Анкерная крепь

В слоистых породах большой мощности анкерами скрепляют (сшивают) отдельные слои пород в одно целое (рис. 35, а) или прикрепляют (подшивают) к устойчивой основной кровле (рис. 35, б). В неслоистых монолитных породах большой мощности анкеры располагают в виде расходящихся лучей, в результате чего образуются сжатые породные клинья, которые не могут обрушаться в выработку из-за их самозаклинивания (рис. 35, г).

Все многообразие конструкций анкеров можно систематизировать следующим образом:

1. По материалу анкеров − дерево, металл, железобетон, полимеры, резина и др.

2. По типу стержня − жесткие, гибкие.

3. По виду замка − однозамковые, двухзамковые, многозамковые и беззамковые.

4. По типу замка − клиновые, клинощелевые, распорные, винтовые.

5. По способу закрепления − механический, химический, взрывной, растворами.

6. По числу стержней − одностержневые, двухстержневые, многостержневые.

7. По типу опорных элементов − со сферической, плоской, фигурной шайбой и др.

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

Характеристика стали для изготовления стержней приведена в табл. 32.

Анкер с клинощелевым замком (клинощелевой анкер) изготавливается из круглой стали диаметром 22–25 мм. В замковой части стержня по диаметру образуют щель шириной 2–3 мм и длиной 150–200 мм, в которую при установке штанги вводят клин длиной 120–180 мм и толщиной 25–35 мм.

При ударах по концу анкера, выступающего в выработку, он надвигается на клин, усы внедряются в породу стенок шпура и закрепляются в ней. Диаметр шпура рекомендуется принимать не более чем на 12–15 мм больше диаметра штанги в замковой части. После закрепления анкера на его конец, выступающий в выработку, надевают опорную плитку или подхват и шайбу, а затем завинчивают гайку.

В породах средней крепости с f = 4–8 несущая способность замка при глубине внедрения усов в породу 3–5 мм достигает 100–120 кН. В слабых породах (f = 4) клинощелевые анкеры применять не следует из-за низкой в этом случае несущей способности замка. В крепких породах (f > 12) трудно обеспечить надлежащее расклинивание замка, поэтому клинощелевые анкеры в таких породах применяют редко. Достоинства их − достаточно высокая несущая способность в породах с f = 4–12, простота конструкции и установки, относительно небольшая стоимость.

Рис. 35. Схемы крепления выработок анкерами: а − штанги с опорными плитками в кровле;

б − штанги с металлическими подхватами в кровле и подошве; в − штанги с деревянными подхватами в кровле и с опорными плитками в боках; г − штанги с металлическим арочным подхватом и с затяжкой из сетки. 1 − опорные плитки; 2 − металлические подхваты

Таблица 32

Вид арматуры и документы, регламентирующие качество	Класс арматуры	Марка стали	Диаметр, мм	Расчетное сопротивление стержня растяжению (СНиП 21–75, БСТ-4–78), МПа
Стержневая горячекатаная гладкая ГОСТ 5781–75	A-I	Ст3сп3 Ст3пс3 Ст3кп3 ВСт3сп2 ВСт3пс2 ВСт3кп2 ВСт3Гпс2	6–40 6–40 6–40 6–40 6–40 6–40 6–18
Стержневая горячекатаная периодического профиля ГОСТ 5781−75	А−II	ВСт5сп2 ВСт5пс2 ВСт5пс2 18Г2С 10ГТ	10–40 10–16 18–40 40–80 10–32
A−III	35ГС 25Г2С	6–40 6–40
А − IV	80С 20ХГ2Ц	10–18 10–22
A-V	23Х2Г2Т	10–22
Стержневая термически упроченная периодического профиля ГОСТ 10884–71	AT-IV AT-V AT-VI	− − −	10–25 10–25 10–25

Анкеры с распорным замком выполняют из круглой стали диаметром 16–22 мм с конусной или клиновой головкой и называют распорно-конусными и распорно-клиновыми. Замок в шпуре закрепляют с помощью гильзы или клиновидных сегментов, которые распираются головкой анкера при ее натяжении. Головки выполняют съемными − на резьбе (сборный анкер) или из стержня (цельный анкер). Наружный диаметр гильзы или распорных сегментов при диаметре шпура 42–44 мм принимают равным 38–40 мм, а высоту 80–140 мм, вследствие чего достигается значительно большая площадь контакта замка с породой, чем в клинощелевых анкерах. Они обладают большей несущей способностью. Большинство конструкций распорных замков допускает извлечение анкеров для повторного использования.

