Традиционные виды крепей

Лекция № 7. Крепление горизонтальных и наклонных горных выработок

Традиционные виды крепей

В условиях постоянно ухудшающейся геологической и геомеханической обстановки обеспечение нормального эксплуатационного состояния горизонтальных выработок превратилось в сложную проблему. Несмотря на то, что в настоящее время применяется большое число самых разнообразных конструкций крепей для горизонтальных горных выработок, эта проблема остается одной из наиболее актуальны для горнобобывающей промышленности.

Большинство из применяемых крепей весьма трудоемки в монтаже, малотехнологичны. Удельный вес трудозатрат на крепление в проходческом цикле составляет 35-50%. Поэтому, наряду с научно обоснованным применением известных конструкций крепи, созданием средств механизации процессов крепления, необходимо проведение исследовательских и проектно- конструкторских работ по созданию новых, в известном смысле нетрадиционных способов и средств, обеспечивающих нормальное эксплуатационное состояние выработок при снижении до минимума материальных и трудовых затрат, повышении производительности труда и сокращении сроков строительства.

Важную роль в решении этих задач играет разработка нормативной документации, внедрение типовых проектных решений. В горнодобывающих отраслях промышленности, и в частности в угольной промышленности, уже много лет применяют типовые проекты сечений капитальных горных выработок с металлической арочной из спецпрофиля, монолитной бетонной и металлобетонной крепями. Разработаны и внедряются типовые проекты на крепление выработок анкерной крепью, железобетонной тюбинговой крепью и комбинированной крепью из анкеров и набрызгбетона.

В горизонтальных и наклонных выработках применяют много видов и конструкций крепей. Ниже рассмотрены основные из них в соответствии с приведеной классификацией по материалу.

Деревянная крепь имеет значительное распространение вследствие относительно высокой прочности древесины при небольшом объемном весе, легкости обработки, относительно низкой стоимости и простоты ремонта. В настоящее время деревом крепят около половины общей протяженности выработок, сооружаемых за год. Однако недолговечность, горючесть, склонность к загниванию и ограниченная несущая способность такой крепи являются причинами постепенного вытеснения ее металлической, сборной железобетонной, штанговой и другими видами крепи.

Основным видом деревянной крепи горизонтальных выработок является крепежная рама, состоящая из верхняка и двух стоек (рис.1,а). Такую крепежную раму называют неполной. При слабых, в частности пучащих, породах в почве выработки дополнительно укладывается нижний элемент - лежень. Такую крепь называют полной крепежной рамой (рис.1,б).

Крепежные рамы обычно бывают трапецевидной формы, реже – прямоугольной (рис.1,в)., а в отдельных случаях – в виде неправильной трапеции (рис.1,г).. При крепких породах в боках выработки, не требующих установки стоек, применяют потолочную (бесстоечную) крепь в виде верхняков, укладываемых в лунки в боках выработки (рис.1,д), на деревянные костры (рис.1,е) или металлические подвески, концы которых вставляют в короткие скважины, пробуриваемые в боках выработки у ее кровли. Элементы рам изготовляют из круглого леса диаметром 16-32 см.

Крепежные рамы устанавливают либо вплотную одна к другой (сплошная рамная крепь), либо на расстоянии в осях 0.5-1.2 м (интервальная крепь). Рамы в выработках закрепляют при помощи клиньев, забиваемых между породой и элементами крепи в местах их сопряжения. При интервальной крепи кровлю и бока выработки затягивают обаполами или досками, которые ставят всплошную или вразбежку. Пространство между породой и затяжкой заполняют кусками породы – забутовкой, которая обеспечивает более равномерное распределение давления на крепь и ее плотное примыкание к породе. Нижние концы стоек неполных рам устанавливают в лунки глубиной 10-20 см.

