CC BY
96
----------------------------------- © И.А. Мартыненко, И.И. Мартыненко, И.А.
Капралова, К.В. Кулинич, 2010
УДК 622.261
И.А. Мартыненко, И.И. Мартыненко,
И.А. Капралова, К.В. Кулинич
ПАРАМЕТРЫ КРЕПИ БОЛЬШЕПРОЛЕТНЫХ ВЫРАБОТОК
На основании проведенных исследований выявлены факторы, оказывающие влияние на устойчивость породных обнажений, установлены способы упрочнения деформируемых пород и зависимости несущей способности от смещений пород кровли и боков выработки, разработаны технические решения по повышению устойчивости большепролетных выработок
Ключевые слова: крепь, глубокие шахты, устойчивость породных обнажений.
Опыт строительства и эксплуатации выработок глубоких шахт показал, что существующие конструкции крепей не оказывают достаточного влияния на смещения пород.
Для обеспечения нормальной работы подземных сооружений необходимо применять специальные меры по их охране, обеспечивающие повышение устойчивости породных обнажений.
Так как устойчивость зависит от физико-механических свойств горных пород и действующих в них напряжений, способы охраны выработок направлены на изменение этих факторов. Это достигается использованием благоприятных естественных горногеологических условий, в том числе расположением выработок в прочных породах, их направлением относительно пластов, контактов, трещин.
Существенное влияние на устойчивость оказывает направление выработок относительно структурных неоднородностей массива горных пород (слоистость, кливаж и др.). Так, из обследованных 7100 м выработок, проведенных по простиранию, деформировано 87%, а из 8300 м выработок, проведенных
Неделя горняка
вкрест простирания,- всего 32%. Поэтому надо стремиться располагать выработки, в основном большепролетные, к которым, как правило, относятся сопряжения, по возможности ближе к направлению вкрест простирания.
В отличие от разрушения мощной толщи однородных монолитных пород, которое выражается в виде образования вокруг выработки трещин сдвига, при мелкослоистых породах деформации проявляются в виде расслоения отдельных слоев по плоскостям ослабления и их продольно-поперечного изгиба с потерей устойчивости. В этом случае для обеспечения удовлетворительного поддержания сопряжения крепь должна обладать значительным запасом прочности и достаточным сопротивлением податливости. Этот способ охраны приобретает особое значение в сложных горногеологических условиях глубоких шахт.
Напряженное состояние массива горных пород вокруг подземного сооружения может снижаться при изменении формы поперечного сечения выработки, ее надработке и подработке, разгрузке массива горных пород
скважинами, рациональном взаимном расположении выработок.
Большое влияние на напряженное состояние пород у контура горной выработки и, следовательно, на ее устойчивость оказывает форма поперечного сечения. При гидростатическом поле напряжений наиболее устойчива выработка круглой формы. На небольших глубинах выбор рациональной формы может явиться достаточным условием устойчивости выработки.
Эффективным мероприятием по снижению напряженного состояния массива горных пород является его над-работка. При этом под выработанным пространством образуется разгруженная от напряжений зона, в которой целесообразно располагать выработки.
Перенапряженные породы, вмещающие выработку, можно разгрузить выбуриванием щелей в окрестности выработки.
Иногда повышение устойчивости выработок достигается их рациональным взаиморасположением. Это мероприятие целесообразно применять во всех случаях (особенно в условиях глубоких горизонтов) во избежание дополнительных деформаций пород вокруг выработок. При сооружении сопряжений необходимо увеличивать угол примыкания, т.е. угол между сопрягающими выработками.
Сопряжения выработок необходимо проводить одновременно на расстоянии не менее шести условных диаметров сопрягающихся выработок, применять комбайновое проведение выработок, контурное взрывание, упрочнение пород различными способами: механическими (анкерная и набрызг-бетонная крепи, уплотнение пород взрывом), химическими (силикатизация, использование синтетических смол), электромеханическими (электроуплотнение, электроосушение, электро-
силикатизация), термическими (электроплавление, обжиг, замораживание), физико-химическими (цементация, глинизация, битумизация).
В практике сооружения и эксплуатации сопряжений наибольшее распространение получила анкерная и набрызг-бетонная крепи, тампонирование цементными, цементно-песчаными растворами и синтетическими смолами на основе карбамидных и фурфуроловых смол.
