Основы Горного Производства. Калиниченко О. И., Зыбинский П. В., Хохуля А. В. Основы горного производства
 Скачать 18.24 Mb.
|
|
2.7. Крепление горных выработок Подземные горные выработки далеко не всегда сохраняют свою пер- воначальную форму. Часто стенки, кровля или даже почва горной выработ- ки деформируется. Деформация горной выработки является следствием то- а) б) в) Рис. 2.108. Схемы работы подъема сосудов 113 го, что горные породы находятся в равновесно-напряженном состоянии, возникающем под действием веса вышележащих слоев пород и реакции нижележащих. В нетронутом массиве силы, действующие на породу, вза- имно уравновешиваются. Однако в результате проведения выработок рав- новесно-напряженное состояние пород нарушается. В горных породах, гра- ничащих с выработкой, возникают внутренние силы, направленные к ее контуру - проявляется так называемое горное давление. Для сохранения формы и расчетных размеров сечения горных выра- боток необходимо возведение крепи. Перемещающийся внутрь выработки ее породный контур в некоторый момент вступает в контакт с крепью. Крепь препятствует этому перемещению, вследствие чего возникает горное давление на крепь, которое постепенно возрастает до тех пор, пока система «порода-крепь» не придет в состояние равновесия, или крепь будет разру- шена. Конструкция крепи должна отвечать условиям ее работы, т.е. учиты- вать величину и режим горного давления. Общие сведения о горном давлении. В общем случае горное давление – это силы, возникающие в массиве горных пород, окружающих горные вы- работки, действующие на крепь, массив и целики обусловленные: собст- венным весом пород; тектоническими нарушениями; разностью темпе- ратур. Различные механические явления, происходящие в результате воз- действия на контур выработки этих сил, называются проявлением горного давления (рис. 2.109). Процесс проявления горного давления (особенно когда выработка ос- тается долгое время незакрепленной) про- текает до тех пор, пока кровля ее не при- мет форму свода. Этот процесс, как пра- вило, протекает в виде отслоения горной породы (рис. 2.110). Это явление проявля- ется особенно интенсивно в тех случаях, когда выработка пройдена в несвязных породах или в породах, обладающих не- значительной устойчивостью. Таким образом, если горное давле- ние превышает прочностные показатели пород, выработка деформируется или раз- рушается. Чтобы предотвратить это явле- ние, в практике горных работ применяют различные средства, т. е. им придают наи- более устойчивые формы или возводят специальные строительные конструкции в виде крепи. Рис.2.109. Виды проявления горного давления 114 В толще земной коры в нетрону- том массиве горные породы испытывают давление, обусловленное силой тяжести вышележащих толщ. При отсутствии тектонических сил и температурных гра- диентов, напряжения от собственного веса пород пропорциональны глубине. В массиве, не имеющем пустот, тектониче- ских трещин и выработок, максимальная величина главных напряжений, дейст- вующих на горизонтальную площадку (в вертикальном направлении) на поверх- ности любой элементарной породной частицы z , расположенной на рас- стоянии H от земной поверхности, со- ставит (рис. 2.111) H z , где - приведенный объемный вес вышележащих пород. Напряженное состояние пород зависит не только от величины z , но и от имеющих место тектонических про- цессов. Для районов, подверженных тек- тоническим нарушениям, при оценке z , вместо H принимается расчетная глу- бина Н Н р 5 1 В результате воздействия величины z , боковые грани ее будут ис- пытывать противодавление и она окажется в равновесно-напряженном со- стоянии в условиях всестороннего (трехосного) сжатия. Напряжения, дей- ствующие в горизонтальном направлении на вертикальные площадки, яв- ляются производными от z и определяются упругими деформационными свойствами пород на рассматриваемой глубине. При этом: для упругого массива Н H y х 1 1 ; для сыпучего массива H tg H y х o ) 2 45 ( 2 2 , Рис. 2.110. Отслоения горной породы с образованием естест- венной свода над выработкой Рис. 2.111. Напряжения, дейст- вующие на элементарную пород- ную частицу в массиве 115 где 1 1 - коэффициент бокового распора для упругой среды; ) 2 45 ( 2 2 o tg - коэффициент бокового распора для сыпучей среды; - угол внутреннего трения сыпучего массива; - коэффициент Пуассона. Боковой распор в сыпучей среде обеспечивает зависание отдельных кусков породы за счет трения и зацепления друг с другом. Зависание будет продолжаться до тех пор, пока собственный вес куска не превысит силу трения между смежными кусками. Массив горных пород лишенный сил сцепления между отдельными структурными блоками (массив горных пород в связи с наличием трещино- ватости рассматривается как состоящий из отдельных структурных блоков, размером в ), рассматривается как сыпучий, если оцениваемая область мас- сива В (например, ширина выработки) в 3-4 раза превышает максимальный размер структурного блока ) 4 3 ( в В Оценка возможности рассматривать массив как упругую или сыпу- чую среду обеспечивается сравнением действующих напряжений сж R с прочностью горной породы сж При сж сж R , - возможно разрушение массива на отдельные струк- турные блоки. В этом случае массив можно рассматривать как сыпучую среду. Пределы прочности массива на сжатие сж R и растяжение р R уста- навливаются зависимостями с сж сж К R ; с р р К R , где сж - предел прочности пород на сжатие; сж р 1 , 0 - предел прочности пород на растяжение; 9 0 2 0 с К - коэффициент структурного ослабления, представляющего собой отношение прочности пород в массиве к прочности в куске. Для 14 в В , 2 0 с К ; - коэффициент длительной прочности. Значение коэффициента рекомендуется принимать: для пород с хрупким характером разрушения (граниты, кварциты, песчаники с кварце- вым цементом и т.