1.2.2. Конструкции податливой крепи

Металлическая рамная крепь основным типом крепи поддерживаемых и вновь проводимых основных выработок является металлическая, весь объем которой практически приходится на долю арочной податливой крепи из специрофиля с железобетонной затяжкой.

Наиболее существенным для крепей, обладающих конструктивной податливостью, является обеспечение стабильной и надежной работы их в податливом режиме.

С этой целью применяются замки различной конструкции, в том числе те, у которых скобы или болты расположены под углом к продольной оси спецпрофиля и имеют общую соединительную планку. Такой узел обеспечивает более стабильную работу крепи в податливом режиме. Недостатком всех замков с болтовыми соединениями является большая трудоемкость их установки, а также необходимость периодического подтягивания гаек на хомутах для обеспечения постоянного сопротивления замка в податливом режиме.

Другим важным условием нормальной работы арочной податливой крепи является обеспечение оптимального режима ее загружения, который достигается тщательной забутовкой закрепного пространства и расклинкой арок в двух точках верхняка в 1/3-1/4 пролета. Однако на практике это условие зачастую не соблюдается. Отсутствие забутовки или ее некачественное выполнение не позволяют использовать упругий отпор пород, который существенно повышает несущую способность подземных конструкций, а при отсутствии заклинивания смещающиеся породы кровли передают нагрузку по центру верхняка, что вызывает его изгиб еще до начала работы арки в податливом режиме.

Поэтому одним из направлений совершенствования рамных крепей из спецпрофиля является повышение надежности их работы в податливом режиме. Реализация этого направления осуществляется двумя путями: изменением конфигурации конструкции крепи и расположением элементов податливости, учитывающим направление преобладающих смещений, и совершенствованием конструкции самого узла податливости. С целью совершенствования узла податливости крепей из спецпрофиля предложено очень большое количество технических решений (замки клиновые, кулачковые и др.), однако большинство из них оказалось не конкурентоспособно с применяющимися на практике [85].

Другим направлением повышения эффективности металлической арочной крепи является увеличение ее несущей способности. В условиях преобладающих нагрузок (смещений) со стороны кровли положительно зарекомендовал себя способ усиления арки канатной стяжкой из стальных отработанных канатов, закрепляемых по концам верхняка с помощью элементов серийно выпускаемых хомутов, планок, гаек. Специальной винтовой распоркой стяжке придается предварительное натяжение, в результате чего улучшаются условия работы верхняка [90].

Важен также вопрос плотности установки рамной крепи. В условиях, где крепь работает в режиме заданной нагрузки (крепь испытывает давление от веса отслоившихся пород в зоне обрушения), увеличение плотности установки рам может быть эффективным средством предотвращения обрушения пород и обеспечения устойчивости выработки. В большинстве же случаев крепь работает в режиме взаимовлияющей деформации (нагрузка на крепь является результатом взаимодействия последней со смещающимся массивом), при котором увеличение плотности установки рам не может существенно повлиять на смещение массива и устойчивость выработки. В то же время уменьшение расстояния между рамами ведет к увеличению стоимости крепи за счет повышения ее металлоемкости и увеличение затрат на устройство межрамных ограждений.

Для условий, где наблюдается пучение пород почвы, применяется арочная податливая крепь с обратным сводом, а в сложных условиях при всесторонних смещениях массива - кольцевая податливая крепь. Однако замкнутые крепи для борьбы с пучением эффективны только в небольшом диапазоне условий - при небольших смещениях со стороны почвы. В том случае, если однократная или даже двукратная подрывка обеспечивает прекращение пучения почвы, применять замкнутую крепь нецелесообразно, так как стоимость сооружения обратного свода может оказаться дороже подрывки.

В качестве межрамного ограждения при креплении выработок металлической податливой крепью в основном применяется железобетонная затяжка. Несмотря на широкое распространение на практике, эта конструкция обладает рядом существенных недостатков. Работа межрамного ограждения из железобетонных затяжек, уложенных всплошную, плохо сочетается с податливым режимом работы рам. До 40% затяжек получают тс или иные разрушения еще в процессе транспортирования от завода до забоя. Трудоемкость устройства ограждения из железобетонных затяжек достигает 30-40% общих затрат на крепление.