Параметрами способа поддержания выработок упрочнением вмещающих пород являются: несущая способность и податливость временной крепи, которые обеспечили бы поддержание выработки до образования оболочки из упрочненных пород.
Несущая способность податливой крепи может определяться из выраже-
Ч = и2 ,
где и - смещение пород в выработке, рассчитанное при Ч = 0.
Смещение со стороны кровли
ик = 0,1а
- 1
1 + 1,5| Ъ + 0,1 |е
-1,5 ъ
Сближение боков
иб = 0,07h
- 1
1 + 0,5е ъ
где а и И - соответственно ширина и высота сечения выработки; чк и чб - отпор крепи в кровле и боках выработки; уН - масса вышележащей толщи пород; К - прочность пород на одноосное сжатие; К0 - условная прочность пород; Ь -
К
2
К
е
размер породного целика между сопрягающимися выработками; Ъ - суммарная ширина сопрягающихся выработок.
Упрочнение пород может применяться при проведении выработок, в том числе их сопряжений, в условиях, где
параметр = 0,3 (у, Н, R - соответст-К
венно объемная масса пород, глубина расположения выработки, и прочность пород на сжатие); сопряжений, проводимых в зоне геологических нарушений; в эксплуатируемых выработках, крепь которых деформируется из-за непре-кращающихся сдвижений горного массива.
При назначении времени производства тампонажных работ, от которого зависит эффективность упрочнения, следует учитывать ряд факторов: оболочка из упрочненных пород должна выполнять основные несущие функции крепи и, следовательно, возводиться как можно ближе к забою; формирование зоны интенсивной трещиноватости, которую можно упрочнять, практически заканчивается через 30 сут. после проведения выработки; тампонажные работы не должны мешать проведению (необходим технологический разрыв во времени). Установлено, что оптимальное отставание тампонажных работ от проходческих составляет в среднем 20-30 сут. В случае необходимости перекреп-ления выработки вначале целесообразно произвести упрочнение вмещающего массива, чтобы избежать выпуска лишней породы и предотвратить деформацию вновь возведенной крепи.
Существует предельная глубина тампонирования, дальше которой упрочнять породы не имеет смысла, так как это не будет сказываться на несущей способности затампонированной оболочки. Практика доказывает, что затам-понировать массив за пределами зоны
интенсивной трещиноватости из-за недостаточного раскрытия трещин не удается, поэтому глубина тампонирования определяется границами области интенсивной трещиноватости, которая сформировалась вокруг выработки к моменту упрочнения.
Растворы, предназначенные для упрочнения пород, должны обладать проникающей способностью, после отвердения обеспечивать требуемую степень упрочнения массива, быть устойчивыми к агрессивной среде, иметь низкую стоимость. Этим требованиям в достаточной степени отвечают чисто цементные и цементно-песчаные растворы с водоцементным отношением от 1:2 в начале нагнетания до 1:1 в конце. Давление нагнетания доводится до 1 МПа. Растворы готовятся из цемента, песка, воды, ускорителей схватывания и твердения, пластифицирующих добавок, которые должны отвечать требованиям ГОСТов.
Для крепи из набрызг-бетона, имеющей весьма тесный контакт с породой и фактически работающей как одно целое, расчет напряжений можно в первом приближении вести по формулам определения напряжений в окружающем выработку массиве пород. В пользу такого решения говорит надежное сцепление набрызг-бетона с породой, его проникновение в трещины и, наконец, довольно, близкие механические и деформационные характеристики бетона и породы.
В сопряжениях с монолитной бетонной крепью, возводимой в опалубке, могут встречаться участки с прочной связью крепи с окружающими породами и участки без такой связи. Наличие надежной связи зависит как от прочностных свойств пород, так и от качества возведения крепи - тщательности и надежности забучивания закрепного пространства, отсутствия незаполненных
пустот за крепью из-за значительных переборов породы.
Монолитную крепь целесообразно возводить без прочной связи с окружающими породами, то есть применять податливую забутовку закрепного пространства (шлак, пенобетон, в исключительных случаях - раздробленную породу).
