В настоящее время на шахтах Украины проводится около 750 км выработок, закрепленных металлической арочной податливой крепью из специального шахтного профиля СВП. На возведение этой крепи, которое производится практически вручную, задалживается более 40% времени проходческого цикла. По данным Минуглепрома Украины 41,6% травматизма связано с обрушением пород на участках проводимых выработок из-за необеспеченности расчетного подпора крепи при ее установке. При этом доля затрат на проведение горных выработок в себестоимости добычи одной тонны угля составляет 20-25%.
Общий объем поддерживаемых выработок на шахтах Украины достигает 16 тыс. км. В Донбассе переход горных работ с глубины 500м на 1000м вызвал увеличение смещений пород в подготовительных выработках в 3 раза [1]. Средняя несущая способность крепи с 1970 г выросла более чем в 2 раза, достигнув 195 кН/м2. За этот же период затраты на поддержание возросли в 2,4 раза, стоимость крепления увеличилась в 2,5 раза [2]. Несмотря на значительный рост материалоемкости и стоимости крепи, ежегодные объемы перекреплений составляют 8-10% от протяженности поддерживаемых выработок, и на их ремонте занято более 11% всех подземных рабочих [3].
Анализ существующих в отечественной и зарубежной практике технологических разработок в области крепления и поддержания горных выработок показывает, что одним из перспективных направлений является использование анкерных систем. Несмотря на высокую эффективность и широкое применение анкерной крепи на шахтах Европы объем ее использования на шахтах Украины за период с 1980 по 1995 год сократился с 112 до 23 км. На настоящее время анкерная крепь применяется в качестве временной крепи при проведении выработок в сложных условиях и в некоторых случаях для поддержания сопряжений лав с подготовительными выработками. Для изменения сложившегося положения приказом министра угольной промышленности Украины №271 от 16 июня 1997 г. предусмотрена разработка программы «Анкер» и создание постоянно действующей комиссии, которые должны обеспечить разработку и внедрение на шахтах Украины эффективных конструкций и передовых технологий применения анкерных систем для существенного улучшения состояния горных выработок. С целью адаптации передовых западных технологий по применению анкерных систем на ряде шахт предусмотрено провести экспериментальные работы по внедрению анкерных систем англо-американской фирмы «JOV» и германской – «Wirrich». Несмотря на своевременность и важность принятых мер, для широкого и эффективного применения анкерных систем на шахтах Украины необходимы решения многих проблемных вопросов. Одним из них является механизм работы отдельно рассматриваемого анкера и системы анкеров. Сложность получения однозначного решения данного вопроса заключается в том, что анкер оказывает влияние на геомеханические процессы в массиве вокруг выработки, которые сами влияют на характер работы анкера. Поэтому механизм работы анкера определяется взаимодействием анкерной системы породного массива вокруг горной выработки. На него также оказывают существенное влияние многие технические и технологические параметры.
В известных классификациях анкерной крепи отражены вопросы, характеризующие конструктивное исполнение анкера, способы и средства его закрепления, усилия выдергивания, а механизм его взаимодействия с окружающим выработку массивом либо не рассматривается вообще, либо без заслуживающего внимания [ ]. Для установления физической сущности влияния анкерной систем на геомеханические процессы, происходящие в окрестности поддерживаемых выработок, необходимо определение наиболее важных технических, технологических и геомеханических аспектов, определяющих механизм работы анкера. На рисунке приведена предлагаемая классификация анкерных систем по механизму работы анкера. Определяющим моментом при использовании анкерных систем на наш взгляд является геомеханическое состояние массива пород на момент установки анкеров и его изменение за время поддержания выработки. В качестве критерия можно использовать соотношение длины анкера и размера зоны разрушенных пород (ЗРП) . При этом возможны три случая соотношений: 1– на момент установки и прогноз на срок поддержания выработки ; 2 – , ; 3 – , . Эти соотношения адекватно отражают и величину ожидаемых смещений пород на контуре выработки, которая для первого случая находится в пределах 100-200 мм, а для второго и третьего – > 200 мм. Геомеханическое состояние массива окружающих пород предопределяет и ту роль, которая предположительно отводится анкеру: подшивка, крепь усиления – как силовому элементу; армировка – как элементу, обеспечивающему повышение грузонесущей способности заармированной породной оболочки за счет повышения условно-мгновенной прочности не разрушенных пород и повышения остаточной прочности разрушенных пород.
