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

    Развитие угольной промышленности в Донбассе сопровождается увели-чением глубины ведения горных работ, площади сечения и общей протяженно-сти 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 деформи-рованы.

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

    1. Большая металлоемкость.

    2. Крепь не включается в работу сразу после обнажения породного кон-тура 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 трудо-емкости проведения выработки).

    4. Традиционная конструкция арочной крепи не соответствует условиям ее нагружения (нет соосности между направлением податливости крепи и на-правлением 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 произ-водственного травматизма, вызванного обрушением пород в процессе проведе-ния 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 сокраще-ния потери площади рабочего сечения.

    6. Сокращение затрат на ремонт горных выработок при их эксплуатации

    Так, например, применение анкерного крепления на шахтах Великобри-тании позволило снизить долю затрат на проведение выработок в себестоимо-сти 1 т угля с 42% при металлоарочном креплении до 15% при анкерном креп-лении. 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 «Ан-кер», в которой одним из приоритетных направлений снижения затрат на добы-чу угля есть разработка, изготовление и внедрение новых технологий использо-вания анкерной крепи. Головной организацией по реализации этой программы назначен ИГТМ НАН Украины, на базе которого создан «Центр анкерного кре-пления». Несмотря на определенные успехи в деятельности «Центра» (популяри-зация 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 внедре-нию анкерной крепи на шахтах Украины является не достаточное понимание ее роли в процессе поддержания выработки и как следствие, отсутствие норма-тивной базы по обоснованию параметров анкерной крепи. В настоящее время, расчет параметров анкерной крепи и выдача реко-мендаций производится «Центром анкерного крепления» ИГТМ НАН Украины в соответствии с требованиями нормативных документов [1, 2, 3]. В качестве примера рассмотрим паспорт анкерного крепления конвейер-ного 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 соот-ветствии с [3] в следующей последовательности. Вначале определяется средне-взвешенная 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 проч-ность заанкерованного массива будет составлять 39,6 МПа. Таким образом по-лучается, что прочность на сжатие заанкерованного массива превышает проч-ность пород в образце, что физически достичь не возможно. В лучшем случае речь может идти только об укреплении массива за счет увеличения коэффици-ента структурного ослабления пород, то есть о приближении прочности вме-щающего массива к прочности пород в образце. Далее производится расчет ожидаемых смещений контура выработки.

    Давайте более детально проанализируем данную методику. Начнем с ме-ханизма 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 неуп-ругих деформаций, что и заложено в [3]. В этом случае возникает вопрос о роли анкерной крепи. Ведь анкер уста-навливается 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 за-ложена 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 на-грузки на анкерную крепь закладываются возможные деформации штанги ан-кера в пределах 1% от ее длины, т.е. 20–25 мм. Опыт же эксплуатации вырабо-ток закрепленных анкерной крепью показывает, что смещения их контура пре-вышают 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 ан-керной крепью, улучшилось или вообще отсутствует пучение пород почвы, хо-тя в аналогичных условиях с рамной крепью это явление наблюдается. На наш взгляд, механизм работы анкерной крепи заключается не в пред-ставлении об анкерах, как о несущей конструкции типа рамы, а как о элемен-тах, 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 разрабо-тать принципиально новую методику расчета параметров анкерной крепи и что особенно важно, обосновать область применения анкерной крепи в «чистом ви-де» 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 рацио-нальным, 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 макси-мально использовать несущую способность породного массива. Такое расположение анкерной крепи позволяет использовать ее не только в качестве силового элемента, препятствующего расслоению пород и смеще-нию их в полость выработки, но и элемента, обеспечивающего связь между от-дельными фрагментами разрушенных пород по всем направлениям (радиаль-ном, тангенциальном и вдоль оси выработки). Этим обеспечивается значитель-ное повышение грузонесущей способности заанкерованной оболочки разру-шенных пород за счет повышения их остаточной прочности. Результаты лабораторных испытаний на прочность образцов из фосфо-гипса при различных схемах их армирования, показывают, что при предлагае-мой 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 уве-личения 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 ан-керной крепи и расчете ее параметров, учитывающий особенности механизма работы анкерной крепи.

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

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

    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