СТЯЖНАЯ АНКЕРНАЯ КРЕПЬ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК
CLAMPING ANCHOR SUPPORT OF MINE WORKINGS

Изобретение относится к горному делу, а именно к способам установки стяжных анкерных крепей горных выработок, и может найти применение для крепления как горизонтальных и наклонных подготовительных выработок, так и нарезных выработок любой формы и поперечного сечения, различного назначения и срока службы, как вновь проводимых, так и ранее пройденных.
Известна стяжная анкерная крепь горных выработок, включающая поддерживающую обнаженную поверхность кровли выработки рамную крепь с узлом податливости, стяжные элементы и дополнительный слой податливости (Патент № 1830416. Крепь горных выработок, опубл. 30.07.1993. Бюл. № 28).
Однако, использование слоя податливости, выполненного в виде обрезков деревянных бревен «чураков» по всему периметру крепи, утяжеляет всю поддерживающую конструкцию и усложняет ее эксплуатацию.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является стяжная анкерная крепь горных арочных выработок, включающая поддерживающую обнаженную поверхность кровли выработки узел податливости, который содержит гибкую оболочку, уложенную на перекрытие, а также стяжные элементы и податливые анкеры, установленные в кровле (Патент №1125378. Рамно-анкерная крепь горных выработок, опубл. 23.11.1984. Бюл. № 43).
Недостатком этой крепи является сравнительно слабая несущая способность анкеров.
Целью заявленного способа крепи горных выработок является повышение несущей способности крепи и улучшение ее рабочей характеристики в режиме податливости.
Поставленная цель достигается тем, что крепление предложено производить стяжной анкерной крепью, включающей в себя сталеполимерные или железобетонные штанги, натяжные устройства, гибкие подхваты и затяжку из лесоматериалов.
На фиг. 1 дана схема устройства стяжной анкерной крепи горных выработок; на фиг. 2 приведена схема гибкого тросового подхвата с натяжным  устройством;  на фиг. 3 приведена схема напряжений в породах кровли, возникающих после установки комплекта стяжной анкерной крепи; на фиг. 4 показана исходная и расчетная схема совместной работы гибкого подхвата и анкерного крепления.
Стяжная анкерная крепь горных выработок (фиг. 1 и фиг. 2) содержит анкеры 1, выступающие в выработку своими резьбовыми концами, на которые устанавливают натяжные устройства 2 и закрепляют их гайками 5, при этом, гибкие тросовые подхваты 3, прижимающие затяжку из лесоматериалов 4 к кровле выработки, навешивают на тяги 6 натяжных устройств.
Стяжная анкерная крепь устанавливается следующим образом:
- на расстоянии не более 500 мм от боковых стенок выработки под углом 45° к кровле бурятся шпуры для установки анкеров;
- на выступающие в выработку резьбовые концы анкеров навешиваются натяжные устройства 2 и закрепляют их гайками 5, при этом, натяжные устройства плотно прижимают гибкими подхватами 3 к кровле выработки затяжку из лесоматериалов 4. Натяжные устройства могут устанавливаться на один анкер, тогда к другому (противоположному) анкеру гибкий подхват может крепиться петлей, образованной путем закрепления свободного конца гибкого подхвата «жимками» или другим замком;
-  на тяги натяжного устройства закрепляются концы гибкого подхвата, длина которого выбирается из расчета возможности его дальнейшего максимального натяжения натяжным устройством.
- натяжным устройством 2 гибкий подхват 3 предварительно натягивается до 30-35 кН, напряжение контролируется динамометрическим ключом. По истечении 5 часов после предварительного натяжения гибкого подхвата гайки натяжных устройств 5 затягиваются для создания напряжения в анкерах до 60-65 кН, а в гибком подхвате – до 42-46 кН. После проведения данных операций крепь считается установленной.
При изготовлении гибких подхватов из стальных канатов рекомендуется их предварительная оттяжка, чтобы уменьшить продольные деформации из-за вытягивания во время работы.
max
Максимальная сила натяжения гибкого подхвата T определяется по формуле:
,
где q – нагрузка, действующая на гибкий подхват, кН;
п
L - длина гибкого подхвата, м;
f – стрела прогиба гибкого подхвата, м.
Условие безопасности работы гибкого подхвата на растяжение имеет следующий вид:
,
где k - коэффициент запаса, k =1,3-2,0;
2
S - наименьшее сечение гибкого подхвата, мм;
раст
2
σ- предел текучести материала гибкого подхвата при растяжении, кН/мм.
Для обеспечения надежной совместной работы гибкого подхвата и анкерного крепления несущая способность анкера должна определяться в соответствии с расчетной схемой (фиг. 4).
После установки стяжной анкерной крепи в породах кровли возникают напряжения, характерные для ферм, состоящих из треугольных элементов (фиг. 3). При этом, все элементы крепи работают на растяжение 1,2,3,4, а породы кровли   - на сжатие 5. Создавшиеся в породах горизонтальные сжимающие усилия захватывают участки, расположенные выше возможного слоя обрушения, и способствуют удержанию их от вывалов.
max
анк
В соответствие с расчетной схемой совместной работы гибкого подхвата и анкерного крепления (фиг.4) для обеспечения надежного закрепления стяжной анкерной крепи максимальная сила натяжения гибкого подхвата (Т) должна соотноситься к несущей способности анкера (R) согласно следующему условию:
max
анк
T  ≤ R ⋅ сosα,
max
где  T - максимальная сила натяжения гибкого подхвата, кН;
анк
R  - несущая способность анкера, кН;
α    - угол установки анкеров, град.
Рассмотрим в качестве примера вариант нагружения данной крепи породами следующего состава:
алевролиты глинистого состава от серого до черного цвета, интенсивно измененные, сланцеванные, хлоритизированные.
Исходные данные для расчета:
3
2
2
Плотность пород: 26,7 кН/м; временное сопротивление сжатию 1170 кг/см; угол внутреннего трения пород 60º; коэффициент структурного ослабления 0,4; выход керна 56 %; крепость пород по шкале М. М. Протодьяконова - 9,9; угол установки анкеров α = 45°; площадь сечения выработки 9 м.
Суммарное давление на стяжную крепь складывается из давления горных пород в кровле и веса материала затяжки. Усреднено вес затяжки из круглого леса при диаметре 20 см и длине 4 м  (сосна увлажненная) составит 3,0 кН.
Давление горных пород определяем по методике проф. М.М. Протодьяконова:
,
где а - полупролет выработки, м (а = 1,5 м);
кр
кр
К – коэффициент крепости горных пород (К = 9,9);
3
3
γ –плотность горных пород, кН/м(γ = 26,7 кН/м);
L – шаг установки анкеров, м (L = 1 м).
Давление горных пород составит: q8,09 кН.
Общая нагрузка на гибкий подхват от давления горных пород и элементов затяжки составит: 3,0 + 8,09= 11,09 кН.
Максимальная сила натяжения гибкого подхвата составит:
.
Условие безопасности работы гибкого подхвата на растяжение при k=1,5 составит: .
Требуемая прочность анкера должна составлять не менее:
кН.
С учетом данных о несущей способности анкеров, достаточной для удержания стяжной крепи, подбирается марка каната, обеспечивающего безопасные условия работы гибкого подхвата.
Этим требованиям в полной мере соответствует стальной канат Ø 11,5 мм маркировочной группы 1570.