Крепление горных выработок: виды и методы для геологов

Для обеспечения устойчивости горных выработок, безопасного ведения горнопроходческих работ и возможности использования выработок в течение продолжительного времени производится их крепление. Не крепятся только выработки, пройденные в особо прочных породах. Конструкции и способы крепи горных выработок зависят от типа и их назначения, формы и размеров поперечного сечения, величины горного давления, крепости пород, срока службы крепи. Для крепления горных выработок используют различные материалы: дерево, металл, бетон, железобетон, камень и др. Различают постоянную крепь, установленную на весь срок использования выработки, и временную, применяемую для поддержания выработки до возведения постоянной.

Основные способы крепления разведочных выработок целесообразно рассмотреть на примере наиболее распространенных случаев крепления канав, шурфов, разведочных шахт и подземных горизонтальных выработок.

Крепление разведочных канав в основном не производится: сразу после проходки они документируются, опробуются и засыпаются. Однако в тех случаях, когда канавы проходят в сыпучих породах (песках, галечниках) или при необходимости сохранения выработки на более длительный срок, стенки канавы приходится закреплять.

В зависимости от устойчивости пород, глубины канавы применяется крепление трех видов:
1) распорная крепь, используемая при устойчивых, но сильно трещиноватых породах;
2) крепление вразбежку путем укладки вдоль стенок отдельных досок или горбылей, расклиненных распорками (иногда доски устанавливаются вертикально);
3) сплошное крепление из уложенных вдоль стенок досок, прижатых к стенкам распорными рамами. Вместо деревянных иногда применяют металлические каркасные рамы.

При проходке мощных наносов канавы часто проходят с бермами (закраинами) шириной 0,15-0,20 м, которые предохраняют дно от осыпания пород со стенок.

Крепление шурфов. Разведочные шурфы прямоугольного сечения в большинстве случаев крепятся деревом. Основным элементом деревянного крепления является венец — прямоугольная рама, изготовленная из круглого леса, брусьев или пластин. Различают основные (опорные) и промежуточные (нормальные) венцы. Основные венцы со стороны коротких брусьев имеют выступы — пальцы длиной 0,3-0,8 м, которые заводятся в лунки — углубления в стенках шурфа. Таким образом, опорные венцы закрепляются в стенках шурфа и могут держать на себе звенья крепи, составленные из промежуточных венцов.

Обычно на устье шурфа укладывается первый венец — направляющая рама, имеющая пальцы со всех четырех сторон. Рама служит шаблоном, по которому направляется проходка шурфа, на ней устанавливают ручной вороток или лебедку для спуска и подъема людей и породы.

В зависимости от устойчивости пород используют различные виды крепления:
1) сплошное (на пальцах и подвесное);
2) несплошное (на бабках, венцами и распорами без бабок);
3) забивное (вертикальное и наклонное) (рис. 5).

Рис. 5. Способы крепления горных выработок. А — сплошное крепление на пальцах; Б — сплошное подвесное крепление шурфа; В — крепление на бабках; Г, Д — забивное крепление с вертикальной и наклонной забивкой крепи; Б — штанговое крепление штольни

Различные виды крепления выработок для геолога имеют особое значение. От того как ведется крепление выработки зависят особенности ее документации: когда и как геолог может проводить наблюдения, каким способом отбирать материал для образцов и проб, мажет ли рассчитывать на повторные наблюдения.

Сплошное венцовое крепление на пальцах применяется в тех случаях, когда породы достаточно устойчивы и позволяют углубить шурф на 1,5-2,0 м без немедленного осыпания. В этом случае после проходки указанного интервала в углах шурфа делают лунки, в которые и заводят пальцы опорного венца. На него снизу вверх укладывают один за другим обычные венцы до направляющей рамы или до предшествующего опорного венца. Элемент крепи между опорными венцами, состоящий из нескольких обычных венцов, лежащих на основном, называется звеном. При креплении шурфов указанным способом в каждом звене укладка венцовой крепи ведется снизу вверх. Такой способ дает возможность геологу спускаться в шурф перед укладкой очередного звена и проводить документацию еще не закрепленного участка шурфа. После установки сплошного крепления стенки шурфа практически навсегда становятся недоступными для наблюдения и опробования.

Сплошное венцовое крепление подвесное используют при проходке неустойчивых, осыпающихся пород, когда приходится закреплять стенки почти одновременно с углублением шурфа. Подвесное крепление ведется сверху вниз: по мере углубления на 0,2-0,3 м наращивается очередной венец, который на железных скобах подвешивается к предыдущему. Самым верхним венцом подвесного звена является или направляющая рама (если эта крепь устанавливается прямо от устья) или опорный венец верхнего звена (если сыпучие неустойчивые породы вскрыты на более глубоком интервале). Таким образом, крепь является висячей: она подвешена к опорному венцу, поддерживается скобами и силами трения венцов о породы стенок.

