08.1. Форма, размеры горных выработок и виды крепей

Форма поперечного сечения выработки определяется удобством ее эксплуатации, условиями сохранения длительной ее устойчивости, материалом и конструкцией крепи и другими факторами.

Наиболее устойчива круглая форма поперечного сечения выработок с гладким контуром, но проведение ее очень трудоемко. Поэтому круглыми делают, как правило, выработки длительного срока существования, в первую очередь, вертикальные стволы, а в слабых породах иногда и главные откаточные горизонтальные выработки (например, на рудниках Никополь-Марганецкого бассейна).

Горизонтальные и наклонные выработки имеют, как правило, в устойчивых породах сечения прямоугольное или в виде свода (рис. 8.1.б, рис. 8.2.), в недостаточно устойчивых — трапециевидное, так как для организации перемещения людей и грузов необходима плоская подошва выработок (рис 8.1.).

Размеры поперечного сечения выработок определяются в зависимости от типа и размера транспортных устройств, величинами зазоров между оборудованием и крепью или стенками выработки, а в ряде случаев - необходимым количеством воздуха, которое требуется подать по выработке. Скорость движения струи воздуха по выработке регламентирована Едиными правилами безопасности (ЕПБ) и в основных транспортных выработках не должна превышать 8 м/с.

Кроме того, необходимо учитывать, что размеры поперечного сечения выработки, особенно ее ширина, не могут быть больше определенной величины – допустимого пролета, который зависит от устойчивости окружающих пород к обнажению.
Размеры выработок принимают в соответствии с типовыми сечениями, т.к сечения выработок стандартизованы. Площадь поперечного сечения стволов изменяется от 12 до 60 м2, что для круглого сечения соответствует диаметру ствола от 4 до 9 м.
Правилами безопасности предусмотрено, что главные откаточные и вентиляционные выработки должны иметь сечение не менее 4 м2 при металлической и деревянной крепи и не менее 3,5 м2 при бетонной крепи. Высота выработок в свету не менее 2 м от головки рельсов. При электровозной откатке с одной стороны выработки должен быть свободный проход для людей не менее 0,7 м, а с другой стороны не менее 0,25 м при металлической и деревянной крепи и не менее 0,2 м при бетонной крепи (рис.8.1 б). При конвейерном транспорте проход для людей также равен 0,7 м, а с другой стороны выработки  –  0,4 м. Расстояние от конвейерной ленты до кровли выработки не менее 0,5 м.

Сечение выработок при автомобильном транспортировании показано на рис. 8.3.
Чем длительнее срок службы выработки, тем выше  в массиве напряжения, которые могут вывести выработку из строя и повлечь за собой аварии и жертвы. Поэтому необходимо осуществлять меры по поддержанию выработок (крепление выработок), а так же для обеспечения безопасных условий работ и необходимого срока их службы.

Поддержанием горных выработок называют комплекс мер, обеспечивающих рабочее состояние выработок на заданный промежуток времени, включающий в себя возведение крепи и постоянный маркшейдерский инструментальный контроль за состоянием выработок.  Горной крепью называют специальные конструкции, возводимые в подземных выработках для сохранения необходимых размеров их поперечного сечения и предотвращения обрушения.

Крепь горных выработок  должна удовлетворять следующим основным техническим и экономическим  требованиям:
• быть прочна, устойчива, долговечна и обеспечивать рабочее состояние выработок и безопасные условия труда в течение всего срока службы;
•  иметь минимальные затраты на изготовление, доставку, возведение и эксплуатацию;
• не препятствовать выполнению производственных процессов при проведении выработок и её эксплуатации;
• занимать в выработке минимальную площадь в поперечном сечении;
•  иметь минимальный коэффициент аэродинамического сопротивления.
Горная крепь классифицируется следующим образом:
• по сроку службы  –  временная и постоянная;
• по характеру работы  –  жесткая, податливая и шарнирная;
• по виду материала  – металлическая, каменная, бетонная, железобетонная,  деревянная, смешанная, анкерная (штанговая), полимерная;
• по конструктивным признакам  –  сплошная и рамная.