Рис.1. Деревянная крепь

1-верхняк; 2-стойка; 3-затяжка; 4-клинья; 5-забутовка; 6-лунка для стойки; 6-лежень

Способ соединения крепежных рам выбирают в зависимости от условий их работы. При действии вертикального горного давления применяют соединение в лапу с прямым (прямая лапа) (рис. 2,а) или скошенным (косая лапа) (рис. 2,б) вырезом. Такие соединения имеют наибольшее распространение благодаря их простоте и возможности восприятия рамой как вертикального, так и небольшого бокового давления. При преобладающем боковом давлении применяют соединение в лапу несколько иной конструкции (рис. 2,в). При отсутствии бокового давления, а также при установки усиливающих конструкций крепи применяют соединение в паз (рис. 2,г). Соединение стоек и лежней выполняют в лапу (рис. 2,д) или в зуб (рис. 2,е).

Обычные крепежные рамы считают жесткой крепью. Неполным рамам можно придать податливость до 10-12 см заострением концов стоек по форме конуса или клина (рис. 2,ж,з). При определенной нагрузке на раму заостренная часть стоек сминается и рама опускается. Податливость может быть обеспечена также путем установки верхняков на деревянные костры в результате смятия их элементов поперек волокон (рис. 1,е). При значительном горном давлении крепежные рамы усиливают установкой специальных распорных конструкций, которые способны работать эффективно только в случае значительного начального распора и до начала существенных деформаций элементов основной рамы. Такой способ усиления требует увеличения сечения выработки в проходке вследствие загромождения ее внутреннего сечения.

Рис. 2 Соединение элементов деревянных рам и узлы податливости

Прямоугольные и трапецевидные рамы при расчете рассматривают как четырехшарнирные стержневые конструкции. В усиленных конструкциях крепи верхняк, а иногда и стойки рассматриваются как многоопорные неразрезные балки. Деревянную крепь целесообразно применять там, где за срок службы выработки не потребуется существенных ремонтов и перекреплений, т.е. при сроке службы в средних условиях до 2-3 лет и умеренном горном давлении (до 5-8 тс/м².

Расход леса на неполную крепежную раму в выработках сечением в проходке 7.6-16 м² находится в пределах 0.25-0.5 м³. работы по возведению деревянной крепи в малой мере поддаются механизации и выполняются преимущественно вручную.

Металлическая крепь благодаря высокой прочности, долговечности, огнестойкости, возможности повторного использования и многообразию конструкций широко применяют в капитальных и подготовительных выработках преимущественно в виде арок, колец, трапецевидных бочкообразных рам, изготавливаемых из стальных прокатных профилей СВП, двутавров обычного типа или широкополочных (в зарубежной практике), а в отдельных случаях из железнодорожных рельсов. Соединения элементов крепи между собой применяют жесткие, шарнирные, податливые или шарнирно- податливые, вследствие чего могут быть получены крепи с разными конструктивными схемами и деформационно-силовыми характеристиками.

Арки, кольца и рамы устанавливают в выработке с интервалом 0.5-1.2 м, кровлю и бока при коротком сроке службы выработки затягивают тонким круглым лесом, распилами, досками или обаполами, а при длительном – железобетонными затяжками с обычной или предварительно напряженной арматурой, металлической решеткой или сеткой, стекловолокнистым материалом или штучными стеклопластиковыми затяжками. Деревянные затяжки для увеличения срока службы следует антисептировать.

Известны следующие разновидности металлической крепи. Трапецевидные металлические рамы (рис. 3 а, б, в)., которые относятся к жесткой крепи и применяются в выработках со сроком службы 3-10 лет при установившемся горном давлении. При повышенном давлении применяют металлические рамы бочкообразной формы из двутавров или спецпрофиля. Достоинствами такой крепи являются простота изготовлении и установки, а также возможность закрепления при необходимости выработок с плоской кровлей. Недостатки рассматриваемой рамы – отсутствие податливости и меньшая несущая способность элементов крепи, чем в арочных конструкциях.