п.) = 10,7, а для пород, испытавших пластические де- формации перед разрушением (песчанистые, углистые сланцы известняки средней крепости и т.п.), = 0,50,7. Принимая массив как сыпучий, а действующие напряжения в массиве - предельными, можно определить угол внутреннего трения по формуле 116 р сж р сж R R R R tg , arctg Когда в земной коре проводятся горные выработки, равновесно- напряженное состояние породы наруша- ется, поскольку изменяется первона- чальный характер распределения на- пряжений в массиве (рис. 2.112), вслед- ствие этого в массиве, граничащем с выработкой, возникают внутренние си- лы, направленные к контуру выработки (горное давление). Оценка напряженного состояния пород на контуре и расчет устой- чивости незакрепленной выработки. Под устойчивостью горных пород понимают их способность сохра- нять равновесие при обнажении. Устойчивость горной выработки – способность ее сохранять задан- ные ей размеры и форму в течение всего срока эксплуатации. При проведении горизонтальной (наклонной) выработки в ее кровле и почве появляются области пониженных напряжений, а в боках – области повышенных напряжений. В кровле выработки вместо сжимающих напря- жений, существовавших ранее в массиве, х или у , появляются растягивающие напряжения. Повышение и понижение на- пряжений оценивается коэффициентом концентрации напряжений, под которым понимают отношение величины напряже- ний, существовавших в этой же точке до проведения выработки. На контуре выра- боткив массиве упругих пород напряжен- ное состояние вне зоны влияния очистных работ, крупных пустот и тектонических трещин оценивается величиной макси- мальных сжимающих напряжений для бо- ков и минимальных растягивающих на- пряжений в кровле (рис. 2.113): для боков H K 1 max ; для кровли 1 2 min H K , Рис. 2.112. Нарушение равновесного состояния напряжений, действую- щих на элементарную породную частицу в стенке выработки Рис. 2.113. Распределение напря- жений на контуре горизонталь- ной выработки 117 где 1 K и 2 K - коэффициенты концентрации сжимающих и растягивающих напряжений. Растягивающие напряжения в кровле на небольшой высоте переходят в сжимающие напряжения. Коэффициент концентрации сжимающих на- пряжений до проведения выработок равен единице. Коэффициент концен- трации растягивающих напряжений принимается в долях от сжимающих и зависит от формы выработки: 2 1 K - для любой формы выработок; 1 2 K для трапециевидных выработок; для выработок прямоугольно-сводчатой формы: 4 0 2 K - при 12 f ; 3 0 2 K при 12 f . В выработках кругло- го сечения 2 , 0 2 К Оценка устойчивости контура незакрепленной выработки выполняет- ся обычно для одноосного напряженного состояния по величине макси- мальных напряжений в рассматриваемой точке и определяется запасом прочности, численно показывающим во сколько раз допускаемые (расчет- ные) напряжения меньше предела прочности (временного сопротивления) массива горных пород. Запас прочности вводится для расчета устойчивости обнажений гор- ных пород в выработке по предельному состоянию, под которым понимают такое состояние, при котором выработка перестает удовлетворять заданным требованиям (находиться без крепи в период эксплуатации). После определения напряжений max и min запасы прочности по- родного массива в кровле к n и боках выработки б n оцениваются формула- ми: тах сж б R n ; min р к R n На основании полученных значений к n и б n делается вывод об ус- тойчивости пород на контуре выработки: 4 n - кровля и бока устойчивы; 4 1 n - кровля и бока относительно устойчивы; 4 n - кровля и бока неустойчивы. Для определения величины горного давления в горизонтальных вы- работкахиспользуются расчетные методы, которые базируются на теории сводообразования и учитывают только активную нагрузку, действующую на крепь. Крепь в этом случае не препятствует сводообразованию. В табл. 2.3 приведена классификация режимов нагрузки на крепь при соответствующих запасах прочности породного массива. 118 Таблица 2.3. Условный номер и классификация режимов нагрузки № Запас Режим заданной нагрузки на крепь и расчетная схема 1 4 к n 4 б n Нагрузка на крепь отсутствует, и выработка может быть пройдена без крепи. В местах геологических нарушений, для пород, склонных к выветриванию необходимо покры- тие выработки набрызг-бетоном толщиной до 3 см 2 1 к n 4 б n Крепь несет полную нагрузку со стороны кровли от веса пород внутри свода естественного равновесия (обруше- ния). Бока устойчивы. 3 1 к n 1 б n Крепь несет полную нагрузку со стороны кровли и боков; образуется новый контур выработки: в кровле - свод, в бо- ках - призмы сползания. 