Сооружение, безремонтное поддержание, безаварийная работа подземных горных выработок являются неотъемлемыми составляющими стабильной работы предприятий при эксплуатации месторождений полезных ископаемых подземным способом и подземных объектов различного назначения.

Затраты при непосредственном сооружении подземных горных выработок являются наиболее значимой статьёй расходов, удельный вес которой составляет до 70 % общих затрат.

На основе анализа статистики причин аварийности в угольных шахтах, происходящих в подготовительных выработках, проводимых по полезному ископаемому и связанных с обрушением угля и вмещающих горных пород от общего числа, по оценкам разных источников составляет от 14 до 28 %.

Производственные аварии, вызванные обрушениями угля и вмещающих горных пород, остаются одними из наиболее тяжелых по характеру своего травмирующего воздействия на человека и масштабных на общую деятельность горнодобывающего предприятия.

В связи с тем, что аварийность при подземной угледобыче продолжает оставаться на высоком уровне, в практике горного дела с целью снижения аварийной опасности производства необходимо уделять особое внимание качеству в технологии проведения и крепления горных выработок.

На сегодняшний день анкерная крепь является самой применяемой крепью на угольных шахтах России. И вполне очевидно, учитывая большое разнообразие и высокую изменчивость горно-геологических условий, что ещё остаются возможности совершенствования и создания альтернативных вариантов анкерной крепи на основе изучения её взаимодействия с углепородным массивом.

Несмотря на конструктивное разнообразие разработанных и применяемых анкерных крепей, основополагающим фактором, определившим её эффективность, и как следствие, популярность, является то, что данная крепь работает не самостоятельно, а дополняет и улучшает прочностные свойства окружающего углепородного массива, активно с ним взаимодействуя.

Взаимодействие анкерной крепи с углепородным массивом происходит с момента её установки, а конструктивные особенности крепи определяют то, насколько интенсивным является это взаимодействие.

Несмотря на то, что в технологии анкерного крепления был достигнут большой прогресс, типовая анкерная крепь не всегда удовлетворительно показывает себя при большой глубине и в сложных условиях. В связи с этим, выделяют несколько основных проблем:

– невозможность создания контролируемого осевого натяжения для поджатия элементов поверхностной крепи к кровле вследствие несовершенства геометрических параметров литых и прокатных резьбовых соединений, и изменчивости коэффициента трения под внешними факторам (коррозия и загрязнение);

– пренебрежение важностью характеристик элементов поверхностной крепи (шайб, затяжки, подхватов) и их соответствия условиям эксплуатации;

– корректность выбора длины, плотности, способа закрепления и роли крепи усиления при взаимодействии с массивом горных пород. Не всегда высокая плотность анкерования увеличивает качество крепления, но повышает материалоемкость и стоимость крепи.

Например, в 2023 г. канатная анкерная крепь с предварительным натяжением АК01-30ПН проходила испытания в условиях ООО «Шахта «Осинниковская» и ш. «Северная» АО «Ургалуголь» и была рекомендована для усиления пород кровли выработок в сложных горно-геологических условиях, на сопряжениях, для доставки оборудования и материалов, передвижения людей, в монтажных камерах, в местах образования отслоений, пустот и трещиноватости по кровле в зонах повышенного горного давления. Получено положительное заключение о соответствии крепи заявленным характеристикам и рекомендации по креплению.

На основании многолетнего опыта компании «РАНК 2» в вопросах проектирования, производства и внедрения анкерной крепи на предприятиях горнодобывающей отрасли, авторами предлагается применяемую на практике канатную анкерную крепь разделить на три условные группы (на примере канатных анкеров глубокого заложения):

Первая группа – податливая, рис. 1;

Вторая группа – со сниженной податливостью, рис. 2;

Третья группа – с предварительным натяжением, рис. 3.

Рис. 1. Податливая канатная анкерная крепь

Рис. 2. Канатная анкерная крепь со сниженной податливостью

Рис. 3. Канатная анкерная крепь с предварительным натяжением

Рассмотрим развитие деформаций в приконтурном массиве проводимых и закрепляемых горных выработок и взаимодействие с ним различных групп анкерной крепи.

