Взаимодействие крепи с горными породами

Все многообразие применяющихся конструк­ций крепей по характеру взаимодействия их с мас­сивом можно разделить на следующие группы:

- изолирующие крепи, предохраняющие породы приконтурной зоны от выветривания;

- ограждающие крепи, предохраняющие выра­ботку от локальных обрушений пород;

- упрочняющие крепи, повышающие прочность и устойчивость вмещающих пород;

- подпорные крепи, обеспечивающие значительное сопротивление (отпор) смещающимся в выработку породам;

- комбинированные крепи [27].

Требования, которым должна удовлетворять горная крепь. При выборе типа крепи выбирать нужно ту конструкцию, которая обеспечивает:

1) возможность установки непосредственно у забоя с наименьшей опасностью повреждения при очередном взрывании;

2) наибольшую производительность труда крепильщиков путем механизации операций по установке;

3) отсутствие помех в работе горных машин и транспортных средств в забое;

4) наименьшее влияние на увеличение поперечного сечения выработки по сравнению с размерами в свету;

5) наименьший объем, вес и стоимость материалов крепи;

6) срок службы, обеспечивающий требуемый срок существования выработок;

7) наименьшие расходы по поддержанию закрепленных выработок в течение периода их эксплуатации.

Анкерная крепь применяется в выработ­ках с различными технологическими функ­циями без исключения, в том числе: корен­ных штреках, уклонах, бремсбергах, ходках, сбойках, камерах и т. п.. Отдельные выра­ботки в силу специфических особенностей подземной добычи угля по требованиям вентиляции и транспорта приходится под­держивать в течение длительного времени.

Под устойчивостью выработки понимается способность ее сохранять заданные размеры и форму поперечного сечения в течение заданного срока службы.

Для достижения устойчивости выработки необходимо увеличить несущую способность пород. Необходимое упрочнение наиболее эффективно может быть осуществленно закреплением в породах стальных или полимерных стержней – анкеров [2].

Принципиальная особенность такой крепи состоит в том, что анкера, упрочняя массив пород, позволяют максимально использовать его собственную несущую способность, благодаря чему и большинстве случаев отпадает необходимость в применении обычных поддерживающих видов крепи. Анкерная крепь при правиль­ном применении позволяет с минимальными затратами материалов и труда обеспечить поддержание выработок в исправном состоянии в разнообразных условиях: при слоистых и неслоистых трещиноватых породах, вне зоны и в зоне влияния очистных работ, в выработ­ках различных форм поперечного сечения, в качестве постоянной или временной крепи, самостоятельно или в сочетании с другими видами крепи [8].

Анкерная крепь относится к крепям бесподпорного типа и по сравнению с обычными под­порными конструкциями имеет следующие преимущества:

- повышает безопасность ведения горных работ, так как лучше любой другой крепи противостоит взрывным работам и может устанавливаться в забое как временная;

- обладает потенциальными возможностями для полной меха­низации процесса крепления;

- требует меньшего расхода крепежных материалов и меньших, затрат на их доставку;

- позволяет уменьшить сечение горной выработки на 18—25% и ее аэродинамическое сопротивление (по сравнению с рамной крепью).

С точки зрения условий применения и принципа взаимодей­ствия крепи с массивом можно выделить три основные схемы анкерования (рис. 1.6).

Рис.1.6. Схемы анкерования:

а — методом сшивки; б — методом подшивки; в — для предотвращения вывалов пород

Первая схема (метод «сшивки»), наиболее распростра­ненная, заключается в следующем (рис. 1.6,а).

Слоистые по­роды, скрепленные анкерами, работают до появления трещин как единая балка, сопротивление изгибу которой выше, чем суммарное сопротивление отдельных нескрепленных слоев. После появления трещин анкеры способствуют образованию породных блоков большой высоты, которые заклиниваются между собой и не обрушаются в выработку.

