Актуальность работы. Основными направлениями развития народного хозяйства в одиннадцатой пятилетке и на период до 1990 года в угольной промышленности предусматривается осуществить дальнейшее развитие подземной добычи полезного ископаемого, повысить его качество, улучшить технико-экономические показатели работы отрасли. Вместе с тем достижению намеченных задач на многих шахтах Донецкого бассейна, отрабатывающих пласты пологого падения, препятствуют трудности, связанные с периодическим появлением более чем в 70 % лав геологических нарушений или зон с неустойчивыми породами кровли. В пределах таких зон наблюдаются частые обрушения пород в рабочее пространство лавы, что приводит к ее простоям, возрастанию зольности добываемого угля, необходимости выполнения в местах повышенной опасности трудоемких операций по уборке породы и креплению полостей вывалов.

Анализ мероприятий, направленных на предотвращение вывалообразований, а также предварительные испытания показали, что одним из эффективных способов повышения устойчивости непосредственной кровли является опережающее армирование ее анкерными стержнями, закрепляемыми в шпурах вспенивающимся полиуретаном.

До настоящего времени вопросы, связанные с определением прочностных характеристик армополимерного анкера, изучены недостаточно, а применяемые методы расчета и выбора параметров анкерной крепи не учитывают специфических особенностей работы ее в условиях действующего очистного забоя. Применение анкерной крепи без учета названных факторов не может дать ожидаемого результата или приведет к излишнему расходу материальных и трудовых ресурсов при предотвращении обрушений кровли. Этим определяется актуальность исследования работы армополимерной анкерной крепи в очистных забоях. \2\

Цель работы. Установить параметры технологии поддержания неустойчивых пород кровли армополимерной анкерной крепью и разработать практические рекомендации по их выбору в конкретных горно-технических условиях, что позволит более эффективно использовать выемочное оборудование, снизить зольность добываемого угля, улучшить условия безопасности в рабочем пространстве лав пологих пластов Донбасса.

Идея работы заключается в использовании свойств современных полиуретановых составов для целей укрепления зон слабых боковых пород.

Научная новизна исследований заключается в установлении:
- зависимостей показателей деформативности армополимерного анкера для продольной и изгибающих нагрузок от размеров анкерного стержня и упругих характеристик материалов, входящих в систему «анкер - горная порода»;
- критерия прочности пенополиуретана ППУ-13н, на основе которого сформулировано условие разрушения анкера по скрепляющему составу в сложном напряженно-деформированном состоянии;
- взаимосвязей параметров анкерования со степенью устойчивости упрочняемых горных пород;
- оптимальных значений параметров армополимерной анкерной крепи для конкретных условий очистного забоя.

На защиту выносятся:
- установленные зависимости изменения показателей деформативности анкера от размеров стержня и физико-механических свойств скрепляющего состава;
- результаты анализа влияния плотности установки армополимерной крепи на поведение упрочняемого породного массива в период от его обнажения при ответной выемке угля до подкрепления призабойной крепью; \3\
- разработанный метод расчета оптимальных параметров армополимерной крепи на основании информации о степени нарушенности породного массиве и прочности закрепления анкеров в устойчивых слоях пород;
- рекомендации по выбору параметров технологии поддержания неустойчивых пород крови армополимерной крепью.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждены:
- корректной постановкой задачи и использованием современных методов аналитических расчетов;
- широким использованием фактических данных по опережающему армированию кровли, охватывающих представительный диапазон горнотехнических условий в лавах пологих пластов Донбасса;
- апробацией результатов исследований автором на шахтах производственных объединений «Донецкуголь», «Макеевуголь», «Советскуголь», «Шахтерскантрацит», «Октябрьуголь», «Торезантрацит», «Первомайскуголь»;
- промышленным внедрением результатов исследований на шахтах Донбасса в соответствии с приказом Минуглепрома УССР № 268 от 21.05.80 г., № 260 от 04.11.81 г.

Практическое значение. Использование результатов проведенных исследований позволило:
- на основе установленного критерия прочности пенополиуретана ППУ-13н сформулировать условие разрушения анкера по скрепляющему составу в сложном напряженно-деформированном состоянии;
- с учетом зависимостей деформативности анкера и условия разрушения исследовать на устойчивость армированный анкерами породный массив и получить зависимости, отражающие взаимосвязь параметров анкерования с мощностью и шириной незакрепленного пролета удерживаемой от обрушения кровли; \4\
- определить оптимальные значения параметров поддержания неустойчивых пород кровля в лавах о учетом прочностных и деформационных характеристик анкера и статистического характера поведения упрочненного породного массива;
- установить область эффективного применения технологии опережающего армирования кровли на пластах пологого падения Донбасса.