Следующим важным моментом является пространственное расположение анкера. Традиционная установка анкеров в радиальном направлении эффективна при использовании их в качестве силового элемента. При армировке породной оболочки вокруг выработки с учетом образования и развития ЗРП такое расположение анкеров не является рациональным, потому что не позволяет полностью использовать их потенциальные возможности как средства повышения остаточной прочности разрушенных пород. В этом направлении необходима разработка новой концепции применения анкерных систем. Важной характеристикой, во многом определяющей механизм работы анкера является величина участка закрепления в массиве относительно его длины. При использовании анкера в качестве силового элемента необходимо его, так называемое, точечное закрепление, так как в этом случае эффективная работа анкера по сопротивлению смещениям и расслоениям пород производится на участке между контуром выработки и началом закрепленной зоны. При использовании анкера в качестве армирующего элемента целесообразно его закрепление по всей длине.
Важным элементом, определяющим экономический аспект применения анкерных систем является способ закрепления анкера. Наиболее распространенным является способ закрепления с помощью вяжущих веществ. Его модернизация, на наш взгляд, необходимо вести в направлении разработки дешевых быстросхватывающихся химических составов и уменьшения разности между диаметрами шпура и тела анкера. Уменьшение диаметра шпура с 42 до 35 мм приводит к снижению расхода вяжущего состава в 2,7 раза. Более перспективными являются способы закрепления анкера без применения связующих составов и специальных замковых устройств – механический беззамковый. Достоинством такого способа закрепления является быстрое закрепление и ввод анкера в работу. Наиболее широко применяемой анкерной системой, в которой используется беззамковый способ закрепления анкера, является анкерная система Сплит–Сет [4]. Недостатком данной анкерной системы является малое сопротивление деформациям сдвига из-за того, что анкер конструктивно выполнен в виде тонкостенной трубы, с разрезом. Модернизация данной анкерной системы представляется весьма перспективной. Характер работы анкерной системы зависит от типа анкера. Жесткий анкер может использоваться как силовой элемент в условиях, когда смещения пород не превышают 100–200 мм. Поэтому в основном его необходимо использовать в качестве армирующего элемента массива. Поддатливый анкер необходимо применять в условиях, когда смещения пород превышают 200 мм.
Важным вопросом является характер работы анкерной крепи с рамной крепью. При совместной работе должна быть обеспечена согласованность силовых характеристик. Так при совместном применении жесткого анкера и податливой арочной крепи их согласованная работа возможна в диапазоне смещений пород до 200 мм. При большем смещении пород происходит либо обрыв анкера, либо деформации элементов крепи в месте соединения с анкерами. В таких условиях рационально применение податливой анкерной крепи. При использовании анкерной крепи в качестве армирующего элемента массива, на наш взгляд, не рационально связывать ее со стационарной рамкой крепью. Обеспечение надежной работы анкерных систем определяется необходимыми физико-механическими характеристиками анкера в зависимости от условий его взаимодействия с окружающим массивом. При использовании анкерной крепи в качестве силового элемента основными ее характеристиками для жесткого анкера являются: усилие на разрыв, усилие на срез, усилие выдергивания. Для податливого анкера – рабочее сопротивление. При использовании анкерной крепи в качестве армирующего элемента – усилие на разрыв, усилие на срез, коэффициент армирования. В условиях не равномерных смещений пород на контуре выработки по ее периметру рациональным является применение различных типов анкерных систем. По конструктивному исполнению анкерную крепь можно разделить на трубчатую, сплошную и комбинированную.
Выполненный анализ показывает, что механизм работы отдельного анкера и системы анкеров определяется множеством технических, технологических и геомеханических факторов, а также их сочетанием в конкретных условиях. Применение анкерных систем для повышения устойчивости выработок, безусловно, является малозатратным и эффективным направлением, но для их широкого использования на шахтах Украины необходимы решения ряда проблем и четкое определение области применения.