Наиболее эффективно применение двухслойной крепи (монолитная бетонная крепь с податливым слоем из пенопласта между крепью и породой). Наличие подобных податливых слоев, с одной стороны, выравнивает распределение нагрузки от горного давления на крепь, с другой - нарушает контакт между породным массивом и крепью и уменьшает величину температурных напряжений в крепи до 2,0-2,5 МПа на глубинах более 350 м. Из-за сложности возведения такой крепи следует отдавать предпочтение крепям, работающим совместно с окружающей породой, то есть необходимо обеспечить наилучшие условия для связи с массивом (последующая цементация, сочетание с анкерной крепью, применение набрызг-бетона и т.д.).
При сводчатой бетонной, набрызг-бетонной, металлической арочной и анкерной в сочетании с другими видами крепях для повышения устойчивости необходимо перейти от коробовой формы свода к циклоидальной с изменяющейся толщиной крепи (увеличение толщины от замка к пятам).
При слабых породах и отсутствии влияния очистных работ целесообразно применять металлобетонные крепи с жесткой арматурой.
На сопряжениях, которые попадают в зону влияния очистных работ, то есть фактически всех сопряжениях обходных наклонных выработок, металлобетонная и бетонная крепи подвергаются значи-
тельным деформациям. Металлическая арочная крепь в этих условиях не подвергается разрушительным деформациям. Конструктивной податливости крепи достаточно для реализации смещений боковых пород.
Для повышения устойчивости сопряжений, а также протяженных участков выработок, сооружаемых в слабых породах в условиях влияния опорного давления, необходимо применять металлическую арочную податливую крепь, а на участках, не испытывающих влияния очистных работ, - металлобетонную крепь с жесткой арматурой; в крепких нетрещиноватых необводненных породах - набрызг-бетонную крепь; в слаботрещиноватых - анкерную в сочетании с набрызг-бетонной; в трещиноватых обводненных породах - бетонную и металлобетонную крепи с жесткой арматурой, предварительное тампонирование пород и последующее тампонирование закреп-ного пространства.
Трещинообразование пород, испытывающих многократное воздействие сейсмических колебаний при взрывных работах, вызывает впоследствии псевдопластические деформации. Для его уменьшения необходимо упрочнять породы приконтурного массива на глубину 1,5-2,5 м путем инъекции вяжущего материала.
В практике сооружения горных выработок широкое распространение нашли несколько видов крепей, применяющихся как самостоятельно, так и в комбинации с другими крепями (анкерной, рамной, двухслойной, с использованием упрочненных пород и др.).
Из всех существующих набрызг-бетонных крепей можно выделить предохранительные, сплошные несущие, арочную «вразбежку», комбинированные, крепь из набрызг-бетонного покрытия с последующим инъектированием,
ограниченно-податливые крепи конструкции ДонУТИ и т.д.
Предохранительные крепи представляют собой покрытие толщиной от нескольких миллиметров на выступах до 5-7 см на впадинах породной поверхности выработки. Эти крепи чаще всего применяются как временные или являются составной частью постоянных крепей. В качестве постоянной такую крепь применяют в выработках, расположенных в достаточно устойчивых породах и предназначенных для предохранения породных обнажений от выветривания, а также удержания небольших местных вывалов и отслоений на участках локального ослабления породного массива. Кроме того, при нанесении этой смеси заполняются пустоты и трещины в породах, вызванные взрывными работами или естественными причинами, на глубину до 0,2 м. При этом увеличивается устойчивость обнажений, несколько сглаживаются неровности контура, уменьшается аэродинамическое сопротивление и улучшается эстетический вид выработки.
Толщина применяемой сплошной несущей крепи из набрызг-бетона 12-20 см. При полном контакте с породным контуром и хорошим уплотнением такая на-брызг-бетонная крепь, равная по толщине эквивалентной бетонной, возводимой в опалубке, имеет в 2-2,5 раза большую несущую способность. Армирование металлической сеткой или гибкой стержневой арматурой увеличивает ее несущую способность в 1,3-1,5 раза.
В недостаточно устойчивых породах процесс возведения такой крепи может быть разбит на два этапа. Непосредственно у забоя выработки вслед за проведением возводят первый слой (предохранительная крепь) толщиной 5-7 см, выполняющий функции временной кре-
пи. Затем за зоной интенсивных смещений породного контура наносят второй слой набрызг-бетона, заполняющий образовавшиеся трещины в первом и окончательно формирующий крепь.