Арочная крепь выполняется в виде жестких, шарнирных, податливых или шарнирно- податливых конструкций. Арочная жесткая крепь (АЖ) представляет собой двухшарнирную арку (рис. 3,г) из балок двутаврого профиля или из железнодорожных рельсов и обычно состоит из двух полуарок, соединяемых в замке при помощи металлических накладок и болтов. Применяется такая крепь в капитальных выработках в условиях установившегося вертикального давления при устойчивой породе в подошве выработки. Достоинствами жесткой арочной крепи являются простота конструкции и более высокая несущая способность, чем у трапецевидных рам.

Арочная шарнирная крепь (АШ) обычно выполняется в трех- и пятишарнирном варианте (рис. 3,д,е).Шарнирная арочная крепь имеет значительную несущую способность, но малую податливость, трудоемка в установке, а при деревянных прогонах нуждается в их замене через 1.5-2.5 года. Поэтому она получила ограниченное применение.

Арочная податливая крепь из спецпрофиля (АП) (рис.4) предназначена для крепления подготовительных выработок в условиях преимущественно вертикального неустановившегося и установившегося горного давления. Арки обычно состоят из трех элементов: верхнего сегмента, очерченного одним радиусом и двух боковых стоек, криволинейных на всей длине или имеющих прямолинейный нижний участок. При взаимозаменяемых типах спецпрофиля СВП все элементы балки изготавливают из балок одного типоразмера. Элементы арки соединяют внахлестку длиной 400 мм и стягивают двумя хомутами (узел 1). Эта крепь является наиболее совершенной из применяемых конструкций металлической податливой крепи. выработки удается поддерживать без перекрепления в течение всего срока службы. При отсутствии или небольшой интенсивности пучения пород в выработке следует применять незамкнутую крепь (КАНП). Опыт эксплуатации этих крепей показал их высокую работоспособность и экономическую эффективность, несмотря на небольшое усложнение и удорожание конструкции.

Кольцевую крепь (рис.5)применяют в условиях всестороннего горного давления. Ее конструкция может быть жесткой, шарнирной, податливой и шарнирно-податливой Кольцевая шарнирно-податливая крепь сочетает в себе достоинства шарнирной и податливой крепей, но более сложна в изготовлении и установке, поэтому ее применение целесообразно лишь при особо трудных условиях поддержания выработки. Выработки, закрепленные кольцевыми крепями имеют большее сечение в проходке, чем при арочных, за счет нижней части которая затем закладывается баластом для устройства рельсовых путей. При возведении металлических арочных крепей из-за отсутствия средств механизации большинство операций выполняется вручную, что является их существенным недостатком.

Рис. 5. Кольцевая податливая крепь

Каменную и бетонную крепи применяют в выработках с большим сроком службы, при значительном горном давлении и преимущественно вне зоны влияния очистных работ.Бетон и каменная кладка слабо сопротивляются растягивающим и изгибающим усилиям, поэтому крепям из этих материалов при дают форму, при которой в поперечных сечениях возникают в основном сжимающие напрчжения. При вертикальном горном давлении в качестве основной формы крепи применяют сводчатые с вертикальными стенками (рис. 6, а,б,в). Основными частями ее являются: свод 1, стены 2 и фундаменты 3. Среднюю часть свода называют замком 4, а плоскости опирания свода на стены –пятами 5. Расстояние от пят свода до замка по нормали называют подъемом свода или стрелой подъема свода. По очертания своды разделяют на круговые (рис 6,а,б), очерченные одним радиусом, трехцентровые (коробовые), очерченные двумя радиусами из трех центров (рис 6,в) и параболические.

При значительном горном давлении не только сверху, но и с боков выработки применяют крепь подкообразной формы (рис 6,г), которая очерчивается из одного или из трех центров. При всестороннем давлении применяют крепь замкнутой формы: подкообразную с обратным сводом (рис 6,д) или кольцевую (рис 6,е).