Реализация работы. Основные результаты проведенных исследований использованы:
- хозрасчетным участком по укреплению неустойчивых боковых пород полимерными материалами производственного объединения "Октябрьуголь" при разработке технических условий на изготовление средств анкерования и применении способа поддержания неустойчивых пород кровли на шахтах объединения;
- Донецким научно-исследовательским угольным институтом при разработке рекомендаций шахтам Минуглепрома УССР и Ростовской области по предотвращению обрушений кровли и креплению лав пологопадающих пластов в зонах с неустойчивыми боковыми породами;
- шахтами всех производственных объединений Донецкого бассейна, отрабатывающими пологопадающие пласты, при промышленном применении способа поддержания неустойчивых пород кровли анкерами с полимерным закреплением. Экономический эффект от внедрения результатов работы в 1982 г. в 118 лавах составил 305,8 тыс.руб.

Апробация работы. Основные результаты и работа в целом докладывались и получили одобрение на Всесоюзной научно-технической конференции по применению быстротвердеющих и связущих компонентов для предотвращения внезапных выбросов и упрочнения боковых пород и угля (г. Днепропетровск, 1977 г.), на кустовых научно-технических семинарах работников шахт и объединений (г. Торез, 1976 г.; г. Первомайск, 1979 г.), на VII Всесоюзной конференции по механике горных пород (г. Днепропетровск, 1981 г.), на \5\ научном семинаре кафедры «Разработка месторождений полезных ископаемых» Донецкого политехнического института (г. Донецк, 1981 г.), на научном семинаре отраслевой научно-исследовательской лаборатории оснований и подземных сооружений Макеевского инженерно-строительного института (г. Макеевка, 1984 г.), на расширенном семинаре отдела технологии применения синтетических материалов Донецкого научно-исследовательского института (г. Донецк, 1984 г.).

Публикация. По результатам выполненных исследований опубликовано 10 работ.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, представленных на 166 страницах (машинописного текста 126 страниц, 26 страниц иллюстраций, 12 страниц таблиц), списка использованной литературы из 117 наименований и 6 приложений. \6\

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
При поддержании неустойчивых пород кровли лав пологого падения армополимерной крепью установка и работа анкеров происходит в условиях, имеющих специфические особенности по сравнению с традиционной областью их применения - крепления подготовительных выработок и очистных камер. Кроме того, при закреплении анкерных стержней используется сравнительно новый для отечественной угольной промышленности материал - пенополиуретан. Поэтому анализ состояния вопроса выполнялся в направлениях: существующих методов оценки состояния и поведения непосредственной кровли в лавах, оценки разного рода специальных мероприятий по приспособлению существующих средств крепления лав к неблагоприятным условиям производства, выбора параметров анкерной крепи, механических свойств современных полиуретановых составов как силовых заполнителей в конструкциях.

Исследованиям устойчивого поведения кровли в очистных забоях посвящено большое число работ ВНИМИ, ИГД им. А.А. Скочинского, МГИ, ИГД СО АН СССР, ЛГИ, ДПИ, КГМИ, ДонУГИ, КузНИУИ и других организаций. Краткий анализ опубликованных работ позволил сделать следующие выводы:
- к настоящему времени изучено влияние основных факторов на устойчивость пород, что нашло отражение в разработанных классификациях кровель;
- для расчетов по определению возможностей устойчивого поведения породного массива при его обнажении целесообразно использовать методы и приемы строительной механики.

Большой вклад в разработку методов выбора параметров анкерной крепи внесли отечественные и зарубежные ученые: в СССР -А.А.Борисов, Ж.С.Ержанов, Ю.З.Заславский, Н.И.Мельников, Г.И.Кравченко, В.М.Рогинский, 3.Н.Семевский, О.В.Тимофеев, А.П.Широков \7\ и др.; за рубежом - Р.Квапил, Л.Панек, Э.Тэнселэн, А.Джонстон, Л.Рабцевич. Несмотря на достаточное развитие этих методов, мало внимания уделялось работоспособности анкера при действии на него сложной нагрузки и прочностным характеристикам анкера, особенно его деформативности.

