Принципы выбора крепей горных выработок

Выбор крепи для горных выработок в конкретных горно-геологических условиях обусловливается и определяется следующими исходными положениями и факторами:

• вид и назначение выработки (горизонтальные, наклонные, вертикальные, стволы, квершлаги, откаточные штреки, выемочные транспортные и вентиляционные штреки, нарезные выработки и т.д.);

• срок службы выработки. Этот показатель, обусловливаемый видом и назначением выработки, является определяющим фактором при выборе вида крепи. Для капитальных выработок с большим сроком службы используются, как правило, такие долговечные и прочные крепежные материалы, как бетон, железобетон, металл и соответствующие конструкции крепи из этих материалов (сплошные и сборные бетонные и железобетонные крепи, рамные железобетонные и металлические крепи с железобетонными, металлическими или стеклопластиковыми межрамными ограждениями и т.п.);

• физико-механические свойства горных пород, обусловливающие их устойчивость, величину и характер проявлений горного давления в выработке (величину и интенсивность сдвижения пород, давление на крепь). Этот показатель является определяющим исходным фактором при выборе конструкции крепи и паспорта крепления выработки, а также основных параметров крепи, таких, как несущая способность (сопротивление крепи горному давлению) и величина конструктивной податливости;

• форма и размеры выработки, В выработках криволинейного очертания могут быть применены только крепи криволинейного контура (кольцевые, сводчатые и др.), в выработках же трапециевидного, прямоугольного и других видов прямолинейного очертания нецелесообразны крепи из материала с малым сопротивлением растяжению и изгибу (бетон и др.);

• расположение и способ охраны выработок. Выработки, попадаемые в зону влияния очистных работ, характеризуемые значительными смещениями вмещающих пород и повышенным горным давлением в результате выемки полезного ископаемого, должны крепиться податливыми крепями. Выработки, расположенные в неотработанной части месторождения полезного ископаемого (в ненарушенном массиве), могут крепиться жесткими крепями или крепями ограниченной податливости;

• экономическая целесообразность. После того как для конкретной выработки выбраны несколько крепей, окончательный выбор из них проводится по экономическому фактору, который выражается требованием, чтобы суммарные затраты на ее крепление и поддержание за полный срок службы были минимальными.

Деревянная крепь

Основной конструкцией деревянной крепи горизонтальных и частично наклонных горных выработок является неполная крепежная рама прямоугольной или чаще трапециевидной формы (рис. 3.5). Деревянную крепь применяют в основном в выработках с небольшим сроком службы (до 2–3 лет) и установившимся умеренным горным давлением.

Рамы устанавливают перпендикулярно к продольной оси выработки вплотную одна к другой или на некотором расстоянии друг от друга через 0,5–1,0 м (вразбежку). При установке рам вразбежку межрамное пространство перекрывают затяжками. Затяжка — межрамное ограждение, предназначенное для защиты выработки от вывалов породы из кровли и боков в промежутке между крепежными рамами. В качестве затяжек используют обаполы, доски, синтетические тканые материалы, решетку из металлической проволоки и пр. Затяжка кровли и боков выработки может быть сплошной и частичной.

Деревянную крепь возводят из леса диаметром 20–25 см. Стойки неполной крепежной рамы устанавливают в лунки глубиной 10–20 см. Глубину лунки у водосточной канавы увеличивают на 5–10 см. Для придания крепи некоторой податливости стойки в нижней части заостряют в форме конуса или клина. Для придания крепи необходимой вертикальной устойчивости между рамами устанавливают распорки.

Соединение элементов или частей крепежной рамы называют замком. Основным условием для нормальной работы крепежной рамы является правильный выбор и заделка замка крепи. Наиболее часто стойки с верхняком соединяют в лапу (рис. 3.6).

Стойки трапециевидных рам устанавливают с наклоном к горизонтальной плоскости под углом 80–85°. При большой величине горного давления в широких выработках, когда прочность обычной деревянной крепи недостаточна, применяют усиленные деревянные рамы посредством установки стоек с прогонами или без них.

В отдельных случаях кроме неполных крепежных рам применяют и другие конструкции (рис. 3.7).

Так, в выработках с пучащей почвой стойки устанавливают на лежень. Такая рама называется полной. При наличии устойчивых боковых пород применяют бесстоечную (потолочную) крепь в виде верхняков, укладываемых в лунки в боках выработки или на деревянные клетки.

