Изменение характера и интенсивности деформационных процессов во вмещающих выработку породах на больших глубинах, привело к тому, что многие известные способы поддержания, технологические и технические решения исчерпали свои возможности по обеспечению устойчивости выработок. Одним из перспективных направлений обеспечения устойчивости выработок на больших глубинах являет-ся применение анкерных породоармирующих систем (АПАС), что позволяет снизить затраты на поддержание за счет максимального использования несущей способности породного массива. На угольных шахтах за рубежом происходит неуклонное увеличение объемов применения анкерного крепления, доля которого уже сегодня составляет: Австралия – 87 %, КНР – 83 %, США – 52 %. Оно позволяет в 5–10 раз уменьшить расход металлопроката, бетона, леса; в 3-5 раз повысить производительность работ при креплении выработок; в 2–3 раза повысить темпы проходки; вдвое сократить затраты на крепление и поддержание крепи в рабочем состоянии в период эксплуата-ции. Для широкого внедрения анкерной крепи на шахтах Украины, по приказу министра уголь-ной промышленности в 1997 г. была создана программа Анкер. Головной организацией по реа-лизации программы назначен ИГТМ НАН Украины, на базе которого создан Центр анкерного крепления. Специалисты центра на базе британского стандарта BS 7861 "Strata reinforcement support system components used in cool mines", отражающего параметры австралийской системы "Design by Measurement", разработали общие технические требования для системы обеспечения надежного и безопасного функционирования горных выработок с анкерным креплением. ГП ДонУГИ создал конструкторскую документация на изготовление отечественных компонентов материально-технических средств системы, промышленное производство которых осуществляет-ся на ЗАО Карбо и Крепь, ООО Донбасскрепь, ЗАО Донецко-Кураховский машинострои-тельный завод и в АО Буран. Несмотря на это, объем крепления выработок на шахтах Украи-ны с использованием анкерных породоармирующих систем (АПАС) в настоящее время составля-ет менее 0,5%. Основной причиной, препятствующей широкому внедрению АПАС на шахтах Украины является недостаточное понимание их роли в процессе поддержания выработки, а также отсутствие в отечественной и зарубежной горной практике ведущих угледобывающих стран научно обоснованных норм их проектирования.

В научно-технической литературе представлено большое количество результатов исследований характера взаимодействия различных кон-струкций крепи (в том числе и анкерной) с массивом. Это работы А.П. Широкова, В.Т. Глушко, А.А. Борисова, Н.И. Мельникова, Л.М. Ерофеева, А.Н. Зорина, Б.К. Чукуна, А.В.  Ремезова, И.А. Юрченко, А.Н. Шашенко, В.В. Виноградова, А. Югона, А. Коста и др. В них достаточно глубоко исследованы механизм формирования нагрузки на рамные крепи, особенности и зако-номерности деформирования вмещающего выработки массива. Однако, в работах, посвященных анкерному креплению, в основном рассмотрены вопросы конструкции анкеров, техноло-гии их возведения. В настоящее время расчет параметров анкерной крепи производится исходя из представления о ней, как о несущей конструкции, работающей по схемам «Подшивка» и «Сшивка». Прочность заанкерованных пород при этом, ориентировочно оценивают вводя в расчет коэффициент упрочнения, зависящий от несущей способности анкеров и плотности их установки. Анкера рассматриваются как несущие конструкции без учета особенностей их взаи-модействия с вмещающим массивом. При этом, как правило, рекомендуется радиальная схема расположения анкеров, при которой область их влияния на массив минимальна. Такое представление о взаимодействии анкерной крепи с массивом существенно ограничивает возможно-сти ее использования, не позволяет реально и всесторонне оценить свойства создаваемой армо-породной конструкции на разных стадиях ее деформирования.

Задачей данных исследований было разработать принципиально новый метод расчета па-раметров конструкций крепи на основе использования анкерных породоармирующих систем для крепления горных выработок.

В основу разработанного метода расчета параметров АПАС положена новая концепция механизма взаимодействия анкерного крепления с вмещающим выработку массивом, согласно которой анкеры, в зависимости от схемы и параметров их установ-ки, влияют на структурно механические характеристики пород, препятствуют их разрушению и формируют вокруг выработки грузонесущую армопородную оболочку [2,2]. Оболочка воспринимает нагрузку со стороны пород, которые разрушаются за ее пределами, допуская значительные деформации (до 20 % от глубины анкерования) и при этом сохраняет высокую остаточную прочность (до 80 % от начальной прочности) и несущую способность [4,5].

Определение параметров АПАС осуществляют на основании горно-геологических и горно-технологических условий проведения выработки с учетом требований действующих нормативных документов, в соответствии с алгоритмом расчета (рис. 1). Порядок расчета следующий:

1. Рассчитывают средневзвешенную прочность пород, вмещающих выработку согласно [5,6]. <
2. Рассчитывают ожидаемые смещения пород в незакрепленной выработке согласно [5,6].
3. На основании горно-геологических и горно–технологических условий проведения выра-ботки предварительно выполняют выбор схемы АПАС (рис. 2).
4. На основании горно–геологических условий проведения выработки предварительно выполня-ют выбор глубины анкерования, которая должна быть не менее половины ширины выработки.
5. Рассчитывают предельные смещения для избранной схемы АПАС с учетом предварительно принятой глубины анкерования:
где la – глубина анкерования, м; Н – глубина заложения выработки, м.


