi, C_pi скорости упругих волн соответственно до и после взрыва в i-й точке измерения.

Величина К может служить показателем частоты трещин n, а его изменение будет обеспечивать некоторую относительную информацию о раскрытии трещин. Установлено, что n связано с К соотношением

В таблице 2 приведены значения расчетной амплитуды тангенциального напряжения на границе зоны повышенной микротрещиноватости и соответствующие ее размеры для условий лабораторных экспериментов, полученные из теоретических зависимостей работ.

Таблица 2. - Значения расчетной амплитуды

Относительный радиус зоны микротрещиноватости	Расчетные амплитуды напряжений σ, МПа
	25% ТЭНа	50% ТЭНа	75% ТЭНа
15	40	80	120
30	15	30	45
45	10	20	30
60	7	14	21
75	5	10	15
90	4,5	9	14

Значения амплитуды напряжений на относительных расстояниях от заряда R₁*=15, R₂*=45, R₃*=75 (R₁*, R₂*, R₃* – предельные радиусы зоны микротрещиноватости для составов 25, 50, 75% ТЭНа соответственно составляют σ₁*=0,4*10⁸Па, σ₂*=0,2*10⁸Па, σ₃*=0,15*10⁸Па.

Лабораторные исследования разупрочняющего действия камуфлетного взрыва в образцах горных пород были выполнены в ИГД им. А.А.Скочинского с использованием методики ультразвукового прозвучивания. В основу методики легли следующие основные положения:

• принималось, что рост микротрещин обусловливается действием импульса напряжений. Роль газового фактора незначительна;
• образцы горных пород содержат естественные дефекты в своей структуре от 0,5мм до микроскопических размеров. Природные дефекты размером менее ≈ 0,2 мм при длительности импульса 10^-5-10^-6 не фиксируются [6];
• с повышением микротрещиноватости и ослаблением межзеренных связей возрастает интенсивность рассеивания и взаимодействия упругих волн между собой, что приводит к уменьшению скоростей их распространения. Раскрытие трещин δ≥ 0,04мм оказывает влияние на скорость упругих волн [7];
• основным фактором, определяющим минимально допустимый размер образца, является продолжительность формирования зоны трещинообразования. При этом период времени, необходимый для формирования этой зоны, не должен быть меньше удвоенного времени прохождения волны сжатия до границ образца, а линейный размер модели должен быть по крайней мере в 2 раза больше зоны трещинообразования, т.е.L≥ 2R_тр.

Сопоставляя табличные данные (σ*=0,2-0,5*10⁸Па) с экспериментальными, можно отметить их соответствие, т.е. расчетная модель применительно к песчанику удовлетворительно описывает процесс динамического разупрочнения.

Установлено, что в первом приближении зависимость между показателем трещиноватости К и амплитудой действующих напряжений имеет вид:
.

Соотношение эквивалентно простому критерию разрушения [8]:
где
Δτ, σ – амплитуда и длительность импульса растягивающих напряжений;
λ, А – постоянные.

Таким образом, проведенные исследования показали возможность использовать для пород типа песчаника регистрацию зоны взрывного разрушения ультразвуковым методом. Одним из факторов, определяющих малую чувствительность гранита, мрамора и травертина к импульсному воздействию, может являться структура этих пород, содержащих дефекты меньше l₀*, которые для данной длительности нагружения и данной амплитуде сохраняют устойчивость.

Размеры зоны микротрещиноватости, полученные экспериментально, хорошо согласуются с расчетами модели, основанной на концепции “накопления повреждений”. Учет динамики распространения трещин приводит к увеличению размеров области разупрочняющего действия взрыва.

Параметры заряжания скважин выбираются исходя из следующих положений [9]. Высота заложения верхнего торца заряда принимается в пределах 10-15 мощностей разрабатываемого угольного пласта при его мощности до 1,5м. При мощности пласта более 1,5м верхняя высота заложения заряда составляет 6-10 его мощностей. Высота заложения нижнего торца заряда определяется в зависимости от прочности пород. При наличии над угольным пластом пород с прочностью на сжатие менее 80МПа эта высота равна 5-6 радиусам зоны трещинообразования. При σ_сж>80МПа высота заложения должна быть равна 3-4 радиусам зоны трещинообразования. При залегании непосредственно над угольным пластом легкообрушающихся пород мощностью более 2м высота заложения нижнего торца заряда должна располагаться в труднообрушающихся породах и составлять 4-5 радиусов зоны трещинообразования вокруг скважин выше легкообрушающихся пород. Высота заложения верхнего торца заряда принимается в пределах 10-15 мощностей угольного пласта m. при мощности до 1,5м и (6-10)m при m>1,5м.

Расстояние между скважинами определяется в зависимости от прочности труднообрушающихся пород на сжатие σ_сж: при σ_сж<80МПа оно составляет 16-20 радиусов зоны трещинообразования r_т, при σ_сж>80МПа – 10-15 r_т.