4 4 1 к n 4 1 б n Крепь не несет полной постоянной нагрузки со стороны кровли и боков; образуется новый контур выработки: в кровле - свод, в боках - призмы сползания. В вертикальных горных выработках напряженное состояние пород оценивается максимальными вертикальными напряжениями на стенке (от- дельно для протяженных участков и для участков сопряжения с другими выработками) и минимальными сжимающими напряжениями в горизон- тальной плоскости (рис. 2.114). Максимальные сжимающие на- пряжения H К тах 3 , где 3 К – коэффициент концен- трации сжимающих напряжений ( 3 3 K - для протяженных участков; 6 3 K - для участков сопряжения с другими выработками). Протяженный участок отсчитывается от уровня 20 м к сопряжению (рис. 2.114). Минимальные сжимающие на- пряжения в горизонтальной плоскости определяются зависимостями: для сечений круглой формы 1 2 Н тіп ; для сечений прямо- угольной формы 1 Н тіп Контур вертикальной выработки можно считать устойчивым, если действующие напряжения на контуре не превышают прочность массива на сжатие и растяжение Рис. 2.114. Распределение напряжений на контуре вертикальной выработки 119 1 тах сж R ; 1 min р R Устойчивость контура вертикальной выработки оценивается по кри- терию устойчивости С , (табл. 2.4). При этом сж сж у R К R К Н К С 0056 , 0 25 , 5 3 , 26 , где у К - коэффициент воздействия на вертикальную выработку других вы- работок ( у К =1,5 – для участков сопряжения; у К =1 – для протяженных участков выработки); К - коэффициент, учитывающий угол залегания по- род. Для пород залегающих горизонтально К =1. Для пород, залегающих под углом , величина К определяется по формуле Sin К 5 , 0 1 1 Таблица 2.4. Группа и состояние устойчивости контура от величины С Группа Состояние устойчивости пород С I Устойчивые <3 II Среднеустойчивые 3…6 III Неустойчивые 6…10 IV Очень неустойчивые >10 Расчет горного давления производят с целью определения нагрузок на крепь и расчета ее прочных размеров. При проведении горизонтальных горных выработок выбор расчетной схемы горного давления в скальных породах, которые не испытывают перед разрушением заметных пластических деформаций, можно выполнить на ос- нове запаса прочности, используя классификацию режимов заданной на- грузки (табл. 2.3). Горное давление на крепь, если оно определяется по теоретическим или эмпирическим формулам, принимается в качестве нормативного. В этом случае расчетная нагрузка ( р Q ) определяется путем умножения нор- мативной нагрузки ( Q ) на коэффициент перегрузки ( п n ): п р Qn Q . Для камер и других выработок околоствольного двора п n =1.5, для остальных выработок - п n =1.2. 120 Для 4 к n и 1 к n (условный номер 2, табл. 2.3) нормативная на- грузка на крепь ( Q ) со стороны свода обрушения определяется по расчет- ному методу, предложенному М.М. Протодьяконовым (табл. 2.5). Таблица 2.5. Расчетные формулы для определения горного давле- ния в горизонтальных горных выработках Форма выработки Трапециевидная Прямоугольно-сводчатая Расчетные формулы 1. Нагрузка на единицу длины выработки tg a Q 3 4 2 2. Высота свода обрушения tg a b / 3. Интенсивность максимального нормативного давления b g 1 1. Нагрузка на единицу длины вы- работки 0 3 4 h tg a a Q 2. Высота свода обрушения tg a b / 3. Интенсивность максимального нормативного давления ) ( 0 1 h b g Где a – полупролет выработки; - удельный вес пород; - угол внут- реннего трения пород; 0 h - высота искусственного свода выработки по проекту. Для случая 1 к n и 1 б n когда кровля и бока неустойчивы (услов- ный номер 3, табл. 2.3) в кровле образуется свод обрушения, а в боках приз- мы сползания и отделившаяся порода начинает оказывать давление на крепь. За счет призм сползания полупролет выработки по кровле увеличи- вается на величину hctg C 1 , где ) 2 / 45 ( 0 arctg – угол сползания породных призм; h - высо- та выработки. 121 Нормативная нагрузка на крепь ( Q ) со стороны свода обрушения оп- ределяется по расчетному методу, предложенному П.И. Цимбаревичем (табл. 2.6). Таблица 2.6. Расчетные формулы для определения горного давле- ния в горизонтальных горных выработках Форма выработки Трапециевидная Прямоугольно-сводчатая Расчетные формулы 1. Нагрузка со стороны кровли на единицу длины выработки ab Q 2 2. Высота свода обрушения tg hctg hctg a b 3. Интенсивность максимального нормативного давления со сторо- ны кровли b g 1 4 . Интенсивность бокового дав- ления у кровли 2 b q к 5. Интенсивность бокового давле- ния у почвы 2 h b q n 6. Боковое давление пород h q q D n k 2 1. Нагрузка со стороны кровли на единицу длины выработки ) ( 2 0 1 h b a Q 2. Высота свода обрушения tg hctg a b 1 3. Интенсивность максимального нормативного давления со стороны кровли ) ( 0 1 1 h b g 4 . Интенсивность бокового давления у кровли 2 1 b q к 5. Интенсивность бокового давления у почвы 2 1 h b q n 6. Боковое давление пород h q q D n k 2 где ) 2 45 ( 2 2 o tg - коэффициент бокового распора для сыпучей сре- ды. 122 Рассмотренная классификация режимов заданной нагрузки не вклю- чает все возможные сочетания показателей (запасов) прочности пород, од- нако позволяет оценить возможную ситуацию и выбрать расчетную схему применительно к конкретному случаю. Например, если кровля относительно устойчива ( 4 1 к n ), а бока неустойчивы ( 1 б n ), то для определения горного давления может приме- няться расчетная схема приведенная в табл. 2.6. В этом случае нормативную нагрузку со стороны кровли (при 4 1 к n ) определяют путем деления нормативной нагрузки Q на действующий коэффициент запаса прочности к n , а со стороны боков будет полная нагрузка D При неустойчивой кровле ( 1 k n ) и относительно устойчивых боках ( 4 1 б n ) применяют также расчетную схему по табл. 2.6 и поступают аналогично вышеописанному. Такой подход к определению нагрузки пра- вомерен, поскольку развитие дефектов в породном массиве, а также дефор- маций увеличивается с ростом напряжений. Если деформируемые породы не склонны к упрочнению, то деформации и степень нарушенности массива пропорциональны величине действующих в массиве напряжений. Классификация (табл. 2.3) неприменима к слабым неустойчивым по- родам, которые задолго до разрушения склонны к пластическому течению, при коэффициенте длительной прочности 5 0. (мергель, сланцы, доли, глины и т.