Сущность возведения арочной крепи вразбежку заключается в том, что периодически по длине выработки возводят арки из набрызг-бетона расчетной толщины и ширины (10-30 см), а пространство между ними заполняют тонким слоем набрызг-бетона. Несущую способность такой крепи можно изменять в определенном диапазоне, варьируя толщину арок из набрызг-бетона, расстояние между ними, а также путем их армирования металлом. Однако подобное решение в каждом конкретном случае требует техникоэкономического обоснования.
Параметры комбинированной крепи из набрызг-бетона и анкеров можно изменять в широких пределах за счет длины и плотности установки анкеров, толщины набрызг-бетонного покрытия и длительности промежутка времени между установкой анкеров и набрызгом. Использование комбинированной крепи дает возможность исключить основные недостатки, присущие каждой из них в отдельности.
В зависимости от конкретных горногеологических и горнотехнических условий применяют различные конструкции комбинированной крепи.
Используют преимущественно металлические или железобетонные анкеры, установленные со сплошной металлической сеткой с металлическими полосами по периметру выработки или независимо друг от друга с небольшими по площади подхватами.
Основной слой набрызг-бетона целесообразно возводить после установки анкеров. Для повышения устойчивости породных обнажений при большой трещиноватости приконтурного массива
следует осуществить первоначальный набрызг сразу за проведением, то есть создать предохранительную крепь, а затем после установки анкеров нанести вторичный слой. При таком способе повышается несущая способность крепи в целом, так как более рационально используется металлическая часть покрытия (сетка, полосы и т.п.), выполняющая роль арматуры, которую в этом случае располагают ближе к зоне растягивающих напряжений.
К комбинированным относятся также рамные крепи (металлические и сборные железобетонные) в сочетании с набрызг-бетоном, который наносится тонким слоем и выполняет роль затяжки, а также укрепляет приконтурный массив и предохраняет металл и породные обнажения от вредного влияния рудничного воздуха.
Предпосылки для полной механизации процесса крепления создает применение двухслойной крепи из пенопласта и набрызг-бетона. Ее возведение осуществляется последовательным набрызгом пенопласта и бетона. Область применения такой крепи ограничивается выработками, проведенными комбайнами, так как есть основания считать, что на-брызг-бетон на податливом основании при взрывных работах будет испытывать большие растягивающие напряжения и разрушаться.
Принцип работы крепи из набрызг-бетонного покрытия с последующим тампонажем заключается в максимальном использовании вмещающих выработку пород как основного несущего. Она возводится следующим образом. Вслед за проведением выработки наносится слой набрызг-бетона толщиной 35 см. Он выполняет функции временной крепи, изолирует породную поверхность выработки от вытекания тампонажного раствора и выветривания внешними
агентами. Через 10-30 сут после проведения выработки, разрушенные породы за набрызг-бетонным покрытием упрочняются нагнетанием скрепляющего раствора в приконтурный массив. Тампо-нажный раствор заполняет и скрепляет трещины в породном массиве и на-брызг-бетонном покрытии.
При возведении ограниченноподатливой крепи конструкции ДонУГИ одновременно с проведением выработки устанавливают рамы металлической крепи с затяжкой боков кровли. После интенсивных смещении на поверхность затяжек наносится набрызг бетон, и производится тампонаж закрепного пространства и приконтурной зоны цементно-пес-чаным раствором. После приобретения бетоном требуемой прочности извлекают металлические рамы и повторным набрызгом выравнивают внутренний контур крепи. Крепь ограниченной податливости обеспечивает режим работы системы "крепь - массив горных пород" до момента набрызга бетона, увеличивая работоспособность конструкций в целом.
Параметры чисто набрызг-бетонных крепей определяются основными физикомеханическими свойствами; подбором состава бетона; типом и шагом установки анкеров (шагом рам); толщиной набрызг-бетонного покрытия.
При проектировании набрызг-бе-тонных крепей рекомендуется пользоваться нормативными показателями сопротивления набрызг-бетона действию различных нагрузок.
