На шахтах Украины ежегодно проводится около 750 км выработок. Закреплены они, как правило, металлической податливой крепью из специального шахтного профиля СВП. В себестоимости тонны угля доля затрат на проведение горных выработок составляет 20-25%. Травматизм рабочих от обрушения пород на участках проводимых выработок достигает 40-42%. Основная причина – отсутствие достаточного подпора крепи при ее возведении в выработках. Общий объем поддерживаемых выработок на шахтах достигает 16 тыс. км. В Донбассе при переходе горных работ с глубины 500 м на 1000 м смещения пород контура подготовительных выработок в среднем увеличились примерно в 3 раза [1]. С 1970 г. средняя несущая способность крепи возрасла более чем в 2 раза (достигла 195 кН/м2), затраты на поддержание выработок увеличились в 2,4 раза, стоимость крепления – в 2,5 раза [2]. Несмотря на значительный рост материалоемкости и стоимости крепи ежегодные объемы перекрепления составляют не менее 8-10% от протяженности поддерживаемых выработок, на их ремонте занято более 11% подземных рабочих [3]. Анализ известных в отечественной и зарубежной практике технологических разработок в области крепления и поддержания горных выработок показывает, что одним из перспективных и эффективных направлений является применение анкерных крепей и систем. Хотя анкерная крепь достаточно широко применяется на шахтах Европы, объем использования ее на шахтах Украины за период с 1980 по 1995 год сократился со 112 до 23 км. Сейчас анкерная крепь применяется в качестве временной крепи при проведении выработок в сложных условиях и в отдельных случаях для поддержания сопряжений лав с подготовительными выработками.

    Чтобы изменить сложившееся положение в отрасли, Минуглепром разработал целевую программу "Анкер". Для существенного улучшения состояния горных выработок последней предусмотрены разработка и внедрение на шахтах Украины эффективных конструкций и передовых технологий возведения анкерных крепей и систем. Намечено также провести экспериментальные работы по внедрению анкерных систем англо-американской фирмы "JOV" и немецкой "Willich". Для широкого и эффективного использования анкерных крепей и систем на шахтах Украины необходимо уяснение и решение многих геомеханических, технологических и технических вопросов. В первую очередь надо знать механизм работы отдельного анкера и систем анкеров в целом. Сложность познания заключается в наличии взаимного влияния, т.е анкер влияет на протекание геомеханических процессов в окрестности выработки, в то же время эти процессы определяют характер работы анкера. При этом имеется существенное влияние многих технических и технологических параметров анкеров. Следует отметить, что в известных классификациях анкерной крепи отражены в основном вопросы ее конструктивного исполнения, способы и средства закрепления анкера, усилия его выдергивания и т.д. Механизм взаимодействия анкера с окружающими выработку породами вообще не рассматривается или ему уделяется весьма недостаточное внимание [4].

    Главным исходным положением принятой классификации является геомеханическое состояние окружающих выработку пород на момент установки анкеров и изменение этого состояния за время поддержания выработки. В качестве критерия оценки окружающей выработку геомеханической системы можно использовать соотношение длины анкера и размеров b зоны неупругих деформаций (разрушенных пород). В реальных условиях возможны три случая соотношения этих величин: 1) на момент установки анкера зона разрушенных пород намного меньше длины анкера, т.е. , и за время поддержания выработки имеем ; 2) и ; 3) и . Эти соотношения в первом приближении объективно отражают возможные величины ожидаемых смещений пород контура поддерживаемой выработки. Для первого случая смещения пород контура колеблются в пределах 100-200 мм, для второго и третьего – больше 200 мм. Геомеханическое состояние окружающих выработку пород фактически предопределяет схему работы анкера с точки зрения повышения несущей способности разрушенных пород в пределах зоны неупругих деформаций. При прогибе слоистых пород кровли с последующим их разрушением под действием напряжений изгиба (растягивающих) используется пакетирование и подшивка анкерами относительно слабых породных слоев к вышележащим более прочным. Если на расстоянии от контура до 1,5 – 2 м в глубину массива породы интенсивно и хаотично разрушаются и зона неупругих деформаций или , тогда возведенная анкерная крепь выполняет роль армировки разрушенных пород. При этом грузонесущая способность заармированной породной оболочки повышается за счет увеличения условно-мгновенной прочности пород еще до их разрушения и увеличения остаточной прочности уже разрушенных пород. Следует отметить, что наличие анкеров в породной оболочке существенно изменяет механизм геомеханических процессов вблизи контура поддерживаемой выработки. По периметру поддерживаемой выработки анкеры обычно располагают в радиальном направлении в одной плоскости поперечного сечения (используется принцип образования анкерных розеток). Такое расположение анкеров эффективно при упрочнении слоистых пород, когда анкер работает как силовой элемент, уменьшающий прогиб пачки породных слоев. На больших глубинах в окрестности поддерживаемой выработки образуется, как правило, в пределах зоны неупругих деформаций подзона интенсивного (хаотичного) разрушения пород. В такой подзоне возведение анкеров в одном сечении в радиальном направлении является недостаточно эффективным. Это обусловлено тем, что сеть анкеров не в полной мере способствует повышению остаточной прочности разрушенных пород. В сложных условиях глубоких шахт назрела необходимость объемного расположения анкеров (в двух сечениях) и армирования разрушенных пород в окрестности поддерживаемых выработок. В настоящее время нами проводятся промышленные испытания объемных анкерных систем на ряде глубоких шахт. Механизм работы анкера в окружающих выработку породах существенно зависит от способа его закрепления. В практике известны два способа: точечный (на небольшом участке); по всей длине анкера. Точечное закрепление нашло широкое применение в достаточно слоистых породах. При этом эффективная работа анкера по сопротивлению смещениям и расслоениям пород обеспечивается на участке между контуром выработки и началом закрепления анкера. Закрепление анкеров по всей их длине увеличивает работоспособность и несущую способность системы "анкерная крепь – разрушенные породы". Такое закрепление анкеров может осуществляться как механическим (беззамковым) способом, так и с помощью вяжущих составов. В подзоне большого разрушения пород скрепленные с анкерами породные куски образуют большие блоки, которые увеличивают силы трения и изменяют механизм перемещений пород в сторону контура выработки.