Анкер с взрывораспорным замком конструкции ЛГИ состоит из круглого стержня диаметром 20–25 мм и пустотелой цилиндрической головки диаметром 38–40 мм, соединенной со стержнем с помощью резьбы. Замок в скважине закрепляется в результате раздутия головки при взрыве небольшого заряда (20–40 г) низкобризантного ВВ, помещенного в нее. Такие замки особенно хорошо закрепляются в мягких глинистых породах, в которых другие конструкции анкеров имеют низкую несущую способность. Хорошо закрепляются они в крепких породах. При установке анкеров в слабых породах, в частности с пучением, целесообразно применять взрывораспорные трубчатые анкеры, раздутие которых выполняется по всей длине. После раздутия внутрь трубы может быть введен цементно-песчаный раствор для повышения долговечности и надежности.

Имеются и другие конструкции металлических анкеров. Главная особенность металлических анкеров − их способность воспринимать расчетную нагрузку сразу же после установки.

Железобетонный анкер представляет собой арматурный стержень, закрепленный в шпуре бетоном только в замковой части или по всей длине. Первый вид анкера называют замковым, второй − сплошным. Конец арматуры обычно выступает в выработку и служит для закрепления на нем опорной плитки или подхвата. Диаметр шпура принимают равным 36–42 мм. В качестве стержней используют арматуру периодического профиля или гладкую диаметром 16–22 мм. Применяют арматуру и других видов. Достоинства железобетонных анкеров − прочный контакт с породой по всей длине анкера, хорошее сопротивление сдвижению, расслоению, выветриванию пород в стенках шпура, долговечность. Недостатки − невозможность восприятия нагрузки сразу после установки, трудоемкость контроля качественного заполнения шпура бетоном, значительный объем подготовительных работ по изготовлению бетона.

Сталеполимерный анкер, подобно железобетонному, может быть замковым и сплошным. Стальной арматурный стержень закрепляют в шпуре быстротвердеющим полимербетоном, состоящим из синтетической смолы, отвердителя, мелкого заполнителя (песок, гранулированный шлак), а при необходимости − катализатора твердения, пластификатора и других добавок. Твердение полимербетона должно наступать через 2–5 мин после перемешивания его компонентов. Для их подачи в скважину применяют стеклянные, полиэтиленовые или комбинированные ампулы длиной 0,3–0,5 м с двумя-тремя отделениями для раздельного размещения в них смолы и отвердителя, а иногда и катализатора. Заполнитель вводится в смолу, отвердитель − в один или оба компонента. Обычно применяют полимербетоны на основе эпоксидных и полиэфирных смол.

Деревянный анкер представляет собой круглый стержень диаметром 40–60 мм, на обоих концах которого устраивают замки клинощелевого типа. Щель на конце, вставляемом в шпур, длиной 400–450 мм, на противоположном − 200–250 мм. Стержни изготавливают из высококачественной сосны, лиственницы, дуба и т.п. Клинья выполняют из прочных, твердых пород леса (дуб, береза), прессованной древесины. Достоинства у них такие же, как у металлических анкеров. Недостатки − небольшая прочность, подверженность гниению. Конструкции анкеров показаны на рис. 36.

Область применения анкеров можно определить с учетом таких факторов, как прочность закрепления в шпуре, эксплуатационная характеристика крепи, стоимость анкера и анкерного крепления, технологичность его изготовления, простота установки, возможность повторного использования и расход материала.

Прочность закрепления и эксплуатационная характеристика крепи проверяются лабораторным методом. Для этого анкер вытягивают из шпура (скважины) гидравлическими приборами ПА-3, ПА-4, ПКА и ПА-3m со снятием показаний эксплуатационных характеристик реохордным датчиком и тензоманометром.