Разнообразие применяемых при на-брызге цементов, заполнителей и ускорителей усложняет подбор рационального состава сухой смеси. Обычно в каждом конкретном случае состав смеси подбирают посредством изготовления и испытания образцов из тех материалов, которые предполагается
использовать. Лучшими по гранулометрическому составу заполнителей являются смеси, которые с минимальным содержанием цемента обеспечивают проектную прочность набрызг-бетона при наименьшей величине отскока.
Эффективность применения набрызг-бетонной крепи обусловлена высокой степенью механизации процесса возведения, способностью осуществлять надежное поддержание большепролётных выработок легкими конструкциями, меньшим расходом материалов на возведение, исключением ряда трудоемких операций при возведении (например, монтажа и демонтажа опалубки, забутовки закрепного пространства), долговечностью крепи, сокращением затрат на поддержание выработок,
уменьшением площади их сечения при проведении и др. Соответственно при применении набрызг-бетонной крепи сокращается стоимость и трудоемкость ее возведения, снижаются
транспортные расходы на доставку крепежных материалов и выдачу породы от проведения горных выработок по сравнению с рамной крепью, затраты на проветривание вследствие
уменьшения коэффициента аэродинамического сопротивления закрепленных набрызг-бето-ном выработок. На-брызг-бетонная крепь повышает противопожарную безопасность выработок, улучшает их санитарное состояние, разгружает шахтный подъем и рудничный транспорт.
Набрызг-бетон, заполняя неровности в породе, уменьшает площадь обнаженной поверхности, благодаря чему напряженное состояние пород по периметру выработки, становится более однородным. Бетон заполняет разрывы и трещины, ослабляющие массив, сглаживает неровности, которые могут стать
причиной опасных концентраций напряжений. Применение такой крепи повышает безопасность горных работ, так как крепление можно вести вслед за проведением, позволяет легко приспосабливать набрызг-бетонные крепи к новым горно-геологическим условиям путем изменения толщины покрытия и использования усиливающих элементов (сетки, анкеров, металлических арок и др.), уменьшать площадь поперечного сечения выработки вчерне. Само на-брызг-бетонное покрытие является своего рода индикатором, чутко реагирующим на изменение горного давления в выработке.
К существенным недостаткам на-брызг-бетонной крепи можно отнести высокую запыленность, значительные потери материалов, повышенный расход цемента, трудности работы сопловщи-ка, сложность контроля толщины слоя и равномерности его нанесения, слабое сцепление с гладкими поверхностями, плохую видимость во время нанесения слоя, большой расход сжатого воздуха. Однако эти недостатки носят временный характер: по мере проведения исследований они будут постепенно изживаться.
Расчеты показывают, что затраты на выемку горной массы в объеме, занимаемом крепью, в различных выработках и условиях составляют от 15 до 40% затрат на выемку породы в объеме проектной площади. Сокращение этих затрат при применении набрызг-бетонной крепи позволяет экономить от 1000 до 1500 руб. на каждый метр выработки. Наиболее часто применяемые конструкции этой крепи уменьшают площадь поперечного сечения выработки на 1,7-2,4 м2.
Затраты на забутовку закрепного пространства в объеме сверхпроектных переборов, составляющие при использовании деревянной крепи 3,5-5%, бетон-
ной - 11-13% стоимости проведения выработки без крепи, при замене набрызг-бетонной крепью полностью исключаются. Экономический эффект от применения различных видов заменяемой крепи составляет от 300 до 1000 руб. на каждый метр выработки.
При определении общих затрат на перекрепление выработок необходимо учитывать, что долговечность материала набрызг-бетонной крепи устраняет необходимость перекрепления выработок из-за ее разрушения от выветривания.
По данным ПромстройНИИпроекта, на шахтах затраты труда на возведение на-брызг-бетонной крепи толщиной 15 см составляют 1,2 чел-смены/м, что в 2-3 раза меньше трудоемкости возведения других крепей.