п.). В этих породах нагрузка на крепь должна определяться по СНиП П-94-80. При определении нагрузки на крепь наклонной выработки рассмат- ривается вертикальный разрез, а не нормальное сечение выработки (рис. 2.115). При этом вертикальное давления Q со стороны свода обрушения раскладывается на две составляющие N и T : Qсоs N , siп Т , где - угол наклона выработки. Непосредственно на крепь оказывает давление нагрузка N , а T дейст- вует вдоль кровли выработки, стремясь опрокинуть рамную крепь или ско- лоть набрызг-бетонную крепь, если модуль упругости или деформации по- род и крепи не совпадают. Согласно рекомендациям П.И. Цимбаревича величину горного давле- ния следует определять как: 1. Qсоs N , если о 45 ; 2. о Qсоs N 45 , если о о 80 45 ; 3. При о 80 выработка рассматривается как вертикальная. 123 Величину горного давления при слоистой кровле, когда выработка пройдена по напластованию пород, следует определять, как для горизон- тальных выработок. В однородных породах все линейные размеры выработки при опре- делении горного давления подставляются в соответствующие формулы с учетом угла наклона выработки. Вертикальная высота выработки увеличи- вается до cos / 2 h h , при этом увеличивается и высота свода обрушения до 02 2 2 ) ( h tg ctg h a b . Зная высоту 2 b , легко определить вертикаль- ную нагрузку 2 2 ab Q и ее составляющие T и N по формулам, приве- денным в табл. 2.6. Расчет горного давления в вертикальных горных выработках выпол- няется в следующей последовательности. 1. Определяют нормативное горизонтальное (радиальное) давление ) , ( кПа Р н по формулам: при 6 С , 1 2 10 C Рн ; при 6 С , 7 3 10 C Рн , где С - критерий устойчивости; – параметр, учитывающий технологию проходческих работ: при последовательной и параллельной технологиче- ских схемах 0 ; при совмещенной технологической схеме: 2 (при 6 С ), и 3 (при 6 С ). 2. Определяют расчетное давление пород ( кПа Р р , ) по зависимости 3 1 , 0 1 о н у р r н P n nm Р , где о r – радиус выработки в свету или приведенный радиус выработ- Рис. 2.115. Расчетная схема определения горного давления в наклонной выработке 124 ки при ее прямоугольной форме - св o S r ); 3 , 1 n – коэффициент пере- грузки крепи; у m - коэффициент условий работы крепи ( 5 , 0 у m - для на- брызг-бетонной крепи; 8 , 0 у m - для монолитной бетонной крепи; 75 , 0 у m - для сборной крепи); н п - коэффициент приведения к расчетному (максимальному) давлению при неравномерной эпюре нагрузок (табл. 2.7) Таблица 2.7. Значения коэффициента н n н n , при схемах проходки Угол залегания пород , Последовательная и параллельная Совмещенная < 10 о 2.00 1.75 10…35 о 2.50 2.00 > 35 о 2.75 2.25 Геологоразведочные шурфы проходят часто в наносных малосвязан- ных песчано-глинистых отложениях. В этом случае расчетное горизонталь- ное давление на крепь следует определять по формуле 1 ) 2 / 45 ( 1 1 ) 2 / 45 ( o o o o o n Htg r r tg r nk P , кПа, где k - коэффициент, принимаемый равным 1,7 если нет проемов в крепи; ) 2 / 45 ( 2 o tg tg - безразмерный коэффициент. Основные крепежные материалы для изготовления горной крепи. Горна крепь – искусственное сооружение, возводимое в выработке для предотвращения обрушения неустойчивых пород и сохранения необхо- димой площади поперечного сечения выработки на период эксплуатации. По назначению крепежные материалы можно разделить на основ- ные, используемые для несущей конструкции крепи (древесина, металл, ка- мень, бетон, железобетон), и вспомогательные (водоизоляционные мате- риалы, гвозди, болты, хомуты и др.). Древесина. Для крепления горных выработок используют как хвой- ные, так и лиственные сорта породы дерева. Наиболее широко применяю- щиеся породы и сорта леса приведены на рис. 2.116. Срок службы леса в шахтных условиях зависит от качества древеси- ны и от условий, в которых находится крепь. Если по закрепленной древе- синой выработке проходит сухой холодный воздух, то лес сохраняется лучше, чем при влажном и теплом. Срок службы крепи из хвойных пород дерева в плохих условиях составляет 3-6 месяцев; в средних условиях (при 125 хорошем проветривании, но при переменном увлажнении и высыхании) – 1.5 – 3 года; в хороших (в сухих, хорошо проветриваемых выработках) до 5 лет. Основным мероприятием, позволяющим продлить срок службы кре- пи, являются сушка и пропитка древесины специальными составами, назы- ваемыми антисептиками. Антисептики – это растворы минеральных солей (фтористый натрий, хлористый цинк и др.) от действия которых белки и уг- леводы (целлюлоза) древесины свертываются, а среда, получаемая при этом, становится ядовитой для грибков. Металл.