Форми і розміри поперечного перетину виробок. Конструкції кріплення

Форма поперечного перетину горизонтальних виробок встановлюється відповідно до фізико-механічних властивостей порід та стану порід, якими вони проводяться, величини та напрямку гірського тиску, терміну служби та прийнятої конструкції кріплення.

Якщо виробку не кріплять, їй надається склепінна форма поперечного перетину, яка наближається до форми склепіння природної рівноваги.

Прямокутна форма (рис. 2.3, а) найчастіше використовується при відсутності бокового тиску порід й у тих випадках, коли виробки кріпляться дерев’яним, штанговим або змішаним кріпленням (бетонні стінки і перекриття з металевих балок).

Трапецієподібне кріплення сприймає як вертикальний, так і боковий тиск. При цій формі виробки звичайно кріплять деревом, металом, збірним залізобетоном (рис. 2.3, б). Поширено при проведенні нарізних виробок.

Рис. 2‑3 – Форми поперечного перетину виробок

Полігональна форма приймається у тому випадку, коли виробки кріплять залізобетоном, рідше – для посилення трапецієподібного дерев’яного кріплення (рис. 2.3, в).

Склепінну форму застосовують при кам’яному або бетонному кріпленні. При цьому склепіння буває трьохцентрове (коробкове) і півциркульне з прямолінійними або криволінійними стінками (рис. 2.3, г).

Аркове кріплення використовується за наявності вертикального і бокового тиску гірських порід (рис. 2.3, д). Звичайно виробки кріпляться металевими арками різних конструкцій.

Кругла форма найбільш підходить при наявності всебічного тиску (рис. 2.3, е). У цьому випадку виробки кріплять збірними залізобетонними елементами, бетоном або металевим кріпленням. Вуглеспускні свердловини можуть взагалі не кріпитися. Якщо один з компонентів гірського тиску значно більший за інші, використовується еліпсоподібне кріплення (рис. 2.3, ж, з).

Перелічені форми поперечного перетину виробок використовують у всіх підготовчих і капітальних виробках з урахуванням впливу на них різних факторів.

Розміри поперечного перетину виробки у світлі залежать головним чином від її призначення та зумовлюються габаритами рухомого составу або конвеєра, кількістю рейкових шляхів, зазорами між кріпленням та найбільш виступаючою частиною рухомого составу або конвеєра, способом переміщення людей та кількістю повітря, яке проходить виробкою.

При проектуванні поперечного перетину виробки у світлі необхідно враховувати запас на можливі усадки порід, що залежить від типу виробки, умов її підтримки і потужності пласта m.

У типових перетинах передбачена вертикальна податливість кріплення 300 мм і горизонтальна на рівні 1,8 м від підошви виробки – 230—290 мм. У виробках, закріплених податливим кріпленням, дуже важливо правильно установити запас на осадку, що може забезпечити її безремонтне підтримання на весь термін служби.

Мінімальну висоту виробки вимірюють від рівня голівки рейок до внутрішньої поверхні кріплення, і вона повинна за Правилами безпеки (ПБ) дорівнювати 1,9 м у головних відкаточних і вентиляційних виробітках та 1,8 м у дільничних підготовчих виробітках.

Кріплення виробок

Дерев'яне кріплення(рис. 2-4). Недоліками такого кріплення є недовговічність, горючість, схильність до загнивання і невелика абсолютна міцність. Основним видом дерев'яного кріплення в горизонтальних виробках є кріпильна рама, що складається з верхняка і двох стояків. Таку раму називають неповною (а, в). Кріпильні рами звичайно бувають трапецієподібної форми (а, б), рідше прямокутної (в), а в окремих випадках у вигляді неправильної трапеції.

Дерев'яне кріплення доцільно застосовувати там, де за термін служби виробки не буде потрібно суттєвих ремонтів і перекріплень, тобто при терміні служби не більш 2—3-х років.

Елементи рам виготовляють із круглого лісу діаметром 16—32 см. Кріпильні рами встановлюють суцільно одна до одної (суцільне рамне кріплення) або на відстані в осях 0,5—1,2 м (кріплення врозбивку). у останньому випадку покрівлю і боки виробки затягують обаполами або дошками.

Звичайні кріпильні рами вважаються жорстким кріпленням. Неповним рамам можна надати вертикальну податливість до 10—12 см загострюванням кінців стійок по формі конуса або клина. При певному навантаженні на раму загострена частина стійок зминається і рама опускається.

При значному гірському тиску кріпильні рами посилюються або за допомогою середньої стійки або стропильними чотирьох – восьмигранними конструкціями.

