Ю.А.Петренко, канд.техн. наук (ДонНТУ), Н.Н. Касьян, докт. техн. наук (ДонНТУ), А.О. Новиков, канд.техн. наук (ДонНТУ)
НОВЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О РАБОТЕ АНКЕРНОЙ КРЕПИ
Сб. науч. докл. «Гор-ная геология, геоме-ханика и маркшей-дерия». – Укр-НИМИ НАН Украины, часть II, 2004
УДК 622.016.3.112.3




НОВЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О РАБОТЕ АНКЕРНОЙ КРЕПИ

Изложены новые представления о работе анкерной крепи как о средстве повышения устойчивости выработок, позволяющем изменять структуру вмещающего массива и управлять развитием процессов его разрушения.

Викладені нові представлення про роботу анкерного кріплення як про засіб підвищення стійкості виробок, що дозволяє змінювати структуру вміщуючого масиву, та керувати розвитком процесів його руйнування.

New representations about work roof bolting as about means of increase of stability of mining, which allowing to change structure of a containing massive and to operate development of processes of his destruction.



         Развитие угольной промышленности в Донбассе сопровождается увеличением глубины ведения горных работ, площади сечения и общей протяженности поддерживаемых выработок. Только за последние 20 лет количество шахт, ведущих разработку угля на глубине более 700 м выросло в 2 раза. За этот же период несущая способность крепи горных выработок увеличилась в 2,5 раза, стоимость крепления в 2,3 раза, а трудоемкость – в 3,7 раза.

         Однако попытки обеспечить безремонтное поддержание выработок за счет увеличения несущей способности крепи положительных результатов не дало.

         На сегодняшний день 90% выработок закреплены металлической арочной податливой крепью. Из них 79% от общей протяженности выработок деформированы.

         Как система крепления арочная крепь имеет ряд недостатков. Фактически она не поддерживает выработку до тех пор, пока вмещающие породы не разрушатся и не начнут смещаться в выработку, нагружая рамы крепи. То есть, крепь работает в пассивном режиме и не препятствует разрушению вмещающего массива. Кроме этого основными недостатками применения арочной крепи являются:

1. Большая металлоемкость.

2. Крепь не включается в работу сразу после обнажения породного контура выработки.

3. Невозможность полной механизации процесса крепления (затяжка рам и забутовка закрепного пространства производится вручную. Трудоемкость процесса крепления выработки арочной крепью достигает 80% от общей трудоемкости проведения выработки).

4. Традиционная конструкция арочной крепи не соответствует условиям ее нагружения (нет соосности между направлением податливости крепи и направлением наибольших смещений контура выработки).



         Кардинально улучшить технические и экономические показатели работы шахт, а также условия труда горняков можно путем применения анкерной крепи. Эта система крепления имеет ряд достоинств, которые подтверждены практикой и включают:



1. Повышение безопасности работ, заключающиеся в устранении производственного травматизма, вызванного обрушением пород в процессе проведения и эксплуатации горных выработок.

2. Увеличение в 1,5–2 раза темпов сооружения выработок.

3. Сокращение в 5–10 раз материальных и трудовых затрат на крепление выработок.

4. Сокращение объемов транспортировки крепежных материалов и уменьшение доли ручного труда в процессе возведения крепи.

5. Более эффективное использование сечения выработок за счет сокращения потери площади рабочего сечения.

6. Сокращение затрат на ремонт горных выработок при их эксплуатации.

         Так, например, применение анкерного крепления на шахтах Великобритании позволило снизить долю затрат на проведение выработок в себестоимости 1 т угля с 42% при металлоарочном креплении до 15% при анкерном креплении. При этом темпы проведения выработок составили 650–680 м/месяц.

         Для широкого внедрения мирового опыта на шахтах Украины по приказу министра угольной промышленности в 1997 году была создана программа «Анкер», в которой одним из приоритетных направлений снижения затрат на добычу угля есть разработка, изготовление и внедрение новых технологий использования анкерной крепи. Головной организацией по реализации этой программы назначен ИГТМ НАН Украины, на базе которого создан «Центр анкерного крепления».

         Несмотря на определенные успехи в деятельности «Центра» (популяризация анкерного крепления, издание учебно-методической литературы и т.п.), объемы крепления выработок анкерной крепью в настоящее время составляют не более 10 км.

