В настоящей работе был произведен сравнительный анализ элементов конструкций канатных анкеров для крепления подземных горных выработок и дано обоснование технологичности узлов крепления элементов анкера глубокого заложения за счет обеспечения эксплуатационной надежности для необходимой (заданной) несущей способности [10, 11].

Разновидности канатных анкеров представляют собой многоэлементную конструкцию, состоящую из закрепленного различными способами в массиве горных пород многопроволочного несущего стержня (троса, каната) с присоединенным к нему и выступающим в горную выработку хвостовиком с резьбой (см. рис. 1, а) либо закрепленным на канате цанговым зажимом (см. рис. 1, б) [12, 13].

При выполнении ряда операций по монтажу канатного анкера с хвостовиком используется буровая установка. Для канатного анкера с цанговым зажимом дополнительно используется гидравлический натяжитель каната, что увеличивает временные и трудовые затраты.

Наиболее нагруженными узлами в данных конструкциях канатных анкеров являются места соединений элементов «канат-муфта» и «канат-цанга», повреждение которых может привести к потере работоспособности крепи и развитию опасных деформаций приконтурного массива горных пород. При производстве канатных анкеров используются соединения «канат-муфта» сваркой, обжатием (опрессовкой). Сварное соединение подвержено разрыву в месте сварки.

Элементы соединения «канат-цанга» требуют прецизионной обработки поверхностей для обеспечения качественного контакта. Также развиваются режущие деформации от воздействия цанги на канат, и происходит дальнейший обрыв соединения.

Известно изобретение RU205737U1 «Гибкий анкер» для закрепления в отверстиях диаметром от 20 мм до 50 мм [14]. Данная разновидность гибкого (канатного) анкера спроектирована, проведены стендовые испытания с учетом усовершенствования недостатков в известных конструкциях канатных анкеров. Налажены массовое его производство компанией ООО «РАНК 2» и успешное использование.

Конструкционная особенность заключается в закреплении муфты 7 гибкого анкера на канате 2 (см. рис. 2) с помощью соединительного элемента в виде втулки (клина) 10 с продольным разрезом.

Соединение муфта-гайка-клин (МГК) производится следующим образом:

• обрезается канат заданной длины;
• в муфту со стороны сужающегося торца вставляется канат;
• конец каната расплетается на незначительную длину;
• на центральную жилу каната надевается сужающимся торцом клин;
• муфта захватывается зажимом;
• к торцу каната прикладывается задавливающая продольная нагрузка;
• происходят заклинивание и закрепление элементов в соединении «канат-муфта».

Длина соединительного элемента в виде втулки с разрезом определяется по формуле:

l_сэ = k · d_ст

где l_сэ - длина соединительного элемента, мм;
d_ст - диаметр несущего стержня (каната), мм;
k - коэффициент для расчета длины соединительного элемента, равный 2,5-6.

Выбор многопроволочного несущего стержня (каната) с определенным диаметром оказывает влияние на несущую способность анкера. При этом экспериментально было установлено оптимальное соотношение между размером диаметра многопроволочного несущего стержня для шпуров в выработках 20-50 мм и размером длины соединительного элемента (втулки) для соединения с муфтой.

Экспериментально в лабораторных условиях установлен коэффициент k для расчета длины соединительного элемента, пределы которого составляют 2,5-6. При коэффициенте k < 2,5 получаемая длина соединительного элемента не позволяет соответствовать соединительному узлу заданной несущей способности для такого типа анкеров. При коэффициенте k > 6 получаемая длина соединительного элемента нецелесообразна для применения.

Заявленное соотношение элементов соединительного узла позволяет создать надежное закрепление муфты на канате, а также обеспечить несущую способность соединительного узла не ниже несущей способности анкера. Для закрепления анкера в шпурах 20-50 мм при длине муфты 120-140 мм коэффициент для расчета длины соединительного элемента k имеет пределы 3-4, при длине муфты 155-170 мм коэффициент для расчета длины соединительного элемента k имеет пределы 3,5-4,5. При длине муфты 120-140 мм диаметр муфты чаще всего превышает диаметр шпура для закрепления анкера, поэтому для более надежного закрепления используется коэффициент для расчета длины соединительного элемента k ≥ 3, а предел k ≤ 4 позволяет оставить свободное место внутри муфты для дополнительных элементов. При длине муфты 155-170 мм нижняя часть муфты превышает диаметр шпура для закрепления анкера, поэтому для более надежного закрепления используется коэффициент для расчета длины соединительного элемента k ≥ 3,5, а предел k ≤ 4 позволяет оставить свободное место внутри муфты для дополнительных элементов.

С точки зрения обеспечения несущей способности и минимальной себестоимости оптимальный вариант исполнения осевого отверстия муфты 7 имеет цилиндрическую форму отверстия, переходящую в коническую, или коническую форму отверстия, расположенную между цилиндрическими формами отверстий.

Многопроволочный несущий стержень 2 может быть выполнен из различных материалов (металлических, полимерных, композитных и т.п.). С точки зрения обеспечения несущей способности и минимальной себестоимости наиболее оптимально применение в виде многожильного каната, который может быть выполнен правой или левой свивки, в частности, семижильного стального (металлического) троса (каната).

В качестве материала клина 10 могут использоваться металлические сплавы, полимерные, композитные материалы. При проведении лабораторных сравнительных испытаний было установлено, что экономически целесообразно использование стальной втулки, изготовленной на металлорежущих станках.