Временная крепь поддерживает выработку лишь на некотором расстоянии от забоя в процессе проведения выработки и заменяется постоянной. Она проще, легче постоянной крепи, и на ее возведение затрачивается меньше времени. Постоянная крепь поддерживает выработку в течение всего срока ее существования.

Крепление горных выработок выбирается исходя из показателя устойчивости массива и параметров самих выработок. Первоначально для крепления горных выработок применялась деревянная крепь (рис. 8.4.). Затем с увеличением глубины разработки, а в следствии с ухудшением горногеологических  условий, и созданием новых материалов деревянная крепь постепенно была вытеснена другими видами крепи.

Доставочные выработки крепят в основном анкерами или тросами и сеткой (рис. 8.5.). Если массив подвержен выветриванию, то выработки покрываются слоем набрызгбетона или герметиком. Для крепления выработок, которые должны сохраняться много лет, применяют крепь из монолитного, реже из сборного бетона и железобетона, причем, чем больше горное давление и чем слабее породы, тем мощнее крепь. Круглые стволы в слабых обводненных породах крепят чугунными тюбингами.
Если кровля выработок нарушена трещинами или имеет слоистый характер, используют наиболее распространенную – анкерную крепь которая считается одной из самых прогрессивных систем крепления горных массивов.

Анкерная крепь – это зацементированные или заклиненные в шпурах металлические стержни, которые с помощью прижимной пластины и гайки притягивают приконтурные слои пород и более крепким породам основной кровли.

Анкеры несут  основные функции (рис. 8.6.):

• пристегивание слабых пород в кровле выработки к более прочным породам;
• скрепление слоистых пород в единую грузонесущую конструкцию с      повышенным сопротивлением изгибу;
• повышение сил трения между слоями пород;
• восприятие растягивающих напряжений в кровле выработок.

Часто действие этих функций происходит одновременно, обеспечивая  надежную защиту выработки от различных проявлений горного давления.
На многих горнодобывающих предприятиях анкерная крепь постепенно вытесняет другие конструкции крепи горных выработок. Особенно эффективно применение  анкерной крепи в выработках большого сечения. Существуют различные типы анкерной крепи (рис. 8.7.).

Одними из первых распространение получили клинощелевые анкеры (штанги) (рис. 8.8.), так как они просты, дешевы и достаточно прочны.
Клинощелевой замок анкера (штанги) расклинивается в торце шпура, и опорная плита (шайба) закручиванием гайки прижимается к обнаженной поверхности у устья шпура, стягивая породы между замком и стенкой выработки.

Недостатки анкеров с клинощелевым замком:

• необходимость соблюдения точных длин и диаметра шпура под анкеры;
• невозможность повторного использования;
• не полностью используется поверхность в виду того, что расширение происходит только у основания, образуется пустое пространство между штангой и стенкой шпура.

Учитывая эти недостатки, были разработаны новые системы анкеров, закрепленные по всей длине скважины, которые существенно повышают устойчивость породного массива и не допускают наличия пустого пространства в шпуре.
Железобетонная анкерная крепь (рис.8.9.) исключает наличие пустого пространства между штангой и стенкой шпура, но недостаточно эффективна на участках с развитой трещинноватостью пород. Из-за большого срока набора прочности цементным составом в условиях быстроразвивающегося горного давления и динамического воздействия взрывных работ часто нарушается сцепление состава с анкерами и породой. Это приводит к расслоениям укрепленных анкерами пород.
Появление быстротвердеющей, прочной полимерной смолы, привело к возникновению новой системы анкерного крепления, со сплошным закреплением химическими составами на основе смол (рис.8.10.).

Повышение эффективности крепления пород кровли выработок осуществляется в основном за счет увеличения плотности установки анкеров, что приводит к увеличению затрат на крепление горных выработок. Компанией «Ингерсолл-ренд» разработана оригинальная система крепления выработок и камер с использованием стальных тросов и анкеров фрикционного зацепления сплит-сет (рис. 8.11.). Армирующий элемент системы – тонкостенная стальная трубка, забиваемая в шпур с меньшим диаметром. Анкера помимо скрепления массива работают как средство натяжения троса, который помощью деревянных брусов и металлической сетки поддерживает кровлю. Система отличается простотой возведения, низкой стоимостью, податливостью и возможностью восстановления натяжения троса.