Оценивая в целом металлическую податливую крепь из спсцпрофиля, можно сделать следующие выводы. Достоинства крепи в ее универсальности, позволяющей использовать ее в широком диапазоне горно-геологических условий в выработках различного назначения, невысокой стоимости, возможности возведения без специальных и громоздких механизмов. Недостатки крепи весьма значительны: большое аэродинамическое сопротивление, относительно небольшой срок службы, немеханизироваиный процесс возведения.

Совершенствование металлических крепей должно идти по пути применения высокопрочных сталей, создания более надежных и технологичных конструкций межрамных ограждений и средств механизации возведения крепи. Однако податливость металлической крепи имеет пассивный характер и не позволяет регулировать величину ее сопротивления.

Поэтому дальнейшее совершенствование металлической податливой крепи не может кардинально повлиять на решение проблемы крепления и поддержания основных горных выработок и существенно повысить технико-экономические показатели горнопроходческих работ.

Анкерная крепь анкерная крепь является конструкцией безподпорного типа и по сравнению с обычными подпорными крепями обладает следующими преимуществами: включает в работу окружающий массив; хорошо противостоит взрывным воздействиям, может устанавливаться в забое и выполнять функцию временной крепи; позволяет уменьшить сечение выработки в проходке; менее материало - и энергоемка; позволяет достигнуть высокого уровня механизации работ по креплению; хорошо сочетается с другими видами крепи.

В мировой горной практике известно более 700 конструкций анкеров и ежегодно к ним добавляются новые модификации. В отечественной угольной промышленности наибольшее распространение получили анкеры с металлическими распорными замками типа LUK, АК-8, АР-2, АД-1, ЭС-2М, сталеполимерные анкеры, а также анкеры на быстротвердеющих патронируемых смесях [85].

Средства механизации возведения анкерной крепи представлены легкими переносными или перекатными установками КШ-2, БСА, КАУ-2, БСР, БША, УВАК, ПА-1, МАП-1, тяжелыми самоходными бурильными установками БУА-1А, БУА-3 и различными модификациями навесного оборудования на породопогрузочных машинах и комбайнах.

Анкерная крепь не менее надежна, чем подпорные конструкции. При этом, учитывая большой срок службы этих выработок, преимущественное распространение получают анкеры, закрепляемые по всей длине с помощью дешевых и не дефицитных полимерных или других быстротвердеющих составов, в сочетании с набрызг-бетонными или подпорными крепями [92].

Скрепляющие породу анкеры образуют с ней упрочненный слой, служащий защитной несущей конструкцией, выполняющей все функции крепи. Податливость такого защитного слоя может достигать весьма значительных величин, однако такое крепление не позволяет регулировать нагрузку на постоянную обделку.

Набрмзг-бетонная крепь к числу основных преимуществ этой ккрепи можно отнести следующие: набрызгбстон обладает универсальностью, заключающейся в возможности наносить покрытие любой толщины и создавать изолирующую, ограждающую или несущую конструкции; при набрызге бетона происходит не только изоляция пород от выветривания, но и проникновение раствора в приконтурные трещины, в результате чего в работу вовлекается оболочка упрочненных пород; более высокая механическая прочность набрызг-бетона позволяет уменьшить толщину крепи по сравнению с бетонной, возводимой с помощью опалубки (что в свою очередь ведет к снижению жесткости конструкции и улучшению использования упругого отпора пород); уровень механизации возведения набрызг-бетонной крепи может быть 'доведен до 90%, а производительность проходчиков на креплении увеличивается в 2-3 раза; крепь может возводиться на любом расстоянии от забоя, легко усиливаться и ремонтироваться (повторным набрызгом); набрызгбетон позволяет легко приспосабливаться к изменяющимся условиям проходки путем изменения толщины слоя набрызгбетона или комбинации его с другими видами крепи.

Однако податливость набрызг-бетонной крепи исчерпывается после затвердевания, что не позволяет эффективно противостоять большим смещениям, вызванным образованием зон дезинтеграции.

Комбинированная крепь эти виды крепи представляют собой сочетание разных по типу и принципу работы конструкций, которые дополняют друг друга, усиливая достоинства и ослабляя недостатки каждой конструкции.