Задачи выбора параметров анкерной крепи формулируются следующим образом: для различных условий ее применения определяют рациональные значения управляемых параметров анкерной крепи (углы установки, предварительное натяжение стержней анкеров, шаг установки вдоль выработки, число анкеров в ряду по ширине выработки, длина анкера, сечение и жесткость подхвата и пр.). В дальнейшем управляемые параметры выражают через неуправляемые факторы (физико-механические свойства горных пород, мощность непосредственной кровли, глубина разработки, трещиноватость и направление трещин и пр.) для условий обеспечения безопасности производства работ и эффективности ее применения.

В табл. 33 даны рекомендации по выбору типа анкера с учетом коэффициента крепости пород.

Таблица 33

Анкер	Коэффициент крепости пород f	Несущая способность, кН	Примечание
Клинощелевой Распорно-конусный Распорно-клиновой	6–10 <4 >4	Не более 60–70 Более 60–70 Не более 15–20	При 10< f <6 прочность закрепления замка резко уменьшается. Практически несущая способность замка при f >4 – 60–80 кН, полное сцепление замков с породой достигается при натяжении 40–50 кН
Железобетонный	2–3 10–15 и более	Около 100 Не более 200–250	Несущая способность дана при полном заполнении шпура бетоном
Сталеполимерный	Любой	(средняя)	Заполнение шпура полимербетоном 0,25–0,30 м; начальное натяжение 35–60 кН

Рис. 36. Конструкции анкеров: а, б – клинощелевой; в, г, д, е − распорные; ж − взрывораспорный; з − винтовой; и, к − армобетонные замковые; л − ампула; м − деревянный клинощелевой; н − сплошные армобетонные. 1 − стержень; 2 − клин; 3 − усы; 4 − щель;

5 − опорная плитка; 6 − гайка; 7 − контурный конец; 8 − съемная головка; 9 − конусная гайка (головка); 10 − гильза; 11 − болтовая гайка; 12 − клиновая головка; 13 − клиновидный сегмент; 14 − клиновидная гайка-головка; 15 − трубчатая головка после взрыва;

16 − винт; 17 − волнообразный глубинный конец; 18 − бетонная или полимерная пробка;

19 − уплотнительное кольцо; 20 − арматурный стержень; 21 и 22 − секции со смолой и отвердителем; 23 и 24 − клинья глубинные; 25 − клин контурный; 26 − подхват

Длину штанг определяют с учетом характера проявлений горного давления и принятой расчетной схемы штанговой крепи (рис. 37).

Расчетная схема I предполагает, что штанги прикрепляют породу, расположенную в пределах зоны возможного обрушения, к устойчивой зоне породного массива. Замковые части штанг заглубляют в устойчивую зону массива на 0,3–0,5 м.

Эта схема не в полной мере отражает действительный характер работы штанговой крепи, и ее используют при незначительных зонах возможного обрушения (до 2 м).

Расчетная схема II предполагает, что штанги скрепляют различно деформируемые зоны, слои или структурные элементы породного массива, формируя уплотненную зону вокруг выработки. Она более приближена к действительному характеру работы штанговой крепи, но сложна в расчетном отношении, чем схема I.

По первой расчетной схеме, если глубина зоны возможного обрушения пород l _в определена, длину штанги рассчитывают по формуле

l _ш = l _в + l _з + l _п,

где l _з − величина заглубления штанги в устойчивую зону массива пород (0,3–0,5 м³); l _п – длина конца штанги, выступающего в выработку, м; l _в – высота свода обрушения, м.

Рис. 37. Конструктивные и расчетные схемы замков металлических штанг:

а − клинощелевой, б − распорный с клиновиднымисегментами

Выделим четыре основных типа кровли выработки.

Тип 1 − сильнотрещиноватые или тонкослоистые породы (m ≤2 a) значительной мощности (Σ m_i ≥2 а). Породы в этом случае рассматриваются как условно сыпучие, склонные к вывалообразованию в форме свода (рис. 38, а−г), (m_i − толщина отдельного слоя или расстояние между системами трещин).