По прочности, долговечности и конструктив- ным возможностям металл яв- ляется одним из наиболее со- временных материалов для кре- пи. Металлическую крепь изго- тавливают из черных металлов – стали и чугуна. Для изготов- ления металлических рамных крепей преимущественное ис- пользование имеет желобчатый шахтный профиль проката СВП (специальный взаимозаменяе- мый профиль) шести типораз- меров, номер которого соответ- ствует массе 1 м в кг. В качестве стального проката применяют также швеллерные балки № 14 - 24; Рис. 2.116. Сортамент древесины для крепления выработок Рис. 2.117. Сортамент металла для изготовления крепи 126 двутавровые балки №14 - 30, , железнодорожные рельсы Р-38 и Р-43, руд- ничные рельсы Р-18, Р-24, Р-33, уголок и арматурную сталь (рис. 2.117). Достоинством стали, как крепежного материала является высокая прочность при растяжении и сжатии. Для изготовления металлической шахтной крепи широко применяют специальные стали, характеризующиеся высокой прочностью и пластичностью ( предел текучести от 520 до 650 Н/мм 2 ), и временным сопротивлением на разрыв от 700 до 900 Н/мм 2 Камень. Естественные камни – это изверженные, осадочные или ме- таморфизованные породы, добытые в карьерах или при проходке вырабо- ток. Широкого применения естественные обработанные камни не получили из-за большой стоимости их изготовления. Более широкое применение имеют искусственные камни (кирпич, бетониты), использующиеся при кре- плении капитальных выработок. Бетон - затвердевшая смесь раствора цемента с песком, щебнем или гравием. Для различной бетонной крепи используют портландцемент различ- ных марок. Состав бетона обозначают в виде: 1:А:Б, (где 1 – весовая часть цемента; А – количество частей песка; Б – количество частей щебня или гравия). В зависимости от соотношения объемов цемента и песка растворы делятся на жирные (1:2 и 1:2.5) нормальные (1:3 и 1:3.5) и тощие (1:4). Для горной промышленности применяют жирные и нормальные растворы (табл. 2.8). Таблица 2.8. Состав и параметры бетона Раствор Соотношение частей рас- твора 1 1 1 1 1 А 2 2.5 3 3.5 сж 100; 150; 200; 250; 300. сж р и 17 0 1 0 ) ( Б 4 5 5 6 Прочность бетона определяется его маркой, которая получается при испытании бетонного кубика с ребром 20 см на сжатие ( сж ) в возрасте 28 дней при температуре 18-20 о С. Железобетон. Для повышения механической прочности, особенно при изгибе и растяжении, бетон армируют сталью. Такой бетон называют железобетоном. В железобетоне используются свойства обоих материалов, – бетон хорошо работает на сжатие, а металл на растяжение. Бетон прочно сцепляется со стальной арматурой (круглая сталь диа- метром 8-30 мм), и предохраняет сталь от коррозии. Для сборного железо- бетона кроме гладкой круглой арматуры применяют прутья периодического профиля из горячекатаной стали, и холоднотянутую проволоку диаметром до 10 мм. 127 Основные конструкции крепи горизонтальных горных выработок. Деревянная крепь широко применяется в выработках со сроком служ- бы до 2 лет (при соответствующей обработке до 5 лет), в условиях устано- вившегося давления и при невозможности извлечения крепи для повторного использования. Основной конструкцией деревянной крепи является неполная кре- пежная рама трапециевидной (рис. 2.118, а) или реже прямоугольной фор- мы (рис. 2.118, в), состоящей из верхняка 1 и двух стоек 2. Верхняк и стойки изготавливают из круглого леса диаметром более 15 см; в трапециевидной раме угол наклона стоек принимают равным 80-85 о Выработки со слабой (пучащейся) почвой крепят полными крепеж- ными рамами; дополнительным элементом полной рамы является лежень 3 (рис. 2.118, б, г), укладываемый на почву выработки. Нижние концы стоек иногда заостряют на конус, при этом конструк- ция крепи становится податливой; после установки рамы она при большом первичном горном давлении сверху может опускаться без поломок на 10-15 см за счет внедрения в породу почвы и смятия заостренных концов (рис. 2.119). Податливость крепи обеспечивает увеличение срока ее службы. Что- бы под влиянием бокового давления стойки рамы не выжимались внутрь выработки, концы их заводят в лунки глубиной 10 – 20 см, устраиваемые в почве выработки Рис. 2.118. Крепежные рамы Рис. 2.119. Заделка концов стоек: а) жест- кая крепь; б) – податливая крепь; 1 стой- ка; 2 – конец стойки; 3 - лунка При умеренном горном давлении, крепежные рамы устанавливают вразбежку (рис. 2.120, а) на расстоянии 0.5 – 1.5 м друг от друга; при зна- чительном давлении их устанавливают вплотную одна к другой – сплошное крепление (рис. 2.120, б). В местах замкового соединения раму тщательно 128 расклинивают деревян- ными клиньями. При кре- плении вразбежку, кров- лю и бока выработки для предохранения от выва- лов породы ограждают затяжкой из обапол (при крепких породах бока вы- работки не затягивают). Диаметр крепежного леса рассчитывают исходя из величины горного давле- ния. Бетонную и желе- зобетонную крепь (моно- литную и сборную) при- меняют на горных пред- приятиях для крепления выработок с большим сро- ком службы. Бетонную крепь (рис. 2.121) приме- няют в виде стенок с пло- ским или сводчатым пере- крытием в камерах и ка- питальных горных выра- ботках при значительном, но установившемся гор- ном давлении. Основные операции возведения бетонной кре- пи: приготовление бетон- ной смеси, доставка ее к месту работ, сооружение опалубки, подача, распре- деление и уплотнение смеси в опалубке. Бетон- ную смесь готовят глав- ным образом централизо- ванно на поверхности, доставляя к месту укладки в специальный контейнерах или по трубам, а за опалубку укладывают механизированным способом с помощью бетоноук- ладчиков (рис. 2.123). Толщина бетонной крепи зависит от размеров выра- Рис. 2.120. Установка крепежных рам: а – вразбежку; б – сплошное крепление Рис. 2.121. Монолитная бетонная крепь Рис. 2.122. Сборная железобетонная крепь 129 