 |
4.3. Конструкции горной крепи. Крепь горизонтальных и наклонных выработок.
|
|
|
|
4. 3. Конструкции горной крепи
Процесс возведения крепи в подземных выработках называется креплением. Различают постоянную и временную крепь. Постоянной называют крепь, установленную на весь срок существования выработки. Временную крепь применяют для поддержания выработки до возведения постоянной крепи.
Конструкции крепи зависят от типа, назначения, формы и размеров поперечного сечения выработки, величины горного давления и материала, применяемого для крепи.
Рис. 4. 2. Деревянная крепь горизонтальных выработок.
Крепь горизонтальных и наклонных выработок.
Основным видом деревянной крепи для горизонтальных выработок является крепежная рама трапециевидной формы. Она может быть полной и неполной. Неполная крепежная рама
(рис. 4. 2, а) состоит из верхняка 1 и двух стоек 2. B полной крепежной раме стойки устанавливают на горизонтальный элемент — лежень.
Полные крепежные рамы устанавливают при наличии горного давления со стороны почвы и при слабых породах почвы для предотвращения вдавливания в нее стоек. При отсутствии бокового давления крепежные рамы иногда имеют прямоугольную форму. Угол наклона стоек в раме трапециевидной формы составляет 75—80°.
Элементы крепежной рамы изготовляют из круглого леса диаметром 15 — 30 см. Такие рамы применяют в выработках с небольшим сроком службы (до 2—5 лет), пройденных в породах средней крепости, испытывающих умеренное горное давление.
Крепежные рамы устанавливают в с п л о ш н у ю или в р а з б е ж ку. Крепление всплошную (см. рис. 4. 2, а) применяется в неустойчивых породах и при значительном горном давлении, а крепление вразбежку (рис. 4. 2, б) — в породах средней устойчивости при малом сроке службы выработки. В последнем случае расстояние принимается равным 0, 5—1, 2 м. При этом для предохранения от вывалов кровлю и бока выработки затягивают горбылями, досками или круглым лесом. Пустоты между кровлей или боками выработки и крепью заполняют (забучивают) мелкими кусками породы, называемыми з а б у т о в к о й, для равномерного распределения горного давления на крепь. Крепежные рамы устанавливают строго перпендикулярно к плоскости кровли и продольной оси выработки. Установленную раму расклинивают в местах соединения стоек с верхняком клиньями, забиваемыми между крепью и породами кровли и боков выработки.
|
|
|
Стойки неполной крепежной рамы помещают в специальные углубления в почве — лунки глубиной 10—20 см (их глубина зависит от крепости пород). Назначение лунок — не допустить смещения нижних концов стоек внутрь выработки. На закруглениях выработок рамы ставят по направлению радиусов закругления.
В крепежных рамах стойки с верхняком соединяют в лапу и в паз (рис. 4. 2, в). Наиболее распространено соединение в лапу. В крепежной раме прямоугольной формы применяют замки в лапу с прямым вырезом, размеры которого обеспечивают наибольшую опорную поверхность в замке действию давления со стороны кровли (/) или сбоку (II). В крепежной раме трапециевидной формы чаще всего делают замок в лапу, обеспечивающий сопротивляемость крепи при давлений как сверху, так и сбоку (///, IV). Соединения должны быть плотными для большей прочности и устойчивости крепи. При соединении в п аз конец верхняка не заделывают, а вырезают в торце стойки паз в виде выемки с радиусом, немного большим, чем радиус поперечного сечения верхняка (V). Соединения в паз часто применяют во временной крепи.
Стойки с лежнями соединяют чаще всего в лапу. Капитальные и подготовительные горизонтальные и наклонные выработки крепятся металлической крепью в виде арочных и кольцевых рам, а также анкерной крепью.
|
|
|
Рис. 3. 4. Арочная податливая крепь
Арочная крепь состоит из отдельных арок жесткой или податливой конструкции. Для
изготовления крепи применяют двутавр, швеллер или специальный профиль стали.
А р о ч н а я п о д а т л и в а я к р е п ь (рис. 4. 3) состоит из двух стоек 1, изогнутых в верхней части, и верхнего сегмента 2, концы которого соединены со стойками хомутами 4 с планками 5 и гайками. Податливость крепи достигается за счет вдвигания концов элементов арки друг в друга. Арки устанавливают вразбежку, соединяя соседние тремя металлическими планками — стяжками 3. Бока и кровлю выработки в промежутках между арками затягивают деревянными или железобетонными затяжками. Податливость крепи регулируют степенью зажатия хомутов. После того как горное давление установится, гайки хомутов затягивают до отказа, и арки работают как жесткие. Первоначальные размеры податливой крепи должны быть увеличены на величину податливости. Арочная податливая крепь широко применяется на шахтах Криворожского железорудного, Никопольского марганцевого бассейнов и др.
Кольцевую крепь применяют в подготовительных выработках в условиях всестороннего горного давления.
