Важливу роль у підвищенні ефективності виробництва (зниження собівартості продукції, ріст продуктивності праці, забезпечення безпеки й ритмічності роботи шахт і рудників) грає рішення проблеми раціонального кріплення й надійної підтримки виробітків. Застосовувані кріплення, незважаючи на високу матеріалоємність, не задовольняють у деяких випадках гірничо-геологічним умовам, у яких вони застосовуються, і не відповідають сучасним вимогам подальшого підвищення ефективності виробництва. Тому в цей час для забезпечення безремонтного змісту виробітків ведеться створення й впровадження нових конструкцій кріплень, що мають більшу несучу здатність і меншу металоємність. До числа таких кріплень ставляться й анкерна, котра використовується не тільки для кріплення підземних гірських виробітків, але й для втримання крутих гірських схилів у гористій місцевості й бортів кар'єрів при відкритому видобутку корисних копалин, а також для різних допоміжних цілей.

Одним з основних напрямків технічного прогресу в області кріплення й підтримки гірських виробітків є створення ресурсозберігаючі технології проведення підготовчих виробітків із застосуванням анкерного кріплення в сполученні з металевим арковим кріпленням.

Досвід застосування анкерного кріплення разом з металевим арковим кріпленням показує, що анкера зменшують змішання порід покрівлі й навантаження на рамне кріплення. Однак відсутність на справжній момент загальновизнаної методики розрахунку параметрів анкерного кріплення, а також простих і ефективних конструкцій податливого анкерного кріплення, що відповідають вимогам підвищених зсувів порід, не дозволяє обґрунтувати область її раціонального застосування.

1.2. Мета й задачи роботи

Метою роботи є дослідження механізму деформування заанкерного породного масиву з використанням моделювання методом кінцевих елементів, а також обґрунтування параметрів анкерного кріплення й раціональної області її застосування.

1.3. Наукова новизна й практична цінність

Багаторічний досвід застосування анкерного кріплення показав, що це кріплення може застосовуватися в широкому діапазоні гірських порід по міцності й структурній їхній будові як самостійно, так і в сполученні із кріпленнями підтримуючого типу, набризкбетоном і монолітним бетоном.

Залежно від структурної будови порід покрівлі форми перетину виробітку розрізняють п'ять основних умов її застосування:

- слабостійки шаруваті породи безпосередньої або помилкової покрівлі підвішуються анкерами до основної покрівлі;

- різні породні шари, скріплюючись анкерами, утворять складену балку, що охороняє покрівлю від обвалення (випадок "зшивки");

- біля кожного анкера шматки тріщинуватої породи притискаються до один одному, утворює міцний блок. У цьому випадку по периметрі виробітку за допомогою анкера складається кільце таких блоків, що підтримують один одного, як у кам'яній арці;

Анімація 1. Анкерування виробітки (21 кадр, 15 повторювань)

- у тріщинуватій однорідній гірській породі великої потужності анкерне кріплення охороняє виробіток від вивалу окремих шматків при розкритті природних тріщин під впливом гірського тиску;

- при проведенні по сильно тріщинуватому шаруватому масиві з контуром, що близько збігається зі зводом природної рівноваги, анкерне кріплення охороняє виробіток від корження й висипання гірських порід.

Відомо понад 300 різновидів анкерного кріплення, що відрізняються способом закріплення, матеріалом і конструктивним виконанням.

2.1. Аналіз існуючих моделей стану масиву порід навколо виробітків

Проведення гірського виробітку порушує рівноважний стан порід і приводить до перерозподілу напруг у навколишньому її масиві, причому інтенсивність напруг на контурі виробітку набагато більше, ніж у порушеному масиві. Підвищені напруги на контурі виробітку приводять до утворення навколо її зони непружних деформацій. Структура зони й характер деформування порід у ній залежить від глибини закладення виробітку, типу порід і їх фізико-механічних і геологічних властивостей, розміру виробітку, типу й характеристики кріплення.