ботки и крепости пород. В горизонтальных и наклонных выработках тол- щина свода в замке – не менее 17 см, стены – не менее 20 см, в вертикаль- ных выработках толщина стены не менее 30 см. Рис. 2.123. Бетоноукладочный комплекс в забое: 1 – бетоновоз; 2 - загрузочное устройство; 3 - пневмонагнетатель; 4 – раздвижная упорная стойка В настоящее время монолитную железобетонную крепь, особенно в зонах неустановившегося горного давления применяют редко. Более рас- пространенной является сборная железобетонная крепь (рис. 2.122), а также рамная крепь из стальпластбетона. Набрызг-бетонная крепь. Про- стейшей конструкцией набрызг- бетонной крепи является сплошное по- крытие стенок и кровли слоем набрыз- гбетона заданной толщины. Покрытие набрызгбетона имеет неправильную форму. Форма покрытия по существу, повторяет контур поверхности выработ- ки, и толщина набрызг-бетонной крепи меняется от нескольких миллиметров на выступах породной поверхности до 5-7 см в углублениях, составляя в среднем 2 – 3 см. В крепких породах увеличивать толщину слоя бетона свыше 3 см нецелесообразно, поскольку существенно возрастает расход материалов На выступающих поверхностях толщина бе- тона не должна превышать 3 см. В углублениях бетон нужно набрызгивать так, чтобы лишь грубо выровнять поверхность. Для крепления набрызг-бетоном применяют машины типа БМ-60, Рис. 2.124. Машина для нанесения набрызгбетона 130 БМ-70 и др. (рис. 2.124). Сухая смесь из верхней камеры 1 поступает в ма- териальный шлюз 2, где попадает в карманы вращающегося дозатора и по- током воздуха по шлангу 3 направляется к соплу 4. Смешиваясь с водой, по шлангу 5 раствор набрызгивается на поверхность выработки. Металлическая крепь применяется в подготовительных и капиталь- ных выработках в породах любой устойчивости и в зоне влияния очистных работ, а также при значительном горном давлении. Она может применяться в виде жесткой (рамной или арочной) крепи. Выработки, находящиеся в зо- не влияния очистных работ, крепят арочной податливой или арочной шар- нирной крепью. Рамную крепь (рис. 2.125, а) изготовляют из рельсовых или двутав- ровых балок. Стойки соединяют с верхняком с помощью литых башмаков или накладок, уголков и болтов с гайками. Жесткая арка (рис. 2.125, б) состоит из двух полуарок, соединяемых в центральной части свода с помощью соединительных планок и болтов. Арочную податливую крепь (рис. 2.126) выполняют из балок специаль- ного профиля. Она состоит из трех, четырех и пяти звеньев: арочного верх- няка и двух, трех и четырех криволинейных стоек. Концы верхняка теле- скопически входят в стойки, что обеспечивает податливость крепи. Места соединения стягивают стальными хомутами 3. Величина податливости ре- гулируется затягиванием хомутов с помощью гаек 5 и планок 4. Между со- бой арки соединяют стяжками 6, из полосовой стали, рельсов, или спецпро- филя. Стойки арки опираются стальными башмаками 1 на деревянные леж- ни 2. Арочная шарнирная крепь (рис. 2.127) состоит из двух металлических двутавровых или рельсовых полуарок 1, свободно опирающихся в стыках на деревянные прогоны 4, и двух деревянных, металлических или железобе- тонных стоек 2. По длине каждого прогона монтируют две-три арки. Прого- Рис.2.125. Жесткая металлическая крепь 131 ны по длине выработок соединяют между собой строительными скобами. К концу каждой полуарки приварен штампованный башмак 3, который охва- тывает деревянный прогон, и образует шарнир. Податливость крепи дости- гается за счет смятия деревянных прогонов в шарнире или смятия заострен- ных концов деревянных стоек. Рис. 2.126. Арочная податливая крепь Рис. 2.127. Арочная шарнирная крепь Каменную крепь из кирпича и бетонитов возводят на цементном рас- творе. Наиболее распространена крепь с прямыми стенками и сводчатым перекрытием. Обладает теми же качествами, что и бетонная. Анкерная крепь предназначена для упрочнения массива горных пород и повышения устойчивости его обнажений путем скрепления различных по прочности слоев. Как самостоятельный вид крепи используется в породах с коэффициентом крепости 4 f В анкерной крепи используют стержни из древесины, металлические стержни из мягкой конструкционной стали диаметром 20 – 38 мм с клино- щелевыми замковыми устройствами, железобетонные и полимербетонные, закрепляемые по всей длине шпура (рис. 2.128). Установка распорного металлического анкера (рис. 2.128, а) осуще- ствляется следующим образом: стержень 2 с клином 1 вставляют в шпур до упора клина в дно шпура. По хвостовику стержня, выступающему из устья шпура, наносят удары (ручным или пневматическим молотком), вследствие чего клин входит в прорезь стержня, раздвигает разрезанные его части, и заклинивает их в шпуре. На выступающий конец стержня надевают дере- вянную подкладку 3, шайбу 6 и, завинчивая гайку 7, прижимают подкладку плотно к породе. Иногда взамен стальных применяют деревянные стержни 3 из нату- ральной и прессованной древесины диаметром 30-80 мм, закрепляемые в шпурах нижним 5 и верхним 1 клиновыми замками (рис. 2.128, б) . 