При использовании анкерной крепи первой группы (податливая анкерная крепь), обладающей изначально не высокой конструктивной жесткостью и выраженной податливостью элементов анкерной крепи может происходить образование деформаций в сложных горно-геологических условиях, рис 4.

На первом этапе, после извлечения горной массы происходит разгрузка горного массива, в результате чего развиваются упругие и пластические деформации, приводящие к провисанию кровли и развитию начальной трещиноватости. На втором этапе, во время установки анкерной крепи, горный массив не подвергается изменениям так как предварительное натяжение незначительно и не контролируемо, но массив стабилизируется, дальнейшему развитию деформаций препятствует анкерная крепь. На третьем этапе, во время эксплуатации горной выработки, при достижении определенного уровня нагрузок, происходит деформация приконтурного массива, обусловленная конструктивной податливостью элементов анкерной крепи (растяжение и распрямление жил каната, выбирание зазоров между элементами крепи, деформация элементов поверхностной крепи и т.д.).

 

Рис. 4. Динамика конвергенции выработки и взаимодействие крепи с приконтурным массивом при креплении податливой анкерной крепью

При использовании анкерной крепи второй группы (анкерная крепь со сниженной податливостью), обладающей повышенной начальной жесткостью и предназначенной противостоять образованию расслоений и трещин приконтурного массива горных выработок. Податливость анкера снижена за счет использования в конструкции каната прямых жил и отсутствия свивки пряди, изменений в конструкции заделки муфты. А использование метрической резьбы на муфте анкера позволяет создать более высокое и контролируемое натяжение при установке анкера.

Снижение податливости анкерной крепи сокращает величину смещений и деформаций, что позволяет обеспечить оптимальное состояние горной выработки в сложных горно-геологических условиях, рис. 5.

На первом и втором этапах поведение приконтурного массива горных выработок и взаимодействие крепи схоже с использованием податливой анкерной крепи. На третьем этапе (при эксплуатации горной выработки), при достижении определенного уровня нагрузок, деформация приконтурного массива происходит в ограниченных пределах, за счет более высокой жесткости и меньшей податливости элементов анкерной крепи и меньшего растяжения грузонесущего стержня анкера.

Рис. 5. Динамика конвергенции выработки и взаимодействие крепи с приконтурным массивом при креплении анкерной крепью со сниженной податливостью

Третья группа анкерной крепи (с предварительным натяжением) отличается возможность создания значительного контролируемого предварительного натяжения. Данная крепь позволяет обеспечить наилучшее состояние горной выработки в сложных горно-геологических условиях, а в отдельных случаях сократить объем крепления за счет более эффективного использования материалов. Этапы взаимодействия предварительно натяженной анкерной крепи с приконтурным массивом приведены на рис. 7.

На первом этапе (после извлечения горной массы при проведении выработки) происходит разгрузка горного массива, в результате чего развиваются упругие и пластические деформации, приводящие к провисанию кровли и развитию начальной трещиноватости в приконтурном массиве. На втором этапе (во время установки анкерной крепи), при предварительном натяжении анкерной крепи и создании сжимающих напряжений в массиве, происходит ликвидация начальных деформаций и уменьшение (закрытие) трещин, что повышает жесткость горного массива. Предварительное натяжение обеспечивает плотный контакт поверхностной крепи с контуром горной выработки и сокращает податливость, а созданные сжимающие напряжения при эксплуатации выработки будут уравновешивать растягивающие. На третьем этапе (при эксплуатации горной выработки), анкерная крепь оказывает активное сопротивление развитию деформаций с момента установки, высокий уровень жесткости и отсутствие податливости обеспечивают минимальный уровень развития деформаций (смещений). Помимо этого, за счет предварительного натяжения, крепь глубокого заложения, действует не только в режиме подвешивания, но и в режиме формирования мощной высокопрочной балки.

Рис. 6. Динамика конвергенции выработки и взаимодействие крепи с приконтурным массивом при креплении анкерной крепью с предварительным натяжением

Сравнение показателей применяемых анкерных систем приведено в таб. 1.