Угол между проекцией скважины на плоскость напластования и простиранием основной системы трешиноватости принимается равным 50-90⁰. Количество скважин в вертикальной плоскости, также зависит от пределов прочности пород на сжатие. При разупрочнении кровли при последующих обрушениях труднообрушающихся пород с прочностью на сжатие до 80 МПа принимается одноярусная схема заложения скважин, при σ_сж>80МПа – двухъярусная. Последняя принята во всех случаях для разупрочнения кровли передовым торпедированием до первой посадки. Длина скважин определяется схемой расположения скважин. При односторонней схеме необходимо принимать такую длину скважин, чтобы расстояние от проекции верхнего торца заряда на пласт до подготовительной выработки, в направлении к которой пробурена скважина, не превышало 10м. При двухсторонней схеме расположения скважин расстояние между торцами зарядов встречных скважин должно быть в пределах 5-10м. Длина скважин второго яруса принимается из условия совпадения проекции верхнего торца их зарядов с проекцией нижнего торца зарядов скважин, расположенных в первом ярусе. Диаметр скважин необходимо выбирать на 25 мм больше диаметра заряда.

По упрочнению пород также имеется значительный материал.

Периодическая схема подготовки и нагнетания скрепляющих составов является наиболее простой, но при ее применении не в полной мере используются преимущества химического способа упрочнения пород и угля в зоне действия очистных работ.

Сущность этой схемы (см. рисунок 7, е и ж) заключается в следующем. В смесительном баке тщательно перемешивают смолу и отвердитель, взятые в определенном соотношении. Приготовленный состав насосом 2 под давлением по высоконапорным шлангам 6 подают в шпур. Время нагнетания принимается на 10-15мин меньше времени гелеобразования состава, поскольку при невыполнении этого условия происходит резкое увеличение вязкости и отверждение состава и система нагнетания выходит из строя.

Такая схема подготовки скрепляющего состава (см. рисунок 7, а)[10] применялась в 1971г. на шахтах в Англии. Скрепляющий состав нагнетали ручным диафрагменным насосом с подачей 27л/мин при давлении 1,4МПа. В дальнейшем насос приводился в действие электродвигателем.

Технологические схемы, разработанные ИГД им. А. А. Скочинского, отличаются тем, что после насосов дозаторов и смесителя непрерывного действия было установлено высоконапорное нагнетательное оборудование 13 (см. рисунок 7, б). Электрооборудование 12, емкости со смолой 9 и отвердителем 10 и насос устанавливались на платформах, за счет чего достигалась транспортабельность установки. На рисунке 7, в, в приведена схема, в которой применены шестеренчатые насосы с подачей 70л/мин смеси под давлением до 1,5МПа.

Схемы нагнетания водорастворимых смол, силикатных клеев и магнезиальных растворов показаны на рисунке 2, г, д, е. Подготовленный скрепляющий состав к насосу подается под действием сжатого воздуха шахтной магистрали. Промывка нагнетательной системы после работы производится шахтной водой. Насосы оборудованы пневмодвигателями, что дает возможность изменять производительность установки в процессе нагнетания.

На рисунке 2, з приведена схема с двумя емкостями, с самотечным питателем и одним насосом. Соотношение компонентов раствора регулируется запорными устройствами. Компоненты состава поступают в насос через смеситель. Такая схема может быть применена при наличии рабочих с большим опытом применения синтетических смол.

отвердитель) отличается от прерывной тем, что до соединения этих растворов реакция между компонентами отсутствует. Такая схема (см. рисунок 8, а) в нашей стране была применена для нагнетания скрепляющего состава одновременно в несколько скважин. По этой схеме смола и отвердитель насосами-дозаторами по высоконапорным шлангам поступают в смеситель непрерывного действия, из которого после смешивания – к инъекторам.

Схема, приведенная на рисунке 8, б, характерна тем, что со стороны высокого давления у обоих насосов имеются устройства для рециркуляции компонентов, благодаря чему возможно регулировать подачу и давление нагнетания.

На шахтах Германии при упрочнении пород и угля [10] применяются технологические схемы (см. рисунок 8, в), отличающиеся тем, что оба насоса с равной подачей работают от одного двигателя, а смешивание компонентов состава осуществляется в смесителе непосредственно перед шпуром. Более совершенной является схема, приведенная на рисунке 8, в. Она обладает большей гибкостью в работе за счет нескольких емкостей, содержащих катализатор различной концентрации [11]. Однако такая установка может быть применена при обслуживании ее рабочими, имеющими большой опыт работы на подобных установках.

В схемах, подобных приведенной на рисунке 8, д, гибкость в работе достигается за счет изменения подачи насоса, нагнетающего раствор отвердителя. Аналогичную схему применила американская фирма “Америкасайанамидкомпани”, но в ее схеме используются насосы с независимыми приводами. В некоторых случаях возникает необходимость применить схемы с тремя насосами (см. рисунок 8, е), один из которых предназначен для подачи в скрепляющий состав стабилизаторов или других добавок.

В схемах непрерывного нагнетания чаще всего применяются бесприводные смесители, размещаемые перед герметизатором у устья шпура.

Скрепляющий состав при применении периодической схемы нагнетания (или один из компонентов при непрерывном нагнетании) имеет значительную вязкость, поэтому для обеспечения заданного режима нагнетания необходимо осуществлять принудительную подачу его к насосу. Принципиально для подпора высоконапорных насосов можно применить вихревые насосы, но такая схема будет сложной и трудноуправляемой. В практике нагнетания скрепляющих составов чаще встречается принудительная подача вязких компонентов и составов сжатым воздухом, поступающим из шахтного воздухопровода.

В мировой практике явно прослеживается тенденция к применению для работы высоконапорных насосов пневмоприводов. Основным достоинством пневмопривода является способность в процессе работы изменять скорость вращения вала насоса, кроме того, он имеет высокую надежность при переменной нагрузке и перегрузках.