Подвесное крепление исключает возможность последовательной документации стенок шурфа. Поэтому геолог ограничивается тем, что изредка спускается в шурф, чтобы осмотреть доступный наблюдению участок, а образцы и пробы приходится отбирать из того материала, который подается в бадьях на поверхность по мере проходки. При вскрытии шурфом особо важных с геологической точки зрения пород геологу следует непрерывно наблюдать за проходкой.

Несплошное крепление венцами на бабках ведется снизу вверх в достаточно устойчивых породах — плотных глинах, песчаниках, известняках и т.д. После проходки интервала 2-5 м в забое укладывается основной венец на пальцах. Затем на него в углах шурфа ставят (укрепляя их “в шип”) четыре стойки (бабки) высотой 0,7— 1 м, на которые кладут обычный венец. На него ставят очередные стойки, кладут очередной венец и повторяют эти операции до конца звена. Таким образом, венцовая крепь представляет собой установленные вразбежку венцы, между которыми стенки шурфа остаются незакрепленными. Если встречаются отдельные участки неустойчивых (например, трещиноватых) пород, то они закрепляются досками или горбылем с внешней или внутренней стороны установленной венцовой крепи.

Такой способ крепления не препятствует документации, и геолог может выполнять ее даже после установки крепи.

Несплошное крепление венцами и распорами без бабок используют при проходке неглубоких шурфов в устойчивых породах. В этих случаях отдельные участки шурфа закрывают досками или горбылями, прижав их к стенкам простыми венцами. Последние размещают один от другого на расстоянии 0,6-1 м. Для придания крепи соответствующей прочности размеры венцов выдерживаются строго по величине сечения и в случае необходимости венцы укрепляются клиньями.

Иногда при проходке шурфов используют металлическое каркасное крепление, в котором металлический каркас (в виде венцов, соединенных стойками) закрепляет и удерживает расположенные вдоль стенок “затяжки” из досок и горбылей.

Забивное крепление. При проходке водонасыщенных песков — плывунов или сыпучих, подвижных песчано-гравийных и песчаных грунтов применяют опережающее крепление, когда элементы крепи продвигаются впереди забоя, препятствуя постоянному осыпанию стенок и непрерывному поступлению в забой подвижного грунта. Одной из разновидностей опережающего крепления является забивное (см. рис. 5). Оно осуществляется следующим образом. В устойчивых породах, перекрывающих плывун, когда он еще не вскрыт забоем, устанавливается основной опорный венец. Внутри этого венца кладут на забой и подвешивают на скобах внутренний венец меньшего сечения. В зазоре между внешними и внутренними венцами по всему периметру шурфа забивают плотно сомкнутые одна с другой доски с заостренными концами, так называемые пали длиной 1-1,5 м, шириной 15-20 см. Пали образуют своеобразные щиты; по мере их забивания производится выемка породы в забое, но так, чтобы концы палей постоянно на 0,2-0,3 м опережали углубление забоя.

После того как пали забиты на всю их длину, в забой шурфа вновь кладут внешний венец, прикрепляя его к палям, внутри его помещают внутренний венец и начинают забивать очередной интервал палей — второе звено забивной крепи. Звенья забивной крепи наращиваются одно за другим до тех пор, пока не будет пройден весь пласт водоносных или сыпучих пород. Если пали забиваются вертикально, то с каждым звеном уменьшается сечение шурфа. При необходимости избежать сокращения сечения пали забивают наклонно — под некоторым углом в сторону от шурфа. Иногда для придания крепи большей устойчивости и надежности после установки наклонной забивной крепи, данный интервал закрепляется еще сплошной венцовой крепью по внутренним венцам. Иногда при забивном креплении используются металлические или деревянные щиты.

Использование забивной крепи, как видно, полностью исключает возможность документации выработки в привычном понимании осмотром стенок. Документация в данном случае сводится к наблюдению за поступающими на поверхность породами и их сменой.

Следует отметить, что и другие вертикальные горные выработки, по масштабу соизмеримые с шурфами (гезенки и восстающие), крепятся теми же способами, что и шурфы.

Помимо перечисленных способов крепления шурфов следует упомянуть о ледяном креплении, которое применяется при проходке выработок на проморозку, что было отмечено выше.

В тех случаях, когда проходят шурфы круглого сечения — дудки — их крепят обычно звеньями, состоящими из металлического каркаса в виде железных колец с укрепленными на нем досками, расположенными вдоль оси шурфа. Дощатая часть звена может быть сплошной или несплошной в зависимости от конкретных условий. Звенья крепи (длина которых 3-3,5 м) опускаются в шурф при помощи специально установленного над устьем шурфа копра и лебедки. Каждое последующее звено крепи имеет меньший диаметр, поэтому обычно глубина дудок не превышает 10-15 м. Шурфы такой глубины проходят с тремя звеньями крепи длиной 4-4,5 м и диаметрами колец 1,2; 1,0; 0,8 м. После проходки и документации дудок при их ликвидации каркасную крепь извлекают для повторного использования.