Рис.6. Формы поперечного сечения при каменной и бетонной крепях

Каменная крепь возводитсяиз штучных камней массой до 30 кг на цементно-песчаном растворе состава 1:2 до 1:3. Свободное пространство за крепью забучивают породой и заливают цементно-песчаным раствором от 1:5 до 1:7. Нормальная толщина забутовки не должна превышать 10-15 см.

При значительном горном давлении и смещении пород применяют податливую каменную крепь, возводимую из бетонитов или литых камней с укладкой между ними податливых прокладок, например дощатых трехслойных. Кладка ведется без раствора. Податливость и некоторая шарнирность крепи обеспечивается за счет смятия прокладок. При этом забутовка закрепного пространства производится без заливки раствором.

Достоинством каменной крепи является ее способность воспринимать горное давление сразу после установки. Недостатки ее заключаются в значительной трудоемкости работ по возведению и сложности их механизации, а также в наличии большого числа швов, снижающих прочность и монолитность крепи.

Бетонная монолитная крепь характеризуется большой прочностью и водонепроницаемостью по сравнению с каменной и лучшим сцеплением с окружающими породами. Ее возведение можно полностью механизировать, что резко повышает производительность труда и снижает трудоемкость и стоимость работ. Использование быстротвердеющего бетона или ускоряющих добавок позволяет применять бетонную крепьтакже при относительно быстром развитии горного давления.

Монолитная бетонная крепь в обычном исполнении является жесткой, поэтому ее следует применять в капитальных горных выработках с большим сроком службы вне зоны влияния очистных работ при ожидаемых смещениях пород на контуре выработки не более 50мм. Такая крепь имеет высокую несущую способность (30-50т/м² и более), особенно при равномерном распределении нагрузки. Важно отметить, что благодаря ползучести бетона в перенапряженных участках крепи происходит выравнивание напряжений, улучшающее работу конструкции в целом.

Монолитная железобетонная крепь армируется гибкой, жеской или смешанной арматурой и имеет высокую несущую способность, особенно при неравномерных нагрузках и наличии значительных растягивающих напряжений. В качестве гибкой арматуры используют круглую или периодического профиля сталь диаметром 8-25 мм, в качестве жесткой арматуры – двутавр, швеллер, рельсы или шахтный спецпрофиль. Стержни рабочей и распределительной арматуры соединяют при помощи вязальной проволоки или сварки и образуют арматурную сетку, располагаемую обычно в растянутых зонах конструкции. Арматура должна быть защищена слоем бетона толщиной не менее 20мм, обеспечивающим прочность конструкции и предохраняющим ее от ржавления.

Достоинства монолитной железобетонной крепи заключаются в долговечности, большой несущей способности, монолитности, хорошем прилегании к окружающим породам и возможности применения в выработках различной формы поперечного сечения. Вместе с тем такая крепь характеризуется большой трудоемкостью возведения и расходом значительного количества металла, особенно при жесткой арматуре. Для выработки сечением в свету 15-18 м² расход металла достигает 1000-1400 кг и бетона – 3-4,5м³ на 1 пог. м. Монолитная железобетонная крепь способна эффективно работать при высоких нагрузках (более 100т/м²), но и при больших ожидаемых смещения пород на контуре (до50-70мм).

Сборная железобетонная крепь применяется в выработкахразличной формы поперечного сечения: трапециевидной, прямоугольной, полигональной, арочной,эллиптической и круглой. Она бывает жесткой и податливой. Элементы ее изготавливают из обычного или предварительно напряженного бетона промышленными методами, что обеспечивает хорошее качество изготовления и высокую производительность труда.

В конструктивном исполнении крепь из сборного железобетона можно разделить на два типа: интервальную - из рам, устанавливаемых вразбежку с затяжкой, и сплошнуюпанкльную собираемую из плит, блоков и тюбингов. Массу элементов крепи первого типа обычно принимают не более 100-120 кг для возможности их возведения вручную или с применением легких крепеукладчиков. Элементы крепи панельного типа имеют значительную массу идля ее возведения обычно применяют крепеукладчики тяжелого типа.