При выборе насосов для нагнетания скрепляющих составов основным требованием является равномерность потока (минимальная пульсация). При непрерывном нагнетании все насосы должны работать с различной подачей, но при равном давлении, поэтому их надо подбирать так, чтобы они работали как единая установка, т. е. желательно от одного привода. Для химического упрочнения пород применяются поршневые насосы, однако лучшими для нагнетания скрепляющих составов признаны насосы непульсирующей конструкции поступательного действия – винтовые и шестеренчатые [11]. Винтовые насосы могут обеспечить нагнетание как вязких, так и маловязких растворов при давлении до 7МПа. Шестеренчатые насосы могут обеспечить давление до 45МПа.

В практике упрочнения пород в шахте много примеров успешного нагнетания скрепляющих составов. Составы в шпуры нагнетают с применением штанг или с последующей установкой в эти же шпуры анкеров. Бурят шпуры непосредственно в упрочняемом массиве или через угольный пласт.

При переходе очистными работами геологических нарушении в виде сбросов с небольшой амплитудой шпуры бурили так, чтобы можно было одновременно укрепить и породу, и уголь (см. рисунок 9, а). Конкретные геологические условия определяют не только необходимость, но и возможность упрочнения пород или угля. На шахтах в Лотарингии при переходе геологического нарушения породы кровли упрочняли нагнетанием состава в шпуры длиной 4м (см. рисунок 9, б), а при упрочнении верхней пачки угольного пласта — через шпуры длиной 2м (см. рисунок 9, в).

При упрочнении мощных обрушений шпуры располагают в два и более рядов. Двухрядное размещение шпуров в Донбассе было применено при упрочнении пород кровли в очистных забоях на шахтах Ростовской области (ИГД им. А. А. Скочинского).

Герметизацию устья шпура при нагнетании скрепляющих составов производят как механическими, так и автоматическими (шланговыми) герметизаторами устья шпура На шахтах Донбасса испытывали механические, шланговые и автоматические герметизаторы типа ГАМ. Практика показала, что при упрочнении пород в очистных забоях целесообразней применять шланговые герметизаторы, а в месте их соединения с высоконапорным шлангом устанавливать устройство сброса давления в системе нагнетания для извлечения герметизатора из шпура после нагнетания.

Давление в системе нагнетания контролируют манометрами, которые устанавливают на прямоточных камерах с мембраной. Расход скрепляющего состава или его компонентов контролируют расходомерами или мерными емкостями.

При периодической схеме подготовки и нагнетания скрепляющего состава смешивание компонентов можно осуществлять встроенными в емкость лопастными мешалками, вращение которых в течение минуты производят вручную или при помощи ручного электросверла. При непрерывной схеме смешивание компонентов можно осуществлять в герметичных смесителях, работающих от внешнего источника энергии, или в бесприводных смесителях. Более рационально применять бесприводные смесители, смешивающие компоненты за счет турбулентного потока компонентов состава в лабиринтах и системах пружин.

Работы по повышению устойчивости пород путем их армирования стальными или деревянными стержнями, закрепляемыми в массиве с помощью твердеющих химических составов (химическое анкерование), за последние годы получили распространение как на шахтах угольной промышленности, так и в рудниках черной и цветной металлургии. В угольной промышленности химическое анкерование систематически применяется в Донецком, Карагандинском и ряде других бассейнов.

Система стержней, по всей длине закрепленных в нарушенном трещинами массиве, выполняет роль арматуры, повышая жесткость и несущую способность горного массива и снижая его деформации.

Твердеющие химические композиции для закрепления стержней в породах подаются в шпуры, чаше всего в предварительно изготовленных патронах (ампулах) диаметром 38-40мм и длиной 30-35см, заполняемых двумя жидкими компонентами – смолой и отвердителем, которые при разрыве оболочки ампулы (стеклянной полиэтиленовой) и перемешивании вращающимся анкером закрепляют его по всей длине шпура.

ДонУГИ разработана и внедрена технология опережающего укрепления (перед выемкой угля) неустойчивых (до 1м) кровель очистных забоев стальными армирующими стержнями длиной 1,5-3м с использованием 2-3 ампул на полиуретановой основе.

Оболочка ампулы обычно изготавливается из легкоразрушаемого материала – стекла, пленки, бумаги, хрупкой пластмассы. Компоненты скрепляющей композиции (например, смола и отвердитель) размещаются в ампуле изолированно друг от друга. Разрушение ампул и перемешивание находящихся в них химических композиций производится вращением армирующего стержня при его подаче в шпур. Отверждение состава по всей длине стержня и образование, таким образом, жесткой арматуры происходит через 2-3мин после разрушения ампулы.

В зависимости от назначения, условий хранения, транспортировки и применения разработано несколько конструкций ампул, различающихся как по внешнему виду, так и размерами. Под анкерную крепь обычно бурятся шпуры диаметром 42-43 мм, соответственно и ампулы изготавливают диаметром 39-40мм и длиной 300мм. Экономически это не оправдывает себя, так как размер анкеров по диаметру обычно ограничивается пределом 20-22мм.

В большинстве зарубежных стран под анкеры бурят шпуры диаметром 28-32мм, что позволяет выпускать более экономичные ампулы – диаметром 24-20мм). По длине ампулы в зависимости от необходимости могут изготавливаться размером 25-60см.