Для прогнозу режиму руйнування гірських порід у контурі виробітку й оцінки її стійкості важливі відносини:

- різниці найбільших G1 і найменших G3 головних напруг порід покрівлі до напруг від ваги вищележащей товщі зводу обвалення порід, характерезующіє можливість руйнування:

Q=(G1 -G3)/(y), (1)

- найменших G3 головних напруг до ваги вищележащей товщі зводу обвалення порід, що характеризують можливий режим руйнування:

P=(G3)/(y), (2)

де

y - питома вага порола покрівлі, Н/м3;

H - глибина зводу обвалення, м.

У незакріпленому виробітку зусилля розпору, що взаємно притискають породи покрівлі в стовбурі, спочатку незначні, а зчеплення між ними низьке.

Тому порушені породи у зводі обвалення з відходом вибою під дією власної ваги можуть зміститися у виробіток. У результаті таких зсувів відбуваються деформація й розпушення порід зводу з появою додаткового розпірного тиску в покрівлі:

P=(Кд -1)P1/3 (3)

де Кд - коефіцієнт деформації порід,

Кд=1+3e (4)

e - конвергенція порід покрівлі;

P1=1,5y - опорний тиск, Мпа.

Під впливом опорного тиску порушується рівноважний стан системи "зона порушених порід - зона непорушених порід". З'являється можливість розвитку зрушень у глиб масиву, коли мінімальний компонент напруг достатній для часткового блокування руйнування, тобто виробіток стає нестійкою.

Застосування податливих аркових кріплень для підвищення стійкості виробітків, возводімих без повної забутовки закріпленого простору й не забезпечують достатнього підпору для блокування зрушень (відшаровувань) порушених порід, виявилося неефективним оскільки

Rt/Rg>tmax/Gp (5)

де Rt=0,78Gс - напруги відриву порід, Мпа;

Rg=0,78Gр - напруги зрушення порід, Мпа (за даними ПОЧУЙ);

Gc і Gp - опір порід покрівлі стиску й розтяганню, Мпа;

tmax - максимальні дотичні напруги, які сприяють сдвиговим деформаціям порід покрівлі з їхнім наступним відривом. Мпа.

Різноманіття гірничо-геологічних і гірнотехничних умов експлуатації виробітків, і пов'язаного з ними механізму взаємодії порід і кріплення, обумовило появу цілого ряду різних механічних моделей стану масиву порід навколо гірських виробітків.

К.В. Руппенейтом запропонована упругопластична модель масиву з виробітком, відповідно до якої навколо виробітку утворяться три зони: зона впливу виробітку, зона пружних деформацій і зона пластичних деформацій. У цій моделі на основі положень теорії пружності й пластичності визначена зона не пружних деформацій, що перебуває в граничній рівновазі з іншим масивом.

Ю.М. Либерманом розроблена тендітна модель масиву з виробітком. Межа пружності в цій моделі одночасно є й межею міцності, досягнення якого приводить до повного руйнування масиву, що вміщає. Навколо виробітку утворяться дві зони: зона пластичних деформацій і зона руйнування. У даній моделі зона пластичних деформацій є одночасно й зоною руйнування.

Н.С. Булычевым розроблена механічна модель, у якій руйнуванню передує деяка пластична деформація. Відповідно до даної моделі, у масиві навколо виробітку виділяються три зони: зона пружних деформацій, зона пластичних деформацій, що протікають без руйнування й зона руйнування. Дана модель відрізняється від тендітної моделі Ю.М. Либермана тим, що руйнуванню порід передує їхня пластична деформація.

Б.З. Амусиным запропонована комбінована модель, що враховує пружно-вязкопластичні деформації й руйнування порід навколо виробітку. У масиві порід навколо виробітку утворяться чотири області, характерізуемі різним станом порід: зона вязкоупругих деформацій, зона пластичних деформацій, зона поступового руйнування порід від граничного руйнування на внутрішній границі до недозволеного стану на зовнішній границі й зона зруйнованих порід.