Крепление стволов разведочных шахт. Обычно при проходке разведочных шахт, когда применяется деревянная крепь, используют три вида крепи: сплошную венцовую (иногда подвесного типа), венцовую на бабках с затяжкой стенок, а также забивную. В отличие от шурфов ствол шахты делится на два отделения: подъемное и лестничное. Каждое отделение закрепляется по углам продольными вертикальными брусьями — вандрутами, между которыми через 0,5-0,б м закрепляют поперечные распорки — расстрелы. Лестничное отделение оборудуется лестницами, длина каждого звена которых 2-3 м, между звеньями устраиваются полки.

В сложных условиях проходки и при необходимости длительного использования ствола шахты применяют каменное, бетонное и железобетонное крепление. Звенья крепи высотой 10-60 м сооружаются снизу вверх, образуя сплошной цилиндр. В этих случаях стволы шахт имеют круглое или эллипсовидное сечение. В последние годы для крепления стволов шахт используют сборный железобетон в виде тюбингов и колец.

Горизонтальные выработки, пройденные в устойчивых породах, обычно не крепятся, им для большей устойчивости кровли придают сводообразную форму.

При использовании деревянной крепи горизонтальные выработки крепятся полными или неполными дверными окладами. Полным дверным окладом называется элемент крепи, состоящий из двух стоек и двух перекладов (верхнего и нижнего); в неполном дверном окладе отсутствует нижний переклад. Полные дверные оклады используют в тех случаях, когда возможно выпучивание почвы выработки.

В зависимости от величины давления горных пород и их устойчивости дверные оклады устанавливаются либо вплотную один к другому, образуя сплошную крепь, либо на расстоянии друг от друга от 0,5-2,0 м, — такая крепь называется “вразбежку”. В последнем случае иногда применяют затяжку стенок и кровли досками или горбылями.

В условиях высокого горного давления и для продления срока службы выработок применяют металлическое каркасное крепление. Элементы его представляют собой металлические сборные полные или неполные дверные оклады трапециедальной, как и деревянные, или арочной сводчатой формы. Рамы арочной крепи устанавливаются вразбежку на расстояниях 0,6-1,2 м.

Иногда в устойчивых породах возникает необходимость закрепления только кровли выработки. Для этих целей часто используют штанговую (анкерную) крепь (см. рис. 5). Суть ее состоит в том, что породы кровли крепятся с помощью металлических штанг длиной 0,7-3 м, вставленных и заклиненных в специально пробуренных шпурах. Выступающие из кровли концы штанг представляют собой болты, стягивающие кровлю. Иногда на таких болтах укрепляются металлические верхняки. Нередко используются железобетонные штанги: для этого в шпур вставляется арматурный стержень и нагнетается вязкий быстротвердеющий цемент.

В ряде случаев при проходке выработок в скальных крепких и средней крепости породах для создания плотных покрытий, уплотняющих трещиноватые породы, предупреждающие отслаивание, для создания гидроизоляционных и антикоррозийных покрытий в качестве временной и постоянной крепи используется торкретбетон. Это материал, образующийся в результате нанесения на стенки и кровлю выработки с помощью сжатого воздуха раствора из смеси цемента, мелких фракций заполнителей (до 8 мм) и воды. Используемые цементные растворы характеризуются повышенной прочностью схватывания с поверхностью породы и скоростью твердения, для чего используют добавки — ускорители твердения бетона. Торкрет-бетон наносится с помощью специальных машин.

Иногда для создания несущих конструкций в сочетании с анкерной или металлической арочной крепью используется набрызг-бетон — материал из цемента, крупных заполнителей (до 25 мм) с повышенными прочностными характеристиками. Как и торкрет-, набрызг-бетон наносится специальными машинами с помощью сжатого воздуха.

Как видно из этого краткого обзора, применение того или иного способа крепления выработок ставит перед геологом задачу правильного и своевременного ведения документации. Особые сложности и необходимость оперативной документации возникают при проходке неустойчивых пород, а именно такие условия характерны для рудоносных зон многих видов полезных ископаемых. Во всяком случае, самые интересные и важные для геолога участки подземных горных выработок часто требуют применения сплошной крепи. Поэтому непрерывное наблюдение за проходкой горных выработок является насущной необходимостью для геолога, ведущего документацию.

Сведения об авторах и источниках:

Автор: В. В. Авдонин, и др.

Источник: Технические средства и методика разведки месторождений полезных ископаемых.

Данные публикации будут полезны для студентов инженерно-геологической и геохимической специальностей.