Анализ работ, посвященных исследованию механических свойств пенопластов, позволил установить следующее:
- упругие характеристики закрьггоячеистых пенопластов - модуль упругости и коэффициент поперечного расширения - практически однозначно определяются показателем кажущейся плотности или кратностью вспенивания;
- к настоящему времени еще нет апробированной теории прочности пенопластов; выбор критерия их прочности затруднен тем, что для большинства жестких пеноматериалов предел прочности вполне определен только при растяжении и сдвиге, а при сжимающих напряжениях их ячеистая структура допускает возможность значительного деформирования без потери материалом своей агрегативной целостности:
- выбранная для закрепления анкерных стержней рецептура полиуретанового состава ППУ-13 позволяет получать жесткие пенопласты закрытоячеистой структуры, которые характеризуются высокой адгезионной способностью к горным породам, металлам, дереву и другим материалам.

В соответствии с выше изложенным и целью работы сформулированы задачи исследования:
- исследовать прочностные характеристики анкера с полимерным закреплением;
- выбрать целесообразные для условий лав пологих пластов схемы установки анкеров относительно элементов залегания упрочняемого породного массива;
- исследовать поведение упрочненного анкерами породного массива при различной плотности установки и порядке \8\ установки анкерной крепи;
- установить взаимосвязи параметров анкерования и основных характеристик упрочняемого породного массива;
- определить оптимальные параметры опережающей анкерной крепи и предложить практические рекомендации по их выбору применительно к различным средствам анкерования и горнотехническим условиям очистного забоя.

Система изучаемых объектов рассматривалась на трех уровнях исследования: отдельный армополимерный анкер (рабочая единица); армированный анкерами породный массив; очистной забой в зоне с неустойчивыми породами кровли, для поддержания которых используется технология опережающего армирования анкерами с полимерным закреплением.

Для решения поставленных задач использовалась информация о свойствах и поведении исследуемых объектов, полученная в результате обобщения и анализа литературных источников; шахтной документации и форм отчетности; данных лабораторных и шахтных экспериментов, аналитических исследований и наблюдений за поведением упрочняемых пород. При обработке экспериментальных данных использовались методы математической статистики, а в процессе аналитических исследований - идеи и методы строительной механики, матричной алгебры и выпуклого программирования.

Возникающая при подходе лавы к зоне с неустойчивыми породами кровли аварийная ситуация характеризуется протяженностью вывалообразования, мощностью обрушающихся пород и степенью их нарушенности. Работы по упрочнению кровли выполняются как временное мероприятие, дополняющее возможности применяющейся призабойной крепи на период перехода такой зоны, и должны технологически совмещаться с основными процессами в лаве. \9\

Ограниченность рабочего пространства приводит к необходимости установки анкеров под определенными углами к напластованию. Частью своей длины анкеры закрепляются в устойчивых слоях пород, расположенных впереди, над еще не вынутым массивом угля или выше обрушающихся. Другой своей частью анкер армирует удерживаемый от обрушения породный массив, а выступающие из устьев шпуров концы стержней служат для создания предварительного натяжения, навески прогонов и связывания между собой соседних анкеров.

Образование пенополиуретана в анкере происходит после перемешивания исходных компонентов, размещаемых в ампулах в виде двух рабочих жидкостей. Вспененная масса в процессе реакции полимеризации связующего, двигаясь по направлению к устью шпура, располагается кольцеобразным слоем между стенками его и поверхностью анкерного стержня. С увеличением диаметра последнего, реакция протекает во все более стесненных условиях, что приводит к увеличению плотности пеноматериала и модуля его упругости. Поэтому прочностные и деформационные характеристики анкера зависят от диаметра анкерного стержня и глубины его заделки в устойчивых породах, закрепление анкерного стержня пенополиуретаном по всей длине шпура обеспечивает необходимое сопротивление сложной нагрузке в том месте, где это требуется.

Результаты лабораторных испытаний на вытягивание анкерного стержня из макета шпура длиной 300 мм представлены в таблице.