В последнее время в ИГД им. А.А.Скочинского, ВНИИГидроугле и некоторых других организациях проводятся поисковые работы по технологии закрепления анкеров без ампул, т. е. дозированной подачей химических композиций в шпур нагнетания и без патронов. Эффект повышения устойчивости кровли обеспечивается как ее армированием стержнями, так и за счет проникновения в крупные трещины вокруг шпура склеивающих химических составов.

Стержни анкерных крепей в большинстве случаев изготавливают из стальных прокатных профилей – круглой или арматурной стали (периодический профиль). По технологическим и экономическим соображениям в ряде случаев применение стальных анкеров не только не эффективно, но и не целесообразно. Во-первых, отработавшие свой срок анкеры из горных массивов, как правило, не извлекают и повторно не используют, т. е. металл теряется безвозвратно. Во-вторых, стальные анкеры нельзя применять, например, в таких случаях, как повышение устойчивости подлежащих впоследствии отработке мощных угольных пластов или целиков, для предупреждения вспучивания почвы, укрепления углеспускных печей и других случаев, когда закрепляемый массив в будущем может подвергнуться воздействию режущих органов комбайнов, подирочных машин или других механизмов. В этих случаях вместо стальных целесообразно применять стержни, обладающие высокой прочностью на растяжение, но слабым сопротивлением на срез. К таким материалам относятся одноосно ориентированные стеклопластики, прессованная и пластифицированная древесина, специальные композиты.

Анкеры из стеклопластиков разработаны в ИГД им. А.А.Скочинского. Конструктивно анкер представляет собой стеклопластиковый стержень, армированный на выходном конце спиралью из стальной проволоки, второй конец анкера заделывается в стальную втулку, имеющую наружную резьбу под гайку. В комплект анкера входят резиновая уплотнительная манжета и стальная опорная плитка.

Манжета применяется для предотвращения вытекания из шпура жидкого состава в первый момент его вскрытия из ампулы. В шпурах, пробуренных горизонтально или с уклоном вниз, необходимость в манжете отпадает. Несущий стеклопластиковый стержень анкера изготавливается способом протяжки пучка стекложгутов ЖС-1 (прядь ориентированных, равномерно натянутых первичных алюмоборосиликатных нитей), пропитанных связующим на основе полиэфирной смолы, через калиброванные фильерные отверстия и камеру полимеризации (t=130-140⁰С) на протяжной машине 4УПС-12. Диаметр стержня 19+0,5мм, длина – в зависимости от назначения анкера, однако наиболее часто в пределах 1000-2000мм.

Металлическая оплетка служит для повышения надежности заделки гладкого анкера в шпуре. Оплетка, как и стальная втулка, соединяются со стеклопластиковым стержнем при помощи эпоксидного клея. Предел прочности стеклопластикового материала стержня на растяжение σ_ср≥ 500МПа, на срез τ_с≤ 80МПа. Изготовление анкеров освоено в Кузбассе (ПО “Прокопьевскуголь”) и нашло широкое применение при креплении деревянных стоек к поверхности подлежащий впоследствии выемке угольных пластов, а также для крепления углеспускных печей.

Закрепление стеклоппастиковых анкеров в шпурах массива осуществляется исключительно химическими составами в ампулах. Для улучшения процесса разрушения ампулы стержень имеет скос под углом 45⁰. Этому же служит выступающий носик оплетки.

Новокузнецким институтом ВНИИГидроугопь разработано несколько новых вариантов стеклопластиковых анкеров, общим отличительным признаком который является наличие пенопластового заполнителя. Действительно, с целью экономии как стеклопластика, так и химического закрепляющего вещества (особенно при большом диаметре шпуров – 42-44мм), эта мера целесообразна.

Одна из конструкций анкера представляет собой трубчатую стеклопластиковую оболочку (основу), заполненную пенопластом. Выходная часть анкера (головка) изготовлена из прочного полимербетона. Другой тип анкера – полимерный, конструктивно исполнен в виде стержня из арматурной стали, заключенного в полимербетонную оправку, концевая часть которого развита в прижимную головку, необходимую для крепления стеклопластиковых затяжек к бокам горных выработок. Анкеры предназначены для приконтурного крепления массива вокруг выработок и изготавливаются длиной 1,6-3м.

Представляют также интерес полимерные анкеры для глубокого упрочнения массива (длиной 3-40м), которые возводятся Непосредственно в шпуре или скважине путем разматывания стеклопластиковой ленты из рулонаю В качестве наполнителя во внутреннее пространство арматуры вкладывается несколько (на длину скважины) сердечников из жесткого пенопласта. Такие конструкции анкерных стержней испытаны на шахтах Кузбасса.

ИГД им. А.А.Скочинского для повышения прочности сцепления с твердеющими химическими составами разработал витые стеклопластиковые анкеры. Отличительной особенностью анкера является его петлевой узел, выполненный в виде петли, огибающей стальной коуш, подобный канатному. Слоистый материал одноосной ориентации работает в петле на изгиб, как в кривом брусе, в то время как все другие традиционные методы соединения деталей (клеевые, резьбовые, шпоночные, заклепочные и др.) трансформируют приложенную растягивающую нагрузку в напряжения сдвига вдоль слоев материала.

Головная часть анкера представляет собой два расходящихся в разные стороны среза жгута (усы), а на расстоянии 15-20мм от узлов поперек жгутов анкера продевается отрезок стальной проволоки диаметром 4мм (шплинт). Функции усов и шплинта одинаковы – разрушение ампул в шпуре.