И.Л. Черняк запропонував оцінювати стан масиву порід, що оточують виробіток залежно від співвідношення межі міцності й напруг у масиві. При цьому можливі три типи деформацій:

1. У масиві навколо виробітку утвориться зона пружно-грузлих деформацій при напругах на контурі, менших межі тривалої міцності.

2. Другий тип деформацій порід має місце при напругах на контурі, що перевищують межу тривалої міцності, але менших миттєвої міцності порід.

3. Третій тип деформації порід навколо виробітку має місце при виникненні напруг на контурі, що перевищують миттєву міцність порід.

Зона, де породи руйнуються відразу при досягненні максимуму інтенсивності напруг, називається зоною умовно-миттєвого руйнування порід.

Ю.З. Заславский уважає, що процес розвитку області не пружних деформацій залежить від механічної характеристики кріплення - її несучій здатності й піддатливості. При цьому в зоні не пружних деформацій можуть відбуватися різні деформаційні процеси, що приводять до зсуву контуру виробітки.

Г.Г. Литвинский уважає, що руйнування більшості типів порід навколо підтримуваних виробітків носить тендітний характер. Використовуючи положення механіки тендітного руйнування, їм запропонована методика визначення величини зони непружних деформацій.

Аналіз існуючих подань про геомеханічні процеси, що відбуваються в масиві порід в околиці підтримуваних виробітків показує, що навколо останніх утвориться зона не пружних деформацій у якій протікають різні деформаційні процеси.

Натурні спостереження по глибинних замірних станціях, проведені Л.До Нейманом і О.И. Мельниковим показують, що в умовах глибоких шахт частка пружних і пластичних деформацій становить 10 %. Основні зсуви, на думку автора, відбуваються за рахунок збільшення обсягу порід при їхньому руйнуванні.

Аналіз результатів шахтних інструментальних спостережень за зсувами контуру виробітків по 56 заміряних станціях ДонУГи й інших інститутів дозволив Ю.З. Заславскому встановити гірничо-геологічні умови, при яких підтримуваний виробіток зберігає стійкість або навколо її починає розвиватися зона не пружних деформацій.

Комплексні дослідження механізму деформування й руйнування порід навколо виробітків глибоких шахт Донбасу проведені И.Л. Черняком показують, що розмір зони зруйнованих порід і її структура залежить від глибини закладення виробітку, состава, міцності й структури масиву порід, а також механізму взаємодії їх із кріпленням. Дослідження зсувів масиву за допомогою глибинних реперних станцій дозволили вивчити поширення зони зруйнованих порід в околиці підтримуваних виробітків. Критерієм зруйнованості порід були значення граничних відносних деформацій, при яких починається руйнування зразків порід. Для порід глинистого й піщаного сланцю величини граничних відносних деформацій відповідно становлять 0,03 і 0,02.

Результати інструментальних спостережень за характером процесу руйнування порід у масиві навколо виробітків шляхом безперервного запису значень зсувів глибинних реперів проведені А.Ф. Морозовим на шахті "Глибока" і ім. Засядько при поводженні виробітків показують, що руйнування порід у масиві по характері ідентично з руйнуванням тендітних тел. При цьому ширина розкриття тріщин у покрівлі й стінках виробітків становила 2 - 3 мм.

Проведений аналіз зміни стану масиву порід навколо виробітків дозволяє зробити наступні висновки:

1. Проведення виробітку порушує рівноважний стан навколишнього масиву й приводить до утворення в її околиці зони не пружних деформацій. Тип деформацій визначається співвідношенням між величиною діючих напруг на контурі виробітку й межами тривалої й умовно-миттєвої міцності порід.

2. Аналіз результатів шахтних спостережень показує, що в умовах глибоких шахт до 80% зсувів контуру виробітків відбувається за рахунок утворення зони зруйнованих порід, розміри якої становлять 2 - 6м.

2.2. Аналіз існуючих подань про механізм взаємодії анкерного кріплення

Під стійкістю виробітку розуміється здатність її зберігати задані розміри й форми поперечного переріза в плині заданого терміну служби.