Показатели	Значения показателей
Диаметр анкерного стержня, мм	20	24	28	32
Средняя толщина кольцевого слоя, мм	11	9	7	5
Кажущаяся плотность пенопласта , кг/м3	168	193	233	309
Разрушающая нагрузка, кН	15,8	21,9	32.5	49,3
Предельное смещение стержня , мм	4,4	4,5	4,4	4,6
Модуль упругости , Па	2,85	3,38	4,00	6,13
Коэффициент поперечного расширения	0,27	0,28	0,29	0,31

\10\
Как следует из таблицы, рост величины и соответствующее ему уменьшение толщины кольцевого слоя пенопласта вокруг анкерного стержня приводят к увеличению кажущейся плотности пенопласта. Это, в свою очередь, связано с увеличением модуля упругости и коэффициента поперечного расширения связующего, а также и прочности закрепления анкера в шпуре. Предельные смещения стержня при разрушении анкера по скрепляющему составу остаются при этом практически постоянными, что приводит к росту предельного угла сдвига пеноматериала, рассчитанного по выражению
относительно сечения по нормали к оси анкера в ненагруженном состоянии. Здесь - толщина кольцевого слоя пенопласта, мм.

Анализ снимавшихся в процессе испытаний диаграмм «нагрузка - смещение» показал, что продольное смещение стержня в макете шпура относительно своего начального положения практически пропорционально величине прикладываемой нагрузки вплоть до разрушения анкера.

Действующая на анкер в устье его заделки сложная нагрузка, а также и вызванное ею перемещение могут быть разложены на составляющие: продольные - соответственно N и u; поперечные - Т и v; изгибающий момент и угол поворота - M и .

Оценка деформативности анкера производилась по показателям eго податливости, численно равным отношению перемещения анкерного стержня к вызывающей это перемещение нагрузке. Для обобщенных значений нагрузки , перемещения стержня и податливости анкера справедливо соотношение:
. Зависимость показателя податливости анкера n_a от влияющих факторов определена в соответствии с расчетной схемой круговой склейки двух цилиндрических поверхностей. В предположении о том, \11\ что касательные напряжения в скрепляющем составе при действии на анкер продольного усилия N распределены равномерно по периметру кольцевого слоя, а их величина пропорциональна смещению u стержня относительно стенок шпура с коэффициентом k, получена следующая зависимость:

, где ; E_c - модуль упругости материала анкерного стержня.

При определении зависимостей t_a и m_a (рис.1) использована расчетная схема изгиба стержня в упругом полупространстве, в которой для учета наличия кольцевого зазора из пенополиуретана между анкерным стержнем и вмещающими породами (стенками шпура) использована модель двухслойного основания. Статически неопределимая система, к которой сводится задача об упругой заделке стержня, решена смешанным методом Б.Н. Жемочкина с применением чисел влияния.

С помощью последних значения t_a и m_a определялись при любом сочетании нагрузок Т и M в результате двух просчетов на ЭЦВМ для каждого варианта условий заделки анкера, характеризующегося своими значениями глубины заделки и диаметра анкерного стержня. Упругие характеристики пенополиуретана принимались по данным таблицы, а величина коэффициента бокового распора пород - равной 0,2.

В результате выполненных аналитических исследований деформационных характеристик армополимерного анкера установлено, что с увеличением диаметра анкерного стержня каждый из показателей податливости уменьшается, а с увеличением глубины заделки анкера уменьшается величина n_a и увеличиваются значения t_a и m_a.

Для выбора критерия прочности пенополиуретана в сложном напряженно-деформированном состоянии использован подход, основанный на логическом описании явления разрушения материала под действием \12-13\ сложной нагрузки. В ограниченном пространстве шпура в плоскости действия изгибающиях нагрузок кольцеобразный слой пенопласта по разные стороны анкерного стержня получает деформации равных знаков. Сочетание этих деформаций с продольным перемещением стержня приводит в одном случае к быстрому росту деформаций удлинения при растяжении связующего, а в другом - к более быстрому росту деформаций сдвига. Эти два вида деформаций, в соответствии со спецификой поведения пенополиуретана под действием разного рода напряжений, рассматривались как наиболее вероятные факторы, которые могут оказать преимущественное влияние на разрушение анкера по скрепляющему составу.

Для каждого конкретного случая нагружения анкера предельным состоянием пенопласта считалось то, в котором хотя бы один из факторов достигает критической величины, определенной в результате экспериментов на вытягивание. Возможные при таком подходе ошибки в выборе соответствующего фактора в качестве критерия прочности пойдут в запас прочности материала.