Тип 2 − среднетрещиноватые слоистые породы (m_i ≤0,5 a)значительной мощности (Σ m_i >2а) со слабыми связями между слоями. Массив пород рассматривается как крупноблочная дискретная среда, способная образовывать многоблочные распорные системы, обладающие устойчивостью при некотором пролете L _уст (рис. 38, д−з). Зона возможного обрушения пород имеет трапециевидную форму со ступенчатыми боками.

Тип 3 − слаботрещиноватые или монолитно-слоистые породы (m_i ≥0,2 а) значительной суммарной мощности (Σ m_i ≥2 а) со слабыми связями между слоями. Массив пород рассматривается как многослойная плита, способная сохранять устойчивость при некотором пролете L _уст (рис. 38, д−з). Зона возможного обрушения пород, как и в предыдущем случае, имеет трапециевидную форму со ступенчатыми боками.

Тип 4 − непосредственная, неустойчивая кровля небольшой мощности (Σ m_i ≤ а или Σ m_i ≤ 2–2,5 м) перекрыта толщей прочных пород, вполне устойчивых при данном пролете выработки в течение заданного срока. Непосредственная кровля способна обрушаться на полную мощность до прочной толщи, образуя зону возможного обрушения прямоугольной формы (рис. 38, и, к).

Для расчета параметров штанговой крепи рассмотрим два возможных варианта вывалообразования пород в горной выработке. Только в кровле при устойчивых боках − вариант I (рис. 38, а, в, д, ж, и); в боках и кровле − вариант II (рис. 38, а, б, г, е, з, к).

В первом случае ширину зоны возможного обрушения пород принимают равной ширине выработки, во втором − равной ширине выработки плюс мощности призм сползания на уровне кровли.

Высота свода обрушения в кровле выработки при I (в) и II (в₁) вариантах вывалообразования соответственно равна

где а − полупролет выработки, м; a ₁ − полупролет свода обрушения (a ₁ = а + + H ctg(45^o+φ/2), где Н − высота выработки; К _с − коэффициент структурного ослабления породного массива (при невыполнении условия f K _c ≥ tg φ следует положить f K _c = tg φ, где φ − угол внутреннего трения).

Глубину зоны возможного обрушения пород соответственно при I и II вариантах определяют по формулам:

l _в =b − h _с.р; l _в =b ₁ − h _с.р,

где h _с.р − расчетная высота подъема свода выработки (рис. 38, в, г), в выработках с плоской кровлей она равна нулю (рис. 38, а, б).

По найденному значению плотность расстановки штанг в кровле выработок определяется по формуле

где ρ_к − плотность пород кровли в пределах зоны возможного обрушения, т/м³; n _п − коэффициент перегрузки, который принимается равным 1,2; Р _ш – расчетная несущая способность замка штанги/ Для металлических штанг несущая способность

Рис. 38. Схемы к расчету длины штанг при закреплении их замков за пределами зоны

возможного обрушенияпород (расчетная схема 1): а, б, в, г − при 1-м типе кровли;

д, е, ж, з − при 2-м и 3-м типах кровли; и, к − при 4-м типе кровли

замка Р _ш = m _c S R_s (sinα + f _тр), где m − число распорных сегментов; S − площадь контакта сегмента соответственно с породой или головкой штанги, м; R_s − удельное сопротивление породы на вдавливание или стали на смятие, Н/м; α − угол наклона граней клиновой головки к продольной оси штанги (обычно α = (4÷5^°); f _тр − коэффициент трения.

При клинощелевом и распорных замках с застопоренной гильзой, когда смещение замка происходит по поверхности контакта с породой, коэффициент трения равен 0,35–0,4 по песчанику, 0,45 − по углю, 0,25–0,4 − по известняку и 0,3–0,5 − по алевролиту.

При распорных замках клинощелевого (тип 1) или с клиновидным сегментом (тип 2) с незастопоренной гильзой, когда смещение головки штанги происходит относительно распорных сегментов, коэффициент трения металла по металлу (при чистом контакте) равен 0,15–0,2, при загрязненном − 0,2–0,3. При распорном замке с клиновидным сегментом и трубчатой гильзой (тип 3) коэффициент трения равен 0,5(f _мп + f _мм), где f _мп, f _мм − соответственно коэффициент трения металла по породе и металла по металлу.

