Разновидности анкерных крепей и механизмы ее работы

Сущность анкерной крепи следующая. Анкерная крепь состоит из системы стержней (деревянных, металлических, железобетонных, пластмассовых и др.), закрепляемых в пробуренных по контуру выработки скважинах и предназначенных для увеличения несущей способности горных пород за счет скрепления и удерживания ее отдельных слоев или блоков в зависимости от структурного строения пород, вмещающих выработку.

Все анкера, по принципу закрепления в скважине, могут быть разделены на две группы: замковые [6], т. е. закрепляемые в скважине специальным устройст­вом (замком) и беззамковые, закрепление которых происходит за счет контакта с породными стенками скважины по всей длине ее рабочей части [5,7].

На рис 1.2. представлен внешний вид конструкции анкерного крепления. Анкер состоит из стержня, замка и натяжного устройства. Замок анкера служит для закрепления стержня в породе, а натяжное устройство - для создания в теле анкера предварительного натяжения с целью уменьшения развития деформаций горных пород.

Чаще всего закрепление анкера производится с помощью химической смолы[11].Анкеры стержневого типа закрепляют в шпурах с помощью ме­ханических замков и затвердевающих и расширяющихся растворов [28].

Рис 1.2. Внешний вид конструкции анкерного крепления

Во всех замковых анкерных крепях присутствуют, как правило, следующие элементы: замок 1, соединенный с несущим стержнем 2, на другом конце которого (выходящего в полость выработки) устанавливается опорная плита 3 с натяжной гайкой 4 (рисунок 1.3, а). В подавляющем большинстве эта группа анкеров различается только конструкцией замков, наиболее распространенные из которых представлены на рисунках 1.3 и 1.4.

Анкер с клинощелевым замком (см. рисунок 1.3, а) закрепляется в шпуре с помощью клина 5, входящего в щель между двумя сегментами замка при нанесении ударов по концу несущего стержня, выступающего внутрь выработки. Клин перемещаясь в щели, распирает сегменты замка, которые внедряются в породные стенки шпура.

Следует отметить, что сам процесс установки клинощелевого анкера не может быть признан эффективным по следующим причинам: во-первых, величина внедрения в породу сегментов замка зависит от силы наносимых ударов по концу несущего стержня, причем энергия ударов за счет изгиба стержня значительно снижается при подходе у замку анкера, а сами удары наносятся, как правило, вручную без какой либо механизации этого процесса; во-вторых при установке анкера может нарушиться вся его конструкция, начиная от смятия резьбы на конце несущего стержня и до разрушения узла крепления несущего стержня к клинощелевому замку [43,44…48].

Рисунок 1.3 – Конструкции замковых анкеров:

а) клинощелевой; б) с металлическим замком; в) с эластичным распорным замком

Анкер с металлическим распорным замком (см. рисунок 1.3, б). Замок анкера распирается в породных стенках шпура при смещении клиновидных гильз друг относительно друга.

При этом для осуществления начального распора в некоторых конструкциях анкеров используется установочная труба, которая не дает правой гильзе проскальзывать вниз при смешении левой гильзы распорного замка. Такая конструкция замка обеспечивает достаточно большую площадь контакта распорных гильз с породными стенками шпура, что обеспечивает большую прочность закрепления анкера. Так, в породах средней крепости и крепко-несущая способность анкера может достигать 100... 120 кН и более и часто определяется не прочностью закрепления замка, а прочностью на разрыв несущего стержня. Распорный анкер можно устанавливать в любом месте и длине шпура, главное, чтобы длина шпура была не меньше расчетной для того, чтобы конец несущего стержня выступал в выработку только на длину необходимую для установки опорной плиты и осуществления начального натяжения с помощью гайки. При приложении осевых усилий к несущему стержню распорный анкер как бы самозаклинивается: левая гильза, смещается относительно правой, создает все большие усилия распора, за счет чего гильзы внедряются в породные стенки шпура на большую величину и прочность закрепления замка анкера возрастает. За счет большой площади контакта замка анкера с породными стенками шпура он имеет достаточно высокую несущую способность даже в слабых породах [2, 11, 49, 50, 51, ].

