CC BY
440
© B.B. Аксенов, A.A. Казанцев, A.A. Дортман, 2012
В.В. Аксенов, A.A. Казанцев, A.A. Дортман
ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ТИПОВ КРЕПИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК И АНАЛИЗ ИХ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ В ГЕОВИНЧЕСТЕРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ
Дан обзор и анализ арочных и кольцевых крепей используемых при проходческих работах проходческими шитами и комбайнами. Ключевые слова: геовинчестерная технология, крепь горных выработок, геоход.
В современной классификации крепей горных выработок [1,2] основным, определяющим вид крепи классификационным признаком принято ее назначение, т.е. для какой группы подземных выработок предназначена крепь. По этому признаку все крепи могут быть разделены на крепи капитальных (вскрышных), подготовительных и очистных выработок.
К капитальным (вскрышным) горным выработкам относят стволы и квершлаги; к подготовительным — выработки, проводимые для подготовки шахтного поля к очистной выемке (штреки, уклоны, бремсберги, участковые квершлаги, и др.).
К очистным относят выработки, проводимые по полезному ископаемому и предназначенные для непосредственной выемки полезного ископаемого.
В соответствии с действующей классификацией все существующие в настоящее время крепи капитальных и подготовительных горных выработок по основным конструктивным и технологическим признакам разделены на три класса: рамные, сплошные и анкерные. В свою очередь, крепи первых двух классов в зависимости от их контура разделены на два подкласса: с незамкнутым или замкнутым контуром. Кроме того, сплошные крепи разделены на два типа: монолитные и сборные. Класс анкерной крепи также подразделяется на два подкласса: с закреплением анкеров в донной части скважины (с распорными замковыми устройствами) и с закреплением анкеров по всей длине скважины или значительной ее части.
Каждый из подклассов рамных и сплошных крепей подразделяется в зависимости от условий и характера взаимодействия
крепи с массивом горных пород и конструктивного решения на группы: жесткие, податливые, шарнирные, шарнирно-податли-вые. Кроме того, каждый из этих подклассов, а также и классы анкерной крепи в зависимости от применяемого для их изготовления материала разделяются на подгруппы: металлические, деревянные, бетонные, железобетонные, из полимерных материалов, смешанные.
Подгруппу крепи определяет материал основной (несушей) конструкции (элемента) крепи. В дальнейшем при освоении и использовании новых крепежных материалов число видов и подгрупп крепи по этому признаку будет увеличиваться.
По характеру работы крепи бывают ограждаюшие, изоли-руюшие и несушие. Ограждаюшие крепи предназначены для зашиты людей и оборудования от случайных местных вывалов кусков породы. Они часто используются в качестве временных передвижных. Изолируюшие крепи предназначены для зашиты обнажений пород в выработках от выветривания, переувлажнения, вымывания, растрескивания, иногда теплоизоляции, а также сглаживания неровностей. Они выполняются обычно в виде покрытий из торкрет- и набрызгбетона, полимерных материалов и т.п. Несушие крепи имеют основное назначение воспринимать нагрузки от горного давления.
По деформационно-силовой характеристике крепи бывают жесткие (смешения до 50 мм), малоподатливые (до 100 мм), податливые (до 300 мм) и весьма податливые (более 300 мм).
По структуре конструкции крепи бывают однослойные и многослойные.
По способам возведения крепи бывают обычные и специальные (забивная, задавливаемая, погружная, опускная, предварительно обжатая и т.п.).
По возможности перемешения крепи бывают стационарные и передвижные [3].
Требования к горной крепи:
Горная крепь должна удовлетворять следуюшим требованиям:
• быть прочной, надежной и долговечной в работе (обеспечивать поддержание выработки в безопасном состоянии в течение всего срока службы);
• занимать возможно меньшую плошадь сечения выработки, не мешать выполнению производственных процессов;
Рис. 1. Металлические жесткие крепи: а — металлическая арочная жесткая крепь; б — металлическая кольцевая жесткая крепь
• обеспечивать возможность механизации ее возведения;
• быть нетрудоемкой при доставке и транспортировке;
• обеспечивать минимальные материальные и трудовые затраты на возведение и эксплуатацию крепи [4].