Для досягнення стійкості виробітку необхідно яким-небудь способом кріплення збільшити несучу здатність порід. Найбільш ефективним способом є збільшення міцності на вигин і розтягання, що впливають на виробіток порід. Необхідне зміцнення проти дії напруг, що розтягують, найбільше ефективно й просто може бути здійснено закріпленням у породах сталевих і полімерних стрижнів - анкерів.

На відміну від рамного кріплення анкерне кріплення зводиться попередньо напруженої, тому відразу після зведення кріплення підвищується зчеплення по площинах нашарування порід або їхніх тріщин.

По питанню анкерного кріплення виконана велика кількість досліджень вітчизняних і закордонних учених, що дозволяють на науковій основі підійти до розкриття фізичної сутності цього виду кріплення.

Великі експериментальні й аналітичні дослідження, а також дані практики не прищепили до створення загальновизнаної роботи анкерного кріплення й розробці єдиного методу розрахунку її параметрів.

Однак аналіз існуючих методів розрахунку, показує, що переважною більшістю вчених як основний фактор, що визначає щільність установки анкерів, приймається несуча здатність замка анкера або його початковий натяг.

Існуюче подання про анкерне кріплення гірських виробітків, викладені в роботах радянських і закордонних учених, можна звести до п'яти основних теорій: підвішування безпосередньої покрівлі до основного; стиску підтримуючих порід; спільної роботи кріплення й породи; енергетичної теорії.

Теорія підвішування безпосередньої покрівлі до уперше була запропонована в 1950 р. Ф. Бакки, її прихильниками є Л. Рабцевич, А.П.Широков і ряд інших дослідників.

Сутність цієї теорії полягає в тому, що слабкі, зруйнованого або схильні до відшарування породи безпосередньої покрівлі гірського виробітку підвішуються анкерами до більше міцних порід.

Довжина анкерів приймається при цьому з умови закріплення їхніх замків за межами зона можливого обвалення, а щільність установки анкерів повинна бути такий , щоб їх сумарна несуча здатність перевищувала вагу підтримуваних ними порід.

Основною розрахунковою величиною для визначення параметрів анкерного кріплення є площа покрівлі, що доводиться на один анкер, і обумовлена як функція несучої здатності його замка або попереднього початкового натягу анкера.

Прихильники теорії стиску підтримуючих порід Ж.Талобор і А.Югон припускають, що робота анкерного кріплення зводиться до стиску порід і запобіганню виникаючих у її нижніх шарах напруг, що розтягують. Якщо відразу ж після виїмки гірської маси встановити анкерне кріплення, рівним попередньому натягу анкерів, розвиток напруг, що розтягують, припиниться й руйнування порід на контур виробітку не відбудеться. Якщо ж виробіток протягом деякого часу залишається незакріпленої, то покрівля піддається вигину й напрузі, що розтягують, що розвиваються в нижніх шарах, приведуть до небезпечних деформацій і розтягань покрівлі. Площа покрівлі, що доводиться на один анкер, визначається авторами цієї теорії залежно від величини початкового натягу анкерів.

Розглянуті теорії роботи анкерного кріплення погодяться з даними практики в тих випадках, для яких вони рекомендуються.

Однак прийменникові відповідно до цих теорій методи розрахунку засновані на спрощенні розглянутих явищ і містять ряд допущень, що знижують вірогідність і практичну цінність отриманих при розрахунках результатів.

Так, взаємодія анкерного кріплення й підтримуваних нею порід автори зазначені вище теорії розглядають як статистичне завдання, хоча загальновідомо, що після установки кріплення гірські породи протягом певного часу продовжують зміщатися убік виробітку.

Як основний фактор, що визначає щільність установки анкерів, приймається несуча здатність замків анкерів або їхній початковий натяг. При це передбачається, що величина несучої здатності замків і натяг анкерів у процесі роботи кріплення залишаються незмінними, хоча дані практики й спеціальні дослідження показують, що натяг анкерів, установлених у гірських виробітках, перетерплюють істотна зміна, що може відрізнятися від первісного.