Широкое распространение на российских и зарубежных рудниках получили штанги «свеллекс», разработанные фирмой «Атлас Копко» (Швеция). Это трубка, свернутая по оси для получения меньшего диаметра и запаянная по концам. Через боковое отверстие подается под давлением вода, и происходит развальцовка анкера в шпуре (рис. 8.12.).

Система «свеллекс» получила большую популярность благодаря:

• высокой несущей способности;
• быстрому вступлению в работу;
• простоте установки, т.к. нет необходимости соблюдения точного диаметра шпура (рис. 8.13.).

Как видно из рисунка 8.13. существует определённый диапазон  диаметров шпуров при котором анкерная система «свеллекс» начинает работать и продолжает сохранять свою несущую способность.
Компанией «Атлас Копко» сконструированы соединительные болты для анкерной системы «свеллекс», что позволяет увеличивать глубину крепления пород (рис. 8.14.).

В начале нового столетия фирма «Атлас Копко» соединила преимущества анкерных болтов «свеллекс» и самозабуривающихся анкеров, сконструировав новый тип анкерной крепи (рис. 8.15.).
По окончании бурения шпура короткий болт «свеллекс» соединяется с одним или несколькими самозабуривающимися анкерами посредством специальной муфты. Затем конструкция устанавливается в шпур до упора.
Затем с помощью специального адаптера, устанавливающегося на самозабуривающемся анкере подсоединяется насос и производится закачка воды. Вода, проходя через муфту, анкер и соединительную муфту, разжимает «свеллекс». По завершении операции насос останавливается автоматически.

На расширяющийся адаптер подаётся крутящий момент и соединительная муфта деформируется, приняв «положение цементации».
По окончании всех вышеизложенных процессов к самозабуривающемуся анкеру  подсоединяется насос, подающий цементный раствор. Насос производит подачу раствора до вытекания его из шпура снаружи, что свидетельствует о завершении процесса цементации после чего автоматически останавливается.
Одним из основных вопросов при возведении анкерной крепи является механизация операций по их установке (рис. 8.16.). Установки для возведения анкерной крепи производят фирмы «Атлас Копко» (Швеция), «Секома» (Франция), «Сандвик Тамрок» (Финляндия), «Линден Алимак» (Швеция), «Замет» (Польша).

Анализ перспективных технических разработок по поддержанию горных  выработок показывает, что в настоящее время анкерное упрочнение массива является наиболее передовым и технически оснащённым. Однако этот вид крепления  часто не отвечает повышенным требованиям обеспечения устойчивости горных пород. Несмотря на то, что анкерная крепь обладает высоким сопротивлением выдергивающему усилию, она обеспечивает надёжное поддержание кровли выработок только при крупной блочности массива и незначительной трещиноватости.
Более совершенным является упрочнение трещиноватого массива твердеющими составами с высокой проникающей способностью. Инъекционные способы воздействия на свойства и состояние трещиноватого массива горных пород находят всё большее применение на подземных рудниках.

Принцип инъекционного воздействия на массив горных пород следующий. Вначале производят обуривание массива шпурами по определённой сетке. Частота обуривания зависит от параметров трещин (ширины раскрытия, длинны, их числа). Затем в шпур на небольшую глубину вводят насос с плотно прилегающим наконечником к стенкам шпура и производят нагнетание инъекционного состава под высоким давлением до 10 Мпа (рис.8.17.). Продолжительность нагнетания так же зависит от параметров трещин.
В случаях, когда анкерная крепь или инъекционное воздействие не отвечает требованиям обеспечения устойчивости состояния массива, следует уделить особое внимание использованию этих способов крепления в сочетании между собой или с другими видами крепления.

