Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал), 2013, № 1 (спецвып.1)

Н.В. Титов
С.Д. Васильев

ОБОСНОВАНИЕ
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
СТАЛЕПОЛИМЕРНОЙ
АНКЕРНОЙ
КРЕПИ ГОРНЫХ
ВЫРАБОТОК
ДЛЯ УСЛОВИЙ
МНОГОЛЕТНЕЙ
МЕРЗЛОТЫ

УДК 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Т 45 

622.281:551.34(06) 
Т 45 
 
 
 
 
Книга соответствует «Гигиеническим требованиям к изданиям книжным для взрослых» СанПиН 1.2.1253-03, утвержденным Главным государственным санитарным врачом России 30 марта 2003 г. (ОСТ 
29.124—94). Санитарно-эпидемиологическое заключение Федеральной 
службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия
человека № 77.99.60.953.Д.014367.12.12 
 
 
 
 
 
 
Титов Н.В., Васильев С.Д.  

Обоснование использования сталеполимерной анкерной кре
пи горных выработок для условий многолетней мерзлоты // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). Отдельные статьи (специальный выпуск).—
№ ОС1. — 2013. — № 1. — 24 с.— М.: издательство «Горная 
книга» 

ISSN 0236-1493 
 
Приведены результаты лабораторных исследований несущей способности сталеполимерной анкерной крепи в условиях многолетнемерзлотных  вмещающих пород. 

УДК 622.281:551.34(06)

 
 

©  Н.В. Титов, С.Д. Васильев, 2013 
©  Издательство «Горная книга», 2013 
ISSN 0236-1493 

©  Дизайн книги. Издательство  
«Горная книга», 2013 

 
 

УДК 622.281:551.34(06) 
© Н.В. Титов, С.Д. Васильев, 2013 

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ  
ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ  
ПОРОД НА УСИЛИЕ ЗАКРЕПЛЕНИЯ  
СТАЛЕПОЛИМЕРНЫХ АНКЕРОВ  
В УСЛОВИЯХ МНОГОЛЕТНЕЙ  
МЕРЗЛОТЫ 

Приведены результаты лабораторных исследований усилия и времени 
закрепления сталеполимерных анкеров в зависимости от температуры 
вмещающих пород. 
Ключевые слова: сталеполимерная анкерная крепь, ампулы, усилие закрепления, отрицательные температуры. 
 
Многолетнемерзлые горные породы на территории России 
занимают площадь около 11 млн км2. На этой территории разведаны и эксплуатируются месторождения нефти, алмазов, золота, 
медноникелиевых руд и многих других полезных ископаемых. В 
области вечной мерзлоты сосредоточены свыше 80 % разведанных запасов каменного угля, который представлен пластами различной мощности от тонких до мощных и марками углей от коксующихся и антрацитов до бурых. Мощность толщи многолетнемерзлых пород изменяется по отдельным месторождениям от 
100—120 м до 300—500 м и более, а температура вмещающих 
пород от –1,5 ÷ –2 °С до –3 ÷ –6 °С. 
В настоящее время в отечественной и мировой практике на 
угольных шахтах для крепления горных выработок все в большем объеме находит применение анкерная крепь, закрепляемая 
частично или по всей длине скважины быстротвердеющими смолами. Основным достоинством этих крепей является практически 
мгновенное их скрепление с породой, при этом несущая способность таких анкеров составляет 150—250 кН. Явное преимущество этой крепи по сравнению с другими, такими как металлическая арочная, рамная, бетонная, набрызгбетонная и т.п., особо 
важное значение имеет для шахт Севера, т.к. в связи с неразвитой 