Деревянная крепь в выработках с углами наклона до 10° практически не отличается от крепи горизонтальных выработок. Здесь необходима тщательная расклинка рам. Рамы устанавливают с наклоном в сторону восстания под углом до 5° от нормали.

Устойчивость крепи и предохранение ее от сползания с увеличением угла наклона выработки обеспечивается применением распорок и опорных рам (рис. 3.8). В выработках с углом наклона до 20° распорки между соседними рамами устанавливают у кровли, при углах наклона более 20° — у кровли и почвы выработки (рис. 3.8. б). Выработки с углом наклона более 30° крепят полными крепежными рамами, между верхняками и лежнями соседних рам устанавливают распорки (рис. 3.8, в).

Выработки с углом наклона более 45° крепят венцовой крепью с опорными венцами (рамами). Опорные рамы усганавливают через каждые 3–5 м (рис. 3.8, г).

Печи, сбойки, скаты, шурфы и другие наклонные (до 40–45°) выработки небольшой площади сечения, проводимые по углю, крепят рамами из двух-трех стоек, устанавливаемых под распил. Эти же выработки при углах более 30° крепят также венцовой крепью с установкой опорных рам. Грузовое отделение шурфов и скатов обшивается плахами. При небольшом угле наклона почву ската обшивают листовым железом.

Металлическая крепь

Наиболее широко для крепления горных выработок применяют металлическую крепь, так как она прочна, долговечна и требует меньше затрат на ремонт. По форме металлическая крепь подразделяется на трапециевидную, арочную и кольцевую. Она может быть жесткой и податливой.

Жесткая рамная трапециевидная крепь (рис. 3.9) изготавливается из двутавровых балок № 14–20 или рельсов. Верхняк соединяется со стойками с помощью накладок или литых башмаков.

Для придания такой крепи некоторой податливости стойки устанавливают на круглые подкладки из дерева. Расстояние между рамами 0,5–1,0 м.

Трапециевидная жесткая крепь применяется в горизонтальных и наклонных выработках (до 30°) вне зоны влияния очистных работ и при отсутствии пучения пород почвы.

Наряду с жесткими существует несколько конструкций металлической трапециевидной податливой крепи, изготавливаемой из спецпрофиля СВП. К ним откосятся крепи МПК-1Т с кулачковыми узлами податливости, КМП-Т конструкции КузНИУИ, МТПШ-2 конструкции ПечорНИУИ и др.

Рама крепи МПК-1Т (рис. 3.10) состоит в основном из двух стоек и верхняка. В выработках шириной более 3,5 м и большом давлении со стороны кровли дополнительно устанавливается третья стойка. Стойка представляет собой два отрезка спецпрофиля, соединяемых внахлестку кулачковым узлом. Податливость крепи осуществляется взаимным скольжением частей стоек в соединительных узлах. Максимальная величина вертикальной податливости 600 мм. Верхние торцы стоек имеют соединительные узлы с верхняком. Крепь предназначена для горизонтальных и наклонных (до 25°) выработок в зонах влияния очистных работ.

Крепь металлическая податливая трапециевидная КМП-Т конструкции КузНИУИ (рис. 3.11) предназначена для крепления горизонтальных и наклонных (до 18°) подготовительных выработок, охраняемых без целиков угля (поддерживаемых за лавой на контакте с выработанным пространством, используемых повторно и проводимых на контакте с выработанным пространством). Крепь состоит из отдельных рам трапециевидной или прямоугольной формы, устанавливаемых на расстоянии до 1,0 м друг от друга. Рама крепи состоит из верхняка 1 и двух податливых стоек из спецпрофиля СВП17 и СВП22. Стойка состоит из двух частей 3 и 5, соединяемых клиновым замком 4. Рамы крепи при установке в выработке соединяют между собой с помощью межрамных стяжек 2, Несущая способность крепи до 200 кН, конструктивная податливость 900 мм. Разработано 14 типоразмеров крепи.