Применение анкерной крепи в сочетании с инъекционным упрочнением позволяет безопасно сооружать выработки большой площади сечения в слабоустойчивых, трещиноватых породах с последующим их креплением облегченной крепью.
Особое внимание  уделяется сочетанию набрызгбетон и анкер. Анкеры оказываются ненадежным средством скрепления трещеноватого массива, а   набрызгбетон может выполнять роль изолирующего покрытия и одновременно грузонесущей конструкции. Такая комбинация позволяет снизить расход материала, уменьшить поперечное сечение выработки в проходке (в более сложных условия следует изменять параметры анкерования, а не увеличивать слой набрызгбетона), увеличить скорость проведения работ. Возведение набрызгбетонной крепи в сочетании с анкерным креплением можно механизировать на 85-87%.
Слой бетона, нанесенный способом набрызга, обладает хорошим сцеплением с породой и высокой прочностью, в результате чего полностью реализуются несущие свойства массива. Набрызгбетон хорошо сопротивляется воздействию взрывных работ, безопасен в пожарном отношении и имеет высокие гидроизоляционные свойства. Возможность обеспечения быстрого набора прочности позволяет проводить взрывные работы уже через 3-4 часа.

Стоит отметить, что набрызгбетон относится к жестким видам крепи, плохо работающей на растяжение. Это приводит к ее растрескиванию, особенно в зонах влияния очистных работ. Для устранения этого недостатка в отечественной и зарубежной практике ведутся работы по использованию при набрызгбетонировании металлических, стеклотканевых и полимерных добавок – фибры.

Фибро-бетон это бетон, армированный металлическими волокнами. Добавки в виде отрезков тонкой проволоки диаметром 0,2-1мм и длиной 2-5см обычно составляют 5-10% массы цемента. Отрезки меньшего диаметра и большей длины непригодны, так как при их добавке в смесь не обеспечивается качественное сцепление.
В технологии нанесения особого отличия между бетоном и фибро-бетоном не существует. При использовании фибро-бетона рекомендуется первый слой нанести без добавок. Второй слой наносится с металлической сечкой на еще не схватившийся первый слой. Концы проволочек покрываются слоем бетона. При этом металлические добавки связывают между собой слои набрызгбетона. Использование фибры в бетоне повышают прочность бетона на 30% увеличивают прочность на растяжение на 40%, а ползучесть повышается на 20%.

Сочетание анкерной крепи с фибро-бетоном успешно используется за рубежом при проведении работ на больших глубинах. Такое комбинирование позволяет укреплять выработки,  при интенсивном воздействии взрывных работ и в зонах высоких динамических нагрузок.
Использование фибро-бетона с анкерами является наиболее оптимальным видом крепления крупных подземных сооружений. При этом отсутствие закрепленного пространства и качественный контакт фибро-бетона с массивом обеспечивает их совместную работу. Такая крепь является безотказной в зоне горных ударов, обеспечивая надежную защиту выработки.

Особое внимание уделяется креплению горных выработок, пройденных в слабых породах и креплению постоянных и полупостоянных пунктов выпуска. В данных случаях в сочетании участвуют три и более видов крепи (рис. 8.18.).
Такое крепление выполняется в несколько этапов (рис.8.19.). Первоначально производят  установку анкеров и железобетонных тросов. Вторым этапом монтируют стальные арки и стальные стяжки. Третьим этапом производят монтаж опалубки и затем заливают бетон. Одним из интересных решений является заложение в железобетонную конструкцию при заливке бетона  пластиковых труб, в которые, после отработки рудного тела в этой зоне, помещали патроны ВВ и взрывали для того, чтобы в дальнейшем можно было продолжить выпуск на нижнем горизонте.

Усложнение горно-геологических условий: вовлечение в отработку участков и целых месторождений со сложной тектоникой, увеличение глубины разработки, проявления опасных динамических воздействий горного давления, ведёт к необходимости постоянно совершенствовать методы и способы крепления горных выработок,  а также улучшению качества материалов, используемых при креплении.

© Кузьмин Е.В., Хайрутдинов М.М., Зенько Д.К.
"Основы горного дела"

 

 

Запрещается любое копирование и распространение информации без письменного согласия авторов учебника "Основы горного дела" 

ЭКСКЛЮЗИВНЫМ ПРАВО НА ПУБЛИКАЦИЮ ОБЛАДАЕТ "ГОРНОПРОМЫШЛЕННЫЙ ПОРТАЛ РОССИИ"