У зв'язку із цим в останні роки все більша увага приділяється вивченню роботи анкерів в умовах їхньої тривалої експлуатації.

Механізм взаємодії анкерного кріплення й підтримуваних порід розкривається теорією спільної роботи кріплення й породи, розробленої А.Т.Талпакоревым, що показує, що анкерне кріплення, будучи податливої, не може повністю запобігти процесу не пружного зсуву порід покрівлі, вона може обмежити лише швидкість і за певних умов призупинити.

При зсуві напружений стан порід знижується, а здатність анкерів сприймати навантаження - збільшується.

Цей процес буде розвиватися до настання рівноваги в системі кріплення - порода, тобто доти, поки реактивне опору анкерів не виявиться рівним діючої на них силам гірського тиску. Якщо анкерне кріплення встановити слідом за оголенням порід покрівлі й створити в ній необхідна напруга, то шари порід будуть утримуватися в природному зв'язку та не буде їх розшарування.

Це також підвищує несучу здатність порід. Завдяки дії анкерного кріплення знижується ковзання шарів порід.

За допомогою анкерного кріплення забезпечується взаємодія окремих шарів порід у покрівлі виробітку. Це означає, що окремі шари порід у зоні зниження напруг стягають анкерами, тим самим виключають у цих шарах дія вертикальних розтягань і стиску й забезпечують несучу здатність покрівлі.

Тому в тонкошарових породах можна за допомогою анкерів закріпити шари порід у покрівлі й тим самим запобігти їх відділенню від масиву, взаємне зрушення й прогинання в гірський виробіток. Стійкість покрівлі при це буде залежати від межі міцності порід на вигин і числа з'єднаних шарів.

Прихильники енергетичної теорії взаємодії породного масиву з анкерним кріпленням уважають, що при проведенні виробітку звільняється потенційна енергія, величина якої визначається початковим напруженим станом. У закріпленому виробітку вивільняється анергія, що, затрачається не тільки на руйнування деформованих порід, але подолання опору кріплення. Даний підхід є універсальним, але його практичне застосування утруднене визначенням вихідних даних.

Гірський виробіток можна підтримувати анкерним кріпленням, і тоді коли покрівля її не плоска, склепінна, порода частково зруйнована або ж передбачається різний характер залягання шарів. При склепінній формі виробітку забезпечується додатковий опір бічним зсувам шарів порід.

При склепінній формі виробітку анкери закріплюють у породі, у якій не відбулося рівноважного напруженого стану, або де напруги не перевищили межі пружності породи.

Для протидії напругам, що розтягують, анкери повинні встановлюватися до площин тріщин, що зароджуються, тобто в покрівлі - до площин нашарування, а в стінках - до площин поздовжніх тріщин розриву.

3.1. Огляд наявних і планованих результатів

Для підвищення несучої здатності металевих анкерів із чотирьохпірой гільзою в США створені їхні різновиди із двома й трьома гільзами. Велика увага приділяється створенню залізобетонних анкерів з попередньо напруженими арматурами.

У цей час у вітчизняній і закордонній практиці відомо більше 600 різних конструкцій металевих, залізобетонних, пластмасових, бамбукових, канатних і інших різновидів анкерів, які вперше систематизовані.

Анкерне кріплення застосовується у всіх країнах миру з розвитий гірничодобувною промисловістю: США, Канаді, Великобританії, Франції, Іспанії, Австралії й т.д.

1. Використання анкерного кріплення дозволяє виключити дороге металеве аркове кріплення при стовповій системі розробки шарів у Донбасі. Анкерні штанги з металевою пластиною й сіткою, установлені під кутом 60-70° на эпоксідної смолі (замість вертикальних штанг), на 30% збільшують несучу здатність системи "анкерне кріплення - виробіток".

2. Аналіз зміни стану масиву навколо виробітків показує, що в умовах глибоких шахт відбувається формування й розвиток зони не пружних деформацій. Її розміри становлять 2-6 м.

3. У цей час немає єдиної думки на механізм взаємодії анкерного кріплення й навколишнього масиву.