При сопоставлении условных экономических показателей и временных затрат при использовании канатного анкера с соединением МГК и с цанговым зажимом воспользуемся правилом тождества эффекта. Сущность правила тождества эффекта заключается в том, что сравниваемые варианты приводят к тождеству по одному (нескольким) из признаков, в данном случае – по видам выполняемых работ.

Вполне очевидно, что по показателям таблицы, в пункты 4-10 дополнительно добавляются временные затраты в несколько минут при монтаже на один канатный анкер с цанговым зажимом по сравнению с канатным анкером с МГК. На сегодняшний день стоимость одного комплекта изделия МГК составляет 500 руб., стоимость одного цангового зажима – от 700 руб.

Стоимость комплекта гидравлического натяжителя с маслостанцией – от 200000 руб.

ПРЕИМУЩЕСТВА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МГК В КОНСТРУКЦИИ АНКЕРНОЙ КРЕПИ

• Результаты сравнительного анализа элементов конструкций анкерной крепи, серия лабораторных и натурных исследований показывают, что сокращаются временные затраты вследствие монтажа работоспособного, готового функционального анкера, не требующего дополнительного специального оборудования и инструментов для установки.
• Повышается безопасность ведения горных работ вследствие снижения риска влияния человеческого фактора (сознательное уменьшение длины анкера, некачественное выполнение работ, несоблюдение регламента, брак в работе).
• При незначительном росте себестоимости значительно повышается эксплуатационная надежность.
• Простота процесса производства обеспечивает минимальные издержки благодаря небольшому количеству операций.
• Использование МГК позволяет создать технологичный анкер, эффективно использующий части конструкции, обеспечивающие эксплуатационную надежность с необходимой (заданной) несущей способностью.
• Конструкция соединительного узла МГК позволяет осуществить качественную запрессовку муфты на хвостовой части каната, предотвращая соскальзывание муфты с каната, повышая эксплуатационную надежность, безопасность, технологичность конструкции для необходимой (заданной) несущей способности.
• Наличие узлов уширения и проволочного шнека предотвращает быстрое стекание закрепляющего состава по кольцевому зазору между стенкой отверстия и канатом, способствует равномерному перемешиванию и уплотнению материала в закрепляющей втулке.
• Наличие в конструкции анкера направляющей трубки, охватывающей канат и соединенной с верхней частью муфты, предотвращающей изгиб, облегчает установку анкера и, соответственно, улучшает качество перемешивания закрепляющего состава.
• Снижение риска влияния режущих деформаций в конструкции узла МГК на канат, приводящих к повреждению и дальнейшему его обрыву.
• Установлено оптимальное соотношение параметров элементов соединительного узла МГК.
• Соединение МГК является разновидностью клинового зажима, используемого в такелажных механизмах, уступающего по надежности только вантовому соединению [15].
• Резьбовая затяжка анкера является более надежной по сравнению с цанговым зажимом, при использовании которого возможно самопроизвольное «рассухаривание» и ослабление под воздействием динамических нагрузок (вибрации при подвешивании МПД, БВР и т.д.).

Список литературы

1. Голавинский В.Н., Ломакин А.Ю., Карасев В.А. Опытно-конструкторское внедрение (ОПИ) активных и комбинированных (пассивных) типов крепления на участках развития опорного давления в горных выработках АО «ТНК «Казхром» // Уголь. 2025
2. ГОСТ 31559 – 2012. Крепи анкерные. Общие технические условия.
3. Еременко В.А. Разработка и обоснование параметров системы анкерного крепления междукамерного целика большого сечения и протяженности // Горный журнал. 2020
4. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Инструкция по расчету и применению анкерной крепи на угольных шахтах». М., 2021.
5. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Правила безопасности в угольных шахтах». М., 2021.
6. Повышение эффективности анкерного крепления горных выработок путем применения «активных» методов управления состоянием массива горных пород / Е.А. Разумов, С.И. Калинин, В.Г. Венгер и др. // Горный журнал. 2021
7. Нестандартные способы крепления конвейерного транспорта / И.В. Стампольский, А.Н. Ходосевич, В.А. Самматов и др. // Уголь. 2025
8. Самматов В.А. Карасев В.А. Технологические решения, повышающие устойчивость крепления горных пород // Уголь 2025
9. Федянин А.С. Стратегия организации контроля и управления технико-производственными рисками горнодобывающих предприятий // Горный журнал. 2022
10. Charlie C. Li. Principles of rockbolting design. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2017
11. Hoek E., Kaiser P.K., Bawden W.F. Support of Underground Excavations in Hard Rock. AA Balkema, Rotterdam, 1995
12. D. Jean Hutchinson, Mark S. Diederichs. Cablebolting in underground mines. Published by BiTech Publishers Ltd, 1996
13. Копейкин И.С., Лягов А.В., Исмаков Р.А. Особенности работы цанговых механизмов в пакерных системах при повторных посадках в скважине // Нефтегазовое дело. 2021
14. Патент на полезную модель № RU205737U1 Российская Федерация. Гибкий анкер / Ф.А. Анисимов / Патентообладатель Анисимов Федор Александрович
15. Создание заделок канатной штанги, выполненных в виде вантового соединения // В.Н. Ивановский, А.А. Сабиров, А.В. Деговцев и др. // Территория «Нефтегаз». 2019