1.2.1. Конструкции жесткой крепь с высокой несущей способностью

Мсталлобетоннаи крепь крепь состоит из металлических рам, изготавливаемых из двутаврового или специального профиля и бетонного заполнения. Известно большое количество конструкций такой крепи, отличающихся типоразмерами и конфигурацией сечений, конструктивным решением узлов соединения металлических элементов.

Разработано несколько типоразмеров крепи из двутаврового профиля №22 с заполнением из бетона марки 200 для диапазона сечений 8,4 - 18м2: крепь КДА для выработок без обратного свода и КДЗ с обратным сводом. Основной недостаток металлобетонной.крепи с рамами из двутавра в том, что они представляют собой, жесткие конструкции и в сложных условиях зачастую деформируются еще до начала бетонных работ. Другим недостатком двутаврового профиля является то, что он имеет резко различные моменты сопротивления относительно оси, лежащей в плоскости сечения выработки и ей перпендикулярной. Поэтому крепь из двутавра хорошо работает при нагрузках, строго перпендикулярных к полке двутавра, а при косонаправленных нагрузках арка резко снижает свою несущую способность и устойчивость. Кроме того, при изгибе двутавра в процессе изготовления арки, в местах перенапряжений образуются пластические шарниры и другие дефекты, также снижающие работоспособность конструкции.

Более совершенной конструкцией металлобетонной крепи является ограниченно податливая крепь из металлических арок из спецпрофиля, которые устанавливаются в забое выработки и работают 1-1,5 месяца в податливом режиме, а затем бетонируются. Металлобетонная крепь на базе рам из спецпрофиля имеет ряд преимуществ по сравнению с конструкциями, использующими двутавровые балки: работает в режиме ограниченной податливости, что позволяет применять ее в широком диапазоне горно-геологических условий; сечение спецпрофиля имеет примерно равные моменты сопротивления по обеим осям и поэтому более устойчиво к эксцентричным нагрузкам, чем двутавровое; аки из спецпрофиля более технологичны при возведении, а стоимость металлобетонной крепи из спецпрофиля по прямым затратам меньше, чем аналогичной крепи на базе двутавра

Разработано несколько типоразмеров конструкций ограниченно податливой металлобетонной крепи для выработок сечением 5,9-17,7 м2 без обратного свода (МПКА) и с обратным сводом (МГПСЗ).

Поскольку основным конструктивным и технологическим элементом металлобетонной крепи являются металлические рамы, то все недостатки металлических крепей свойственны и металлобетонным крепям. Следует отметить, что металлобетонная крепь в виде металлических арок с бетонным заполнением между ними является не лучшим вариантом железобетонной конструкции: металл и бетон работают практически самостоятельно, большая насыщенность металлом и толщина обусловливают повышенную жесткость конструкции и плохое использование упругого отпора пород. Эта крепь материалоемка, имеет высокую стоимость, требует больших трудозатрат на возведение и не может обеспечить высоких темпов проходки. Поэтому металлобетонная крепь часто заменяется арочной податливой крепью с железобетонной затяжкой и последующим тампонажем закрепленного пространства твердеющими смесями (пссчано-цементными, фосфогипсовыми, ангидритовыми и др.).

Сборная железобетонная крепь распространение получили гладкостенная тюбинговая крепы ГТК конструкции Кузниншахтостроя и арочная тюбинговая крепь КТАГ конструкции ВНИИОМШСа; Эги крепи обладают несущей способностью до 0,3 МПа и предназначены для крепления капитальных выработок в породах средней устойчивости.

Крепь ГТК собирается из железобетонных тюбингов криволинейной формы и корытообразного сечения девяти типоразмеров, сочетание которых позволяет крепить выработки сечением в свету 9,4-22,2 м2. Крепь КТАГ представляет собой сплошную арку, которая собирается из тюбингов в виде циркульных сегментов с цилиндрическим шарнирным примыканием друг к другу.

По сравнению с другими видами крепи сборная железобетонная крепь имеет следующие преимущества:, изготовление элементов крепи в заводских условиях обеспечивает их высокое качество; в отличие от монолитных конструкций, набирающих прочность постепенно, сборные могут сразу же включаться в работу и воспринимать максимальную нагрузку; шарнирные стыки между элементами сборной конструкции обеспечивают ее деформативность, перераспределение неравномерных нагрузок и более полное использование упругого отпора пород; по сравнению с металлоарочной и металлобетонной крепями эта крепь имеет в 3-4 раза меньшую металлоемкость; при гладкостенных тюбингах коэффициент аэродинамического со противления снижается по сравнению с рамными крепями в три раза; основной объем работ по возведению сборных крепей поддается механизации.

Для механизации возведения сборных крепей из плит и тюбингов разработан целый ряд специальных кранов и крспсукпадчиков. Наиболее совершенным из них является тюбингоукладчик ТУ-2р (и его модификация ТУ-3) конструкции Кузниишахтостроя, хорошо зарекомендовавший себя на шахтах Карагандинского бассейна.