С учетом данных, полученных в результате испытаний анкера на вытягивание, установлено, что при используемой рецептуре пенополиуретана ППУ-13 оценку прочности скрепляющего состава следует производить по критерию наибольших его линейных деформаций в сложном напряженно-деформированном состоянии.

Шахтные испытания упрочняющей способности армополимерной анкерной крепи проводились в 30 очистных забоях на 14 шахтах с широким диапазоном условий по мощности и углу падения пласта, глубине горных работ, категории устойчивости кровли в целом по лаве, видам оборудования для выемки угля и крепления призабойного пространства, протяженности и месту расположения в лаве участка со слабыми породами кровли. \14\

В процессе этих испытаний отработаны основные элементы технологии поддержания неустойчивых пород кровля армополимерной анкерной крепью:
- установлено, что в качестве стержней для армополимерных анкеров целесообразно использовать отрезки арматурной стали длиной 1,2-3,5 м и диаметром от 20 до 32 мм;
- определена зависимость необходимого объема скрепляющего состава в ампулах, выпускаемых в соответствий с ТУ 12 УССР-2-123-82, для закрепления одного анкера в породном массиве в виде
, шт.
где диаметр анкерного стержня имеет размерность мм, а длина закрепляемой в породном массиве части анкерного стержня - м;
- время перемешивания содержимого ампул вращающимся с помощью ручного сверла стержнем и время предварительного нагружения анкера после его установки составляют соответственно 30...45 с и 10 мин;
- определены варианты организации работ по установке анкеров в лаве, технологически совместимые с основными процессами в лаве.

При испытаниях на вытягивание анкерного стержня из шпура в шахтных условиях установлено достаточное близкое соответствие значений разрушающих усилий данным лабораторного эксперимента; при закреплении стержня из apмaтypной стали диаметром 28 мм на длине 330 мм максимальное усилие вытягивания его из шпура прибором ПА-3 конструкции КузНИУИ составляло 30 кН.

Для оценки степени нарушенности подвергаемого упрочнению породного массива принят показатель кусковатости пород при обрушении. По признаку кусковатости при обрушении выделены 3 группы пород для дифференцированного выбора плотности установки, прочности закрепления анкеров и размера зоны упрочнения в направлении подвигания лавы: K₁ = 0,1…0,3 м; K₂ = 0,3…0,5 м и K₃ = 0,5 м.

В результате наблюдений за поведением подвергнутых упрочнению \15\ пород выделены три вида возможных разрушений армированного массива, которые могут привести к обыгрыванию анкеров и в отдельных случаях к полному обрушению упрочненной кровями: 1 - в виде высыпания отдельных кусков породы под анкерами; 2 - между анкерами; 3 - за анкерами, когда после работ по упрочнению происходят подвигание лавы на расстояние, превышающее их длину. Кроме того, обрушение армированной кровли вслед за проходом выемочного механизма сразу всем массивом возможно в том случае, если недостаточна прочность создаваемых анкерами связей между удерживаемыми от обрушения породами и окружающей их устойчивой средой.

Анализ причин разрушений первого вида позволил скорректировать углы ориентации армирующих элементов в нижних слоях кровли и отобрать наиболее целесообразные модификации схем анкерования, отличающиеся как числом рядов анкеров по высоте вывала, так и углами установки к на пластованию. К дальнейшему анализу были отобраны схемы установки анкеров из полости вывала в 1 и 2 ряда. Углы установки анкеров варьировались в пределах 10...20° для однорядных схем, а для двухрядных - 0...10° по нижнему ряду и 45...60°.

По разрушениям второго вида, которые имеют вероятностный характер в силу большого разнообразия влияющих факторов и достаточно широких диапазонов кусковатости для каждой из выделенных групп пород, путем обработки данных 54 наблюдений на микро-ЭВМ «Электроника - Б3-21», получена корреляционная зависимость:
;
где ; ; - суммарный объем вывалов из упрочняемой кровли; V_П - общий объем упрочняемых пород; a_ф - фактическое значение шага установки анкеров в ряду; a_o - средние значения расстояния между анкерами для каждой группы пород по \16\ кусковатости при обрушении.

Коэффициент корреляции полученной зависимости равен 0,90; стандартная ошибка коэффициента корреляции - 0,026 , а его надежность равна 34,7.