132 Прочность стержней из прессованной древесины на разрыв, прибли- жается к прочности стали. Древесина способно быстро набухать, впитывая влагу, что используется в некоторых конструкциях крепи не только для усиления их распора в шпуре, но и для натяжения. Стержень 2 с продоль- ными прорезями на обоих концах можно устанавливать с набухающей дере- вянной подкладкой 3, между опорной шайбой 6 и породой, обеспечиваю- щей натяжение стержня. Чаще закрепление анкера обеспечивается с помощью цементных (песчано-цементных) растворов, которые подаются в шпур в ампулах (или специальным насосом) (рис. 2.128, в) или химическим составом (рис. 2.128, г), когда в шпур вводится необходимое количество ампул с химическим за- крепителем (смола и отвердитель). Затем стержень, вращаемый с помощью сверла или перфоратора и подаваемый ко дну шпура, разрывает ампулы, перемешивая их содержимое. После затвердения цементного или полимер- ного раствора на выступающую часть анкера устанавливают опорную пли- ту, и создают предварительное натяжение гайкой (рис. 2.128, д). Если выработка закреплена только анкерной крепью, то в местах ин- тенсивной трещиноватости возможны отдельные вывалы или осыпание по- роды между анкерами. В этом случае прибегают к комбинированной крепи Рис. 2.128. Конструкции анкерной крепи: 1 – клин; 2 – стержень; 3 – подкладка; 4 –резьба; 5 – втулка; 6 – опорная пли- та; 7 – гайка; 8 - пробка а ) - металлический анкер с клиновым замком; б) – де- ревянный анкер; в) – железобетонный анкер; г) – процесс установки сталепо- лимерного анкера; д) – закрепление в шпуре сталеполимерного анкера. 133 (рис. 2.129). После ус- тановки анкеров 1 вы- работку дополнитель- но крепят набрызгбе- тоном 2; иногда по- крытие набрызгбето- ном производят по проволочной сетке При сравни- тельно устойчивой кровле и крепких ус- тойчивых боковых стенках используется подвесная (бесстоеч- ная) крепь. Элемента- ми такой крепи явля- ются деревянный верхняк 1 с распор- ными планками 5, и металлические под- вески 4. Под кровлей выработки в боках пробуривают корот- кие шпуры, в которые вставляют подвески 4, а в них укладывают деревянные верхняки 1 (рис. 2.130). При не- обходимости поверх верхняков помещают затяжку 2 из обапол или досок. Смешанная крепь изготавливается из двух и более различных мате- риалов. Крепь применяют как постоянную (реже как временную) при креп- лении сопряжений и капитальных выработок (чаще камер) с большим сро- ком службы, и при значительном горном давлении. При креплении такой крепью более прочный материал используется в элементах, непосредственно воспринимающих горное давление. Некото- рые конструкции смешанной крепи приведены на рис. 2.131: рамы из дере- вянных или железобетонных трубчатых стоек 1 и металлических верхняков 2 (рис. 2.131, а); в виде сплошной крепи из каменных стен и сводчатого пе- рекрытия из монолитного бетона (рис. 2.131, б); в виде сплошной крепи из каменныхили бетонных стенок с перекрытием из металлических или дере- вянных балок (рис. 2.131, в). Рис. 2.129. Комбинированная крепь из анкеров и набрызгбетона Рис. 2.130. Подвесная крепь 134 Рис. 2.131. Конструкции смешанной крепи Костровая крепь представляет собой располагаемые на некотором расстоянии друг от друга крепежные конструкции столбчатой формы, кото- рая собирается из отдельных деревянных, металлических или пневмобал- лонных элементов, укладываемых друг на друга в определенном порядке. Применяется в очистных выработках в качестве посадочной крепи при управлении горным давлением способами обрушения и плавного опускания кровли. В подготовительных выработках используется для закладки пустот над крепью при значительных вывалах породы из кровли выработки. На современных шахтах деревянную костровую крепь применяют при управлении горным давлением плавным опусканием кровли на почву, ме- таллическую – обрушением кровли в лавах с пологопадающими пластами. Костры собирают из деревянных или металлических брусьев, балок длиной от 0.7 до 1.2 м. В качестве деревянных элементов используют руд- ничные стойки и брусья. В качестве балок для металлических костров – от- резки отожженных (для уменьшения хрупкости) старых рудничных рельсов или двутавра. Конструкции придают форму прямоугольной или треуголь- ной клетки, заполняемой или не заполняемой породой (рис. 2.132, в, г). В очистном забое костровую крепь размещают по падению пласта параллельно забою в один или два ряда (рис. 2.132, а). Расстояние между кострами в ряду по падению 2 – 3 м. Для плавного опускания кровли в лавах крутопадающих пластов ис- пользуется пневматическая костровая крепь из соединенных между собой 2- 4 мягких подушкообразных оболочек, которые изготавливаются из резино- корда и рукавных капроновых тканей (рис. 2.132, г). Костровую крепь для закладки пустот применяют при восстановле- нии заваленных выработок, когда высота свода обрушения не превышает 2- 3 м. Костры выкладывают над крепью (рис. 2.132, б) таким образом, чтобы давление по возможности передавалось на стойки рам, а не на верхняки. 