Анкеры изготовляют с помощью специального механизма, основанного на использовании токарного станка, в следующей последовательности. Пропитанная синтетической смолой заготовка стеклоровинга (жгута) набрасывается петлей на закрепленный в патроне коуш. Вращением задней головки установки достигается скручивание пряди на заданный шаг. Соблюдение точности шага и регулирование подачи пряди осуществляется специальным устройством. Готовый анкер подвешивается в вертикальном состоянии для полимеризации смолы, которая производится при комнатной температуре. Для ускорения процесса полимеризации подбирается система инициирования.

Описанная технология требует применения смол так называемого контактного типа, в процессе полимеризации которых не выделяются побочные продукты и не требуется внешнее давление. К таким смолам относятся ненасыщенные полиэфирные, а также эпоксидные и некоторые другие.

При выборе полимерных материалов для изготовления анкеров исходили из того, что прочность анкера на растяжение мало зависит от типа применяемой смолы, а почти целиком определяется стекловолокнистым армирующим наполнителем. Для изготовления анкеров было опробовано три вида освоенных отечественной промышленностью стеклоровингов (жгутов) на полиэфирных связующих: РБН 10-2520-289А; РБР 10-42х60-9; РБН 13-2520-4п.

Испытания показали, что наиболее высокой несушей способностью обладают анкеры из стеклоровинга РБН 13-2520-4п, аппретированного специальным гидрофобно-адгезионным составом и пропитанного ненасыщенной полиэфирной смолой общего назначения (НПС-609-21М).

Шаг навивки прядей анкера из условий обеспечения максимальной прочности на разрыв и прочности заделки, в шпуре, по результатам испытаний, рекомендуется принимать около 100мм для анкера с поперечным сечением 200мм². Для анкеров другого размера шаг навивки выбирается из условий подобия. Несущая способность анкера из рекомендованного типа ровинга 120-130кН.

Армополимерная анкерная крепь состоит из арматурного стержня, закрепляемого в тыльной части скважины или по всей длине расствором смолы. Выступающий в выработку конец анкера оформляется так же, как у обычных анкеров и чаще всего имеет резьбу для навинчивания гайки в целях создания в стержне предварительного натяжения.

Армополимерные анкеры используются на шахтах в качестве призабойной крепи при выемке угля горизонтальными полосами с полной закладкой выработанного пространства. Данная крепь эффективна и перспективна.

По вопросам совершенствования и конструирования анкерной крепи уделяется большое внимание. Армирующий стержень прост по конструкции (см. рисунок 11)[13]. Может изготавливаться из различных материалов: металла разного профиля, стекловолокна, древесины и других материалов.

Использование обычной проволоки диаметром 5-6мм с концом в виде петли также дает хорошие результаты. В скважине стержень закрепляется с помощью ампул, а также путем подачи раствора в нее под давлением.

В 1956г. в США проведены исследования в лабораторных и шахтных условиях по применению смол для крепления горных выработок. Установлено, что слоистые сланцы, скрепленные смолами, превышают свою прочность в 3-4 раза. Благодаря ампулам с анкерной крепью полностью предотвращены обрушения очень трещиноватой кровли. Смолы полностью предохраняют арматурный стержень от коррозии, хорошо противостоят действию агрессивных вод и обладают высокой прочностью (предел на разрыв 140-560, на сжатие 700-1400 кгс/см²). В случае применения смолы с обычными анкерами значительно повышается прочность их закрепления в слабых породах. В Германии ежегодно устанавливается более 200 тыс. армополимерных анкеров. Смесь из смолы, заполнителя (обычно песок), отвердителя и в ряде случаев ускорителя доставляется в забой в ампулах, изготовленных из стекла или из мягкого материала, не взаимодействующих с компонентами ампулы.

Значительный объем применения армополимериых анкеров имеет место и во Франции. Внешняя оболочка ампул – пленка или бумага. пропитанная специальными составами. Ампула помещается в кожухе из пластмассовой сетки, что делает оболочку жесткой и облегчает ввод в скважину. В ЦЭММ № 1 объединения Прокопьевскуголь оболочки для ампул изготавливаются из стеклянных трубок, помещенных одна в другую, или из полиэтиленовой пленки толщиной 100-120 мкм. Предложен ряд способов возведения армополимерной анкерной крепи. Так, в Германии крепь возводится с применением смеси синтетических смол с инертным заполнителем и отвердителем. Этот способ отличается тем, что с целью повысить прочность закрепления арматурного стержня и снизить стоимость крепления затвердитель и ускоритель вводят в скважину раздельно с помощью капсул, размещенных одна в другой. Во Франции запатентована ампула, состоящая из полиэфирной смолы и катализатора (в виде смеси из перекиси бензола с дибутилфталатом), которые распределяются между собой бумажной лентой, покрывающей сначала стержень из полиэфирной смолы, а затем катализатор, располагаемый вокруг стержня. Ленинградским горным институтом для ускорения процесса твердения компонентов рекомендуется ампулы и стальные арматурные стержни предварительно нагревать до 30-50⁰С В Кузбассе ампулы из полиэтиленовой пленки изготавливаются с двумя отделениями; в одном помещается смола и инертный заполнитель – песок, в другом – отвердитель.