В то же время сборные железобетонные крепи имеют ряд недостатков. Как и все сборные железобетонные конструкции, они более энергоемки, чем монолитные. Для обеспечения нормальной работы сборные крепи требуют тщательной забутовки закрепного пространства, в противном случае они легко теряют устойчивость и становятся неработоспособными. Наиболее низкой устойчивостью обладают сборные крепи из мелкоразмерных тюбингов с цилиндрическим примыканием в шарнирах. Рекомендуемый для сборных крепей тампонаж закрепного пространства пссчано-цемснтным раствором является, по существу, дополнительной бетонной оболочкой, для которой сама крепь служит опалубкой. При этом преимущества такой крепи как деформативной, приспосабливающейся к неравномерностям горного давления конструкции, почти исчезают, а стоимость значительно повышается.

Перспективными направлениями совершенствования сборной железобетонной крепи является применение для изготовления ее элементов высокопрочных бетонов и расширение области ее применения на более сложные горно-гсологичсскис условия за счет создания податливых конструкций. Так, разработки ВНИИОМШСа показывают, *гго применение высокопрочных бетонов марки М 600 и М 800 позволяет при сохранении несущей способности крепи снизить вес сс элементов на 20- 35%, а стоимость крепления на 10-25% [86, 109].

Одним из путей обеспечения податливости сборных конструкций является установка между элементами крепи прокладок (деревянных, синтетических), сминающихся при определенной нагрузке. К числу недостатков таких узлов податливости относится расползание прокладок в процессе деформирована, что приводит к появлению на стыках элементов растягивающих напряжений и снижению прочности материала крепи более чем вдвое. Кроме того, крепь с прокладками на стыках элементов в процессе работы изменяет свои размеры и не может обеспечить постоянное ссчснис выработки в свету.

Таким образом, сборные железобетонные конструкции крепи обладают ограничениями на применение в условиях больших глубин и также неспособны обеспечить требуемую величину несущей способности в случае больших перемещений контура, обусловленных возникновением очередной зоны разрушения в массиве вокруг выработки.

Монолитная бетонная крепь, применяется для крепления околоствольных дворов, камер и других капитальных выработок с большим сроком службы, расположенных в устойчивых и средней устойчивостич породах, при смещениях контура не более 50-70 мм [87,110,111].

Условия применения монолитной бетонной крепи при горных работах имеют свою специфику. В отличие от наземных конструкций из монолитного бетона, где требуется двухсторонняя опалубка и твердение бетонной смеси зачастую происходит в условиях значительных колебаний температуры воздуха, для крепления горных выработок достаточно иметь одностороннюю опалубку простой конструкции с подачей бетонной смеси по трубам с поверхности или пневмобетоноукладчиками.

Среди монолитных бетонных крепей, применяемых для крепления горизонтальных горных выработок, в настоящее время наиболее распространена типовая крепь Центрогипрошахта. В соответствии с типовым проектом сечения горных выработок разработаны для трех различных очертаний крепи: с вертикальными стенками и сводчатым перекрытием; с вертикальными стенками, сводчатым перекрытием и обратным сводом; кольцевой формы с обратным сводом. Крепь возводится из бетона марки Ml50.

Для механизации бетонных работ в шахте применяются различные бетоноукладчики, инвентарные и передвижные опалубки. Наиболее эффективным для возведения бетонной крепи является комплекс оборудования, состоящий из бетоноукладчика и передвижная опалубка [88].

Опыт эксплуатации опалубки ОМП позволил выявить ряд недостатков этой конструкции, которые должны быть учтены при создании более совершенных передвижных опалубок. Секции опалубки ОМП металлоемки, соединяются между собой с помощью 12 болтов, которые при ведении взрывных работ деформируются и выходят из строя. В результате через некоторое время секции соединяются уже 3-4 болтами, что приводит к появлению между секциями зазоров до 4-5 см. На криволинейных участках выработки персстановщик секций, представляющий собой каретку, перемешающуюся по двутавровой балке, работает ненадежно. Кроме того, эффективное применение передвижных опалубок требует решения вопроса оптимизации их типоразмеров. С целью повышения несущей способности бетонной крепи обычно идут по пути увеличения ее толщины. Однако более эффективным направлением совершенствования бетонных крепей является переход к высокопрочным бетонам. Выполненные исследования показывают, что переход от традиционной марки бетона Ml50 к маркам М200 МЗОО позволяет, не снижая несущей способности крепи, уменьшить ее толщину на 25-50% и снизить стоимость материала иа 15-40% [89, 112].

В тоже время применение высокопрочных бетонов способно повысить несущую способность крепи лишь в ограниченном диапазоне, что недостаточно для условий разрушения массива по зональному механизму. Недостатком монолитной бетонной крепи является также невозможность активного регулирования величины сопротивления.