При смещениях пород кровли более 100 мм анкерную крепь используют в сочетании с подпорными крепями. Сшивая массив горных пород, вмещающих выработку, анкеры препятствуют их расслоению и разрыхлению, позволяя облегчить и удешевить конструкцию подпорной крепи и повысить надежность эксплуатационного состояния выработки.

Эффективным является сочетание набрызг-бетона и анкерной крепи. Анкерная крепь, обладая высокой несущей способностью и необходимой податливостью, не может, однако, предохранить приконтурные слой пород от выветривания и растрескивания. В свою очередь, крепь из набрызг- бетона имеет сравнительно небольшую податливость, но возведенная с определенным отставанием за зоной интенсивных смещений крепь в состоянии воспринять без разрушений оставшуюся их часть. В то же время набрызгбетон, заполняя трещины приконтурного слоя массива, надежно изолирует породные обнажения и элементы анкерной крепи от вредного влияния рудничного воздуха. В зависимости от конкретных горногеологических и горно-технических условий применяют различные конструктивные решения при использовании комбинированной крепи из набрызг-бетона и анкеров. Анкеры преимущественно используют металлические или железобетонные, установленные со сплошной металлической сеткой, с металлическими полосами по периметру выработки и независимо друг от друга с небольшими по площади подкладками.

Основной слой набрызг-бетона целесообразно возводить через определенное время после установки анкеров. При большой трещиноватости приконтурного массива следует провести первоначальный набрызг сразу за проведением выработки для повышения устойчивости породных обнажений, а вторичный уже после установки анкеров. При таком способе повышается несущая способность крепи в целом, так как более рационально используется металлическая часть покрытия (сетка, полосы и т.д.), выполняющая роль арматуры, которую в этом случае располагают ближе к зоне растягивающих напряжений.

К комбинированным относятся также рамные крепи в сочетании с набрызг-бетоном. Набрызгбетон наносится тонким слоем и выполняет роль затяжки, а также предохраняет металл и породные обнажения от вредного влияния рудничного воздуха.

Развитием идеи комбинированной крепи является крепь нарастающего сопротивления, использующая способ поэтапного крепления выработок. Он основывается на том, что геомеханнческие процессы вокруг выработки развиваются в течение длительного периода времени, и на каждом этапе ее существования конструкции крепи должна соответствовать уровню развития горного давления и возводиться поэтапно путем комбинирования, конструкции предыдущего этапа с каким-либо усиливающим элементом. Эта же идея поэтапного усиления конструкции реализуется в крепях, использующих несущую способность заинъектированного массива

Использование упрочненного слоя пород в качестве крепи после создания обнажения породы на контуре выработки подвергаются разрушению с образованием трещин. Одним из способов крепления в этом случае является упрочнение пород различными скрепляющими составами, в результате чего вокруг выработки образуется грузонесущий слой упрочненных пород.

Наиболее эффективным способом упрочнения трещиноватых скальных пород является инъекция в них скрепляющих растворов, и в дальнейшем независимо от типа нагнетаемого раствора (цементного, химического и др.) такой способ мы будем называть инъекционным. Применительно к инъекции цементных и цсментно-песчаных растворов за обделку часто употребляется термин "тампонаж".

Распространение получило применение инъекционного упрочнения пород для повышения устойчивости выработок, вокруг которых существует (например, на участках геологических нарушений) или развивается с течением времени зона трещиноватости. Также одним из наиболее перспективных направлении в креплении основных горных выработок, расположенных в сложных горно-геологических условиях, является использование для обеспечения их устойчивости несущей способности пород, заинъектнрованных скрепляющими растворами. Чаще всего для инъекции используют цементные и цементно-песчаные растворы. Химическое упрочнение находится пока еще на стадии опытного применения. Этот способ достаточно технологичен и может применяться как самостоятельно, так и в сочетании с различными крепями и другими способами при проведении выработки или в процессе ее эксплуатации.