При второй схеме (методе «подшивки») (рис. 1.6,б) разрушенные породы в кровле выработки (слабые породы не­посредственной кровли) подвешиваются анкерами к ненарушенным породам за пределами свода обрушения (к прочным породам основной кровли). При этом анкеры должны выдер­живать вес пород в своде обрушения или всей пачки пород непосредственной кровли.

Третью схему анкерования применяют в крепких тре­щиноватых породах, когда крепь выполняет роль ограждающей конструкции, предохраняющей выработку от отдельных случай­ных вывалов (рис. 1.6, в).

В отличие от рамной крепи анкерная крепь возводится предварительно напряженной, поэтому сразу же после возведения крепи повышается сцепление по плоскостям напластования пород или их трещинам [2].

Анкерное крепление создает зоны самозаклинивания пород в кровле горной выра­ботки. Кроме того, создается возможность управления напряженно-деформированным состоянием горного массива, посредством перераспределения векторов нагрузок от процессов усиления и релаксации напряжений в гор­ном массиве [22].

Основными факторами, определяющими выбор конструкции крепи, состоящей из анкеров, опорных элементов и затяжки, являют­ся: их назначение, срок службы выработок, форма и размеры, геоме­ханические и горно-геологические условия проведения и крепления, величина горного давления, характеристики устойчивости и строения пород кровли и боков выработок.

В качестве основного фактора, определяющего плотность установки анкеров, принимается несущая способность замков анкеров или их начальное натяжение. При этом предполагается, что величина несущей способности замков и натяжения анкеров в процессе работы крепи остаются неизменимыми, хотя данные практики и специальных исследований показывают, что натяжение анкеров установленных в горных выработках притерпевает существенное изменение, которое значительно может отличаться от первоначального.

С помощью анкерной крепи обеспечивается взаимодействие отдельных слоев пород в кровле выработки. Это означает, что отдельные слои породы в зоне пониженных напряжений стягивают анкерами, тем самым исключают в этих слоях действие вертикальных растяжений и сжатий и обеспечивают несущую способность кровли.

Поэтому в тонкослоистых породах можно с помощью анкеров закрепить слои пород в кровле и тем самым предотвратить их отделение от массива, взаимное сдвижение и прогибание в горную выработку. Устойчивость кровли при этом будет зависеть от предела прочности пород на изгиб и числа соединенных анкерами слоев. Эти выводы были подтверждены многими исследователями.

Горную выработку можно поддерживать анкерной крепью и тогда, когда кровля ее не плоская, а сводчатая, порода частично разрушена или же предполагается различный характер залегания слоев. При сводчатой форме выработки обеспечивается дополнительное сопротивление боковым смещениям слоев пород.

При сводчатой форме выработки анкера закрепляют в породе, в которой не произошло нарушение равновесного напряженного состояния, или где напряжения не превысили предела упругости породы.

Для противодействия растягивающим напряжениям анкера должны устанавливаться перпендикулярно к плоскостям зарождающихся трещин, т.е. в кровле – к плоскостям напластования, а в стенках – к плоскостям продольных трещин разрыва. В слоях пород с различными углами залегания анкера необходимо устанавливать веерообразно, учитывая угол наклона или нарушение связности пород [2].

Общий объем поддерживаемых выработок на шахтах 16 тыс. км. В Донбассе при переходе с глу­бины 500 на 1000 м смещения пород контура под­готовительных выработок увеличились примерно в 3 раза [15]. С 1970 г. средняя несущая способность крепи возросла более чем в 2 раза (до 195 кН/м²), затраты на поддержание выработок возросли в 2,4 раза, стоимость крепления — в 2,5 раза [16]. Несмотря на значительный рост материалоемкости и стоимости крепи, ежегодные объемы перекрепле­ния составляют не менее 8—10% от протяженнос­ти поддерживаемых выработок, на их ремонте заня­то более 11% подземных рабочих [2].

Анализ известных в отечественной и зарубеж­ной практике технологических разработок в обла­сти крепления и поддержания выработок показыва­ет, что одним из перспективных и эффективных направлений является внедрение анкерных крепей и систем[18].