Таблица 1

Сравнение показателей анкерных систем

Группа, тип анкерной системы	I группа, анкерная система с классическим канатным анкером	II группа, анкерная система с канатным анкером со сниженной податливостью	III группа, анкерная система с предварительно натяженным канатным анкером
Конструктивная податливость анкера, Δ (мм)	(10÷15)+0,013L где L-длина анкера	0,003L где L-длина анкера	0
Предварительное натяжение при установке	Незначительное (из-за низкого коэффициента передачи затяжки гайки в осевое усилие)	Контролируемое, до 20кН	Есть, от 50 кН до 200 кН (натяжение тела анкера)
Податливость анкерной системы	- растяжение каната и смещения каната в муфте; - смещения в зазорах между элементами крепи; - неплотное прилегание поверхностной крепи к контуру выработки; - деформация поверхностной крепи - деформации демпферных элементов;	- растяжение грузонесущего стержня; - неплотное прилегание поверхностной крепи к контуру выработки; - деформация поверхностной крепи - деформации демпферных элементов;	- отсутствует, в связи с предварительным натяжением, за исключением деформации демпферных элементов при критической нагрузке
Режим взаимодействия с массивом горных пород	«Мягкая» реакция на развитие деформаций в массиве, и плавный переход в жесткое взаимодействие после реализации податливости	«Жесткое» взаимодействие с массивом с момента установки, податливость не значительна	«Активное» взаимодействие с массивом с момента установки за счет передачи усилия натяжения в массив, сжимающие напряжения уравновешивают растягивающие
Преимущества и улучшение технологических показателей	Доупрочнение канатными анкерами кровли выработок посредством подвески неустойчивой части кровли к устойчивой.	Осуществление более качественной затяжки и снижение уровня эксплуатационных деформаций.	Создание жесткой конструкции «анкер-массив» с большей нагрузочной способностью. Увеличение эффективности поддержания горных выработок.
Рациональная область применения	Усиление крепи горных выработок в зоне влияния очистных работ и широких горных выработок (сопряжений).	Усиление крепи горных выработок в зоне влияния очистных работ и широких горных выработок (сопряжений). Применение акнкерной крепи в слабых горных породах. Использование в качестве крепи первого уровня.	Усиление крепи горных выработок в зоне влияния очистных работ и широких горных выработок (сопряжений) в сложных горно-геологических условиях и на больших глубинах. Выполнение ремонтных работ для стабилизации аварийных участков выработок. Крепление выработок без анкеров первого уровня.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ:

Применение канатной анкерной крепи с предварительным натяжением в сравнении с классическими канатными анкерами и канатными анкерами со сниженной податливостью позволяет:

• закрыть возникшие трещины (полностью или частично), что создает возможность для перераспределения напряжений;
• повысить трение на контактах фрагментов горных пород, что эквивалентно увеличению качества массива;
• повысить начальную жесткость системы «анкер-массив», что снижает степень и скорость развития деформаций массива;
• уменьшить смещения на 70-90% в аналогичных условиях;
• при увеличении размера выработки, эффект от наличия предварительного натяжения становится выше;
• предварительное натяжение канатных анкеров кровле приводит к скреплению блоков горного массива в своего рода пакет, который менее подвержен деформации.

ВЫВОДЫ:

Разделение анкерной крепи на группы по характеру взаимодействия с массивом, в частности анкеров глубокого заложения, позволяет формировать более обоснованный и эффективных подход к проектированию крепи горных выработок:

• учитывать конструктивные особенности канатных анкеров и применять для соответствующих горно-геологических условий и решения конкретных горнотехнических задач;
• расширить область применения канатной анкерной крепи, в том числе при комбинированном креплении и различных способах закрепления и стабилизации углепородного массива в сложных горно-геологических условиях;
• повысить эффективность применения канатных анкеров в зонах влияния очистных работ, на сопряжениях горных выработок;
• пересмотреть подход к выполнению восстановительных работ на аварийных участках горных выработок, приняв во внимание более высокую эффективность анкерной крепи с предварительным натяжением в части стабилизации массива;
• повысить безопасность, эффективность и комфортность ведения горных работ;
• снизить затраты на крепь и трудоемкость ее монтажа в сравнении с другими видами крепи.

Ввиду сравнительно малого опыта применения преднатяженной анкерной крепи горных предприятиях Российской Федерации, требуется испытание  проведение дополнительных испытаний в различных горно-геологических условиях и исследование влияния предварительного натяжения на эффективность и работоспособность крепи, с последующей разработкой универсальной методики расчета и обоснования схем крепления и величины предварительного натяжения.