Площадь контакта S ' с породой внедряющегося в нее распорного сегмента или штанги (рис. 38) равна

S ' = l _ω l _p K_s,

где l _ω − наибольшая ширина поверхности контакта, м; l _р − высота поверхности контакта, м; К_s − коэффициент формы поверхности контакта (при параболической форме К_s = 0,66, при прямоугольной − К _s = 1).

Согласно схеме на рис. 38

где d _ш и d _г − диаметр соответственно шпура и гильзы, м; l − глубина,

– при клинощелевом замке l = 0,5(t_l + d _г+ d _ш);

– при распорных замках l = 0,5(t_l + 2 с – d _ш),

где t_l − расчетная толщина клина, м. При клинощелевом замке t_l = (0,7–0,9) t, при распорных − t_l = t; t − действительная толщина клина, м; n − ширина щели в штанге (0–0,003 м); с – расчетная толщина гильзы, м.

Расчетная высота площади контакта замка с породой для клинощелевого и распорного замка 2-го типа

l _p = l /tg α,

для распорных замков 1-го и 3-го l _p = 1_г, где l _г − высота гильзы, м.

Если ребра гильзы внедряются в породу не полностью, то

l _p = n _p l _p ′,

где n _p − число ребер на гильзе; l _p ′ − высота поверхности контакта с породой одного ребра, м.

Для горных пород, у которых σ_сж ≥ 60 МПа, необходимо учитывать, что несущая способность замка зависит не только от сопротивления породы на вдавливание, но и от сопротивления стали на смятие.

Штанга рассчитывается на несущую способность замка (Р _з = Т m _у ξ) и стержня штанги (Р _с = F _нт R _р m _у). В качестве расчетного принимается меньшее из значений. При использовании железобетонных или сталеполимерных анкеров рассчитывают несущую способность стержня анкера из условия его прочности на разрыв (Р _с= F R _р m) и из условия прочности его закрепления в бетоне (полимербетоне) Р _з = π d _c τ₁ l _з K_l m ₁ и несущую способность замка из условия его сдвига относительно стен шпура Р _з′ = π d _ш τ₂ l _з m ₁.

Здесь F − площадь поперечного сечения стержня, м; R _р − расчетное сопротивление материала стержня растяжению, Па; m − коэффициент условий работы стержня (для обычных условий работы m ≈ 0,9–1); d _c − диаметр арматурного стержня, м; τ₁ − удельное сцепление стержня с бетоном, Па; для бетона М 300, М 400 − τ₁ = 11–12 МПа, для полимербетона на эпоксидной смоле τ₁ = 20–24 МПа; К _l − поправочный коэффициент на длину заделки; d _ш − диаметр шпура, м; τ₂ − удельное сопротивление бетона или полимербетона с породой, Па; m ₁ − коэффициент условий работы замка, равный 0,9 − при сухом шпуре; 0,75 − при влажном и 0,6 − при капеже из шпура.

На основании экспериментальных данных К_l иτ₂ следует принимать:

l _з, м − 0,1 0,2 0,25 0,30 0,40

К _l при цементном бетоне − 1,0 0,65 0,62 0,58 0,55

К _l при полимербетоне − 1,0 0,75 0,72 0,68 0,65

При водоцементном отношении 0,5 и марке бетона 500 значение τ₂ с известняками − 1 МПа; порфиритами − 1,1 МПа; гранодиоритами − 1,4 МПа; сцепление полимербетона с известняками − 3 МПа; со сланцами − 2 ÷ 2,5 МПа. Объем закрепляющего состава равен

V = 0,825(d _ш² − d _с²) l _з.

Расстояние между анкерами в кровле при расположении их по квадратной сетке определяется по формуле

а ₁ = (1/ S ')^1/2.

Расстояние между анкерами в боку (в стенке) выработки при неустойчивых боковых породах – по формуле

a ₂ = (1/ S ')^1/2,

где S ' − плотность расстановки штанг в боку выработки, S ' = q_n n _n/ Р_a, где q − интенсивность бокового давления почвы, зависящая от расчетной схемы горного давления (см. табл. 22, 23), формы выработки и запаса прочности пород.