Опыт применения набрызг-бетон-ной крепи на шахтах Ростовской области показал, что в сопряжениях, проведенных в очень крепких песчаниках, известняках и песчаниках с коэффициентом крепости f = 8-12, следует возводить изолирующую крепь толщиной 2-5 см; в песчаниках, песчанистых сланцах и сланцевых песчаниках с коэффициентом крепости f = 5-6 сплошную крепь толщиной 10-15 см или комбинированную (анкеры через
1.0-1,5 м в ряду и между рядами и слой
набрызг-бетона толщиной 3 см); в глинистых сланцах и песчаниках с коэффициентом крепости f = 4-
комбинированную крепь (анкеры через
1.0-1,5 м и слой набрызг-бетона толщиной 10-15 см); в сланцах, раздробленных песчаниках и известняках с коэффициентом крепости f = 3-4 -комбинированную крепь (анкеры через 0,7-1,0 м, набрызг-бетон толщиной 10 см с металлической сеткой или арки через 1 м в набрызг-бетоне толщиной 10-15 см с металлической сеткой); при чем анкеры во всех случаях должны
применяться с монозакрепителем на основе цементного раствора с добавками; в сланцах, известняках, каменном угле с коэффициентом крепости f =2 - комбинированную крепь (металлические арки через 1 м в набрызг-бетоне толщиной 15 см с металлической сеткой).
В сопряжениях со слабыми вмещающими породами, которые не испытывают влияния очистных работ, рекомендуется применять металлобетонную крепь с жесткой арматурой, а в сопряжениях с такими же вмещающими породами, но попадающими в зону влияния очистных работ (фактически во всех сопряжениях обходных наклонных выработок), - податливую металлическую арочную крепь, способную поглощать смещения боковых пород без деформаций.
Для крепления сопряжений капитальных выработок, проведенных в крепких нетрещиноватых необводнен-ных породах, необходимо применять набрызг-бетонную крепь, в слаботрещиноватых - анкерную в сочетании с на-брызг-бетонной, в сильнотрещиноватых неустойчивых или среднеустойчивых -бетонную и металлобетонную крепи с жесткой арматурой с предварительным тампонированием этих пород, а затем -закрепного пространства.
Набрызг-бетонная крепь может успешно применяться для крепления сопряжений капитальных выработок в прочных однородных породах, не имеющих явно выраженных нарушений в виде раскрытых трещин и заколов, в породах сухих или слабовлажных без струйного выделения воды из трещин. При этом толщина набрызг-бетона в крепких слаботрещиноватых породах должна быть 5 см, в среднетрещиноватых - 7-8 см, в сильнотрещинаватых -8-10 см (обязательно в сочетании с же-
Среднегодо-
вая
лезобетонной анкерной крепью и металлической сетчатой затяжкой). В достаточно прочных породах набрызг-бетон наносится после установки анкеров. В менее устойчивых породах целесообразно вначале нанести тонкий слой набрызг-бетона (2-4 см), а затем устанавливать железобетонные анкеры с за-
тяжкой и по ним наносить второй слой до проектной толщины крепи или нагнетать за набрызг-бетон через анкеры-инъекторы цементный раствор. Экономический эффект от внедрения разработанных мероприятий составит (200-250 руб/м3) сопряжения в свету. ПГСга
г Коротко об авторах
Мартыненко И.А. - кандидат технических наук, профессор кафедры «Подземное, промышленное, гражданское строительство и строительные материалы» Шахтинского ин-та ЮРГТУ(НПИ), г. Шахты, Россия.
Мартыненко И.И. - кандидат технических наук, доцент по спец. 25.00.22 - «Геотехнология (подземная, открытая и строительная)», доцент кафедры «Подземное, промышленное, гражданское строительство и строительные материалы» Шахтинского ин-та ЮР-ГТУ(НПИ), г. Шахты, Россия.
Капралова И.А. - старший преподаватель кафедры «Подземное, промышленное, гражданское строительство и строительные материалы» Шахтинского ин-та ЮРГТУ(НПИ), г. Шахты, Россия.
Кулинич К.В. - кандидат технических наук, доцент кафедры «Подземное, промышленное, гражданское строительство и строительные материалы» Шахтинского ин-та ЮР-ГТУ(НПИ), г. Шахты, Россия, siurgtu@ siurgtu.ru
----------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
НИКИТИН Андрей Викторович Обоснование технологи подготовки глинистых песков россыпных месторождений управляемым водонасы-щением 25.00.22 к.т.н.