Жесткая крепь (рис.1) не имеет податливых узлов и допускает только упругие деформации своих элементов.
Металлическая арочная жесткая крепь (рис.1,а) предназначена для крепления горизонтальных и наклонных (до 300) выработок с установившимся горным давлением вне зоны влияния очистных работ при отсутствии пучащих пород в почве. Она состоит из отдельных арок жесткой конструкции, каждая арка состоит из двух криволинейных элементов — полуарок, изготовляемых из двутавровых балок (обычно № 1420) или рельсов и жестко соединяемых между собой планками и болтами.
Металлическая кольцевая жесткая крепь (рис.1,б) предназначена для крепления горизонтальных и наклонных (до 300) выработок с установившимся горным давлением при всестороннем давлении или пучении пород почвы. Она состоит из отдельных колец. Каждое кольцо собирается из 4-6 сегментов из двутавровых балок. Сегменты соединяют между собой планками и болтами с гайками примерно так же, как и элементы арочной жесткой крепи [6].
а б
Рис. 2. Податливые металлические рамные крепи: а — металлическая податливая арочная пятизвенная крепь; б — податливая металлическая кольцевая четырехзвенная крепь
Податливая крепь (рис. 2) имеет узлы податливости и сохраняет свою несущую способность при значительных смещениях своих элементов в узлах податливости.
Арочная податливая металлическая крепь (рис. 2, а) применяется для крепления подготовительных и капитальных горных выработок на шахтах Кузбасса. Крепь податливая металлическая арочная и крепь с обратным сводом подводится в выработках для предотвращения обрушения и вспучивания в слабых неустойчивых породах и окружающего массива угля, и сохранения необходимых размеров выработки. Выработки, закрепленные данной крепью, служат для: транспортировки угля с применением ленточных и скребковых конвейеров, подвижного состава, проветривания, передвижения людей, доставки оборудования и материалов.
Кольцевая податливая металлическая крепь (рис.2, б) применяется в горизонтальных и наклонных выработках при наличии всестороннего смещения горных пород, а также при пучащих породах почвы, в вертикальных выработках (стволах) в качестве временной крепи при проходке. Податливые кольцевые крепи предназначены для выработок, как подверженных, так и неподверженных влиянию очистных работ. Для податливой крепи используют прокатную сталь специального желобчатого шахтного профиля массой 17—33 кг/м. В податливой кольцевой крепи сегменты соединяют между собой внахлёстку при
помощи хомутов с планками и гайками. Податливость крепи осуществляется за счёт скольжения сегментов кольца в узлах их соединения [4].
Бетонная крепь (рис.3) применяется для крепления капитальных горных выработок (стволы, околоствольные дворы, квершлаги, бремсберги, уклоны) при значительном, но установившемся горном давлении и большом сроке службы [5].
Толщину крепи принимают в зависимости от ширины выработки, прочности пород и ожидаемых величин горного давления. Толщина свода в замке составляет в основном 0,150,35 м, стен — 0,2-0,4 м, обратного свода — 0,2-0,6 м.
Набрызгбетонная крепь представляет собой разновидность бетонной крепи. Ее в отличие от обычной монолитной бетонной крепи наносят на обнаженную поверхность выработки с помощью машин без применения опалубки.
Набрызгбетонную крепь применяют для крепления капитальных и подготовительных выработок, проводимых по прочным малотрещиноватым породам вне зоны влияния очистных работ. Накопленный опыт показывает, что набрызг-бетонная крепь (в качестве единственной крепи) целесообразно применять при величине смещения (опускания) пород кровли за срок службы выработки не более 50 мм. Толщина набрызгбетонной крепи колеблется от 30 до 200 мм, а в отдельных случаях и более в зависимости от условий ее применения.