В ИГД им. Скочинского в целях ускорения процесса твердения предложено следующее соотношение компонентов по массе (в проц.):

Полиэфирная смола	20-40
Стирол	2-12
Перекись метилэтилкетона	0,2-1,2
Ванадий	0,4-2,8
Наполнитель (песок)	77,4-44

Кроме того, разработаны и опробованы составы растворов на основе эпоксидной смолы с короткими (1-2мин) и более длительными (30-40мин)сроками отверждения; первые для сухих пород, вторые для сухих и влажных. Составы отличаются высокой прочностью; анкер закрепленный данными растворами, выдерживал нагрузку до 18-20тс; бывали случаи при испытании, что разрывался сам анкер, а смола выдерживала большую нагрузку. Такими растворами было зареплено более 90тыс. анкеров на шахтах объединений Ростовуголь, Укрзападуголь, Донецкуголь и треста Горловскуглестрой (на объектах последнего эти анкеры были применены также в сочетании с набрызг-бетоном).

Рекомендованном составе (для заполнения скважин под анкерную крепь) на основе водного раствора карбомидной смолы 30-45%, коагулятора используется этиловый спирт и соляная кислота (прочность сцепления со стенками скважины составила 42-48кг/см²). ВНИИгидроуголь для повышения прочности закрепления арматурного стержня в скважине рекомендует ингредиенты в следующих соотношениях (в.ч.):

Фенольно-формальдегидная смола	100
Наполнитель	50-200
Отвердитель	10-30

Наполнителем служит кварцевый песок, который должен иметь глинистых включений не более 10%. Перед употреблением песок просушивается в шкафу при температуре 250-300⁰С. Отвердитель состоит из двух компонентов – бензосульфокислоты (28,5%) и ортофосфорной кислоты (71,5%). Для закрепления стержней в скважине использован химический состав СШ-1; основа его – синтетический полимер с высокими адгезионными когезионными свойствами. Для придания составу СШ-1 требуемых физико-механических свойств в полимер вводились низкомолекулярные тиосоединения. Предел прочности затвердевшей смеси с кварцевым песком крупностью до 0,5мм при растяжении достигал 700, при изгибе 800, сжатии 1260 и сдвиге 1400кгс/см². Прочность закрепления стержней в скважинах превышала 13тс.

В Германии рекомендуется применять смолы для армополимерных анкеров, которые вступают в отверждающую реакцию лишь при температуре 60⁰С (преимущественно эпоксидные и полиуретановые смолы либо их смеси). При этом необходимая для отверждения компонентов температура в скважине достигается в основном за счет теплоты трения. Возникающей при вращательном введении арматурного стержня с частотой вращения 900-1000мин^-1 и с давлением на стержень 1тс. Обществом химических заводов Франции “Рон Пулянс” запатентована ампула из полиэфирной смолы, оболочка из которой состоит из бумаги (масса 1м² составляет 10-20г).

В наиболее распространенных ампулах с полиэфирной смолой в качестве отвердителя применяется перекись бензола, которая обеспечивает схватывание в течение 30с (быстросхватывающиеся) и 2-3мин (медленносхватывающиеся). Немецкой фирмой “Бергверкофербанд” предложена ампула со стеклянной оболочкой, содержимое которой берется в зависимости от температуры в шахте. В качестве заполнителей ампул для анкеров, устанавливаемых в скальных породах, используется кварцевый песок или корунд, а в слабых породах – порошкообразные сланцы. Той же фирмой разработана ампула, включающая заполнителя 50-80, смолы 20-50, отвердителя по отношению к смоле 2-10 частей (смола полиэфирная, эпоксидная, полиуретановая). Акционерным обществом “Косенталл Ателье де Каршпаш” (Франция) создана ампула с цилиндрической гибкой или жесткой оболочкой, закрытой с обеих сторон. Она содержит синтетическую смолу, заполнитель, отвердитель и имеет внутри поршень для перемешивания компонентов. Фирмой “Сельфикс” (Франция) разработаны ампулы с полиэфирной смолой (смесь эфира, фталевой кислоты и стирола). Заполнитель – мелкий песок, отвердитель—перекись метилэтилкетона с песком. В состав ампулы входит 28% смолы, 3% отвердителя, 69% заполнителя. Смесь после перемешивания затвердевает через 15-20мин (предел прочности при растяжении 200кгс/см², при сжатии 1200кгс/см², модуль упругости при растяжении 129,4тыс.кгс/см² линейная усадка 0,8-1%, сопротивление сдвигу 250кгс/см², сопротивление удару 7-8 кгс/см²).

Для ускорения установки армополимерных анкеров с использованием машин вращательного действия во Франции рекомендуется в качестве соединительной детали с патроном машины применять натяжную гайку анкера, имеющую соответствующую пластину, которая ограничивает ход гайки вовремя погружения стержня, в смолу и отделяется от нее, когда стержень продолжают вращать той же машиной в направлении завинчивания гайки после схватывания смолы. Ввиду того что одна разновидность смолы не может удовлетворять всем горно-геологическим условиям, компанией “Америкен Синамид” разработано три типа смол. В Англии в качестве основного компонента ампул используют эпоксидную и полиэфирную смолу. Важным преимуществом ампул с полиэфирной смолой является то, что они достигают 80-90% их максимальной прочности за несколько минут смешивания. Прочность закрепления стержня анкера в скважине с помощью эпоксидной смолы достигает большой величины.

