Крепь горизонтальных горно-разведочных выработок

В геологоразведочных организациях все еще значительную часть выработок крепят деревом. Основным видом крепи является неполная крепежная рама (рис. 57, а, в, г). В слабых пучащих породах применяют полную крепежную раму (рис. 57, б).

Крепежные рамы обычно бывают трапециевидной, реже — прямоугольной формы. В устойчивых породах со стороны боков выработки применяют потолочную (бесстоечную) крепь в виде верхняков, укладываемых в лунки в боках выработки (рис. 57, д) или на деревянные костры (рис. 57, е).

Рис. 57. Деревянная крепь: 1 — клинья; 2 — верхняк; 3 — затяжка; 4 — забутовка; 5 — стойка; 6 — лунки для стойки; 7 — лежень

Рис. 59. Соединения элементов крепи и узлы податливости деревянных рам: а, бсоединение в лапу при давлении сверху: в — при давлении сбоку; г — соединение в паз; д — соединение в шип при небольшом давлении; е — соединение встык; ж, зсоединение стойки с лежнем (в лапу и зуб)

Элементы рам изготовляют из круглого леса диаметром 14…24 см. Крепежные рамы (рис. 58) устанавливают вплотную одна к другой (сплошная крепь) или на расстоянии в осях 0,5… 1,5 м (крепь вразбежку). В последнем случае, по правилам безопасности, кровля выработки должна быть затянута обаполом (горбылем) или досками, стенки — по необходимости.

Стойки с верхняками соединяют в лапу, встык, в шип, в паз. При вертикальном горном давлении соединяют в лапу с прямым — прямая лапа (рис. 59, а) или скошенным (косая лапа) вырезом (рис. 59, б). При преобладающем боковом давлении применяют соединение в лапу несколько иной конструкции (рис. 59, в).

Соединение в паз (рис. 59, г) применяется при наличии давления горных пород со стороны кровли, соединение в зуб — при наличии давления со стороны кровли и боков. Однако соединения встык, в шип и в паз обладают сравнительно невысокой прочностью и применяются весьма редко.

Стойки и лежни соединяют в лапу или зуб (рис. 59, д, е).

Для придания податливости крепи нижние концы стоек заостряют по форме конуса или клина (рис. 60). Податливость крепи осуществляется благодаря смятию заостренной части стоек, а также внедрению стоек в породы почвы. При крепкой породе в почве для осуществления податливости устраивают лунки глубиной 0,2…0,5 м, которые на 2/3 заполняют мелкой породой. При установке жестких крепежных рам стойки не заостряются.

Рис. 60. Заделка нижних концов стоек податливой крепи

Деревянную крепь целесообразно применять при сроке службы до 2−3 лет и умеренном горном давлении (до 50…70 МПа). Работы по возведению деревянной крепи в малой мере поддаются механизации и выполняются преимущественно вручную. При значительных давлениях применяют усиленные деревянные рамы (рис. 61).

Металлическую крепь в основном применяют для крепления капитальных и подготовительных выработок при сроке их службы от 3 до 15 лет и более, проводимых по горным породам любой крепости и при любой форме поперечного сечения.

Рис. 61. Усиленные крепежные рамы: а, г-с ремонтиной; 6 — подкосная конструкция; в, д, е — ригелыю-подкосная система; 1 — прогон; 2 — ремонтина;

3 — подкос; 4 — ригель; 5 — боковой прогон

Достоинство металлической крепи — прочность, долговечность, огнестойкость и возможность повторного использования. Крепь применяют в виде арок, колец, трапециевидных и бочкообразных рам, изготовляемых из стальных прокатных профилей типа СВП, двутавров обычного типа или широкополочных (в зарубежной практике), а в отдельных случаях из железнодорожных рельсов. Соединения элементов крепи между собой бывают жесткие, шарнирные, податливые или шарнирно-податливые.