Причиной разрушения пород, которое начинается за пределами армополимерных анкеров, является недостаточная ширина зоны упрочняемых пород, создаваемой из полости вывала. На основании совместного анализа результатов шахтных и аналитических исследования для условий лав пологопадающих пластов Донбасса разработаны три основных варианта установки анкеров в соответствии с выделенными группами пород по кусковатости их при обрушении. В каждом из этих вариантов предусматривается устанавливать анкер из полости вывала такой длины, чтобы обеспечить устойчивое поведение кровли на подвигании лавы 1,25... 1,60 м, что соответствует выемке двух полос угля комбайном с шириной захвата 0,63 или 0,8 м. При этом шаг установки анкеров может быть принят ориентировочно равным 0,5 м для первой группы пород с кусковатостью в пределах 1,1...0,3 м; 0,7 м - для второй группы пород с кусковатостью 0,3...0,5 м и 0,9 м - для третьей группы пород с кусковатостью более 0,5 м. Для условий первой группы пород размер зоны упрочнения увеличивается с помощью анкеров, устанавливаемых из под удержанной кровли и называемых профилактическими, на величину еще двух полос угля (1,25...1,60 м) в сторону подвигания лавы с шагом установки анкеров, равным 0,7 м, а затем еще на столько же, но с шагом анкерования 0,9 м. Для второй группы пород зона упрочнения увеличивается на 1,25... 1,60 м с шагом установки профилактических анкеров, равным 0,9 м. Для третьей группы пород профилактическое анкерование не выполняется.

Обрушения упрочняемой кровли всем массивом вместе с установленными в нем анкерами возможны при недостаточной плотности \17\ и глубина закрепления анкеров в устойчивых слоях пород. Вместе с тем излишне большие значения этих параметров невыгодны экономически, поскольку приводят к перерасходу трудовых и материальных ресурсов на упрочнение пород. Задача выбора этих параметров осложняется вероятностным характером поведения упрочненной кровли.

Для расчета оптимальных значений шага установки и глубины заделки анкеров с учетом их деформативности и прочности создаваемых связей удерживаемых пород с устойчивыми слоями кровли использован один из методов выпуклого программирования, приспособленный для решения технических задач с нелинейными ограничениями на искомые неизвестные - геометрическое программирование.

Общая задача оптимизации параметров анкерования разделялась на две подзадачи. В первой из них по схеме плоского диска с упругими связями с устойчивой средой установлены зависимости, отражающие взаимосвязи параметров анкерования с основными размерами упрочняемого породного массива. Во второй - определялись оптимальные значения основных параметров анкерования с учетом зависимостей, полученных в результате решения предыдущей подзадачи и используемых в данном случае в качестве ограничений на оптимизируемые параметры.

Размеры диска в первой из этих подзадач принимались равными и соответствовали мощности удерживаемых пород, глубине пролета неподкрепленной кровли и расстоянию между анкерами в ряду. В качестве действующей силы принимался вес заключенных в объеме диска пород. Каждый анкер в такой расчетной схеме рассматривался как совокупность трех связей - по числу составляющих действующей на него сложной нагрузки. Учитывались горизонтальный отпор пород и разгружающая сила трения породы по породе. В результате степень статической неопределимости систем составляла 1 для однорядных и 4 - для двухрядных схем установки анкеров. \18\ Показатели деформативности анкеров использовались при составлении уравнений перемещения диска, а условия их разрушения - при определении допустимого по прочности закрепления шага установки анкеров.

Для определения взаимосвязей параметров анкерования и основных размеров упрочняемого породного массива проведены многовариантные вычислительные эксперименты. Обработка их результатов методом корреляционного анализа по стандартной программе, имеющейся в ДонУГИ, позволила получить зависимости для шага установки анкеров в следующем виде:

,
где С - постоянная, имеющая свое значение для каждой из схем установки анкеров; - показатели степени при каждой из переменных, входящих в уравнение регрессии; и - глубина заделки анкеров в устойчивых слоях пород соответственно нижнего и верхнего рядов.

Достоверность, пригодность и работоспособность полученных зависимостей характеризуются величинами множественных коэффициентов корреляции от 0,97 до 0,963; критериев Стьюдента и Фишера соответственно от 14,9 до 232 и от 1725 до 6043 при табличных их значениях соответственно 1,96 и 2,21 для уровня значимости 0,05.