Анкерная крепь конструктивно отличается от выше рассмотренных видов крепи тем, что ее устанавливают внутри массива горных пород (в шпурах), стягивая отдельные слои или блоки пород. Анкерная крепь состоит из отдельных стержней (штанг), закрепленных в шпурах и удерживающих нижние слои (куски) породы в кровле выработки от сдвижения и обрушения (рис. 4. 4). При необходимости анкерную крепь устанавливают также в боках выработки.
Рис. 4. 4. Схема установки анкерной крепи а – в слоистых; б
– в трещиноватых породах
В настоящее время создано более двухсот различных конструкций анкерной крепи: металлической, железобетонной, деревянной, сталеполимерной. По способу закрепления различают анкеры двух типов: с закреплением в донной части шпура и с закреплением по всей длине штанги.
Простейшим анкером первого типа является к л ин о щ е л е в о й. Он представляет собой стальной стержень диаметром 19 — 25 мм и длиной 1 — 3 м. На верхнем конце стержня имеется продольная щель шириной 3 — 5 мм, длиной 150 — 200 мм, на нижнем — резьба. Перед вводом анкера в шпур в продольную щель вставляют металлический клин длиной 120 — 180 мм. Анкер с вставленным клином вводят в шпур до конца и расклинивают ударами телескопного перфоратора через буровую штангу, на которую надета специальная насадка. После расклинивания на анкер надевают опорную плиту с шайбой и затягивают гайку с силой до 30—50 кН.
|
|
|
Конец анкера при расклинивании внедряется в стенки шпура и прочно удерживается внутри массива пород, а опорная плита с помощью штанги поддерживает породу в кровле выработки. В трещиноватых отслаивающихся породах между опорными плитами и кровлей устанавливают металлические или деревянные подхваты с затяжкой кровли деревом или металлической сеткой.
Клино-щелевые анкеры повторно не используются, так как извлечение их из шпура затруднительно. В отличие от них а н к е ры с р а с п о р н о й г о л о в к о й можно использовать многократно.
Конструкции многих распорных металлических анкеров неудобны тем, что их установка
требует дополнительных инструментов (например, для первоначального закрепления замка в анкерах АД-1, АР-2 нужна установочная труба) и сопряжена с дополнительными затратами времени.
Этот недостаток устранен в с а м о з а к л и н и в а ю щ е й с я а н к е р н о й к р е п и ШК-3 (рис. 4. 5, а). Она состоит из стержня 6 с резьбой на одном конце 9 и плоским клином 2 на другом. Две полумуфты 5 с помощью полу галтелей 12 крепятся в пружине 4, опирающейся на выступы 5. Для фиксации полумуфт от смещения вокруг оси штанги при их движении по клину внутренний желоб 11 в верхней части муфт имеет параллельное сужение 1. Верхняя часть полумуфт снабжена выступами 10 для лучшего сцепления их с породой после установки. На нижний конец штанги надевается опорная плита 7 и навинчивается гайка 8.
Анкер в собранном виде вставляется в устье шпура. При этом полумуфты, упираясь в стенки шпура, сжимают пружину и опускаются вниз по клину, сближаясь между собой до тех пор, пока расстояние между их наружными поверхностями не станет равным диаметру шпура. Анкер начинает входить в шпур и устанавливается на нужной глубине. Затем затягивают гайку; опускаясь вниз, клин распирает полумуфты и прочно фиксирует штангу в шпуре. Продолжительность установки одного анкера 10—15 с.
|
|
|
Рис. 4. 5. Конструкции анкерной крепи:
а — самозаклинивающейся ШК-3; б, в — сталеполимерной СПШ соответственно в момент и после установки; г, д — железобетонной с распорным замком соответственно до и после установки
В последние годы получает применение анкерная крепь повышенной несущей способности с закреплением по всей длине шпура или значительной его части: сталеполимерная и железобетонная.
С т а л е п о л и м е р н ая к р е п ь (рис. 4. 5, б, в) состоит из стального стержня 1 из арматурной стали, быстрозатвердевающего полимерного состава 2, пробки 3 и опорной плиты 4. В шпур сначала вводят одну или несколько ампул 5, снабженных парашютами 6 для удержания их в скважине. Ампула, наружная полиэтиленовая оболочка которой имеет диаметр 25—36 мм и длину
320—400 мм, содержит полиэфирную смолу. Внутри ампулы располагается стеклянная трубка с отвердителем. Давлением и вращением стержня оболочка ампул нарушается, содержимое их перемешивается и заполняет пространство между стержнем и породой. Анкеры на основе полиэфирной смолы ПН-1 через час после установки имеют несущую способность 60—80 кН, а через сутки она возрастает в 1, 5 раза.
Эффективно применение фосфогипсового закрепителя, так как по прочности он не уступает закрепителям на основе синтетических смол, но значительно дешевле их.
Анкерная крепь с химическим закреплением по сравнению с замковыми анкетами более проста по конструкции и установке, имеет большую прочность закрепления даже в слабых породах. Ее недостаток — повышенная стоимость.