транспортной системой доставки крепежных материалов стоимость крепи по сравнению ее со стоимостью в центральных районах России увеличивается в 3—5 раз. 
Для обоснования возможности крепления горных выработок 
сталеполимерной анкерной крепью в рассматриваемых условиях 
необходимо установить, как влияет отрицательная температура 
пород на величину сцепления с ней закрепляющего состава, т.е. 
полиэфирных смол, содержащихся в специальных ампулах. 
Исследования проводились в холодильной камере ВНИМИ, 
в которой отрицательная температура создавалась и поддерживалась холодильными машинами ИФ-5БМ. Поддержание постоянной заданной температуры в холодильной камере осуществлялось с помощью электронагревательных элементов, которые работали (включались и отключались) в автоматическом режиме. 
Система автоматического контроля температуры в камере состоит из регистрирующих и управляющих элементов. Первые представляют собой терморезисторы типа ММТ-4, в комплект которых входит мост сопротивлений R-333 и самопишущий микроампермилливольтметр Н-373-2. Регулирование температуры в 
камере осуществлялось следующим образом. На расстоянии 5—
10 см от места испытаний устанавливались терморезисторы, сигнал которых воспринимался гальванометром моста R-333 и передавался на самопишущий микроампермилливольтметр, управляющий работой нагревателей. Самописец был настроен так, что 
срабатывание коммутирующего устройства происходило при изменении температуры в камере на 0,02 °С. Для создания равномерного по всему объему камеры поля температур были установлены два вентилятора типа ВН-10. 
При исследованиях усилия закрепления анкеров применялись реальные ампулы типа АП, изготавливаемые ЗАО «Карботех». В качестве стального стержня использовались арматурные 
стержни диаметром 20 мм и длиной 400 мм. В качестве породного массива использовались бетонные блоки цилиндрической 
формы диаметром 100 мм, изготавливаемые путем заливки песчано-цементной смеси в специально подготовленные прессформы. Подготовка к испытаниям подробно описана в статье 
«Испытания влияния влажности и агрессивности среды на усилие 
закрепления сталеполимерных анкеров» настоящего сборника. 

В зоне многолетней мерзлоты температура пород в большинстве случаев колеблется в пределах –2,5 ÷ –5,0 °С. Для обоснования возможности крепления сталеполимерной анкерной крепью в этих условиях необходимо было исследовать, как будет 
«схватываться» полиэфирная смола с породами, имеющими отрицательную температуру. 
С этой целью было проведено три цикла испытаний. 
В первом цикле в песчано-цементных блоках бурились шпуры, затем их температура понижалась до –50С и ампулы с положительной температурой помещались в эти шпуры затем в них 
вставлялись стальные стержни и производилось перемешивание 
компонентов, содержащихся в ампуле. 
Во втором цикле испытаний песчано-цементные блоки охлаждались до температуры –5,0 °С, затем в них бурились шпуры 
и сразу в пробуренный шпур помещались ампулы и стержень, и 
производилось перемешивание компонентов. 
В третьем цикле температура цементно-песчаных блоков с 
предварительно пробуренными в них шпурами понижалась с 
+20° до –10 °С и фиксировалось изменение времени «схватывания» клеящего состава в зависимости от температуры цементнопесчаных блоков. 
В табл. 1 представлены результаты испытаний, полученных в 
первом цикле. 
Усилия закрепления составило 48 % от величины закрепления в породе с положительной температурой. 
Во втором цикле наблюдений шпуры бурили в блоке охлажденном до -5,0 °С и закрепление производили непосредственно 
сразу после бурения. Измерения показали, что температура стенки шпура сразу после бурения составляла +5 ÷ +8 °С. 
 
Таблица 1 
Величина закрепляющего усилия в породе с отрицательной  
температурой 

Температура 
Закрепляющие усилия, по каждому  
опыту, т.с. 
Среднее  
значение 

песчано-цементного 
1 
2 
3 
 

блока 
 
 
 
 

-5 °С 
1,4 
1,7 
1,2 
1,43 

Таблица 2 

Температура 
Температура 
Закрепляющие усилие, 
Среднее 

блока 
стенки 
по каждому опыту, т.с. 
значение 

 
шпура 
 
 
 
т.с. 

-5,0 
 
1 
2 
3 
 

 
+5,2 
2,5 
 
 
 

 
+6,0 
 
2,7 
 
2,6 

 
+8,0 
 
 
2,6 
 

 
В табл. 2 приведены величины закрепляющего усилия в блоке с отрицательно температурой, в которых установка стержней 
осуществлялась непосредственно после бурения. 
Как видно, анкер установленный в мерзлом блоке сразу после бурения имеет несущую способность равную 86 % от ее значения, полученного для анкеров, установленных в положительной температуре. 
На рис. 1 представлена зависимость времени схватывания 
клеющего состава ампул-патронов от температуры. 
 