В ИГД им. Скочинского разработаны растворы на основе эпоксидной смолы, с более высокой прочностью, чем полиэфирная смола; раствор отверждается как в сухих, так и во влажных породах. Одним из важных свойств растворов является изменение вязкости их в период между перемешиванием составляющих и началом отверждения. Для анкеров, закрепляемых раствором на всю длину, желателен раствор с более длительным временем отверждения, у которого нарастание вязкости происходит в последний период. Для анкеров, у которых закрепляется только хвостовая часть, желательно иметь более короткий срок отверждения и более высокую вязкость.

Армополимерная анкерная крепь начала применяться в Англии с 1967 г. Стержни анкеров имели натяжное устройство и устанавливались в скважинах диаметром 43мм. Анкер, широко применяемый в угольных шахтах, показан на рисунке 2,а. Конец 1 стержня расплющен в виде лопатки; кольцо 2 удержания смолы приварено или прижато к стержню на расстоянии 20см от его конца. Для закрепления стержня в скважине использовались две ампулы массой по 373г на полиэфирной смоле. Чтобы уменьшить расход смолы, была сделана попытка перейти на скважины диаметром 28мм, но еще не решена проблема бурения скважин малого диаметра по мягкой породе. Поэтому в Англии металлические стержни армополимерных анкеров стали обшивать деревом или заключать в пластмассу и закреплять в скважине диаметром 43мм. В этом случае деревянная или пластмассовая обшивка длиной 25 см и наружным диаметром 36мм прикрепляется к концу стержня (см. рисунок 12, б). Эффективными также оказались деревянные анкеры, закрепляемые смолами (см. рисунок 12, в), а также стержни, армированные на всю длину (см. рисунок 12, г, д). Чтобы определить надежность армополимерной крепи, закрепляемой в скважинах с применением полиэфирной смолы, в Англии проведены сравнительные исследования. Оказалось, что у данных анкеров большая несущая способность, чем у металлических при меньшей их деформации. В условиях шахт Кузбасса КузНИУИ проводились испытания на прочность закрепления фенольнорезольной смолой деревянных анкеров различной конструкции. Для испытаний анкеры изготовлялись с конусообразной головкой без кольцевых и с кольцевыми канавками, конец срезан наискось, головка четырехгранная с клиновидной пикой. Стержень последней конструкции обеспечивал наилучшее перемешивание компонентов ампулы и наиболее высокую прочность их закрепления. Испытания показали, что прочность закрепления деревянных анкеров смолой превышает 5тс (в угольном и в породном массивах) и зависит от качества перемешивания состава ампулы.

ВНИИгидроуглем предложена армополимерная анкерная крепь: ампулы 1 со смолой и инертным заполнителем в перемежку с ампулами с отвердителем; состав их перемешивается смесителем 2 при движении стержня 3 в сторону дна скважины (см. рисунок 13, а). На стержне 1 (см. рисунок 13, б) армополимерного анкера расположены клиноконический конус 2, полувтулка 3 и уплотнительное кольцо 4. В верхней части стержня нанесена резьба для лучшего схватывания с компонентами смеси и для передвижения конуса.

Фирмой “Бергверкофербанд” разработан армополимерный анкер со стержнем 1 (см. рисунок 13, в), который соединяется с головкой 2 анкера с помощью резьбы 3. Головка заканчивается конусом 4 и имеет паз 5 для хорошего перемешивания компонентов. В нижней части головки располагается уплотнительное кольцо 6 с манжетами 7. Отличительной особенностью армополимерного анкера (см. рисунок 13, г), также разработанного в Германии, является то, что на конце стержня 1 имеется косой срез 2, на боковой поверхности косые выступы 3 с левой резьбой. В Англии предложено в качестве арматурного использовать трубчатый стержень 1, заполненный цементным раствором (рисунок 13, д), с концом 2 неправильной клиновидной формы. Анкер, применяемый в США, состоит из стержня 1 с резьбой 2 на обоих концах (рисунок 13, е). На одном конце стержня диаметром 18-20мм монтируется конусная гайка 3 с выступами, на ней фиксируются две полувтулки 4, соединенные между собой пластинчатой скобой 5. На другом конце стержня находится опорная выпуклая шайба и гайка с контрогайкой 6. Перед вводом анкера в скважину в торцевой ее части помещается ампула 7 со смолой и капсулой с отвердителем. Для предотвращения вытекания из скважины раствора предусмотрено резиновое уплотнение 8. Ампула закрепляется на конце стержня, при его вращении разрушается перемычка 9 ампула с отвердителем, раствор поступает в замок анкера, из-за чего и увеличивается прочность его закрепления в породах. Вместо конусной полувтулки могут применяться анкеры с четырехперой гильзой и других разновидностей. Для лучшего перемешивания компонентов патрона в США предложен стержень со специальной головкой (см. рисунок 13, ж). Во Франции рекомендуют изготавливать арматурные стержни 1 со срезом 2 под углом 45⁰ и головкой 3 с усиливающим выступом 4, с помощью которого осуществляется вращение стержня в целях перемещения компонентов патрона (см. рисунок 13, з).

Новым в области армополимерных анкеров является также использование ампул с резьбой в нижней части для навинчивания на стержень и подачи в скважину.