Крепь металлическая трапециевидная КМТ также конструкции КузНИУИ предназначена для крепления горизонтальных и наклонных (до 18°) подготовительных выработок с вертикальным смещением пород кровли до 200 мм за весь период эксплуатации. В условиях повышенного горного давления рамы крепи устанавливают со средней стойкой из профиля СВП. Крепь КМТ (рис. 3.12) состоит из отдельных рам трапециевидной или прямоугольной формы, в которую входят стойки 1 и верхняк 2 из спецпрофиля СВП17, СВП22 и СВП27. Рамы крепи соединяют между собой двумя межрамными стяжками, располагаемыми на стойках. Межрамные стяжки 3 закрепляют на стойках с помощью скобы 4 и гаек 5. Несущая способность крепи не менее 100 кН. Крепь изготавливается 16 типоразмеров.

Крепь КМТ довольно широко применяют на шахтах Прокопьевско-Киселевского района для крепления подэтажных штреков, просеков и других подготовительных выработок.

Наибольшее распространение из металлических крепей горных выработок получили арочные крепи из спецпрофиля CBП. Арочные податливые крепи из шахтного спецпрофиля состоят из отдельных рам, устанавливаемых в выработках на расстоянии 0,5–1,0 м одна от другой, межрамных стяжек (соединений) и железобетонных, деревянных или металлических решетчатых затяжек, укладываемых за крепь для перекрытия в пролетах между рамами.

Крепь рекомендуется для крепления горизонтальных и наклонных (до 30°) одно- и двухпутных горных выработок площадью поперечного сечения в проходке от 6 до 20 м². Межрамные соединения (стяжки) изготовляются из уголка 60×60×6 мм. Шахтный желобчатый профиль в рамах располагают в большинстве случаев открытой частью к породе (днищем внутрь выработки), реже — наоборот.

Применяются трех- и пятизвенные арочные крепи из спецпрофиля. Трехзвенная арочная крепь (рис. 3.13) состоит из трех элементов: двух боковых стоек и верхнего сегмента (верхняка). Концы верхнего сегмента телескопически входят в боковые стойки. Места сочленения стягивают металлическими хомутами.

Податливость крепи достигается за счет проскальзывания элементов арки относительно друг друга. Величина податливости крепи регулируется затягиванием хомутов.

Податливость крепи особенно необходима в начальный период ее работы после установки, когда происходит активный процесс сдвижения боковых пород на контуре выработки. Первоначальные размеры устанавливаемой податливой крепи необходимо увеличить на величину податливости. Трехзвенная арочная крепь предназначена для крепления выработок, смещение пород в которой составляет не более 300 мм.

В выработках, где ожидается большое опускание кровли, применяют пятизвенную крепь. Она отличается от трехзвенной тем, что стойки состоят из двух частей, соединяемых друг с другом внахлестку с помощью хомутов. За счет этих соединений в стойках достигается дополнительная податливость. Общая податливость крепи достигает 700 мм и более.

При значительном всестороннем давлении или пучащих породах почвы и продолжительном сроке службы выработки для крепления горизонтальных и наклонных одно- и двухпутных выработок применяется четырех- или шестизвенная металлическая кольцевая крепь (рис. 3.14). Крепь представляет собой отдельные кольца, изготовляемые из спецпрофиля CBП. Каждое кольцо крепи состоит из четырех или шести элементов, соединенных внахлестку. В выработке крепежные кольца скрепляются друг с другом несколькими продольными металлическими стяжками. Податливость крепи осуществляется за счет скольжения элементов кольца в местах их соединения в узлах податливости.

Скрепление элементов арочной или кольцевой крепи из спецпрофиля в местах их сочленения осуществляется замковыми устройствами различной конструкции. Простейшим является хомут с накладной планкой (рис. 3.15). Применение специальных соединительных замков позволяет повысить сопротивление и податливость крепи. Известны соединительные замки ЗПК, кулачкового типа и др.

Замок ЗПК (рис. 3.15, а) состоит из скобы 2, планки 1, изогнутой по внешнему контуру спецпрофиля, и двух гаек 3. Скобу изготовляют из круглой стали диаметром 20 мм для спецпрофиля СВП17 и 24 мм для спецпрофиля СВП22 и СВП27. Нахлестка элементов крепи в местах их соединения составляет 450 мм. Использование замков ЗПК обеспечивает по сравнению с обычными замками повышение несущей способности крепи на 15–20%.

Кулачковый замок (рис. 3.15, б), соединяющий верхняк 1 и стойки 2 арки и образующий податливый узел, включает в себя П-образную скобу 3, ось 6 и два эксцентриковых кулачка 5 с ограничителями 4.