Рис. 3. Монолитные бетонные крепи: а — бетонная арочная крепь с обратным сводом; б — бетонная цилиндрическая крепь
Таблица 1
Тип крепи Материал Тип профиля Масса, кг/м Расход бетона кг/м3 Несущая способность, МПа
Металлическая жесткая Ст 3 Двутавровый, 10-21 - 0,15-0,4
крепь рельсы 30-44
Металлическая Ст 5 СВП 17-33 - 0,1-0,2
податливая крепь
Бетонная крепь В15-В30 - - 350-400 0,35-0,5
Железобетонная крепь В15-В20 - 240-500 - 0,1-0,4
Набрызгбетонная крепь В 30 - - 200-300 0,2-0,4
а б
арочная незамкнутая крепь
Железобетонная гладкостенная тюбинговая крепь ГТК конструкции КузНИИшахтострой. В арке крепи в зависимости от площади сечения выработки применяют от 5 до 7 тюбингов.
Тюбинг представляет собой железобетонный цилиндрический элемент, состоящий из плиты, ограниченной по краям ребрами. Тюбинги скрепляют между собой болтами через предусмотренные в них закладные проушины. Ширина тюбингов, т. е. размер по длине выработки, составляет 0,75 м, а остальные их размеры приняты в зависимости от размеров, площади поперечного сечения и грузонесущей способности крепи. Куз-НИИшахтостроем разработано три типоразмера тюбингов с внутренним радиусом 2,2; 2,7 и 3 м и такое же число полутюбингов и семь типоразмеров выработок с гладкостенной тюбинговой крепью ГТК площадью поперечного сечения в свету от 9,4 до 22,2 м2. Расчетная несущая способность составляет 0,1-0,3 МПа.
В табл. 1 представлены материал и несущая способность вышеперечисленных крепей горных выработок.
Исходя из этого применение вышеперечисленных крепей и традиционных методов их возведения в геовинчестерной технологии возможно, но нецелесообразно из-за конструктивных особенностей геохода, а именно наличия законтурного винтового и продольного каналов, оставленных лопастью и элементами противовращения при проходке. Необходимо искать но-
вые подходы к креплению горных выработок с использованием законтурных каналов, при этом сама геовинчестерная технология дает новые возможности использования приконтурного массива горных пород как элемента крепи.
1. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механика подземных сооружений и конструкций крепей. — М.: Недра, 1984. — 415 с.
2. Баклашов И.В., Тимофеев О.В. Конструкции и расчет крепей и обделок. — М.: Недра, 1979. — 263 с.
3. Аксенов В.В. Геовинчестерная технология проведения горных выработок. — Кемерово: Институт угля и углехимии СО РАН, 2004, 264 с.
4. Гелескул М. Н., Хорин В. Н., Киселев Е. С., Бушуев Н. П. Справочник по креплению горных выработок: — М.: недра, 1993. — 427 с.
5. Штумпф Г.Г., Егоров П.В., Лебедев А.В. Крепление и поддержание горных выработок: Справочник рабочего. — М.: недра, 1976. — 504 с.
6. Пат. 2370652 Российская Федерация, МПК8 E21D 11/14. Кольцевая крепь горной выработки и способ её возведения / Аксенов В.В. и др.; патентообладатель Институт угля и углехимии Сибирского отделения Российской академии наук (ИУУ СО РАН). — N 2008116929/03; заявл. 28.04.2008; опубл. 20.10.2009, Бюл. N 29. — 11 с. НЗШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Аксенов Владимир Валерьевич — доктор технических наук, профессор, зав. лабораторией угольной геотехники Института угля СО РАН, е-шаП: [email protected],
Казанцев Антон Александрович — кандидат технических наук, заведующий кафедрой, научный сотрудник лаборатории угольной геотехники Института угля СО РАН, е-шаП: [email protected], Дортман Андрей Александрович — студент,
Юргинский технологический институт (филиал) Томский политехнический университет.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