         На наш взгляд, основной причиной, препятствующей широкому внедрению анкерной крепи на шахтах Украины является не достаточное понимание ее роли в процессе поддержания выработки и как следствие, отсутствие нормативной базы по обоснованию параметров анкерной крепи.

         В настоящее время, расчет параметров анкерной крепи и выдача рекомендаций производится «Центром анкерного крепления» ИГТМ НАН Украины в соответствии с требованиями нормативных документов [1, 2, 3].

         В качестве примера рассмотрим паспорт анкерного крепления конвейерного штрека 25 восточной лавы пласта m3 шахты «Трудовская» ГП «Донуголь».

         На шахте при отработке пласта m3 принята столбовая система разработки обратным ходом с погашением подготовительных выработок вслед за лавой, что соответствует требованиям пункта 5.1 [1].

         Для обоснования параметров анкерного крепления, расчет ведется в соответствии с [3] в следующей последовательности. Вначале определяется средневзвешенная прочность пород, вмещающих выработку. Для условий шахты «Трудовская» она составляет 22 МПа (при прочности пород в образце от 0,5 до 34,0 МПа). Затем данную прочность умножают на коэффициент упрочнения пород анкерами, который для данных условий принимается 1.8, то есть прочность заанкерованного массива будет составлять 39,6 МПа. Таким образом получается, что прочность на сжатие заанкерованного массива превышает прочность пород в образце, что физически достичь не возможно. В лучшем случае речь может идти только об укреплении массива за счет увеличения коэффициента структурного ослабления пород, то есть о приближении прочности вмещающего массива к прочности пород в образце. Далее производится расчет ожидаемых смещений контура выработки. При этом во всех проанализированных нами паспортах анкерного крепления расчет смещений ведется по формуле (40) [3, с. 44] для околоствольных и вскрывающих выработок:

U=Ka*Kн*Ks*Kt*Ut

         где ka – коэффициент, учитывающий влияние угля залегания пород и направление выработки относительно простирания пород; kн – коэффициент, учитывающий направление смещений пород в выработку; ks – коэффициент влияния размера выработки; kв – коэффициент, учитывающий влияние других выработок; kt – коэффициент влияния времени на смещения пород; Ut – смещение пород (мм), принимаемое за типовое в зависимости от расчетного сопротивления пород сжатию и расчетной глубины заложения выработки.

Приведенная формула не соответствует условиям поддержания рассматриваемых выработок. В частности, для условий шахты «Трудовская» расчет необходимо вести по формуле (55) [3, с. 80] для выработок погашаемых вслед за очистным забоем:

Uобщ=(Kпр*Uпр+Vоtо+KкрU1)*Ks

         где kпр – коэффициент, учитывающий способ проведения выработки; Uпр – смещения пород (мм) под влиянием проведения выработки; v0 – средняя скорость смещений пород (мм/мес) в выработках вне зоны влияния очистных работ; t0 – время поддержания выработки (мес) вне зоны влияния очистного забоя; kкр – коэффициент, учитывающий влияние класса кровли по обрушаемости; U1 – смещения порол (мм) в зоне временного опорного давления очистного забоя; – коэффициент, учитывающий влияние площади сечения выработки в свету.

         Без сомнения, величина смещений, рассчитанных по формуле (40) значительно меньше, чем по формуле (55), что позволяет ошибочно отнести выработку к I и II категории устойчивости и рекомендовать использовать в ней анкерное крепление. По рассчитанной величине смещений определяют нагрузку по формуле (43) [3, с.49], но с учетом нормативной податливости анкерной штанги, величиной в 1% от ее длины:

P=Kн*Kн*Mв*Pн

         где kн – коэффициент надежности кровли; kп – коэффициент перегрузки; mв – коэффициент, учитывающий способ проведения выработки; pн – нормативная нагрузка на жесткую крепь.

         Количество анкеров определяется путем деления ожидаемой нагрузки на несущую способность анкера. Полученное количество анкеров распределяется в кровлю и бока выработки произвольно.

         Давайте более детально проанализируем данную методику. Начнем с механизма работы анкерной крепи. Существующие традиционные представления о работе анкерной крепи по схемам «Подшивка» и «Сшивка» не соответствуют реальности, т.к. вокруг выработок на больших глубинах образуется зона неупругих деформаций, что и заложено в [3].