Рис. 1. Схема пространственного анкерования 1



Рис. 2. Схема пространственного анкерования 2

Рис. 2. Схемы пространственного анкерования кровли выработок

6. С использованием монограммы [6] на основании определенных Uк та Uпр принимают нормативную нагрузку на АПАС (pн) и в соответствии с [6] определяют ожидаемую нагрузку на АПАС (P) .
7. Предварительно задавшись количеством анкеров для закрепления выработки nанк, определяют загрузку на анкер qа таким образом, чтобы qа150 кПа
qа = P/ nанк,

где nанк – ориентировочное количество анкеров на 1 пог.м выработки; P – ожидаемая загрузка на АПАС, кПа.

8. Выполняют расчет ожидаемых смещений АПАС Uф при расчетном нагружении qа на анкер [4] по формулам
9. Выполняют сравнение ожидаемых смещений АПАС Uф и ожидаемых смещений пород в кровле раскрепленной выработки Uк, корректируют или окончательно принимают количество анкеров.
10. Определяют возможность поддержания выработки только с использованием АПАС. В случае, если UфСхема установки анкеров в боку выработки, их количество и длина определяются с учетом принятых параметров крепления кровли выработки и технологии ведения горных работ.
11. В случае невозможности поддержания выработки только с использованием АПАС Uф,Uпр, рассчитывают остаточные смещения, которые должна выдержать усиливающая крепь в составе комбинированной крепи (АПАС+рамная крепь (РК), или АПАС+РК+крепь усиления) Uост. = Uк - Uф. В этом случае возможна замена схемы АПАС на более простую и более технологичную.
12. Рассчитывают относительную деформацию АПАС в направлении смещений контура выработки Uф/la.

В случае, когда Uф/la>0,2 – АПАС исчерпала свою несущую способность.

В случае, когда Uф/la? 0,2 – определяют остаточную прочность АПАС

13. С использованием номограммы [6], на основании определенных Uк та Uф принимают норма- тивную загрузку на комбинированную крепь в составе: ПАС+РК+усиливающая крепь - pн1, и в соот- ветствии с [6] определяют ожидаемую загрузку на АПАС+РК+усиливающая крепь P1 Рассчитывают и проверяют окончательную загрузку на рамную и усиливающую крепь при реализации Uост Р1 = Р(Uост) – qф.= Ррам + Русил.
14. Выполняют расчет параметров рамной крепи и параметров дополнительных мероприятий по обеспечению устойчивости выработки на разных стадиях ее поддержания (несущую способность и параметры крепи усиления, или анкеров глубокого заложения).
15. На основании выполненных расчетов и типовых паспортов, приведенных в приложениях этого документа, складывается паспорт поддержания выработки, который утверждается в установленном [7,8] порядке.

Описанный выше метод расчета положен в основу разработанного на кафедре «Разработка месторождений полезных ископаемых» ГВУЗ ДонНТУ проекта нормативного документа Методика определения параметров анкерных породо-армирующих систем для обеспечения устойчивости горных выработок, который определяет параметры и область применения анкерных породоармирующих систем, как самостоятельной конструкции крепления, так и в составе комбинированного крепления для поддержания вскрывающих, подготавливающих и выемочных выработок в различных горно-геологических и горнотехнических условиях шахт Украины.

Список источников

1. Новиков А.О. Исследование влияния схем анкерования горных пород на структурно-механические свойства вмещающего массива / Петренко Ю.А., Шестопалов И.И., Шажко Я.В. // Геотехнологии и управление производ-ством XXI века. Монография в 2-х т. – Том 1. ДонНТУ–ДУНПГО, 2006. – С. 4–10.
2. Новиков А.О. Исследование особенностей деформирования породного массива, вмещающего выработку за-крепленную анкерной крепью / Сахно И.Г.// Известия Донецкого горного института // ДонНТУ. – Донецк, 2007. –№ 1. – С. 120–129.
3. Новиков А.О. Исследование механизма взаимодействия анкерной крепи с вмещающим массивом для обос-нования методики расчета ее параметров / Н.Н. Касьян, Ю.А. Петренко // Известия Тульского государственного университета / Тульский государственный университет. – Тула: Гриф и К, 2009. - Вып. 4: Естественные науки. Серия "Науки о Земле" - С. 104–109.
4. Новиков А.О. Теоретические основы оценки напряженно-деформирован-ного состояния армированного анкера-ми массива горных пород вокруг выработки // Науковий вісник НГУ. – Дніпропетровськ, НГУ, 2009.– № 9. – С. 31-39.
5. СОУ 10.1.00185790.011: 2006 Подготовительные выработки на пологих пластах. Выбор крепления, способов и средств охраны.
6. КД 12.01.01.201–98 Расположение, охрана и поддержание горных выработок при отработке угольных пластов на шахтах. Методические указания.
7. СОУ 10.1-00185790-002-2005 Правила технічної експлуатації вугільних шахт.
8. ДНАОП 1.1.30-1.01. Правила безпеки у вугільних шахтах. .