Функциональные, технические и экономические требования

В процессе проектирования и выбора крепей горных выработок и обделок подземных сооружений должно обеспечиваться выполнение комплекса функциональных, технических и экономических требований к крепям.

Функциональные требования уже на стадии принятия объемно-планировочных и проектных решений направлены на обеспечение нормального функционирования определенного производственного процесса (технологического, транспортного и т.д.).

Технические требования включают требования: прочности, устойчивости, ограниченности деформаций в течение заданного срока службы; небольшого аэродинамического сопротивления; огнестойкости, морозостойкости, водо-или газонепроницаемости, сейсмостойкости и т.п. Остановимся более подробно на требованиях прочности, устойчивости и ограниченности деформаций, которые в равной степени применимы к конструкциям крепей или обделок и к вмещающему породному массиву (последний всегда можно рассматривать в виде породной конструкции).

Требование прочности предполагает способность конструкции или породного массива удовлетворять условиям нормальной эксплуатации без появления разрушений, ограниченных существующими нормативами.

Требование устойчивости предполагает способность конструкции или породного массива сохранять состояние равновесия, заданное по условиям нормальной эксплуатации. Согласно действующим строительным нормативам требования прочности и устойчивости объединяются требованием несущей способностистроительной или породной конструкции.

Требование ограниченности деформацийпредусматривает введение ограничений на перемещения конструкции или породного массива внутрь выработки в соответствии с требованиями нормальной эксплуатации. Проектные решения должны перечисленным выше требованиям в течение заданного срока службы подземных выработок или сооружений, что определяет их долговечность.Сформулированное требование долговечности аналогично по своему содержанию требованию устойчивости горных выработок.

Особые технические требования к проектным решениям строительных и породных конструкций предъявляются в зависимости от назначения горных выработок и подземных сооружений. При проектировании горных выработок особенно на угольных шахтах, опасных по газу и пыли, повышенные требования предъявляются к аэродинамическому сопротивлению выработок. В этих условиях предпочтение отдается сплошным гладкостенным конструкциям крепи.

В вертикальных стволах крепь должна быть практически водонепроницаемой. В горизонтальных горных выработках и подземных сооружениях должны проектироваться специальные мероприятия по водоотливу: водоулавливающие приспособления, водоотливные канавки и др. При проектировании крепей горных выработок на больших глубинах следует применять конструкции с ограниченной теплопроводностью. Такие, широко применяемые в горной практике, крепежные материалы, как сталь и бетон подвержены химической агрессии и для их сохранности необходимо проводить специальные защитные мероприятия. Повышенные требования предъявляются к конструкциям крепям, подверженным динамическому воздействию взрывов, горных ударов и т.д. Проектные решения крепей горных выработок должны строго соответствовать сроку их службы.

Обычно в горной практике указанные требования прочности, устойчивости и ограниченности деформаций в течение заданного срока службы объединяют общим требованием устойчивости горных выработок или подземных сооружений, которое предусматривает сохранение в течение заданного срока службы необходимых размеров и формы поперечного сечения в соответствии с требованиями правил технической эксплуатации и техники безопасности.

В горнотехнической литературе имеется ряд предложений по количественной оценке устойчивости горных выработок, основанных главным образом на сопоставлении механических свойств вмещающих породных массивов с действующим полем напряжений и деформаций. Многочисленные методы обеспечения устойчивости горных выработок можно объединить в три основные группы: охрана, крепление, поддержание.

Под охраной понимается совокупность заранее проектируемых и постоянное действующих технических мероприятий, направленных на предотвращение потери устойчивости выработки или снижение вредных проявлений горного давления путем создания благоприятного соотношения между ожидаемыми напряжениями и прочностью пород в массиве. Способов и вариантов охраны известно много, например: использование рациональной формы поперечного сечения выработок, оставление вокруг них защитных целиков, расположение выработок в массивах пород с высокой прочностью или с пониженными напряжениями, снижение концентраций напряжений за счет применения особой технологии проходки и др. Правильно выбранный способ охраны уменьшает затраты на крепление и поддержание выработок.

Креплениевыработки – это возведение в ней специальной конструкции – крепи с целью предотвращения обрушения или уменьшения смещения окружающих пород и обеспечения необходимых для эксплуатации размеров и формы поперечного сечения.