Арки, кольца и рамы устанавливают в выработке с шагом 0,5… 1,2 м. Кровлю и стенки (бока) при небольшом сроке службы выработки затягивают тонким круглым лесом, распилами, досками или обаполами, а при длительном — железобетонными затяжками, металлической решеткой или сеткой, стекловолокнистым рулонным материалом или штучными стеклопластиковыми затяжками.

Рис. 62. Конструкции металлической рамной и арочной крепи: а, бнеполная крепежная рама; в — полная крепежная рама; г — крепь бочкообразной формы; д, е — способ обеспечения податливости крепи.

Трапециевидные крепежные рамы относят к жесткой крепи и применяют в выработках со сроком службы 3−10 лет при установившемся горном давлении. Элементы трапециевидных рам изготовляют из двутавровых балок обычного и широкополочного профиля, швеллерных балок, из бывших в употреблении железнодорожных и рудничных рельсов, а также из груб. Нижние концы стоек неполных рам при крепких породах устанавливают в лунки глубиной 5… 15 см и опирают на породу при помощи прямоугольной металлической плитки, приваренной к концу стойки (рис. 62, а, б). При значительных давлениях для придания податливости крепи стойки опирают на деревянный прогон (рис. 62, б). В мягких породах стойки опирают на лежень (рис. 62, в). Лежни могут быть железобетонные, металлические, деревянные. При большом боковом давлении применяют крепь бочкообразной формы (рис. 62, г).

Элементы крепежных рам соединяют с помощью специальных башмаков, скоб, болтов, стяжек.

Достоинство трапециевидной металлической крепи — простота изготовления и установки, недостатки — отсутствие податливости и меньшая несущая способность элементов крепи, чем в арочных конструкциях.

При высоком давлении со стороны кровли возможно усиление верхняка одним или двумя продольными подхватами на стойках.

Арочная крепь выполняется в виде жестких, шарнирных, податливых или шарнирно-податливых конструкций (рис. 62, д, е). Наиболее распространена арочная податливая трехзвенная крепь АП-3 из спецпрофиля типа СВП (рис. 63, а) с по датливостью до 300 мм, состоящая из отдельных арок, устанавливаемых в выработках на расстоянии 0,5… 1,25 м одна от другой, межрамных распорок и железобетонных, деревянных или металлических решетчатых затяжек. Арка крепи состоит из верхняка 1 и двух стоек 2, скрепляемых между собой скобами 4 с планками 5 и гайками 6. Арки соединены друг с другом с помощью трех межрамных распорок 3.

Податливость крепи обусловливается скольжением элементов в узлах их сопряжения после того, как внешняя нагрузка превзойдет силы трения и достигнет по вертикали 300…350 мм, благодаря чему во многих случаях удается предотвратить разрушение крепи и поддержать выработки без перекрепления в течение длительного или всего срока службы.

Арочная податливая крепь из пяти элементов АКП-5 обладает податливостью до 700 мм (рис. 63, б). Элементы крепи изготовляются из спецпрофиля СВП-17, 19, 22,27 (цифры указывают массу 1 м спецпрофиля).

Арки обычно состоят из верхнего сегмента и двух боковых элементов (стоек), соединенных внахлестку и стянутых двумя (четырьмя) хомутами.

Кроме того, применяются арочные крепи несимметричной формы ПАК-2, изготовляемые из спецпрофиля СВП-17, СВП-19 с податливостью до 500 мм; крепи направленной податливости из СВП-22, СВП-27, рассчитанные на смещение пород висячего бока до 1300 мм.

Рис. 63. Арочная податливая крепь из спецпрофиля

Кольцевую крепь применяют в условиях всестороннего горного давления. Ее конструкция может быть жесткой, шарнирной, податливой и шарнирно-податливой.

Каменную и бетонную крепи применяют в вырабоках с большим сроком службы при значительном давлении.