         В этом случае возникает вопрос о роли анкерной крепи. Ведь анкер устанавливается в проходке, в массив, который еще не разрушен. О какой нагрузке на анкер и его несущей способности может идти речь? Ведь площадь контакта анкерной крепи на контуре не сопоставима с рамной крепью, и в методике заложена пассивная роль крепи, т.е. крепь воспринимает нагрузку на контуре по мере развития деформаций вглубь массива. По существующей методике, чем больше несущая способность анкера, тем меньше их плотность установки. Это приемлемо для рамных конструкций, а для анкерной крепи это может привести к парадоксальным решениям, что выработку можно поддерживать 2–3 или даже 1 анкером.

         Рассмотрим следующий аспект существующей методики. При расчете нагрузки на анкерную крепь закладываются возможные деформации штанги анкера в пределах 1% от ее длины, т.е. 20–25 мм. Опыт же эксплуатации выработок закрепленных анкерной крепью показывает, что смещения их контура превышают 100 и более мм [4].

         Очевидно, что роль анкеров сводится не только восприятию нагрузки. Если проанализировать опыт применения анкеров на шахтах Донбасса можно заметить такую важную закономерность, что в выработках, закрепленных анкерной крепью, улучшилось или вообще отсутствует пучение пород почвы, хотя в аналогичных условиях с рамной крепью это явление наблюдается.

         На наш взгляд, механизм работы анкерной крепи заключается не в представлении об анкерах, как о несущей конструкции типа рамы, а как о элементах, изменяющих структуру массива, и препятствующих его разрушению, т.е. формированию вокруг выработки зоны разрушенных пород. С этих позиций легко объясняется отсутствие пучения в выработках, закрепленных анкерной крепью.

         В ДонНТУ проведены поисковые исследования, позволяющие разработать принципиально новую методику расчета параметров анкерной крепи и что особенно важно, обосновать область применения анкерной крепи в «чистом виде» и в сочетании с другими конструкциями крепи.

         В основу данной методики положен принцип : сколько нужно поставить анкеров, чтобы массив не разрушался или разрушался в заданных пределах?

         Исходя из научной концепции предлагаемой методики, применяемое в настоящее время радиальное расположение анкеров является самым не рациональным, т.к. область влияния анкеров на массив в этом случае минимальная. В этой связи, разработанные и испытанные в ДонНТУ пространственные схемы анкерования массива позволяют при минимальном количестве анкеров максимально использовать несущую способность породного массива.

         Такое расположение анкерной крепи позволяет использовать ее не только в качестве силового элемента, препятствующего расслоению пород и смещению их в полость выработки, но и элемента, обеспечивающего связь между отдельными фрагментами разрушенных пород по всем направлениям (радиальном, тангенциальном и вдоль оси выработки). Этим обеспечивается значительное повышение грузонесущей способности заанкерованной оболочки разрушенных пород за счет повышения их остаточной прочности.

         Результаты лабораторных испытаний на прочность образцов из фосфогипса при различных схемах их армирования, показывают, что при предлагаемой схеме армирования остаточная прочность разрушенного образца оставляет 50% от прочности образца без армирования.

         Использование данного способа обеспечения устойчивости выработок позволяет добиться экономии материальных и трудовых ресурсов за счет увеличения шага установки арочной крепи, сокращения объемов ремонтных работ, повышения темпов проведения выработок.

         Таким образом, с целью расширения и облегчения внедрения анкерной крепи на шахтах Украины, необходимо разработать нормативный документ, позволяющий шахтам самостоятельно принимать решения о применении анкерной крепи и расчете ее параметров, учитывающий особенности механизма работы анкерной крепи.



Библиографический список

1. РД 12.01.01.501–98. Система обеспечения надежного и безопасного функционирования горных выработок с анкерным креплением. Общие технические условия.

2. РД 12.01.01.502–98. Система обеспечения надежного и безопасного функционирования горных выработок с анкерным креплением. Порядок и организация.

3. Указания по рациональному расположению, охране и поддержанию горных выработок на угольных шахтах СССР. – Изд. 4-е, дополненное. Л., 1986. – 222 с.

4. Касьян Н.Н., Клюев А.П., Лысенко В.И. Влияние анкерной крепи на геомеханические процессы в массиве пород вокруг поддерживаемых выработок // Известия Донецкого горного института, 1996. – №1(3). – С.57–60.

© 2009 Емец Д.К.