Технология возведения армополимерной крепи наиболее полно разработана в США. При изготовлении ампул из пленки используют два способа их формирования: со швом 1 с трех сторон (см. рисунок 14, а) и четырех (см. рисунок 14, б). Ампула с отвердителем помещается в внутри ампулы 3 со смолой и инертным заполнителем. Для доставки в скважину на ампуле отогнутый конец 1 перевязан жгутом 2, образуя карман, в который вставляется стержень 3 (см. рисунок 14, в). В США также разработан безампульный способ подачи раствора смолы в скважину. Раствор 1 за счет вакуума, создаваемого эжектором 2, при прохождении сжатого воздуха от магистрали 3, засасывается в передаточную трубку 4 (см. рисунок 14, г), а из нее досылается в скважину поршнем 5 с войлочной или разрезной манжетой 6, которая после подачи раствора остается в скважине и герметизирует ее на время ввода арматурного стержня.

На рисунке 4, д показан способ подачи в скважину раствора смолы насосом. В целях создания плотного контакта между опорной шайбой 1 и неровной кровлей 2 рекомендуется располагать кольцеобразную ампулу 3 с отверстием для пропуска стержня 4 (см. рисунок 14, е). При завинчивании гайки 5 верхняя поверхность ампулы 3 с оболочкой из пленки принимает форму кровли, а нижняя – опорной шайбы. После затвердевания раствора плотный контакт между опорной шайбой и неровной кровлей сохраняется в течение всего срока службы армополимерного анкера.

Таким образом, армополимерная крепь находит применение в ряде развитых стран – Франции, Англии, США, Германии. Разработаны различные составы, которые прочно закрепляют армирующие стержни в скважинах, в том числе составы, изготовленные из древесины. В отечественной горной практике данная крепь может найти более широкое применение при анкеровании трещиноватых горных пород, а также тектонически нарушенных участков с подачей раствора смолы под давлением для заполнения трещин.

Основные области эффективного применения химического армирования пород:

• стальными анкерами – укрепление сухих слоистых пород, разрушенных трещинами на блоки размером 10-50см;
• стеклопластиковыми анкерами – укрепление угольных целиков и потолочин мощных пластов, для борьбы с пучением почвы;
• деревянными анкерами – укрепление верхней части мощных пологих пластов для борьбы с отжимом и кливажем.

Применяемый для укрепления пород в очистных забоях способ химического анкерования позволяет существенно снизить потери добычи и сократить простои механизированных комплексов в сложных горно-геологических условиях. Годовой экономический эффект на очистной забой составляет 15-20 тыс. руб.

В Донбассе организовано специализированное управление с цехом по изготовлению ампул со вспенивающимся попиуротановым составом и проведению непосредственных работ по упрочнению пород химическим анкерованием в очистных забоях шахт Минуглепрома Украины. Цех выпускает в год до 1,5 млн. ампул и до 200 тыс. стальных армирующих стержней из арматурной стали диаметром 18-22мм. Изготовляемые цехом ампулы поставляются не только в Донбасс, но и в другие бассейны страны.

Анализ состояния угольного массива после прохождения комбайна показал, что основной причиной обрушения неустойчивого угольного массива является разрушение непосредственной кровли по трещинам давления, пересекающим всю кровлю параллельно линии забоя.

В сложившихся горно-геологических условиях наиболее перспективно поддержание ложной кровли за счет создания устойчивой подкровельной пачки и предотвращения отжима угля в лаву с помощью химического анкерования на основе фуриловоформальдегидных смол производства Ферганского завода Узбекистана.

Технология химического анкерования предусматривала установку деревянных анкеров размером 30x30x1800мм, которые закрепляли по всей длине химическим составом на основе смолы ФФ-1Ф и кислотного отвердителя. Бурение шпуров под анкеры проводили по углю с интервалом 1-1,5м на расстоянии 0,6-0,8м от границы порода-уголь, под углом 10-15⁰ относительно плоскости пласта.

При прохождении комбайна часть деревянного анкера срезалась, а подкровельная пачка и ложная кровля пласта не обрушались, устойчиво поддерживаемые оставшейся частью анкера на всем протяжении закрепленного участка. Анкерование проводили в два ряда в шахматном порядке с интервалом в 1м между рядами и 1-1,5м между анкерами.

Площадь поперечного сечения анкера определялась из условия адгезионной прочности закрепленного стержня при наличии деформаций растяжения и сдвига.

Предварительные лабораторные исследования адгезионной способности применяемого химического состава на основе смолы ФФ-1Ф показали, что прочностные свойства отвержденного состава достигают своего максимального значения 18МПа.

Важной характеристикой состава является способность отверждаться в присутствии влаги, что позволяет широко применять этот тип закрепителя во влажных массивах.

Минимальные затраты труда и времени, необходимые на установку анкеров, а также высокие прочностные свойства закрепителя на основе смолы ФФ-1Ф, выпускаемой Ферганским заводом фурановых соединений, позволяют рекомендовать химическое анкерование как наиболее применяемый способ укрепления угольного массива при интенсивном отжиме угля.

Исходя из опыта и практики, можно утверждать, что область и объемы химического анкерования пород и угля на шахтах и рудниках будут непрерывно возрастать. Кроме того, важными областями подземных работ, требующими применения химического укрепления вмещающих пород, являются:

• зоны нарушений в павах, укрепление тектонически нарушенных породных слоев;
• угольные откосы при комбайновой выемке на мощных пластах;
• разрушенные слои кровли, укрепление которых способствует поддержанию кровли лавной крепью без предварительной выемки угля вручную;