В разведочной практике находит применение бетонная крепь при креплении устьев и отдельных участков выработок. Бетон и каменная кладка слабо сопротивляются растягивающим и изгибающим нагрузкам, поэтому крепям из этих материалов придают сводчатую (при вертикальном и горном давлении), подковообразную (давление сверху и с боков), кольцевую и другие формы.

Фундамент каменной и бетонной крепи заглубляют в почву выработки на 50… 100 см.

Разновидностью бетонной крени является набрызгбетонная крепь, отличающаяся составом бетонной смеси и безопалубочным способом возведения. Ее наносят на открытые поверхности пород в выработке с помощью пневмонагнетательной машины (набрызгмашины), загружаемой сухой бетонной смесью (цемент марки не ниже 400), которая под давлением сжатого воздуха 0,15…0,20 МПа подается по резиновому шлангу к соплу, где смачивается водой, поступающей по другому шлангу. Толщина покрытия 3…7 см и может достигать 15…20 см.

Бетонная смесь должна быть быстрогвердеющей. Опыт применения набрызгбетонной крепи свидетельствует о ее высокой эффективности в породах крепких и средней крепости, если они не испытывают значительных деформаций. Эта крепь дает возможность полной механизации ее возведения. Она может эффективно использоваться в сочетании с другими видами крепи (анкерной, рамной и др.) на участках выработок со сложными условиями. Поэтому набрызгбетонная крепь является весьма перспективной. Расход бетона и трудоемкость крепления 1 м выработки снижаются по сравнению с обычной бетонной крепью в 3−4 раза.

Анкерная крепь представляет собой систему закрепленных в шпурах штанг, расположенных в определенном порядке. Замок анкера прочно закрепляется в породах, окружающих выработку. Благодаря поддерживающим элементам (подхватам, опорным плиткам) породы кровли (стенок, почвы) как бы «сшиваются», из-за чего происходит упрочнение массива пород и повышение устойчивости его обнажений.

В слоистых породах большой мощности анкерами скрепляют (сшивают) отдельные слои пород в одно целое (рис. 64, б) или прикрепляют (подшивают) к устойчивой основной кровле (рис. 64, а). В неслоистых монолитных породах большой мощности анкеры располагают в виде расходящихся лучей, в результате чего образуются сжатые породные клинья, которые не могут обрушаться в выработку из-за их самозаклинивания (рис. 64, г).

Рис. 64. Схемы крепления выработок штангами: а — штанги с опорными плитками в кровле; б — штанги с металлическими подхватами в кровле и подошве; в — штанги с деревянными подхватами и затяжкой в кровле и с опорными плитками в боках; г — штанги с металлическим арочным подхватом и с затяжкой из сети

В настоящее время применяют металлические, железобетонные, деревянные и сталеполимерные анкеры.

Металлические анкеры состоят из круглого стержня, на одном конце которого (контурном) имеется резьба и гайка (или болтовая головка), а на другом — замок, с помощью которого анкер закрепляется в скважине. Конструкций замков известно много. Их изготовляют из металла и разделяют на клинощелевые, распорные, взрывораспорные и винтовые.

Анкер с клинощелевым замком (клинощелевой анкер) изготовляется из круглой стали диаметром 22…25 мм (рис. 65, а). В замковой части стержня по диаметру образуют щель щириной 2…3 мм и длиной.

• 150. .200 мм, в которую при установке штанги вводят клин длиной
• 120.. 180 мм и толщиной 25…35 мм. Щелевой конец анкера (усы 3) и клин 2 составляют замок. Анкер при установке вводят в скважину замковой частью со вставленным в устье щели 4 клином. При ударах по выступающему из скважины концу штанга надвигается на клин, при этом усы внедряются в породу стенок скважины и закрепляются в ней. Диаметр скважины рекомендуется принимать не более чем на 12… 15 мм больше диаметра штанги в замковой части. После закрепления анкера на ее контурный конец 7, выступающий в выработку, надевают опорную плитку 5 или подхват и шайбу, а затем завинчивают гайку 6.