В качестве критерия оптимальности во второй подзадаче принят минимум суммарных затрат на упрочнение кровли и на ликвидацию последствий возможных ее обрушений. Затраты на ликвидацию последствий обрушений вводились в состав критерия оптимальности с коэффициентом, учитывающим дополнительный ущерб за счет снижения нагрузки на лаву и засорения горной массы упавшей породой. По данным шахтных испытаний величина этого коэффициента принималась равной 2,5. \19\

Задача оптимизации параметров анкерования для двухрядных схем установки анкеров представлена следующей прямой программой:
,
.
Для однорядных схем анкерования вместо двух параметров и в прямую программу входит только один - , a количество слагаемых в функции уменьшено на 1.

Оптимальные параметры анкерования определялись о помощью перехода к двойственной программе с неизвестными :

и ограничениями .

В результате получены следующие выражения:
для двухрядных схем установки анкеров

для однорядных схем установки анкеров
,
где - максимальное значение двойственной функции.

Обобщение выполненных исследований позволило разработать практические рекомендации по выбору параметров армополимерной анкерой крепи, которые предусматривают;
- использование для анкерных стержней арматурной стали диаметром от 20 до 32 мм, с предпочтением большему размеру;
- применение однорядных схем установки анкеров из полости вывала при высоте его не более 0,7 м и кусковатости пород более 0,3 м, а для профилактического анкерования - независимо от мощности неустойчивых пород при их кусковатости не более 0,5 м; \20\

- установку анкеров в однорядных схемах под углом 10...20° к напластованию, а в двухрядных - под углами 0.. 10° по нижнему ряду и 60° или 45° - по верхнему, в зависимости от наличия или отсутствия устойчивого слоя пород выше обрушающихся;
- величину верхнего предела длины анкера не более 3,2 м, а глубины заделки стержней в устойчивых слоях пород в однорядных схемах анкерования и для анкеров нижнего ряда в двухрядных схемах - не менее 0,3 м;
- величину верхнего предела шага установки анкеров для пород с кусковатостью 0,1...0,3 м - 0,5 м, с кусковатостью 0,3...0,5 м - 0,7 м и с показателем кусковатости более 0,5 м - 0,9 м;
- выбор оптимальных значений шага установки анкеров и глубины их заделки в устойчивых слоях пород в соответствии с номограммами типа представленных на рис.2 и 3.


Широкая промышленная проверка подтвердила правильность основных положений работы и разработанных рекомендаций; позволила установить, что областью рационального применения исследуемой технологии поддержании породных массивов в лавах и на сопряжениях лав с подготовительными выработками является необводненные породы кровли при мощности их обрушения не менее 0,5 м и кусковатости более 0,1 м; показала достигаемое повышение эффективности очистной выемки в зонах с неустойчивыми породами с увеличением нагрузки на очистной забой в размере 5...10% и снижением фактической зольности горной массы по шахте до 1,1%. Получаемая в результате экономия в среднем 14,2 тыс.руб на одну лаву в год свидетельствует о значительном технико-экономическом потенциале технологии поддержания неустойчивой кровли анкерами с полимерным закреплением.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертационной работе дано решение актуальной задачи определения параметров технологии поддержания неустойчивой кровли \21-23\ в лавах пологих пластов Донбасса.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем.

1. Установлена возможность учета специфических свойств и поведения полимерного связующего в сложном напряженно-деформированном состоянии при определении работоспособности армополимерной анкерной крепи и выборе параметров анкерования для предотвращения вывалообразований в очистных забоях.

2. В результате проведенных аналитических исследований:
- выявлена физическая картина работы отдельного анкера и их совокупности в процессе поддержания неустойчивых породных массивов;
- установлены зависимости изменения показателей деформативности анкера от глубины его закрепления и диаметра анкерного стержня;
- определен фактор, оказывающий преимущественное влияние на прочность анкера по пенопласту.

3. Выполненные экспериментальные исследования упрочняющей способности армополимерного анкера позволили:
- разработать требования к конструктивному исполнению средств анкерования;
- определить рациональные схемы и последовательность установки анкеров в упрочняемом породном массиве;
- установить количественную зависимость, отражающую влияние плотности анкерования на устойчивость упрочняемых пород.

4. Разработана методика определения оптимальных параметров анкерования, учитывающая статистический xaрaктер результатов упрочнения и основанная на сопоставлении затрат для поддержания кровли и для ликвидации последствий возможных ее обрушений, с ограничениями на основе выявленных деформационных \24\ характеристик и условий прочности анкеров.