Анкер с распорной эластичной втулкой (см. рисунок 1.3, в) принципиально отличается конструкцией своего замка от анкера с распорным металлическим замком. Закрепление анкера в шпуре осуществляется за счет сжатия эластичной втулки в осевом направлении и ее расширения по закону Пуассона в радиальном направлении. При этом наружная поверхность втулки входит в контакт с породными стенками шпура, на контакте развиваются радиальные напряжения, которые обеспечивают появление касательных напряжений трения при осевом смещении замка. Конструкция замка довольно просто, а сжатие эластичной втулки достигается вращением несущего стержня с помощью, например, двух гаек, навинченных на конец несущего стержня, выступающего в выработку. Гайка, расположенная на несущем стержне у забоя шпура стопорится за счет специального паза, либо за счет того, что коэффициет трения стали по резине (из которой чаще всего изготавливаются эластичные втулки) гораздо выше, чем коэффициент трения стали по стали с особенностей резьбового соединения.

На рисунке 1.4, а представлена конструкция железобетонного и сталеполимерного анкеров, которые конструктивно практически одинаковы за исключением состава закрепляющей смеси (твердеющей смеси): у железобетонного анкера – песчаноцементная смесь с мелким заполнителем; у сталиполимерного анкера – смесь синтетических смол различных марок с отвердителем и мелким заполнителем (иногда без последнего). Описываемая конструкция анкера может быть отнесена и к группе замковых, когда закрепляющая смесь располагается на небольшом участке (обычно не более 300..400 м) у забоя шпура и служит для фиксации в ней несущего стержня. В качестве несущего стержня используется арматура гладкого или периодического профиля [2, 11, 45, 51, 52].

Беззамковые винтовые анкера (см. рисунок 1.4, б) аналогичны по свойству конструкции замковым, только винтовая навивка располагается по всей длине несущего стержня за исключением небольшого участка у устья шпура. Наружная часть витков внедряется в породные стенки шпура при ввинчивании анкера и за счет контакта на участках внедрения осуществляется закрепление анкера в шпуре. Поскольку у беззамкового винтового анкера количества гораздо больше, чем у замкового, то при его ввинчивании в шпур необходимо прикладывать к наружному концу анкера гораздо больший кру­тящий момент.

Рисунок 1.4– Конструкции беззамковых анкеров:

а) железобетонный и сталеполимерньй; б) винтовой; в) трубчатый

Трубчатый анкер (см. рисунок 1.4, в) представляет собой металлическую трубу, внутренняя полость которой снаряжена зарядом взрывчатого вещества (обычно от одной до трех ниток детонирующего шнура, располагаемого по всей длине трубы), а остальная полость заполняется инертным материалом для повышения энергопередачи при взрыве заряда. Такая заготовка трубчатого анкера вводится в шпур и посредством взрыва заряда труба развальцовывается в шпуре (как жесткой матрице) вступая в контакт по всей поверхности породных стенок шпура. Таким образом трубчатый анкер следует отнести к группе беззамковых анкеров.

Таким образом, проанализированы основные принципиальные конструкции анкерной крепи, которые наиболее широко применяются при креплении горных выработок, хотя довольно сложно охватить все их многообразие перегруппировав по главным конструктивным признакам [2, 11, 43…52, 54].

К настоящему времени в отечественной и зарубежной практике известно более 600 различных конструкций анкеров. Существующее многообразие анкерных крепей, как правило, подразделяют на два больших класса – замковые, входящие в контакт с породными стенками шпура на относительно небольшом участке его поверхности, и беззамковые, закрепляемые по всей или большей части длины шпура. Оба выделенных класса конструкций анкеров имеют свои преимущества и недостатки, которые необходимо всесторонне проанализировать как с точки зрения геомеханики, так и с точки зрения технико-экономических показателей работы предприятия, имея конечной целью создание конструкции анкера с наиболее рациональным режимом взаимодействия с породными стенками шпура и породным массивом в целом при относительно невысокой его стоимости [9, 11, 12, 43, 54].