В породах средней крепости с /4…8 несущая способность замка при глубине внедрения усов в породу 3…5 мм достигает 100… 120 кН. В слабых породах (f = 4) клинощелевые анкеры применять не следует вследствие низкой в этом случае несущей способности замка. В крепких породах (/ > 12) трудно обеспечить надлежащее расклинивание замка, поэтому клинощелевые анкеры в таких породах применяют редко. Их достоинства — достаточно высокая несущая способность в породах с/= 4… 12, простота конструкции и установки, относительно небольшая стоимость.

Анкеры с распорным замком (рис. 65, в, г) выполняют из круглой стали диаметром 16…22 мм с конусной 8 или клиновой головкой 10 и называют распорно-конусными и распорно-клиновыми. Замок в шпуре закрепляют с помощью гильзы 9 или клиновидных сегментов, которые распираются головкой анкера при ее натяжении. Головки выполняют съемными — на резьбе (сборный анкер) или из стержня (цельный анкер). Наружный диаметр гильзы или распорных сегментов при диаметре шпура 42…44 мм принимают равным 38…40 мм, а высоту −80… −140 мм, вследствие чего достигается значительно большая площадь контакта замка с породой, чем в клинощелевых анкерах. Они обладают большей несущей способностью. Большинство конструкций распорных замков допускает извлечение анкеров для повторного использования.

Рис. 65. Конструкции штанг: а — металлическая клинощелевая цельная:

• 1 — стержень штанги; 2 — клин; 3 -усы; 4 — щель; 5 — опорная плитка; 6 — гайка;
• 7 — контурный конец; 6 — металлическая клинощелевая со съемной головкой увеличенного диаметра; в — металлическая сборная с распорно-конусным замком: 8 — конусная съемная головка; 9 — четырехлепестковая гильза; г — метачлическая цельная с распорно-клшювым замком: 10 — к итовая головка; 11- два распорных китовидных сегмента; д — метачлическая сборная с взрывораспорным замком: 12- съемная головка с каналом для заряда ВВ; е — металлическая трубчатая с взрывораспорным замком; ж — железобетонная с арматурой 13 периодического профиля; з — железобетонная перфоштанга; 14 — перфорированная обойта; и — железобетонная с гладкой арматурой волнистого очертания; к — деревянная клинощелевая с металлической обоймой 15

Анкер с взрывораспорным замком (рис. 65, д, е) конструкции ЛГИ состоит из круглого стержня диаметром 20…25 мм и пустотелой цилиндрической головки диаметром 38…40 мм, соединенной со стержнем с помощью резьбы. Замок в скважине закрепляется в результате раздутия головки при взрыве небольшого заряда (20…40 г) низкобризантного ВВ, помещенного в нее. Такие замки особенно хорошо закрепляются в мягких глинистых породах, в которых другие конструкции анкеров имеют низкую несущую способность. Хорошо закрепляются они и в крепких породах. При установке анкеров в слабых породах, в частности для борьбы с пучением, целесообразно применять взрывораспорные трубчатые анкеры, раздутие которых выполняется по всей длине. После раздутия внутрь трубы может быть введен цементно-песчаный раствор для повышения долговечности и надежности.

Имеются и другие конструкции металлических анкеров. Главной особенностью металлических анкеров является их способность воспринимать расчетную нагрузку сразу же после установки.

Железобетонный анкер представляет собой арматурный стержень, закрепленный в шпуре бетоном только в замковой части или по всей длине (рис. 65, ж-и).

Первый вид анкера называют замковым, второй — сплошным. Конец арматуры обычно выступает в выработку и служит для закрепления на нем опорной плитки или подхвата. Диаметр шпура принимают равным 36…42 мм. В качестве стержней используют арматуру периодического профиля или гладкую диаметром 16…22 мм. Применяют арматуру и других видов.