Рис. 2‑4 – Дерев’яне кріплення

1 – верхняк, 2 – стійка, 3 – затяжка, 4 – клини, 5 – лунка для стійки, 6 – лежень

Металеве кріплення. Металеве кріплення унаслідок високої його міцності, довговічності, вогнестійкості і можливості повторного використання широко застосовують у капітальних і підготовчих виробках у вигляді арок, трапецієподібних діжцеподібних рам і кілець, що можуть бути жорсткими, податливими і шарнірними (рис. 2-5).

Рис. 2‑5 – Металеве кріплення

Трапецієподібні металеві рами відносяться до жорсткого кріплення і застосовуються у виробках із значним терміном службі (більше 3—5 років).

Трапецієподібні металеві рами застосовують у виробках із терміном служби від 3 до 10 років при стійкому гірничому тиску. Елементи трапецієподібних рам виготовляють із двотаврових балок № 16—17. З'єднання верхняка зі стояками здійснюють за допомогою накладок або спеціальних башмаків. Гідностями металевого трапецієподібного кріплення є простота виготовлення й установки. Недоліками є відсутність податливості, і менша несуча спроможність елементів кріплення, чим в аркових конструкціях.

Арковекріплення виконується у вигляді жорстких, шарнірних або податливих конструкцій. Жорстке кріплення виготовляється у вигляді двохшарнірної арки із двотавру № 14—20, із залізничних та рудничних рейок і звичайно складається з двох піварок, що поєднуються у замку за допомогою металевих накладок і болтів.

Найбільш поширене аркове податливе трьохланкове кріплення КМП-А3 зі спецпрофілю СВП, що складається з 3-х елементів: верхнього сегмента, обкресленого одним радіусом, і 2-х бічних елементів, криволінійних по всієї довжині або що мають прямолінійну ділянку (рис. 2-6). Елементи арки з'єднують внахлест і стягують двома хомутами. Арки звичайно встановлюють через 0,5—1,2 м і з'єднують між собою в 3-х місцях міжрамними стяжками (розстрілами). Податливість кріплення обумовлюється ковзанням елементів у вузлах їхніх сполучень після того, як зовнішнє навантаження перебільшує сили тертя. У трьохланкового кріплення вертикальна податливість досягає 300—350 мм.

Рис. 2‑6 – Конструкція аркового металевого податливого кріплення; замок

1, 2 – скоба, 3 – верхня планка, 4 – нижня планка, 5 – гайка

В умовах, коли необхідно забезпечити більшу податливість, використовується п’ятиланкове аркове кріплення КМП-А5 з податливістю до 1000 мм, яка досягається за рахунок використання додаткових стійок.

Для забезпечення стійкості у подовжньому напрямку між рамами, арками або кільцями кріплення обов’язково повинні встановлюватись дерев’яні або металеві розпірки в кількості не менше двох на кожний елемент. Іноді дерев’яні розпірки встановлюють суцільно, тоді вони виконують роль звичайної затяжки.

Кам'яне ібетоннекріплення застосовують для кріплення виробок із великим терміном служби і при значному гірському тиску поза зоною впливу очисних робіт (рис. 2-7). Бетоном і каменем кріплять переважно основні виробки приствольного двора, камери, квершлаги, польові штреки.

У якості основної форми застосовують склепінну з прямолінійними або (при значному боковому тиску) криволінійними стінами. Кріплення складається із фундаментів, стін і склепіння. Фундаменти являють собою частину стін, що розташовується нижче рівня поверхні підошви, та мають глибину: з боку водовідливної канавки 500, з іншого боку 250 мм. Товщина бетонного кріплення приймається в залежності від розмірів поперечного перетину виробки у світлі і міцності порід. В практиці гірничих робіт товщина бетонного кріплення звичайно знаходиться в діапазоні 150—500 мм.

В породах, схильних до здимання, бетонному кріпленню надають замкнуту форму у вигляді конструкції із зворотнім склепінням і кільцевої.

Кам'яне кріплення зводиться зі штучних каменів на цементно-пісковому розчині. При значному гірському тиску і зсуві порід застосовують податливе кам'яне кріплення, що будується з литих каменів з укладкою між ними пружних прокладок. В загальному обсязі кріплення кам’яне кріплення є мало поширеним, оскільки для його зведення необхідна цеглина особливої якості (звичайні цеглини швидко розмокають і руйнуються), а також із-за високої трудомісткості зведення. Те ж стосується і кріплення із бетонних блоків (бетонітів).