Сущность такого способа крепления заключается в следующем. Выработка при проведении крепится временной крепью, позволяющей породам деформироваться и предотвратить их обрушение. Через определенный промежуток времени производится нагнетание скрепляющего раствора в трещиноватые породы приконтурной зоны. Схватываясь и твердея, раствор скрепляет между собой отдельные куски и блоки породы, образуя мощную породобетонную оболочку. Работая как несущая конструкция, эта оболочка при правильно выбранных параметрах может обеспечить достаточную устойчивость выработки.

В зависимости от степени вовлечения в работу породного массива и технологии производства работ различают два этапа инъекционного упрочнения пород. Первый этап - тампонаж закрепного пространства - производится под давлением до 0,2 МПа с целью заполнения пустот закрепного пространства. При этом происходит проникновение раствора в крупные трещины на глубину 0,5-1 м и омоноличивание приконтурного массива. В результате улучшаются условия нагружения первоначально возведенной крепи и, кроме того, в работу дополнительно вовлекается породобетонная оболочка толщиной 0,5-1 м.

Второй этап - глубинное упрочнение производится путем нагнетания скрепляющих растворов под давлением 0,7-1 МПа через инъекционные скважины на глубину 1,5-3 м от контура выработки. В результате вокруг выработки образуется оболочка упрочненных пород, представляющая собой мощную конструкцию, способную воспринимать значительные нагрузки со стороны деформирующегося массива, т.е. выполнять функции несущей крепи. Характерной особенностью такой крепи является то, что ее конструкция и режим работы изменяются по мере развития деформационных процессов в массиве и изменения геомеханической ситуации.

Весь срок существования выработки можно разбить на четыре этапа. Первый этап соответствует периоду с момента проведения выработки до возведения временной крепи. Второй этап соответствует поддержанию выработки временной крепью до проведения упрочнения пород. Третий этап характеризует работу оболочки упрочненных пород в процессе схватывания скрепляющего раствора и твердения тампонажного камня. В случае применения химических растворов с малым сроком схватывания и твердения этот этап может отсутствовать, в то же время при применении цементных растворов он играет существенную роль, так как реологические процессы в твердеющем цементном камне могут существенным образом повлиять на характеристику упрочненной оболочки. Четвертый этап соответствует работе породобетонной оболочки после набора прочности тампонажным камнем. [93].

Разработаны два базовых варианта крепления выработок, позволяющие максимально использовать несущую способность заинъектированного приконтурного массива.

Первый вариа!гт предлагаемого способа крепления заключается в следующем. При отходе забоя на одну заходку на породную поверхность по периметру выработки наносится покрытие в виде эластичной оболочки, выполняющей функции временной крепи и изолирующего покрытия при нагнетании скрепляющего раствора. Такое покрытие способно смещаться вместе с породным контуром без нарушения сплошности. При необходимости дополнительно могут устанавливаться металлические податливые арки, выполняющие нссущис функции временной крепи. За зоной интенсивных смещений (через 20-40 суток) производится нагнетание скрепляющего раствора через инъекторы.в разрушенные и разгруженные от напряжений породы приконтурной зоны. Вытекание раствора в выработку при его нагнетании предотвращает изолирующая эластичная оболочка. 'Гампонажное оборудование размещается на расстоянии 70-100 м от забоя, не мешая работам по прохождению выработки. После затвердевания раствора арки демонтируются. Постоянная крепь представляет собой породобетонную оболочку затампонированных пород, которая воспринимает нагрузки со стороны массива и выполняет основные несущие функции, а изолирующее покрытие предохраняет породы от выветривания.

По второму варианту выработка проводится под защитой щита- опалубки, который дает возможность породам смещаться в процессе деформирования и предохраняет выработку от их обрушения. Щит состоит из секций шириной, кратной величине заходки, которые наращиваются по мерс подвигания забоя. Каждая секция представляет собой тонкостенную оболочку из листового железа с ребрами жесткости. По периметру секции предусмотрены отверстия, через которые бурят тампонажные скважины и вставляют инъекторы.