135 Рис.2.132. Костровая посадочная крепь Временная крепь горизонтальных и наклонных выработок. При от- сутствии возможности возводить постоянную крепь вслед за подвиганием забоя, для безопасного ведения буровзрывных работ и погрузки породы ус- танавливают временную крепь. Назначение временной крепи - предохранять проходчиков от воз- можных вывалов или обрушения кусков породы с кровли. При рамной деревянной крепи ее возводят в призабойном простран- стве на участке около 3 м от забоя, сразу же после взрывания шпуров, про- ветривания и осмотра забоя, а при монолитной бетонной крепи – на участ- ках в 20-40 м в зависимости от условий и свойств боковых пород В горизонтальных и наклонных выработках применяются следующие 136 виды временной крепи: консольная выдвижная; подвесная (при отсутствии в выработке бокового давления и пучения пород); рамная (при наличии бо- кового давления). Консольная выдвижная предохранительная крепь (рис. 2.133) состоит из двух консольно-расположенных у кровли выработки металличе- ских балок и опирающегося на них предохранительного пере- крытия в виде настила из де- ревянных распилов или из верхняков с затяжками. Консольные балки сво- бодно подвешиваются на ско- бах к верхнякам постоянной крепи; конструкция скоб по- зволяет легко передвигать балки с перекрытием вслед за забоем выработки. При сплошной бетонной или желе- зобетонной постоянной крепи консольные балки подвеши- ваются в скобах к анкерам, за- крепляемым в породах кровли Подвесная временная крепь (рис. 2.134) представля- ет собой перекрытие в виде деревянного верхняка на штырях (рис. 2.134, а), или в виде верхняка из спецпрофиля (швеллера или стальной полосы) и двух-трех анкеров, с по- мощью которых верхняк удерживается под кровлей выработки. На верхняк укладывается затяжка или металлическая сетка. Рамная временная крепь может быть переносной (повторно исполь- зуемой) и непереносной. Переносные рамные крепи - металлические арки, трапециевидные или прямоугольные рамы с быстроразъемными соедини- тельными узлами. Конструкция этих крепей аналогична серийно выпускае- мым металлическим, применяемым для постоянного крепления выработок. Непереносные рамные временные крепи – серийные крепежные ме- таллические рамы, которые устанавливаются непосредственно у забоя и ис- пользуются в дальнейшем в качестве составной части постоянной крепи. При установке в выработках постоянной бетонной или железобетонной крепи непереносная крепь остается в бетонном массиве в виде жесткой ар- матуры Рис. 2.133. Консольная выдвижная крепь Рис. 2.134. Подвесная временная крепь на штырях и анкерах 137 Механизированные крепи (МК). Механизированной называется крепь очистных комплексов и агрегатов, все секции которой кинематически свя- заны между собой и передвигаются с помощью домкратов вслед за подви- ганием забоя. Она состоит из отдельных секций, каждая из которых имеет основание, гидравлические стойки, верхняк и гидравлический домкрат для передвижки секций. МК ограждает призабойное пространство, механизиру- ет процесс крепления и управления кровлей. Секции механизированной крепи устанавливаются в забой по всей длине лавы. По характеру взаимодействия с боковыми породами МК подразделя- ются на крепи поддерживающего, оградительно-поддерживающего и под- держивающе-оградительного типов. Крепи поддерживающего типа применяются на пластах тонких и частично средней мощности. В них оградительные элементы могут отсутст- вовать, или выполнять вспомогательную роль, предотвращая проникнове- ние обрушенных пород в рабочее пространство лавы. Оградительно-поддерживающая крепь (рис. 2.135) имеет серповид- ное ограждение, поддерживающее обрушенные породы кровли и предот- вращающее их проникновение в рабочее пространство лавы, а также козы- рек, поддерживающий кровлю непосредственно у забоя. Крепи поддерживающе-оградительного типа имеют поддерживаю- щие и оградительные элементы, активно воспринимающие нагрузку со сто- роны пород кровли. Секции крепей могут быть одно- и многостоечными. По числу рядов стоек они могут быть одно-, двух и трехрядными. Передвижение секций и передвижка конвейера осуществляется гидродомкратом, расположенным в нижней части основания. Передвижка секций состоит из следующих опера- ций: разгрузка секции из-под давления, подтягивание ее гидродомкратом к конвейеру, распор. Рис. 2.135. Схема МК оградительно-поддерживающего типа 138 Особенности конструкции крепи наклонных выработок.Крепь на- клонных выработок в зависимости от их назначения и срока службы может быть деревянной, металлической, бетонной и железобетонной. В горно- разведочных выработках практически находит применение только деревян- ная крепь. Основной конструкцией деревянной крепи для выработок с на- клоном до 45 о является крепежная рама, при большем наклоне – венец. При наклоне менее 15 о выработки обычно крепят рамами трапециевидной фор- мы, при больших углах применяют прямоугольные рамы. Характерные изменения в конструкциях крепи выработок с различ- ными углами наклона сводятся к следующему: - при 10 о – неполные крепежные рамы по своей конструкции не отличающиеся от крепи горизонтальных выработок, однако расклинку рам производят с большей тщательностью; - при (10 – 20 о ) – между стойками смежных рам устанавлива- ются распорки; - при (30 – 45 о ) – крепь упрочняется поперечными лежнями, т.е. неполные крепежные рамы заменяются на полные крепежные рамы, между которыми верху и внизу устанавливают распорки; - при 45 о – крепь превращается в венцовую на стойках, причем при выработках значительного сечения в конструкцию венцовой крепи вхо- дят и опорные венцы. Наклонные выработки могут крепиться также сплошной рамной или венцовой крепью. Крепь вертикальных выра- боток.Для крепления вертикаль- ных горных выработок – стволов шахт, шурфов, восстающих и др., как и для прочих выработок, при- меняют деревянную, металличе- скую, бетонную, железобетонную, анкерную и комбинированную крепь. Деревянную крепь применя- ют для крепления выработок не- большой площади сечения и малым сроком службы (стволы разведоч- ных шахт, шурфы различного на- значения, восстающие и др.). Такая крепь представляет собой прямо- угольные венцы из круглого леса, брусьев, пластин или толстых досок (рис. 2.136). |