Рис. 2‑7 – Конструкції кам'яного та бетонного кріплення

а – кам’яне, б – бетонне, в – змішане;

1 – склепіння; 2 – стіни; 3 – фундаменти; 4 – замок; 5 – п'ята.

Гідністю кам'яного кріплення є його здатність сприймати гірський тиск відразу після зведення, що визначає його застосування при швидкому розвитку гірського тиску. Недоліки – значна трудомісткість робіт із зведення кріплення, наявність швів, що знижують міцність і монолітність кріплення.

Бетонне монолітне кріплення характеризується більшою міцністю в порівнянні з кам'яним і кращим приляганням до породи. Крім того, її зведення можна цілком механізувати, що різко підвищує продуктивність праці і знижує трудомісткість і вартість робіт.

Оскільки звичайне бетонне кріплення добре сприймає лише стискаюче навантаження,у найбільше відповідальних капітальних виробках або їхніх ділянках при великих навантаженнях, особливо нерівномірних, застосовуютьмонолітне залізобетоннекріплення, яке завдяки арматурному посиленню здатне сприймати також розтягуючі і зсувові навантаження.

При зведенні монолітного залізобетонної кріплення гірничих виробок застосовують гнучку, жорстку і змішану арматуру. Гідність монолітного залізобетонного кріплення полягає у великій несучій здатності, монолітності, гарному приляганні до навколишніх порід і можливості застосування при різноманітній формі поперечного перетину виробок. Водночас таке кріплення характеризується великою трудомісткістю в зведенні і витратою значної кількості металу.

Змішанимназивають кріплення, основні несучі елементи якого виконують із 2-х або більш видів матеріалів. Металеві верхняки або 3-х шарнірні арки застосовують у поєднанні з дерев'яні стояками при відносно великих прольотах виробок і значному вертикальному тискові, але при невеликому терміні служби виробки. У капітальних виробках при відсутності бічного тиску часто застосовують металеві верхняки з двотавру у поєднанні з вертикальними кам'яними стінами. Між металевими верхняками влаштовують невеликі бетонні або кам’яні склепіння, або цей простір затягують з/б затяжками. Застосовують також склепінне кріплення зі стінами з каменів і бетонним склепінням.

У сполученні із звичайними видами кріплення може використовуватись штангове кріплення (див. наступний матеріал). Достоїнства і вади змішаних конструкцій визначаються видом використовуваного матеріалу.

Штанговекріпленняявляє собою систему закріплених у шпурах штанг, розташованих у масиві порід по контурі виробки і призначених разом із підтримуючими елементами (підхопленнями або опорними плитами) для зміцнення породного масиву з метою забезпечення стійкості гірничої виробки (рис. 2-8).

Принципова особливість такого кріплення складається в тому, що штанги (анкери), зміцнюючи масив порід, дозволяють максимально використовувати його власну несучу здатність, завдяки чому в більшості випадків відпадає необхідність у застосуванні звичайних підтримуючих видів кріплення.

Рис. 2‑8 – Схеми кріплення виробок штангами

а, ж – з опорними плітками; в, д – з прямолінійними підхопленнями з дерева або металу з дерев’яною затяжкою; б, г, е, з – з арковими стальними підхопленнями

Штангове (анкерне) кріплення, при правильному його застосуванні, дозволяє з мінімальними витратами матеріалу і праці забезпечити підтримку виробок у справному стані в різноманітних умовах: при шаруватих і нешаруватих тріщинуватих породах, поза зоною і у зоні впливу очисних робіт, у виробках різноманітних форм поперечного перетину у якості постійного і тимчасового кріплення, самостійно або в сполученні з іншими видами кріплення. В даний час застосовують штанги металеві, залізобетонні, дерев'яні і сталеполімерні.

Металеві анкера (найбільше поширені) складаються з круглого стержня, на однім кінці якого є різьблення і гайка, а на другому так званий замок, за допомогою якого штанга закріплюється в шпурі.

Замки виготовляють із металу і розділяють на клино-щілинні, розпірні і вибухо-розпірні.

В якості опорно-підтримуючих елементів на анкерах застосовують сталеві опорні плитки, підхвати з прокатних профілів (швелер, спецпрофіль, спарені кутки та ін.) або дерев’яних пластин, а також затяжку (металеву сітчасту або решітчасту, дерев’яну, або з тонких профільованих сталевих листів). Для захисту оголених порід від вивітрювання і елементів кріплення від корозії в необхідних випадках застосовують торкрет- або набризкбетонне покриття.