Более дешевой является ж е л е з о б е т о н н а я а н к е р н а я к р е пь. На рис. 4. 5, г, д показана конструкция такой крепи, применяемая в шахтах Миргалимсайского месторождения. Она состоит из профильного стержня 3 с опорной шайбой 1, эластичного каркаса 6 со стальными пластинами 5, бетонного раствора 7 и пробки 2. В каркасе могут устанавливаться дополнительные пластины 4. Скважина предварительно заполняется цементным раствором, затем в нее вводится стержень с каркасом и пробкой. При движений стержня вверх пластины вместе с эластичным выступом отклоняются вниз, не препятствуя его перемещению. После установки анкера пластины расклинивают его при возникновении растягивающих штангу сил. Проверка показала, что несущая способность анкера сразу же после установки составляет 10—25 кН. Увеличение числа распорных пластин повышает первоначальную несущую способность в 1, 5—1, 8 раза. Через сутки несущая способность железобетонной анкерной крепи достигает обычных норм (80—100 кН).
|
|
|
Применяют также к о м б и н и р о в а нн ые а н к е ры: верхняя часть стержня закрепляется в шпуре полимерным составом, а нижняя — цементным. При этом подача полимерных составов в скважину осуществляется по схеме, сходной с подачей цементного раствора.
По сравнению с другими видами крепи анкерная крепь более экономична, не загромождает сечение выработок, проста в установке.
Рис. 4. 6. Выработка с Коробовым сводом, закрепленная бетонной крепью: 1 – свод; 2 – стенки; 3 – фундамент: а
– полупролет ширины выработки; h2
Выработки, закрепленные бетонной крепью , имеют обычно сводчатую форму (рис. 4. 6). Верхнюю часть свода называют з а м к о м, а поверхности опирания свода на стены — п я т а м и. Толщина стен 18—50 см.
На практике применяют обычно к р у г о вые и к о р о б о вые с в о ды. Круговые своды, имеющие подъем h = a, называются полуциркульными, а своды, у которых h < а, — пониженными.
При прочных породах и значительной ширине выработок применяют трехцентренный коробовый свод (части его описываются из трех разных центров), а в неустойчивых породах — полуциркульный свод. Фундаменты заглубляют в почву выработки на расстояние 25 — 30 см, а со стороны водоотливной канавки — на расстояние 50 — 70 см. Ширину фундамента в крепких породах принимают равной толщине стен, а в, слабых — больше на 15 —
25 см. При наличии бокового давления стенам крепи придают криволинейную форму, а при давлении со стороны почвы делают обратный свод.
При возведении бетонной крепи для придания ей необходимой формы и временного поддержания незатвердевшего бетона применяют деревянную или металлическую о п а л у б к у. Бетонную смесь подают за опалубку бетононасосами. Бетонная крепь используется для крепления капитальных выработок с большим сроком службы, расположенных в зонах установившегося горного давления.
Для предохранения стенок выработок, пройденных в устойчивых породах, от выветривания, а также для заделки трещин в бетонной крепи применяют т о р к р е т - б е т о н, состоящий из цемента, песчаного заполнителя крупностью не более 5 мм и воды (10 — 12% от массы смеси). Торкрет-бетон наносится на поверхность стенок и свода сжатым воздухом сдоем толщиной 5 — 30 мм, прочно схватывается с породами и затвердевает.
Широко применяют н а б р ы з г - б е т о нн ую крепь. В качестве заполнителя для набрызг-бетона используют немолотый гранулированный шлак, песок, щебень крупностью до 25 мм. Состав набрызг-бетона 1: 2; 1: 3; 1: 3, 5. Для ускорения схватывания добавляется жидкое стекло, а для увеличения сопротивляемости сейсмическим нагрузкам — капроновое волокно толщиной 0, 02 — 0, 3 мм или стекловолокно (5 — 6% массы цемента).
Набрызг-бетон приготовляют в специальных смесительно-загружающих установках, из которых под действием сжатого воздуха через сопло его наносят под углом 90° на закрепляемую поверхность. Толщина первоначального слоя 20 — 30 мм, конечная — до 300 — 400 мм. Время схватывания 3 — 5 мин. Перед набрызгом поверхность выработок тщательно обирают от заколов и обмывают водой для лучшего прилипания смеси.
Набрызг-бетонная крепь имеет большую механическую прочность, чем монолитный бетон того же состава. Ее применение позволяет механизировать процесс крепления, увеличить производительность труда и снизить стоимость крепи. Набрызг-бетон широко используют в сочетании с анкерной крепью.
Возведение с б о р н о й ж е л е з о б е т о н н о й к р е п и механизируется применением различных крепеукладчиков. В выработках с углом наклона до 40—45° применяют те же конструкции крепи, что и в горизонтальных. Рамы устанавливают перпендикулярно к почве выработки и ее продольной оси. Если породы кровли склонны к сползанию, то рамы устанавливают с наклоном 5° в сторону восстания. Если крепь несплошная, то между рамами по кровле, а иногда и по почве устанавливают распоры, располагаемые против замков рам. Выработки с углом наклона более 40 — 45° крепят как вертикальные.
|
|
|