В случае замкового типа, работа анкера проходит по большей части в податливом режиме, поскольку усилия проскальзывания замка в шпуре оказываются меньше, чем усилие разрыва стержня. Такие анкеры обычно не могут помешать развитию зоны разрушения, хотя заметно сдерживают этот процесс. Технические возможности беззамковых анкеров значительно более высоки, особенно в сталеполимерных конструкциях нового поколения. Они работают в жестком режиме и способные при соответствующей плотности установки блокировать развитие смещений пород, ограничивая их 20 - 50 мм. Разрушение беззамкового анкера возникает за счет разрыва стержня.

Неотъемлемыми частями анкерного крепления выступают поддерживающие элементы: опорные шайбы (плиты), подхваты и затяги (в основном стальные решетчатые или сетчатые), которые передают усилие натяжения анкера на контур пород и препятствуют их расслоению и обрушиванию. Шайбы (плиты), которые увеличивают опорную поверхность анкера, выполняют в основном из листовой стали плоскими или полусферическими (в случае наклонного расположения анкера, а также для обеспечения ограниченной податливости). Их размер в случае квадратной формы составляет до 200х200х10 мм, диаметр круглой шайбы – 150-200 мм. В неустойчивых породах применяют поперечные подхваты, которые выполняют из тонколистовой стали или, в особенно сложных условиях, из швеллера или спецпрофиля. Длина подхватов равняется ширине выработки.

До 80-х годов ХХ ст. чаще применяли замковые анкеры, по большей части с распорными головками. Конструкция распорных анкеров предусматривала наложение двух полумуфт распорного стакана на головку анкера и сочетания их между собой с помощью проволочного или резинового кольца. При монтаже анкер устанавливали в монтажную трубу, которая верхним концом опиралась на дно распорного стакана, и вводили ее в шпур. Для перемещения распорного стакана в донную часть шпура ударяли по концу трубы (при этом полмуфты раздвигались и сцеплялись с породой). После вынимания трубы устанавливали опорную плиту и закручивали гайку. Натягивание стержня (до 30 кН) приводило к смещению вниз распорной головки и силового раздвижения контактных поверхностей полумуфт в стенки шпура. Как можно заметить, монтаж замковых анкеров практически не подлежал механизации.

Следует отметить, что несущая способность замковых анкеров зависит от многих влиятельных факторов (в первую очередь от прочности пород), часто имеет случайный характер и колеблется от 30 до 100 кН (в крепких породах). При этом надежность анкера определяется не разрывом стального стержня, который имеет достаточный запас прочности, а усилием проскальзывания замка в шпуре. С началом проскальзывания несущая способность анкера может значительно уменьшиться. Для более надежного закрепления анкеров были разработанные конструкции с удвоенными или удлиненными замками (с целью создать большую площадь контакта замка со стенками шпура). Сложность изготовления, высокая цена и недостаточная надежность таких конструкций ограничили развитие этого технического направления. Основным путем повышения надежности анкерного крепления стало закрепление стержня по всей длине шпура с помощью цементных или полимерных смесей (технология армирования пород).

Железобетонные анкеры состоят из стального стержня периодического профиля или каната, песчано-цементной смеси, которой заполняют шпур, уплотняющего кольца и натяжной гайки. В большинстве случаев стальной стержень вводят в шпур, уже заполненный раствором цементной смеси (набивной анкер). Иногда сначала вставляют анкер, а затем (или одновременно) проводят иньекцию в шпур твердеющего раствора (нагнетательный анкер). Такой способ закрепления наиболее характерен для канатных анкеров. Обычно натяжение стержня проводят после 3-5 часов после установления. Несущая способность обычных железобетонных анкеров составляет 80 - 120 кН, канатных - до 250 кН.