    1. Модернизацию способа закрепления анкеров по всей их длине вяжущими составами следует вести в направлении разработки дешевых быстротвердеющих химических составов и уменьшения диаметра шпура. Так, изменение последнего с 42 до 35 мм приводит к снижению расхода вяжущего состава в 2,7 раза. Более перспективными являются способы механического беззамкового закрепления анкеров по всей их длине. Они обеспечивают быстрое закрепление и ввод анкеров в работу. Наиболее широко применяемой беззамковой анкерной системой является система Сплит–Сет [5]. Недостаток ее – это малое сопротивление деформациям сдвига из-за конструктивного выполнения анкера в виде тонкостенной трубы с разрезом. Модернизация этой системы представляется достаточно перспективной для угольной отрасли. По своей характеристике работы анкеры бывают жесткие и податливые. Жесткие анкеры обычно применяют при сдвижениях окружающих пород не более 100–200 мм. Если в окрестности выработок глубоких шахт сдвижения близлежащих пород и смещения контура превышают 200 мм, тогда устойчивое состояние выработок можно обеспечить двумя путями. Во-первых, с помощью жестких анкеров создать вокруг выработки заармированную оболочку, способную предотвратить разрушения пород и нейтрализовать их смещения в полость выработки. Во-вторых, за счет установки податливых анкеров увеличить остаточную прочность разрушенных пород (повысить их отпор), что существенно уменьшит смещения пород контура выработки. Следует отметить, что эффективность такого отпора возрастает с увеличением размеров зоны неупругих деформаций.

    Достаточно сложным является вопрос выбора рабочей характеристики податливого анкера. Бытующее мнение, что несущая способность податливого анкера должна быть не менее 150 кН, не является бесспорным [6]. Увеличение несущей способности податливого анкера неизбежно связано с увеличением участка его заделки в шпуре, а работоспособность его, наоборот, уменьшается с увеличением участка закрепления [7]. Это значит, что несущую способность податливого анкера следует определять из условий необходимого общего отпора по контуру выработки. Только после этого нужно выбирать число анкеров, их рабочую характеристику и параметры закрепления. В первом приближении работа податливых анкеров аналогична работе возводимым в выработках постоянным податливым крепям из спецпрофиля. Среди определенной части специалистов бытует мнение, что наибольший эффект в поддержании выработок достигается, если анкерная крепь связана с постоянной крепью, т.е. два вида крепей работают как единая система. Такое представление в определенной мере недостаточно обоснованное. При совместной работе крепей должна быть обеспечена согласованность их силовых характеристик. Сочетание жестких анкеров и податливой арочной крепи возможно в диапазоне смещений породного контура до 200 мм. При больших смещениях породного контура происходит обрыв анкера или деформация элементов постоянной крепи в месте соединения ее с анкерами. В сложных условиях, особенно при воздействии на выработки очистных работ и многообразии проявлений горного давления, весьма трудно достичь согласованной работы крепей. Анкерная система (простая или объемная) независимо от постоянной крепи должна обеспечивать устойчивое состояние разрушенных пород за счет увеличения в них силы трения, видоизменения механизма сдвижений и увеличения остаточной прочности разрушенного массива. Постоянная податливая крепь, воздействуя на систему "анкерная крепь – разрушенные породы", должна компенсировать остаточные проявления горного давления в поддерживаемых выработках. Применение анкерных систем должно способствовать более широкому использованию на глубоких горизонтах постоянных податливых крепей с меньшей грузонесущей способностью. Надежная работа анкерных систем в определенной мере зависит и от механических характеристик анкеров и вида их взаимодействия с окружающими породами. Если применяются жесткие анкеры, то для них определяют следующие характеристики: усилие на разрыв, срез, выдергивание, коэффициент армирования. Для податливого анкера основной характеристикой является рабочее сопротивление. Не умаляя роли и значения этих характеристик, следует отметить, что доминирующее значение в обеспечении надлежащей устойчивости выработок играют тип и конструкция анкерной системы. В первую очередь с помощью анкерных систем следует управлять геомеханическими процессами разрушенных пород в окрестности выработок. При неравномерных смещениях контура выработок эффективным может оказаться применение анкерных систем разных типов. По типу анкеры могут быть самые разнообразные: трубчатые, сплошные, комбинированные и т.д. Большая работоспособность анкеров, простота и экономичность их изготовления и возведения в выработках во многом предопределяют успех их применения в отрасли.

    Выводы. Применение анкерных крепей и систем для сохранения устойчивости поддерживаемых выработок является технологически сравнительно простым, малозатратным и перспективным направлением производства горных работ на глубоких горизонтах. Наличие анкеров в оболочке интенсивно разрушенных пород существенно изменяет механизм геомеханических процессов в окрестности и на контуре поддерживаемой выработки. Объемное расположение анкеров (в двух сечениях) по периметру выработки увеличивает несущую способность заармированной породной оболочки за счет увеличения условно-мгновенной прочности неразрушенных и остаточной прочности разрушенных пород. Предлагаемая классификация анкерных крепей и систем базируется на первостепенном учете формирования зоны неупругих деформаций и работы системы "анкерная крепь – разрушенные породы".