5. Результаты промышленных испытаний и внедрения армополимерной крепи в лавах пологих пластов Донбасса подтвердили справедливость разработанных основных положений выбора рациональных параметров поддержания кровли и позволили установить область применения каждой из схем анкерования, расширив ее также на условия сопряжений лав с подготовительными выработками.

6. Результаты выполненных исследований и разработанные методические положения выбора рациональных параметров армополимерной крепи могут быть использованы:
- при разработке технологических схем крепления лав в зонах с неустойчивыми и ложными кровлями;
- при определении норм и обьемов расхода средств упрочнения пород для планирования работы угольных предприятии в сложных горно-геологических условиях;
- при использовании других видов полимерного связущего или переходе на установку анкеров в шпуры меньшего диаметра с соответствующим уменьшением поперечных размеров анкерного стержня.

7. Результаты, полученные в настоящей работе, использованы:
- хозрасчетным участком по укреплению боковых пород полимерными материалами производственного объединения «Октябрьуголь»; Донецким научно-исследовательским угольным институтом;
- шахтами производственных объединений Донецкого бассейна - при промышленном применении способа поддержания неустойчивых пород кровли в лавах анкерами с полимерным закреплением.

По данным 1982 года, отраженным в формах государственной отчетности № 2нт, экономический эффект от применения армополимерной анкерной крепи в 118 очистных забоях на шахтах Украинского Донбасса составил 305,8 тыс.руб. \25\ 25

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: 1. Упрочнение неустойчивой кровли в лавах анкерами, зaкрепляемыми по всей длине вспенивающимся полиуретаном / Сальников В.К., Кара В.В., Гердвилис С.А. и др. - В кн. : Совершенствование техники и технологии очистных работ на тонких пологих и наклонных пластах., Донецк, 1975, №60, с.57-67.
2. Гердвилис С.А. Определение рациональных параметров химического анкерования на основе результатов промышленных испытаний. - В кн.: Совершенствование техники к технологии очистных работ на угольных шахтах Украины. Донецк, 1977, № 66, с. 97-103.
3. Совершенствование средств и способа упрочнения неустойчивой кровли в очистных забоях / Сальников В.К., Гердвилис С.А. и др. - В кн.: Применение быстротвердеющих и связующих компонентов для предотвращения внезапных выбросов и упрочнения боковых пород и угля (Тезисы докладов на Всесоюзной научно-технической конференции). М., ЦНИЭИуголь, 1977, с.15-16.
4. Опыт упрочнения слабых пород кровле в очистных забоях с помощью химического анкерования / Кара В.В., Гердвилис С.А. и др. - В кн.: Применение быстротвердеющих и связующих компонентов для предотвращения внезапных выбросов и упрочнения боковых пород и угля (Тезисы докладов на Всесоюзной научно-технической конференции). М., ЦНИЭИуголь, 1977, с.17-19.
5. Гердвилис С.А., Сальников В.К. Технико-экономические результаты применения химического анкерования в лавах пологих пластов. - В кн.: Технология очистных работ на угольных шахтах, разрабатывающих тонкие пласты. Донецк, 1978, с. 199-205.
6. Гердвилис С.А. Исследование работоспособности химического aнкерa при продольном его нагружении. - В кн.: Механизация производственных процессов на угольных шахтах Украины. Донецк, \26\ 1979, c.34-39.
7. Гердвилис C.A. Исследование деформационных свойств химического анкера. - В кн.: Технология очистных работ на угольных шахтах, разрабатывающих тонкие пласты. Донецк, I980, с.78-84.
8. Гердвилис С.А. Предупреждение обрушений кровли в рабочее пространство очистного забоя анкерами с химическим закреплением. - Тезисы докладов VII Всесоюзной конференции по механике горных пород. M., 1981, с.44.
9. Гердвилис С.А. Использование результатов испытаний на вытягивание анкера для выбора критерия прочности жесткого пенополиуретана. - В кн.: Технология очистных и подготовительных работ на тонких угольных пластах. Донецк, 1982, с.117-124.
10. Гердвилис С.А. Выбор оптимальных параметров химического анкерования. - В кн.: Совершенствование технологии очистных и подготовительных работ на шахтах Донбасса. Донецк, 1983, с.76-87.