Стабильная работа угольных шахт во многом зависит от своевременной подготовки выемочных столбов. При этом наряду с проблемой высоких темпов проведения остро стоит вопрос обеспечения устойчивости подготовительных горных выработок. Традиционное крепление выработок арочной металлической податливой крепью, объем которой на шахтах Донбасса составляет около 90%, практически исчерпало свои возможности. Применение более тяжелых типов профилей, повышение плотности установки рам не позволяет значительно улучшить состояние выработок, однако приводит к увеличению материальных и трудовых затрат и снижению скоростей проведения.
Достичь необходимых темпов проведения выработок с сохранением их устойчивости можно, используя технологию анкерного крепления. Ведущие горные предприятия отрасли успешно применяют анкерную крепь. В последние годы наблюдается существенный рост этого вида крепи, что связано с реализацией программы «Анкер». Однако область применения анкерной крепи, согласно существующим нормативным документам [1] ограничивается второй категорией устойчивости выработок (смещения контура до 200мм), что препятствует ее широкому внедрению.
На наш взгляд область применения анкерной крепи можно расширить, если рассматривать анкер не как силовой, а как армирующий элемент, способствующий формированию в окрестности выработки несущей породно-анкерной конструкции.
В результате проведенного лабораторного моделирования [2, 3] было установлено, что наряду с плотностью анкерования и длиной анкеров существенное влияние на нагрузочно-деформационную характеристику породно-анкерной конструкции оказывает схема установки анкерных стержней. Кроме того, было установлено, что это влияние различно на разных этапах нагружения. Наилучшей оказалась схема расположения анкеров по смещенным диагоналям куба.
Работа создаваемой породно-анкерной конструкции существенно зависит также от мощности и прочности слоев, слагающих непосредственную кровлю, и ширины выработки. Для изучения влияния указанных параметров на работу формируемой в кровле породно-анкерной конструкции до момента начала разрушения было проведено математическое моделирование методом конечных элементов с использованием программного комплекса ANSYS/LS-DYNA. Моделировался участок непосредственной кровли залегающий над выработкой с плоской кровлей. Задача решалась в объемной постановке.
Материал применяемый для моделирования горных пород был способен растрескиваться при растяжении и разрушаться при сжатии. При разрушении любого элемента модели решение задачи прекращалось. Таким образом решаемая задача имела две стадии -линейно-упругий анализ и нелинейный анализ после достижения материалом модели предела упругости. Создаваемая в кровле выработки породно-анкерная конструкция представляла собой параллелепипед (рис. 1). Слоистость массива моделировалась при помощи задания контактных пар. Коэффициент трения между слоями был принят равным 0,3. Граничные условия формировались следующим образом. Боковые грани жестко закреплялись от перемещений вдоль соответствующих осей, нижняя грань по бокам от полости выработки закреплялась жестко по всем осям (рис. 1). К верхнеей грани параллелепипеда прилагалась распределенная нагрузка.
Было проведено две серии моделей - 1 при традиционной радиальной схеме расположения анкеров и 2 при пространственной схеме расположения анкеров.
Анализ результатов проведенного математического моделирования позволил установить, что расположение анкеров по смещенным диагоналям куба приводит к повышению несущей способности породно-анкерной конструкции по сравнению с радиальной схемой расположения анкеров в 1-3,3раз. При этом относительные деформации конструкции с сохранением ее сплошности повышаются в 1-5 раз (рис. 2). Было установлено, что эффект от применения предлагаемой схемы анкерования проявляется при соблюдении следующих условий: - отношение общей толщины породно-анкерной конструкции к ширине выработки H/Вв = 0,3-0,8, - отношение минимальной мощности составляющих породно-анкерную конструкцию слоев к ширине выработки H/Вв 0,06-0,21, - количество слоев более 1.
Наибольший эффект достигается при формировании породно-анкерной конструкции из слоев примерно одинаковой мощности.
Проведенные исследования позволили установить область эффективного применения схемы с расположением анкеров по смещенным диагоналям куба. Результаты проведенного математического моделирования будут положены в основу разрабатываемого аналитико-экспериментального метода определения предельных нагрузок и смещений допускаемых формируемой в кровле выработки породно-анкерной конструкции.
1. КД 12.01.01.501-98. Система забезпечення надійного та безпечного функціонування гірничих виробок із анкерним кріпленням. Загальні технічні вимоги / Минуглепром Украины 1998.
2. Касьян H.H., Сахно И.Г. Влияние схем расположения анкеров в слоистом массиве на его деформационные характеристики // Вісті Донецького гірничого інституту. - 2005. - №2. - С. 84-86.
3. Касьян H.H., Сахно И.Г. Лабораторные испытания влияния схем установки анкеров в массиве слоистой структуры на его нагрузочно-деформационные характеристики // Вісник Криворізького технічного університету. - 2006, № 4(14), С. 3437.