Преимуществами крепления этого типа является простота конструкции, возможность эффективного приложения в разных породах, практически неограниченный срок службы, низкая стоимость (цементные смеси почти на порядок дешевле полимерных). Сдерживающим фактором широкого применения железобетонных анкеров является то обстоятельство, что они способны воспринимать нагрузку только после набора бетоном необходимой прочности (10-12 часов), а нормативная несущая способность обеспечивается только за 1-2 сутки. Для ускорения процесса отвердевания возможное использование особенных цементных смесей с добавлением ускорителей отвердевания (обычно - жидкого стекла).

Горным бюро США разработана микрокапсульная скрепляющая смесь "Ке-микрон 2000", которая обеспечивает уже через 3 минуты после монтажа железобетонного анкера несущую способность около 90 кН. Однако быстрое введение в работу анкера нуждается в существенном увеличении цены особенной цементной смеси, приближая ее к синтетическим держателям.

Наибольшее распространение в современной практике анкерного крепления получили сталеполимерные конструкции, особенно в условиях неустойчивых, трещиноватых пород, а также (благодаря высокой технологичности монтажа) при скоростном сооружении горных выработок. Средством закрепления стальных стержней являются полимерные композиции на основе эпоксидных, полиэфирных и фенолоформальдегидных смол, полиуретановых и фурановых составляющих частей, а также минерально-органических смесей. В начальном состоянии компоненты закрепителя размещают в изолированных один от другого отделениях ампул. Во время введения и вращения стержня ампулы разрушаются, их составляющие и соединяются и перемешиваются, а смесь получает способности быстрого отвердевания и высокой адгезии к стенкам шпуров и материала стержней.

Несущий элемент (стальной стержень) выполняют из арматурного периодического профиля. Поперечные выступления профиля должны обеспечивать перемешивание компонентов и транспортировка смеси от донной к забойної части шпура (при вращении стержня), а также заключение и содержание смеси в пространстве между стенкой шпура и анкером. Главную часть стержня с целью надежного разрушения оболочки ампулы и предотвращения его сгибания выполняют остро заточенной, или разрезанной на длину 40-50 мм с отгибанием концов в противоположные бока. На исходной части анкера на длине до 150 мм выполняют резьбу для необходимого натягивания стержня после его закрепления в шпуре. Прочность на разрыв стержней нового поколения составляет для диаметров 25, 27 и 30 мм – соответственно 250, 350 и 500 кН.

Важной составляющей эффективной работы анкеров является точное соблюдение заданных параметров шпуров: места расположения, пространственной ориентации, длины и диаметра, прямолинейности и качества поверхности. Особенным требованием является обеспечение размеров свободного кольцевого пространства между стержнем и стенками шпура. Диаметр шпура должен превышать диаметр стержня на 6-8 мм, что обеспечивает необходимые условия для рационального разрушения ампул, эффективного перемешивания смолы и затвердитель, распространение смеси по всему кольцевому пространству. Качественная поверхность шпура предусматривает образование необходимой шероховатости, которую обеспечивают дополнительным скоростным прохождением бурового инструмента по пространству подготовленного шпура.

Следует отметить, что современные химические закрепители гарантируют нормативную несущую способность анкера – 150 кН (стержень из обычной арматурной стали), а в особенных конструкциях – от 250 до 500 кН. При этом усилие разрушения полимера в кольцевом пространстве шпура (с учетом контактного сцепления) не уступает прочности стального стержня, который свидетельствует об оптимальных параметрах конструкции. Сталеполимерный анкер вступает в работу практически сразу после установления, поскольку процесс полимеризации (отвердевание) смеси занимает лишь несколько минут. Высокая технологичность и механизация монтажа сталеполимерных анкеров обеспечивают необходимые темпы сооружения выработок и существенно повышают конкурентоспособность этого типа крепления. К недостаткам синтетических закрепителей следует отнести высокую стоимость и ограниченный срок службы (до 5 лет).

Перспективным направлением развития беззамковых конструкций является создание анкеров в виде тонкостенных стальных трубок, которые закрепляют в массиве путем увеличения диаметра трубки во время установки. Массив при этом поддерживается с помощью высокой силы трения между стенками шпура и анкера. Их несущая способность сразу после установления достигает до 500 кН, время монтажа не превышает 5-7 минут, но нуждается в специальном оборудовании для создания импульсного раздвигания оболочки анкера.