Достоинства железобетонных анкеров — прочный контакт с породой по всей длине анкера, хорошее сопротивление сдвижению, расслоению, выветриванию пород в стенках шпура, долговечность. Недостатки — невозможность восприятия нагрузки сразу после установки, сложность контроля качественного заполнения шпура бетоном, значительный объем подготовительных работ по изготовлению бетона.

Сталеполимерный анкер, подобно железобетонному, может быть замковым или сплошным. Стальной арматурный стержень закрепляют в шпуре быстротвердеющим полимербетоном, состоящим из синтетической смолы, отвердителя, мелкого заполнителя (песок, гранулированный шлак), а при необходимости — катализатора твердения, пластификатора и других добавок. Твердение полимербетона должно наступать через 2…5 мин после перемешивания его компонентов.

Для их подачи в скважину применяют стеклянные, полиэтиленовые или комбинированные ампулы длиной 0,3…0,5 м с двумя-тремя отделениями для раздельного размещения в них смолы и отвердителя, а иногда и катализатора. Заполнитель вводится в смолу, отвердитель или в оба компонента. Обычно применяют полимербетоны на основе эпоксидных и полиэфирных смол.

Деревянный анкер (рис. 65, к) представляет собой круглый стержень диаметром 40…60 мм, на обоих концах которого устраивают замки клинощелевого типа. Щель на конце, вставляемом в шпур, длиной 400…450 мм, на противоположном −200…−250 мм. Стержни изготовляют из высококачественной сосны, лиственницы, дуба и т. п. Клинья выполняют из прочных, твердых пород леса — дуба, березы, прессованной древесины. Достоинства у них такие же, как у металлических анкеров. Недостатки — небольшая прочность, подверженность гниению.

Смешанной называют крепь, основные несущие элементы которой выполнены из двух или более видов материала. Металлические верхняки или трехшарнирные арки применяют в сочетании с деревянными стойками при значительном вертикальном давлении, но небольшом сроке службы.

Сравнительно широко используют смешанную крепь из трубчатых или прямоугольных пустотелых стоек с металлическим верхняком из двутавровых балок № 16−20 или из спецпрофиля.

Рис. 66. Временная крепь горизонтальных выработок: 1 — выдвижная балка; 2 — деревянный настил; 3 — подвеска; 4 — верхняк; 5 — закладные штыри

Комбинированной называют крепь, в которой сочетается анкерная крепь с набрызгбетонной или разными видами подпорных крепей: деревянной, металлической, бетонной и др. Анкерную крепь в зависимости от условий и технологии проведения выработок возводят раньше или после подпорной. Упрочнение массива пород анкерами позволяет уменьшить давление на подпорную крепь и снизить стоимость крепления в 1,5−2 раза.

Временная предохранительная крепь применяется в случаях, когда по условиям проведения выработок пространство между забоем и постоянной крепью во время выполнения производственных процессов у забоя должно быть закреплено (слабые, неустойчивые породы, сильнотрещиноватые породы и пр.).

Временную крепь по характеру работы разделяют на поддерживающую, ограждающую, упрочняющую. Поддерживающая временная крепь применяется в виде одиночных деревянных или металлических стоек, облегченных инвентарных рам, металлических арок из спецпрофиля, опирающихся на закладные металлические штыри (рис. 66, а). Ограждающая временная крепь выполняется в виде выдвижных предохранительных перекрытий (рис. 66, б), подвесных деревянных или металлических верхняков с настилом (рис. 65, в) и в других вариантах.

Упрочняющая временная крепь — анкерная, набрызгбетонная крепь или их сочетание. Целесообразна в тех случаях, когда она входит в состав постоянной крепи.

Контрольные вопросы

• 1. Виды горных крепей по ряду признаков.
• 2. Древесина — материал для горной крепи.
• 3. Применение металла для крепления выработок.
• 4. Крепи с использованием бетона: торкрет-бетон, набрызг-бетон, пластбетон, железобетон.
• 5. Деревянная крепь горизонтальных горно-разведочных выработок.
• 6. Анкерная крепь.
• 7. Временная крепь горизонтальных горных выработок.