Поддержание выработки – совокупность оперативных технических мероприятий, устраняющих нарушение ее устойчивости в период эксплуатации. Сюда входят работы по частичному ремонту крепи, подрывке подошвы выработки, дополнительному ее креплению, перекреплению, последующему упрочнению массива пород и пр.

Экономические требования имеют цельюобеспечить наиболее высокие эксплутационные качества и устойчивость выработок при минимальных строительных и эксплуатационных расходах. Сюда же следует отнести требование технологичности конструкций крепи, т.е. обеспечение высокого уровня механизации, наименьшего количества времени на монтаж, возможность совмещения работ по креплению с другими проходческими операциями и наименьшие затраты труда на возведение.

При сравнении вариантов и выборе метода обеспечения устойчивости выработки необходимо учитывать все затраты на ее охрану, крепление и поддержание за весь срок эксплуатации, приведенные к единицы длины. Например, при сравнении двух видов крепи с разными первоначальными затратами, сроками службы и расходами на поддержание необходимо по каждому варианту определить приведенные затраты (руб.) на сооружение и поддержание 1 м выработки за весь период эксплуатации:

где с₁ – стоимость сооружения 1 м выработки, руб;

с_2- стоимость перекрепления 1 м, руб.;

t_n-полный срок службы выработки, годы;

t- срок службы крепи до перекрепления, годы;

с₃- стоимость за один год других мероприятий, направленных на поддержание, руб.;

n- объем в % от общей длины выработки, где осуществляются эти мероприятия.

Рациональным следует признать вариант, при котором обеспечиваются функциональные и технические требования к крепи, минимальные трудоемкость и приведенные затраты S, максимальная производительность и хорошие условия труда.

2. Технические и экономические требования как основные критерии при оценке конструктивных и эксплуатационных качеств крепей.

В целом, горная крепь должна удовлетворять следующим основным техническим и экономическим требованиям:

· выдерживать давление горных пород, не разрушаясь (т.е. быть достаточно прочной), и обеспечивать рабочее состояние выработки ( сохранение формы и размеров поперечного сечения выработки в пределах, необходимых для нормальных условий эксплуатации в соответствии с правилами безопасности) в течение всего срока ее службы;

· не препятствовать выполнению производственных процессов, не вызывать технологических осложнений при проведении и эксплуатации выработок;

· быть технологичной, нетрудоемкой в изготовлении, транспортабельной, нетрудоемкой при возведении в выработке, надежной в работе, максимально приспособленной для механизации ее возведения и обслуживания в период эксплуатации, оказывать рациональное сопротивление движению воздуха в выработке;

· обеспечивать легкую и удобную разборку на отдельные транспортабельные части при ремонте выработок и предусматривать возможность наиболее полного извлечения крепи из погашаемых выработок;

· быть огнестойкой, устойчивой против коррозии и гниения;

· в тех случаях, когда нагрузки превышают ее несущую способность, деформироваться постепенно, без внезапной потери устойчивости;

· иметь минимальное число монтируемых в выработке элементов и деталей, по возможности унифицированных и взаимозаменяемых;

· иметь наименьший объем, массу и стоимость материалов крепи;

· сумма первоначальных затрат (трудовых и материальных) на изготовление и установку крепи в выработке и затрат на эксплуатацию и поддержание (ремонт) крепи в течение срока службы выработки должна быть минимальной.

Эти требования, общие для всех видов и конструкций крепей капитальных и подготовительных выработок, должны служить основным критериям при оценке конструктивных и эксплуатационных качеств крепей и выборе конструкции крепи для конкретных горно- геологических условий и выработок.

В связи с расширяющимся внедрением средств механизации крепления актуально требование к конструкции крепи – наиболее полно отвечать условиям и механизации работ по креплению, иметь простые по конструкции, легко собираемые узлы и минимальное число собираемых в выработке элементов и узлов.

С точки зрения безопасности важно, чтобы деформирование крепи в случае достижения ее предельной несущей способности происходило постепенно, без внезапного разрушения, с тем, чтобы иметь время для принятия необходимых мер по предотвращению завала выработки, обеспечению безопасности людей, сохранению оборудования.