Интересной возможностью армирования слабых пород является способ силового вдавливания стальных стержней в породу. Он исключает необходимость бурения шпуров и искусственного закрепления анкеров. Работоспособность анкера обеспечивается силами трения между породой и стенками стержня. Параметры этого способа и устройства для вдавливания анкеров в горную породу находятся в стадии экспериментальных внедрений.

Подытоживая обзор конструкций анкерного крепления, отметим его значительные возможности для экономии ресурсов, повышения безопасности горных работ, скоростного сооружения выработок. Широкое промышленное внедрение анкерного крепления осуществляется на основе новейших высоких технологий (высокопрочные материалы стержней и закрепителей, оборудование и машины для механизации монтажа). Область эффективного применения анкеров постоянно расширяется [30…32, 55].

Анкерная крепь – самая эффективная из различных систем крепления массивов горных пород [56]. На рис. 1.5 представлена классификация анкерных крепей и систем.

Классификация анкеров производится по следующим признакам:

1)по особенностям закрепления;
2) по разновидности замка анкера;
3) по разновидности замковой части стержня;
4) по конструктивным особенностям;
5) по особенностям установки, извлечения и контроля;
6) по особенностям применения;
7) по разновидностям опорных элементов.

Рис. 1.5 Классификация анкерных крепей и систем

В настоящее время применяют анкера металлические, железобетонные, деревянные и сталеполимерные.

Металлические анкера наиболее распространенные конструк­ции, состоят из круглого стержня, на одном конце которого имеется резьба и гайка (или болтовая головка), а на другом — так называ­емый замок, с помощью которого анкер закрепляется в скважине.

Конструкций замков известно очень много. Их изготовляют из металла и разделяют на клино-щелевые, распорные и взрыво-распорные.

В комплект анкера входит также шайба или опорная плитка, устанавливаемые на контуре выработки и обеспечивающие возмож­ность натяжения анкера при завинчивании гайки.

Положительной особенностью метал­лических анкеров является их способность воспринимать расчетную нагрузку сразу после установки, вследствие чего их применение особенно эффективно в выработках, в которых горное давление начинает проявляться вскоре после обнажения пород.

Железобетонные анкера образуются в резуль­тате заполнения бетоном или цементным раствором скважины, в ко­торую до или после этого вводят стальную арматуру. Конец арма­туры обычно выступает в выработку и служит для закрепления на нем опорной плитки или подхвата.

Диаметр скважины принимают в пределах 36—42 мм. В качестве стержней используют арматуру периодического профиля или глад­кую диаметром 16—22 мм. В отдельных случаях применяют арма­туру из двух-четырех стержней небольшого диаметра или свитых проволок, а также используют отрезки очищенного от масла старого стального каната.

Наибольшее распространение имеют так называемые забивные анкера, при которых стержневую арматуру вводят в скважину после ее заполнения бетоном марки 300—400, приготовляемым без крупного заполнителя.

Технология заполнения скважины раствором после установки в нее арматуры более сложна, поэтому так называемые нагнетаемые анкера применяют реже. При этом требуется применение цементного раствора с повышенным водоцементным отношением, что отрица­тельно влияет на сроки твердения раствора и прочность цементного камня.

Конструктивно железобетонные анкера проще металлических.

Железобетонные анкера можно применять в породах раз­личной крепости для упрочнения кровли, боков и подошвы выра­боток.

Достоинством железобетонных анкеров является то, что бетон, заполняющий скважину, создает прочный контакт с породой по всей длине штанги и поэтому она наилучшим образом препятствует смещению и расслоению пород. Исключается также возможность ослабления пород в стенках скважины вследствие ее выветривания. Металлический стержень защищается бетоном от коррозии, что обеспечивает долговечность таких анкеров.

Отрицательной стороной железобетонных анкеров является невоз­можность восприятия ими нагрузки сразу после установки, поэтому их целесообразно применять в тех случаях, когда давление в выра­ботке начинает проявляться лишь после приобретения бетоном надлежащей прочности. При быстротвердеющем бетоне этот срок удается сократить до 5—6 ч.