-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25  

0

5

10

15

20

25

Температура среды 

Время схватывания раствора 

Т, мин 

t°, С 

 
Рис. 1. Зависимость времени схватывания (Т) клеющего раствора ампулпатронов от температуры (t) 

Таблица 3 

Закрепляющее усилие по каждому 
опыту, тс 

Количество циклов 
замораживания–
оттаивания 
1 
2 
3 

Среднее 
значение 

1 
3,2 
2,8 
2,9 
2,9 

2 
3,0 
3,3 
2,7 
3,0 

5 
2,6 
3,5 
2,8 
2,9 

10 
3,1 
2,7 
2,9 
2,9 

15 
3,4 
2,5 
2,7 
2,9 

 
Как видно при температуре –10 °С скорость отвердения смолы примерно в 10 раз меньше чем при положительной температуре +20 °С, а при температуре –15 °С отмечались случаи замерзания клеющего состава. 
При креплении горных выработок сталеполимерными анкерами, особенно в условиях многолетней мерзлоты, ампулы в процессе доставки неоднократно подвергаются воздействию знакопеременных температур. При окружающей температуре воздуха 
в зимний период до –40÷–50° ампулы еще в вагонах или других 
транспортных средствах замерзают, затем при перегрузках их в 
складских помещениях оттаивают, и так неоднократно. Опыт показывает, что за период транспортировки от изготовителя к забою ампулы могут порядка 5–10 раз подвергаться таким воздействиям. Естественно, возникли опасения в возможности их использования для крепления кровли горных выработок. 
С целью определения влияния процессов замораживанияоттаивания ампул на несущую способность сталеполимерной 
крепи, были проведены специальные исследования. 
Исследования проводились в уже описанной холодильной 
камере ВНИМИ. 
Температура воздуха в камере опускалась до –15 °С и при 
этом значении ампулы выдерживались в течение суток. Температура смолы контролировалась с помощью датчика ММТ-1, помещенного в камеру № 1 контрольной ампулы. После достижения заданной температуры в ампуле и выдержки заданного времени холодильные машины выключались и включались нагреватели. После достижения температуры воздуха в камере +15 °С 
нагреватели выключались и ампулы при такой температуре выдерживались также в течение суток. Такие изменения температу

ры полиэфирной смолы составляли один цикл замораживания–
оттаивания. После оттаивания ампулы и выдержки ее при положительной температуре производилось испытание ее закрепляющей способности. Для этого испытуемая ампула помещалась в 
сухой шпур, пробуренный в бетонном блоке, туда же вставлялся 
металлический стержень (анкер). 
Таким образом, испытывались ампулы, подвергшиеся 1, 2, 5, 
10 и 15 циклам замораживания–оттаивания. В табл. 3 приведены 
значения закрепляющего усилия, которые создавали ампулы после воздействия на них знакопеременной температуры. Как видно, при воздействии на полиэфирные смолы знакопеременной 
температуры, закрепляющие усилия практически не менялись. 
 
Выводы 
 
1. Проведенные исследования убедительно показали возможность закрепления анкерных стержней в породах с отрицательной температурой с помощью полиэфирных смол при этом: 
установку анкера в мерзлой породе необходимо осуществлять 
сразу после бурения шпура, пока температура его стенок, разогретая вследствие бурения до +5 ÷ +8 °С, не остыла до отрицательной температуры. В этом случае усилие закрепления анкера 
составляет 80÷86 % от усилия закрепления анкера, установленного в породе с положительной температурой. 
При закреплении анкера в породе, имеющей отрицательную 
температуру, усилие закрепления составляет 48 % от величины 
закрепления в породе, имеющей положительную температуру. 
2. Получена зависимость времени отверждения клеющего 
состава от его температуры, при этом при температуре смеси в 
ампуле –10 °С скорость отверждения смолы примерно в 10 раз 
меньше чем при температуре +25 °С, а при температуре –15 °С 
отмечались случаи замерзания склеивающего состава. 
3. За период транспортировки от изготовителя к забою 
ампулы 5—10 раз подвергаются воздействию низких температур с замораживанием и последующим оттаиванием скрепляющего состава. Исследования показали, что такие воздействия практически не влияют на закрепляющие усилия полиэфирных смол. 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ: 
 
1. Изаксон В.Ю., Петров Е.Е., Ковлеков И.И. Расчет крепи горных 

выработок в многолетней мерзлоте. — Якутск: ИГДС, 1988. — С. 123. 

