В настоящее время производственно-территориальные угледобывающие комплексы Российской Федерации ориентированы на эффек­тивное использование ресурсов на ос­нове международных стандартов и по­вышения объемов добычи угля путем совершенствования производственной базы. За последнее десятилетие про­изошли существенные изменения в технологии ведения горных работ, способах подготовки и крепления горных выработок, а также разработке новых конструкций и расширении об­ласти применения анкерной крепи. Совершенствование горно-шахтного оборудования достигло высоких ре­зультатов. Габаритные размеры про­ходческих комбайнов увеличились из­-за навесного гидравлического обору­дования для монтажа анкерной крепи, изменились параметры подготовитель­ных выработок и их сопряжений. При этом остается весьма актуальной про­бпема поддержания сопряжений вы­работок большой ширины.

Анкерная крепь, в отличие от крепи поддерживающего типа, сразу же после установки обеспечивает связывание и упрочнение массива пород в кровле и боках выработки и активно противодействует развитию смещений и деформаций пород. Это преимущество позволяет при значительно меньшем расходе металла в шахте обеспечивать повышение устойчивости и надежности поддержания выработок. Другим преимуществом анкерной крепи является возможность механизации крепления, в результате значительно снижается трудоемкость проходческих работ и возрастает скорость проведения выработок. На месторождениях Кузбасса с пологим и наклонным залеганием угольных пластов ежегодно проводится свыше 250 км подготовительных выработок, закрепленных анкерной крепью. Современные технологии анкерного крепления подготовительных и капитальных горных выработок включают комбинированную схему крепления с использованием канатных анкеров глубокого заложения. Канатные анкеры позволяют эффективно и безопасно крепить подземные выработки большого сечения, шириной более 12 м. Обеспечивается безопасность работ, малая металло- и трудоемкость возведения крепи, не загромождается пространство выработок, что позволяет свободно транспортировать оборудование и др.

При проведении выработок расчет параметров анкерной крепи выполнялся согласно «Инструкции по расчету и применению анкерной крепи на угольных шахтах России», с учетом расчетных ожидаемых смещений пород кровли. Предлагаемый способ предусматривает увеличение несущей способности горных пород за счет анкеров первого уровня (рис. 1, а) с последующим закреплением канатными анкерами второго уровня (рис. 1, б) к вышележащим устойчивым породам кровли.

Проведение сбоек с помощью проходческого комбайна формирует значительные площади обнажения в районе сопряжений, поэтому в местах разворота комбайна из-за его больших габаритных размеров проводятся мероприятия по усилению крепи кровли. В качестве крепи усиления принимали канатные анкеры глубокого заложения типа АК02. Крепь усиления устанавливалась в процессе прохождения сопряжения и монтажа основной анкерной крепи «первого уровня». Данный способ крепления сопряжений горных выработок применяется в условиях шахты МУК-96. Горно-геологические и горнотехнические условия в районе сопряжений представлены в табл. 1,2 (рис. 2).

Для расчета крепи усиления определялась фактическая ширина сопряжений. Схемы горных выработок для расчета ширины пролета сопряжений представлены на рис. 3 и их величины определялись по формулам:

В(1) = b(1) cosθ + b(2) + d, м

В(2) = b(1) + (d(1) + d(2)), м

В(3) = b(2) sinθ + b(3) + d, м

АК — анкер канатный; АВР — анкер винтовой «Распадский»; L — длина анкера, м

В(4) = b / sin(θ / 2), м

где В(1-4) — ширина пролета сопряжений горных выработок, м; b, b(1-3) — ширина выработок сопряжения, м; d, d(1-2) — зона разрушения углов между выработками, м; θ — углы ответвления сопрягаемых выработок, град.

После проведенных расчетов определена ширина пролета сопряжений, представленных на рис. 2 (а-г) и 3 (а-г): В(1) = 17.5 м, В(2) = 18.6 м; В(3) = 17 м, В(4) = 20.5 м.

B — ширина сопряжения, м; b — ширина выработки, м; d — зона разрушения углов между выработками, м; θ — углы ответвления сопрягаемых выработок, град.

С = H(ctg)((90° + φ) / 2), м

где H — высота сопряжения, м; φ — угол внутреннего трения горных пород в боковых породах сопряжения, град.

b = a / fk(k), м

где а — полупролет сопряжения с учетом горизонтальных смещений, м; f — коэффициент крепости горных пород кровли по шкале М.М. Протодьяконова; k(k) — коэффициент литотипности

a = (B + 2C) / 2, м

где B — ширина сопряжения, м.

Расчет нагрузок на крепь усиления учитывает вес толщи пород, скрепленной анкерами первого уровня, и размеры свода обрушения из кровли сопряжения.

Ожидаемое давление пород свода один прогонный метр сопряжения составит:

P = 4/3*a*b*y, кН/м

где y — объемный вес пород кровли, кН/м³.

Удельное давление на анкеры глубокого заложения определяется по формуле:

P(уд) = P/B, кН/м²

Количество канатных анкеров усиления рассчитывается из выражения:

n = (P(уд)*S) / N(ka), шт

где S — площадь сопряжения, м²; N(ka) — несущая способность канатного анкера, кН.

Для безопасного поддержания широких сопряжений горных выработок комбинированной анкерной крепью необходимо, чтобы суммарное сопротивление крепи превосходило давление пород свода.

Для предотвращения обрушения скрепленных анкерами первого уровня горных пород, их удельное давление (P(n.y)), определяемое по формуле должно быть меньше установленного сопротивления канатных анкеров:

P(n.y) = l(акт) * y, кН/м²

где l(акт) — активная длина анкеров первого уровня.

Длина анкеров усиления второго уровня рассчитывалась по формуле:

l(a) = b + l(з) + l(в), м

где l(з) — минимальная величина закрепления анкера в устойчивом массиве, м; l(в) — выступающая часть анкера за контур выработки, м.

Для расчета длины анкеров усиления также учитывался практический опыт применения канатных анкеров в сложных горно-геологических условиях. Контроль за состоянием кровли сопряженных выработок осуществлялся датчиками индикаторами смещения кровли (ИСК). В немногочисленных случаях выявления смещений выполнялось дополнительное упрочнение горных пород кровли канатными анкерами усиления АК02 и скрепляющими смолами.