Податливые анкера – как способ оптимизации совместной работы крепи и массива - Статья

Податливые анкера - как способ оптимизации совместной работы крепи и массиваС технической точки зрения анкерная крепь характеризуется конструктивным исполнением и несущей способностью (усилие выдергивания). Поэтому совершенствование способов и средств закрепления анкера связано с повышением надежности и эффективности анкерных систем. Исследование напряженно-деформированного состояния массива вокруг отдельных типов анкерной крепи, позволило разработать классификацию анкерных крепей (рисунок 1), в основу которой положен характер взаимодействия последних с укрепляемым массивом, и сгруппировать их в два класса: активные и пассивные. Активные анкера с точечным закреплением сразу же после установки несут нагрузку, равную предварительному натяжению стержня. В действующей Инструкции по расчету и применению анкерной крепи на шахтах Карагандинского бассейна даже не рассматривается вопрос о применении «активных» анкеров.

Анализ условий отработки угольных и рудных месторождений показывает, что значительную часть эксплуатационных расходов составляют затраты, связанные с обеспечением устойчивости горных выработок. Существенное улучшение состояния выработок может быть обеспечено только за счет разработки новых и совершенствования известных малозатратных способов и средств, направленных на повышение устойчивости окружающих пород.

Одним из перспективных направлений при решении данной задачи является применение анкерных систем. Традиционно анкер рассматривается как силовой элемент, создающий отпор массиву на контуре выработки и оказывающий сопротивление расслоению пород.

С технической точки зрения анкерная крепь характеризуется конструктивным исполнением и несущей способностью (усилие выдергивания). Несущая способность анкера определяется способом и условиями закрепления в шпуре и является одной из важнейших его характеристик. Поэтому совершенствование способов и средств закрепления анкера связано с повышением надежности и эффективности анкерных систем.

Экспериментальная часть

Исследование напряженно-деформированного состояния массива вокруг отдельных типов анкерной крепи, позволило разработать классификацию анкерных крепей (рисунок 1), в основу которой положен характер взаимодействия последних с укрепляемым массивом, и сгруппировать их в два класса: активные и пассивные. Активной считается та, которая вступает в работу и нагружается непосредственно с момента установки, а пассивной та, которая вступает в работу и нагружается по мере сдвижения массива.

Химический анкер с точечным закреплением на длину 0,6-0,8 метра считается также активной крепью, а опорная плита, прижимаемая к породам кровли гайкой, нагружает анкерный стержень. Роль податливого элемента в таком случае принимает на себя армирующий элемент - стержень.

Активные анкера с точечным закреплением сразу же после установки несут нагрузку, равную предварительному натяжению стержня. Это обеспечивает целостность окружающих пород и снижает вероятность образования расслоений. Поэтому большое значение для поддержания кровли имеет установка предварительно напряженных анкеров.

К пассивной полноконтактной анкерной крепи относят анкерную крепь, у которой анкерный стержень закреплен по всей длине шпура. Закрепление анкерного стержня в шпуре производят с помощью ампул с быстротвердеющей смесью или путем нагнетания быстротвердеющего раствора (смеси).

В действующей Инструкции по расчету и применению анкерной крепи на шахтах Карагандинского бассейна даже не рассматривается вопрос о применении «активных» анкеров. Инструкция основана на теории формирования грузонесущей конструкции, но без элементов податливости. Это видно из пункта 3.3 действующей инструкции - «для обеспечения экономичного крепления и надежного поддержания кровли выработок Инструкцией предусмотрено применение сталеполимерных анкеров с высокой несущей способностью с закреплением стержней в шпурах быстро- твердеющими смолами по всей длине» [1]. При полном заполнении шпура анкерный стержень теряет растягивающиеся свойства изза адгезии с полимерной смолой и работает только пассивно.

Рисунок 1 - Классификация анкерной крепи анкерный крепь массив деформированный

Теория формирования грузонесущей конструкции впервые была сформулирована О. Якоби и получила дальнейшее развитие в работах В.Н. Семевского, Е.А. Махно, Л. Панека, О.В. Тимофеева, А.А. Борисова и других исследователей. Сущность этой теории состоит в том, что при анкерном креплении горные породы подвергаются искусственному упрочнению и в массиве формируется грузонесущая конструкция, аналогичная составной балке, плите, своду или арке. Скрепляющие породы подвергаются в этом случае главным образом сжатию, а анкера воспринимают растягивающие усилия.