С целью обеспечения устойчивости массива, а также предотвращения больших вывалов породы могут быть применены анкеры-инъекторы. Они устанавливаются при прохождении выработки и выполняют функции анкерной крепи, к которой подвешиваются секции щита-опалубки, а впоследствии через них нагнетают раствор. В процессе заполнения трещин в прнконтурной части массива раствор вытекает в свободное пространство между поверхностью выработки и щитом-опапубкой и заполняет его, образуя вторую и облицовочно-нссущую оболочку. После затвердевания раствора последняя от забоя секция щита-опапубки снимается и по монорельсу передвигается в забой выработки. Длина щита-опалубки колеблется от 50 до 100м в зависимости от темпов проведения выработок и необходимого отставания тампонажных работ от проходческих.

Возможности применения полиуретана в шахтах ограничивают требования противопожарных и санитарно-гигиенических норм. Так, в обычном виде полиуретан поддерживает горение при температуре 250- 300°С, а при добавлении в него специальных добавок (например, фоспсшиола) только обугливается. И при горении и при обугливании он выделяет токсичные вещества.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что ограждающе- изолирующее покрытие для крепления горных выработок на основе полиуретана может быть получено после соответствующей доработки его состава в направлении улучшения механических свойств и удовлетворения требованиям противопожарных и санитарно-гигиенических норм. Необходимо также создавать другие синтетические материалы, специально предназначенные для изолирующих и ограждающих покрытий породных обнажений.

Второй вариант крепления испытывался с инвентарным щитом- опалубкой двух модификаций: на базе арки из спецпрофиля и арки из двутавра. В качестве межрамного ограждения использовалась металлическая затяжка из листовой стали толщиной 3 мм с ребрами жесткости. Технология возведения щита-опалубки обеих конструкций была практически одинаковая. После установки арок с обеих сторон на почву устанавливали металлические щиты. Затем в направлении снизу вверх арка перекрывалась металлическими затяжками. В каждой секции было установлено по три затяжки с отверстиями для установки кондукторов (две затяжки по бокам и одна в кровле выработки). Установка рамы щита-опалубки ни по времени, ни по трудоемкости не отличалась от установки обычной металлической арки. Проведенный хронометраж показал, что установка межрамных ограждений из металлической затяжки звеном проходчиков из 5 человек занимает 30-35 мин рабочего времени. Трудоемкость этого процесса 2,5-3 чел.-ч - меньше, чем при установке железобетонных затяжек. Сразу же после установки щита-опалубки затяжки плотно прилегали друг к другу, видимых зазоров между ними не было. Если сравнивать трудоемкость возведения испытываемых двух вариантов щита-опалубки, то можно отметить, что установка двутавровых арок более трудоемка, чем арок из спецпрофиля: (примерно в 1,5 раза).

Результаты шахтных испытаний показали, что многократная установка металлических затяжек щита-опалубки, их ремонт (хотя и небольшой) приводили к нарушению герметичности конструкции, в результате чего появилась необходимость выполнять пикотажные работы. Учитывая недостаточную устойчивость данной конструкции при взрывных работах и возможные при этом переборы, были даны рекомендации ограничить область се применения выработками, проводимыми комбайнами.

Как временное решение для создания породобетонной крепи с помощью щита-опалубки рекомендуется использование опалубки ОМП-1 конструкции Кузниишахтостроя.

Практическая реализация рассмотренных выше вариантов крепления возможна по двум направлениям. Первое (перспективное) предполагает проведение вначале большого комплекса научно-исследовательских и конструкторских работ по созданию покрытий из новых экономичных синтетических материалов с заданными физико-механическими характеристиками и разработке легкой и технологичной конструкции щита- опалубки. Второе направление позволяет реализовать предложенный способ крепления, используя для этих целей существующие материалы, конструкции и технологию. В рамках этого направления в отраслевой лаборатории МакИСИ для широкого диапазона условий, в которых возможно инъекционное упрочнение пород, было разработано . пять конструктивно-технологических схем крепления выработок, основанных на комбинации традиционных облегченных крепей или их элементов с оболочкой заинъектированных пород [85].

В целом использование приконтурных горных пород, скрепленных специальными упрочняющими составами, является весьма перспективным направлением управления состоянием массива. Однако в настоящее время применительно к проблемам крепления выработок на больших глубинах данный способ имеет ряд серьезных недостатков, таких как невозможность регулирования сопротивления упрочненного породного слоя, невысокая несущая способность и другие.