Механизм и применение анкеровки расширенным воронкообразным дном скважины в аргиллярных цементированных выработках

Удержание хрупких горных выработок

Глубоко под землёй многие угольные выработки проходят через мягкие, богатые глиной породы, которые со временем разбухают, ползут и крошатся. Традиционные стальные крепления и даже современные анкера нередко теряют сцепление по мере деформации такой слабой породы, что повышает риск обрушений кровли и затрат на ремонт. В этом исследовании предложен новый способ более надёжной анкеровки болтов путём изменения формы торца скважины — так, чтобы порода и смола буквально замыкались, как клин, обеспечивая долгосрочную устойчивость выработки.

Почему трудно удержать выработки в мягких породах

Многие угольные выработки в Китае прорезаны аргиллярными, то есть глинисто-цементированными, породами, минералы которых теряют прочность при увлажнении. Такие породы слабо сцеплены, имеют низкую прочность и склонны к разбуханию и перемазыванию при контакте с водой. Под постоянным давлением горных масс стены и кровля выработки ползут и деформируются. Стальные рамные крепления, которые изначально кажутся эффективными, могут «вдавливаться» в мягкий пол при его вспучивании, а кровля прогибаться и трескаться. Анкера, ныне основной метод крепления, должны связывать слабые пласты породы. Но в этих условиях смола, используемая для склеивания болтов со стенками скважины, часто отделяется от породы, особенно при вибрациях и влажности, что быстро снижает удерживающую силу.

Формирование торца скважины в виде клина

Исследователи сосредоточились на простой, но эффективной идее: вместо того чтобы оставлять дно скважины цилиндрическим, его расширяют в перевёрнутую воронку при помощи специального зенкера. Затем болт заливают смолой в эту расширенную полость. Фактически болт перестаёт полагаться только на клей по гладкой стенке и механически запирается в более широкой «карманной» зоне породы. Команда построила механическую модель, делящую болт на три участка вдоль длины: свободный участок у входа в выработку, нормальная анкерная зона и расширенная анкерная зона в самом торце. С помощью уравнений горной механики показано, что такая воронкообразная полость существенно увеличивает касательные и зажимные силы на границе смола–порода, повышая осевую несущую способность болта даже при возникновении сдвигов в других участках.

От уравнений к лабораторным макетам и испытаниям на вырыв

Чтобы проверить концепцию, команда создала масштабные макеты стен выработки из материалов, имитирующих слабые малопрочные породы. Они сверлили скважины в ПВХ-трубах и вручную расширяли дно до перевёрнутых клиньев разной длины, диаметра и угла. С применением обычной горной смолы (K2335) сначала проверяли, насколько хорошо смола смешивается и отверждается в этих расширенных полостях. При слишком большой или слишком длинной воронке части смолы оставались плохо смешанными и не отверждёнными. Был введён показатель «коэффициент отверждения», количественно оценивающий долю полностью отвердевшей смолы. Оптимальной оказалась комбинация: длина расширения 100 мм, максимальный диаметр 58 мм и угол клина 9°, при которой коэффициент отверждения достиг 92,9%, то есть полость была плотно и равномерно заполнена.

Большее сцепление до и после разрушения

Дальше исследователи провели лабораторные испытания на вырыв, сравнивая обычные болты с болтами, закреплёнными в таких воронкообразных полостях, при одном и том же общем анкерном ходе. В обоих случаях усилие при вытягивании росло с перемещением до пика, после чего падало по мере начала проскальзывания между смолой и породой. У обычных болтов падение было резким, оставшееся усилие было низким и в основном обусловлено слабым трением. В отличие от этого, болты в перевёрнутой воронке сохраняли высокие остаточные силы после начала сдвига, потому что расширенная форма механически препятствовала полному выдергиванию. Численные моделирования подтвердили эти выводы: при той же нагрузке 160 кН среднее касательное напряжение вдоль анкерной зоны возросло примерно на 47% при клиновом решении, а концентрация напряжений сместилась выгодно в сторону расширенной зоны, а не только в дно скважины.

Подтверждение идеи в реальной угольной выработке

Затем метод испытали в натуре в мягкопородной выработке на угольной шахте в провинции Шаньси. Торцы скважин долбили и зенковали собственной однокрылой насадкой, затем задвигали картриджи со смолой в расширенную полость и смешивали их с болтом до заполнения смолой трещиноватой и целой породы. Мониторинг трёх кровельных болтов показал, что их осевые усилия увеличивались по мере деформации окружающей породы, а затем стабилизировались на высоких уровнях, без быстрого падения несущей способности, часто наблюдаемого при традиционной анкеровке. Замеры оседания кровли подтвердили: выработки, закреплённые болтами с перевёрнутой воронкой, имели значительно меньшее проседание по сравнению со стандартными болтами, что свидетельствует о более безопасной и стабильной выработке.

Что это значит для безопасности шахт

Для непрофессионального читателя суть такова: изменение скрытого торца скважины под болт может существенно повысить безопасность выработки. Вырезав в породе небольшой воронкообразный карман и заполнив его смолой со стальным болтом, инженеры получают нечто вроде подземной «головки анкера», которую труднее вырвать и которая меньше теряет прочность со временем. Исследование показывает, что при правильно подобранных размерах такая конструкция не только увеличивает начальную удерживающую способность, но и сохраняет значительную часть этой силы даже после частичного проскальзывания. Для шахт, проходящих через хрупкие, чувствительные к воде породы, такая улучшенная анкеровка может снизить число обрушений кровли, сократить затраты на обслуживание и повысить безопасность подземных работ.

Цитирование: Zhang, H., Li, G., Xu, Y. et al. Mechanism and application of reaming anchorage of inverted wedge-shaped hole bottom in argillaceous cemented roadway. Sci Rep 16, 5094 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35906-7

Ключевые слова: выработка в мягких породах, анкерное крепление болта, угольный тоннель, расширенная скважина под болт, поддержка горных выработок