Если, согласно упомянутой инструкции, весь расчет строится на данной теории, то нужно брать теорию полностью, а не ее часть. Упразднение такого главного элемента, как податливость, может привести к катастрофическим последствиям. Даже незначительное расслоение пород ведет к обрыву штанговой крепи, которая не в состоянии взять на себя ни малейшее растяжение [2].

Жесткая крепь не может противостоять смещениям контура выработки, которые происходят при образовании зоны неупругих деформаций, или, как он ее называет, защитной зоны. Всякие попытки противодействовать смещению пород влекут за собой повышение горного давления и чаще всего приводят к разрушению крепи (рисунок 2).

Образование зоны неупругих деформаций происходит с понижением в ней напряжений. Такая зона пониженных напряжений работает как несущая конструкция, участвует вместе с крепью в системе сил, противодействующих распространению неупругих деформаций в массиве. В этом случае крепь как бы является опорой для пород неупругой зоны. Естественно, чем больше реакция крепи (ее грузонесущая способность) и прочность пород, тем будут меньшими размеры зоны неупругих деформаций и величина смещения контура выработки.

То есть при пассивном способе крепления анкерами крепь сопротивляется малейшим расслоениям, которым не может противостоять, тем самым не способная выдержать данное усилие, разрывается. Так как активная крепь воспринимает это расслоение, нагружаясь по мере его нарастания до возникновения состояния равновесия, обрыва не происходит (рисунок 3).

Неполное заполнение шпура позволит не только выиграть с экономической стороны, но и позволит анкерной крепи выполнить свое предназначение [3]. Отталкиваясь от данной теории, на шахтах Карагандинского угольного бассейна применяют анкера из периодического профиля арматурной стали класса А- 3 (марки 35 ГС) с относительным удлинением 14 % [1]. Заполнение шпура на 0,6-0,8 м будет достаточным как для надежного сцепления замковой части анкера, так и для податливости. Не всегда больше значит лучше: уменьшение количества подаваемых ампул при укреплении горных пород анкерной крепью позволит оттолкнуться от принятых стереотипов крепления жесткой крепью, перейти к правильному пониманию трактовки теории формирования грузонесущей конструкции или к теории совместной работы крепи и породы. Оптимальным вариантом крепления является такой, при котором силовая и деформационная характеристики крепи соответствуют напряжениям и деформациям массива и способствуют совместной работе крепи и породы. К тому же разрывное усилие анкерного стержня согласно той же инструкции составляет порядка 20 тонн (п. 7.1). Одна ампула длиною 300 мм и диаметром 25 мм осуществляет крепление данного стержня в шпуре более 13 тонн. Закрепление стержня на 2 ампулы (то есть на 0,6 м рабочей втулки) обеспечивает усилие выдергивания более 26 тонн, что в свою очередь уже превосходит несущую способность анкерной арматуры [1]. Дальнейшее увеличение количества ампул не только ухудшает состояние крепи с точки зрения податливости (адгезионные качества смолы снижают податливость), но и увеличивает стоимость крепления выработки.

а - пассивный анкер; б - пассивный анкер при незначительном расслоении пород

Рисунок 2 - Обрыв штанговой крепи при расслоении пород

Вывод: Для достижения необходимых параметров податливости анкерной крепи, в соответствии с теорией о формирования грузонесущей конструкции вокруг горных выработок, необходимо отказаться от жесткой, пассивной крепи, неспособной к податливости и осуществить переход на активный анкер с точечным закреплением, способном не только выполнить функцию стяжки, но и придать анкерной системе крепления необходимую податливость. анкерный крепь массив деформированный а - активный анкер; б - растяжение стержня анкерной крепи при незначительном расслоении пород

Рисунок 3 - Состояние анкерной крепи при активном способе крепления

1. Инструкция по расчету и применению анкерной крепи на шахтах Карагандинского бассейна. Караганда, 2008. 88 с.

2. Мусин Р.А., Серяков Н.И. Обоснование параметров узла податливости анкерного стержня // Тр. Междунар. науч. конф. «Наука и образование - ведущий фактор стратегии «Казахстан - 2030» (Сагиновские чтения № 4). Ч. 3. Караганда: КАРГТУ, 2012. С. 181-183.

3. Мусин Р.А., Серяков Н.И., Арыстан И.Д. Сравнительный анализ теорий расчета анкерного крепления // Тр. Междунар. науч. конф. «Наука и образование - ведущий фактор стратегии «Казахстан - 2030» (Сагиновские чтения № 4). Ч. 3 Караганда: КАРГТУ, 2012. С. 184-186.

Размещено на .ru