Деревянные анкера представляют собой круглые стержни диа­метром 40—60 мм, на обоих концах которых устраивают замки клино-щелевого типа. Щели шириной не более 4—5 мм располагают строго по диаметру во взаимно-перпендикулярных плоскостях в целях предотвращения раскалывания стержня при расклинивании. Щель на глубинном конце анкера следует делать длиной 400—450 мм, а на контурном конце — 200—250 мм. Стержни изготовляют из прочных пород леса (лиственница, дуб и т. п.), но часто используют и сосну. Для изготовления анкеров необхо­димо применять высококачественный лес. Клинья следует выполнять только из прочных твердых пород леса — дуба, березы, а также из прессованной древесины и т. п. Их длину принимают на 40—50 мм меньше длины щелей, а толщину 20—25 мм.

При установке анкер со вставленным в устье щели глубинным клином вводят в скважину до упора в забой. Ударяя по выступа­ющему из скважины концу анкера, надвигают ее на клин, при этом происходит смятие древесины поперек волокон в усах анкера и частично в клине. Внедрения усов деревянного анкера в бока сква­жины в подавляющем числе случаев не происходит, поэтому несущая спо­собность замка деревянного анкера определяется в основном сопротивле­нием древесины смятию поперек волокон и площадью контакта усов с породой.

Деревянные анкера применяют пре­имущественно в выработках небольшого поперечного сечения со сроком службы до одного года при легких условиях поддержания.

Сталеполимерные анкера состоят из круглого сталь­ного стержня с уплотнительным кольцом. На конце анкера, находящемся у контура выработки, имеется резьба для гайки и опорная плитка или шайба.

Глубинный конец закрепляют в скважине с помощью быстротвердеющего полимербетона, состоящего из смолы, отвердителя, ускорителя твердения и мелкого наполнителя. Состав полимер-бетона подбирают таким, чтобы время его отвердения при заданной температуре породного массива не превышало 15—20 мин, а сцеп­ление с арматурой и породными стенками обеспечивало потребную несущую способность анкера. Для подачи полимербетонной смеси в забой скважины обычно применяют стеклянные или полиэтилено­вые ампулы, наполненные смесью смолы, ускорителя и наполни­теля. Отвердитель вводят в ампулу в закрытой стеклянной пробирке.

При установке анкера ампулу вводят в скважину, досылают до забоя стержнем анкера, раздавливают ампулу и пробирку с отвердителем и вращением анкера перемешивают смесь. Затем контур­ный конец анкера временно расклинивают в устье скважины. После отверждения смеси и приобретения ею определенной прочности вынимают временный клин, навешивают на анкер опорный эле­мент и закручивают гайку. Сталеполимерные анкера имеют высокую несущую способ­ность и при рациональном составе полимербетона быстро воспри­нимают нагрузку.

Ценная особенность работы таких анкеров состоит в практическом отсутствии смещений при возрастании нагрузки до предельной, что выгодно отличает их от металлических штанг [8].

По характеру работы различают жесткие, податливые и ограниченно-податливые анкеры. Податливые анкеры способны удлиняться на 500—700 мм за счет телескопического устройства или растяжения стержня, выполненного из аустенитовой стали. Ограниченно-податливые анкеры в отличие от податливых удлиняются только на 60—140 мм. Податливость анкеров всех конструкций повышается пропорционально увеличению нагрузки и достигает критической при давлении около 180 МПа. Жест­кое крепление создает дополнительные растягивающие напряжения при смещениях кровли в зоне неупругих деформаций. Эффект податливости штанг обеспечит плавность де­формаций и уменьшит случаи внезапных обрушений кровли в призабойной части выработок [20].

Податливые анкеры намного эффективнее в применении, чем жесткие и ограниченно податливые анкеры.

Например, в слабых породах, конкретно в Западном Донбассе, анкерная крепь наиболее широко [60,65,67,68] используется в комбинации с арочной рамной податливой крепью из спецпрофиля СВП (рамно-анкерная крепь).