В настоящее время горные работы на шахтах Карагандинского бассейна ведутся на глубине 500-800 м. С учетом давления горной массы, одной из проблем является сохранение в рабочем состоянии выработок, прилегающих к лавам. При этом устойчивость выработок зависит от таких факторов, как характеристики вмещающих пород, вид и плотность крепления, места заложения выработок и их ориентация в массиве к действующим напряжениям.
Породы кровли в проводимых выработках имеют невысокую прочность и при обнажении более одного метра обрушаются. При этом породы склонны к размоканию и пучению. В тектоническом отношении разрабатываемые пласты являются сложными. Широкое внедрение технологических схем бесцеликовой выемки пластов обусловило высокие затраты на поддержание выработок, необходимость проведения новых выработок вприсечку к выработанному пространству.
В настоящее время на шахтах департамента большинство горных выработок крепится металлической крепью, которая практически является ограждающей и служит для удержания отслаивающейся массы пород. Однако даже при тщательной забутовке традиционно применяемая в подготовительных выработках рамная крепь не всегда может предотвратить прогиб пород кровли.
Переход на анкерное крепление обеспечивает совершенно другое геомеханическое состояние выработок, поскольку при этом отсутствует расслоение пород в кровле, и из-за опорного давления на почву выработки за счет местных напряжений, создаваемых рамной крепью, происходит пучение пород почвы в выработке.
Время совершенствования и внедрения анкерного крепления можно разделить на этапы: анкеров клинового типа, т.е. распорных или фрикционных анкеров; сталеполимерных анкеров (металлический гладкий или рифленый стержень, закрепляемый в шпуре при помощи химических смол); гибких канатных анкеров, или, как их именуют в настоящее время, анкеры глубокого заложения, анкеры второго уровня. Глубина их установки – 3-7 м. Технологически они могут служить для крепления оконтуривающих выемочных столбов горных выработок в зонах повышенного горного давления, в зонах опережающего горного давления впереди очистного забоя, что значительно повышает безопасность труда на концевых участках очистного забоя, для крепления различных камер, для подвески балки монорельсовых дизельных дорог и т. д.; замены металлических стержней, подхватов и металлической сетки для перетяжки кровли, боков горных выработок на стеклопластиковые или изготовленные из других искусственных материалов (рисунок 1).
Особенность схемы управления горным давлением при анкерном креплении в проводимых выработках заключается в том, что эпюра максимума опорного давления практически всегда на линии забоя и обеспечивает устойчивое равновесное состояние приконтурных пород. Момент сопротивления заанкерированной породной балки в 3-4 раза больше, чем у незакрепленной.
Преимущества технологии анкерного крепления очевидны: сокращение расходов на крепление, повышение безопасности работ, сокращение объемов транспортировки материалов, эффективное использование сечения выработок, упрощение концевых операций на сопряжениях лав со штреками.
Наиболее полно отвечают требованиям крепления выработок сталеполимерные анкеры, представляющие собой металлические стержни, закрепляемые в шпурах растворами на основе смол или цемента. При использовании данных анкеров с закреплением по всей длине шпура увеличивается агрегатная прочность массива горных пород и создается несущая балка, оказывающая высокое сопротивление нагрузкам и напряжениям.
Дальнейшее расширение анкерного крепления планируется через применение тросовых, полимерных, пучковых и самозабуривающихся анкеров.
В соответствии с инструкцией по расчету и применению анкерной крепи на шахтах Карагандинского угольного бассейна шахты должны принимать оперативные меры по корректировке паспорта анкерного крепления выработок. Это, прежде всего, касается применения анкеров большей длины, несоответствие которых на шахтах приводит к снижению качества крепления и повышению трудозатрат.
Нами разработаны прогрессивные технологические решения по системам анкерного крепления и созданы рабочие чертежи на изготовление отечественных конструкций. Это анкер с внутренним отверстием (или внешней насечкой) (рисунок 2). Внутренние отверстия (или внешняя насечка) в анкере разработаны для подачи закрепляющего состава в шпур через отверстия (или через пластмассовые трубки в насечках) после его установки, что позволит концентрированно распределять скрепляющий состав по
поверхности шпура, эффективнее закрепить анкер к прилегающим породам и улучшить его прочностные характеристики.
Уголковый подхват с отверстием (рисунок 3). Данный вид крепи применяется в подготовительных выработках непосредственно у груди забоя, что позволяет обезопасить от выпада негабаритов (раскоски) и за счет конструктивных особенностей (уголок с отверстиями) позволяет равномерно распределить нагрузку на анкеры в дальнейшем и эффективнее использовать данную крепь.
Регулируемый металлический подхват (рисунок 4). Металлический подхват разработан для крепления кровли, пластины с помощью трубок могут передвигаться вдоль металлического стержня, что позволяет менять место установки анкера, в частности, если имеются геологические нарушения, а также за счет металлического стержня равномерно распределяется нагрузка на крепь.
Соединительная муфта для анкерной крепи (рисунок 5). Соединительная муфта для анкерной крепи предназначена для увеличения длины анкера, что
позволяет использовать данную крепь в различных условиях, а также через отверстия в муфте можно подавать в шпур закрепляющий состав.
Наращиваемый стальной анкер (рисунок 6). Данная конструкция позволяет увеличить длину стального анкера, за счет чего появляется возможность использовать ее в различных горно-геологических условиях по составу и мощности приконтурных пород. Винтовая поверхность анкера обеспечит надежное закрепление анкера в шпуре, а через отверстие в центре анкера подается закрепляющий состав.
Буровая штанга для разбуривания внутренней поверхности шпура. Буровая штанга для разбуривания внутренней поверхности шпура позволяет при обратном ходе буровой штанги образовывать на внутренней поверхности полости шпура винтовую спиральную борозду, что позволяет повысить качество закрепления сталеполимерного анкера в пробуренном шпуре.
Канатный анкер предназначен для крепления горных выработок путем глубинного анкерования окружающих пород. Закрепление канатного анкера производится при помощи полимерного состава или цементного раствора по всей длине шпура. Для контроля полноты заполнения шпура закрепляющим составом в конструкцию анкера введена центральная воздухоотводящая трубка. Нагнетание скрепляющего состава в шпур прекращают при появлении смолы из воздухоотводящей трубки. Канатный анкер состоит из 5-6 сплетенных проволок диаметром по 6 мм (или в тросовом исполнении) и установленной в середине (или по контуру) трубкой диаметром 6 мм и толщиной стенки 1,5 мм. Общий диаметр анкера составляет 15 - 25 мм, общая длина варьируется по необходимости. В качестве головки анкера используется втулка длиной примерно 120 мм с наружной резьбой М 30.
На машиностроительном заводе № 1 изготовлены опытные образцы систем (в количестве двух штук по каждому наименованию) анкерного крепления и доставлены на шахту «Саранская» УД АО «АрселорМиттал Темиртау» для сравнительного испытания в течение июля-августа 2010 г. с лучшими зарубежными образцами анкерного крепления.