2. Инструкция по расчету и применению анкерной крепи на уголь
ных шахтах России. — СПб., ВНИМИ. — 2000. — 69 с. 

3. Дядькин Ю.Д. Основы горной теплофизики для шахт и рудников 

Севера. — М.: Недра, 1968. — С. 255. 
 
 
 
 

УДК 622.281(06) 
© Н.В. Титов, С.Д. Васильев, 2013 

ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ  
ВЛАЖНОСТИ И АГРЕССИВНОСТИ  
СРЕДЫ НА УСИЛИЕ ЗАКРЕПЛЕНИЯ  
СТАЛЕПОЛИМЕРНЫХ АНКЕРОВ 

Приведены результаты лабораторных исследований влияния влажности 
и агрессивности среды на усилие закрепления сталеполимерных анкеров. 
Ключевые слова: бетонные блоки, полиэфирные смолы, анкера, растворы, нагружение. 
 
Как свидетельствуют данные натурных исследований, проведенных на шахтах и рудниках Норильска, СУБРа, Алроса и др., 
подземные воды, контактирующие с породами и крепью, как правило, создают большое количество различных примесей, влияющих как на металлические составляющие анкерной крепи, так и 
на скрепляющую способность металлического стержня с породным массивом. 
Анализ минерального состава воды на указанных рудниках 
позволили определить наиболее распространенный состав примесей, содержащихся в шахтной воде. К ним относятся растворы 
каменной соли, растворы каменной соли с добавкой растворов 
сернокислых и хлористых соединений. 
При исследовании усилия закрепления сталеполимерных анкеров применялись реальные ампулы типа АП-1, изготовляемые 

ЗАО «Карботех». В качестве стального стержня применялись арматурные стержни диаметром 20 мм и длиной 40 см. В качестве 
породного массива использовались бетонные блоки цилиндрической формы диаметром 100 мм, изготовляемые путем заливки 
песчано-цементной смеси в специально подготовленные прессформы. Пресс-форма представляла собой полый металлический 
цилиндр с основанием, разрезанный на две части по диаметру. 
Части с помощью болтов и гаек соединялись между собой. После 
заполнения пресс-формы и схватывания бетонной смеси болты 
откручивались и бетонный цилиндр вынимался из пресс-формы. 
После набора бетонным цилиндром необходимой прочности 
в нем по центру просверливали сквозные отверстия диаметром 25 мм. 
Снизу отверстие плотно закрывалось деревянной пробкой, для 
предотвращения вытекания из него испытуемой смеси. 
Подготовка бетонного блока к испытаниям осуществлялась 
следующим образом. В пробуренное отверстие в блок заливалась 
испытуемая смесь (вода, соляной раствор, соляной раствор со 
специальными добавками), затем в шпур с налитой жидкостью 
вставляли ампулу с полиэфирной смолой. Затем металлический 
стержень (имитирующий анкер) заостренный на одном конце 
вставлялся в шпур и с помощью электрического сверла СР-14 
приводился во вращение с одновременным поступательным перемещением. За счет вращения стержня полиэтиленовая оболочка 
ампулы разрывалась и смешивались входящие в нее компоненты, 
при этом происходило отверждение всей композиции и плотное 
склеивание стержня со стенками бетонного блока. После того, 
как смесь застывала, она выдерживалась сутки от момента застывания до испытаний. После выдержки бетонного блока он выставлялся на нагрузочный стол пресса, при этом под нижнюю 
часть блока укладывалась металлическая плита размерами 
200×200 мм и толщиной 30 мм с просверленным посередине отверстием, которое совмещали с отверстием выполненным в бетонном блоке. После этого с помощью пресса производили нагружение (сжатие) металлического стержня до его «срыва» и 
проскальзывания внутри блока. В момент «срыва» стержня фиксировалось усилие, предаваемое прессом стержню, которое и 
принималось за должное закрепление. 
На рис. 1 показано испытание бетонного блока на прессе БУ-47, 
установленном в холодильной камере.