Бетонная, монолитная железобетонная и каменная крепи

Лекция 6. Крепление вертикальных выработок

Способы крепления вертикальных выработок.

Крепление вертикальных выработок круглой формы (стволов) при обычном способе проходки осуществляется чаще всего монолитным бетоном. В устьях и на участках слабых обводненных пород, проходимых специальными способами, возводят металлическую тюбинговую крепь. Кроме того, в зависимости горно-геологических условий вертикальные выработки по всей длине могут закрепляться железобетонной монолитной, тюбинговой и набрызгбетонной крепями, а также временной штанговой (анкерной) с последующим усилением ее постоянной бетонной или набрызгбетонной крепью.

При выборе конструкции и материала крепи стволов исходят из анализа детального изучения геологических характеристик пород и условий их залегания (угол падения, трещиноватость и др.). По результатам исследований основных физико-механических свойств вмещающих пород определяют прочность, угол внутреннего трения, модуль упругости, пористость и другие характеристики массива. Все эти данные получают на базе изучения геологических материалов, выявленных в результате бурения контрольных разведочных скважин. Также весьма ценным и достаточно достоверным материалом при решении вопроса выбора конструкции крепи и особенно ее толщины является обследование и изучение состояния крепи раннее сооруженных в аналогичных горно-геологических условиях вертикальных выработок.

Особые требования к проектированию крепи.

Вид и конструкцию крепи вертикальных горных выработок (стволов шахт, разведочных и эксплуатационных шурфов, слепых стволов, вертикальных восстающих и т.п.) выбирают с учетом их назначения, срока службы, условий проведения и эксплуатации, а также технологии сооружения. Важнейшими вертикальными выработками являются шахтные стволы, имеющие обычно срок существования, равный сроку службы рудника или шахты (50-60 лет и более). Выход из строя шахтного ствола приводит к резкому сокращению производственной мощности горнодобывающего предприятия или его полной остановке, поэтому крепь ствола должна иметь повышенную надежность, высокую прочность и долговечность, а во многих случаях – водонепроницаемость, морозостойкость и другие особые свойства. Значительные объемы работ по проходке стволов выполняются при строительстве метрополитенов, канализационных коллекторов, гидротехнических и других технических сооружений.

В стволах шахт обычно применяют монолитные бетонные или железобетонные, реже тюбинговые железобетонные, чугунные или стальные крепи, а при коротком сроке службы (до 10 лет) и благоприятных условиях – деревянные. В последние годы проявляется интерес к прогрессивной крепи из штанг и набрызгбетона. При сооружении стволов по обводненным проводам с высокими напорами применяют двух-трехслойные комбинированные крепи из разных материалов, обеспечивающие практически полную водонепроницаемость. Крепь стволов шахт, подвергающихся в процессе эксплуатации воздействию вертикальных и наклонных смещений в массиве пород, должна иметь в конструкции элементы или узлы, обеспечивающие вертикальную или горизонтальную податливость, либо эластичный контакт крепи с окружающими породами.

В стволе выделяют (рис. 1) устье 1, основную часть 2, сопряжение с околоствольным двором 3 и зумпф 4. Крепь устья, располагаемая обычно в неустойчивых породах (наносах), испытывает повышенное горное давление, увеличивающееся за счет пригрузки от надшахтных сооружений, поэтому ее проектируют более мощной, чем в основной части ствола.

Рис 1. Общая схема крепления вертикального ствола

Для вертикальных выработок характерно разделение крепи по глубине на участки, называемые звеньями. Размер звена (от 4 до 40 м) зависит от устойчивости пород, вида крепи и способа ее возведения. На нижней границе каждого звена устраивается опорный венец, опирающийся на породу в боках выработки и предназначенный для восприятия веса крепи выше расположенного звена, а иногда и ниже расположенного.

Опорные венцы 5 могут иметь одноконусную (рис. 1,б), двухконусную (рис. 4,в) или комбинированную (рис. 1,г) форму. Высоту h ₀ и ширину B опорного венца определяют расчетом. В средних условиях h ₀ =1¸1.5 м; в=0.8¸1.8 м; a=30¸35⁰; b=15¸30⁰. При хорошем сцеплении бетонной крепи с окружающими породами (f ³2) опорные венцы можно не устраивать.

Бетонная, монолитная железобетонная и каменная крепи.

В настоящее время основным материалом крепи стволов является монолитный бетон. Определяющим фактором при креплении вертикальных выработок монолитным бетоном в первую очередь является качество производимых работ, т.е. правильный выбор марки бетона и технологии крепления, сокращение числа технологических швов, минимальное разрушение приконтурного массива, т.е. возможность применения при проходке контурного взрывания. Толщина бетонной крепи для вертикальных выработок в обычных горно-геологических условиях в устойчивых и средней устойчивости породах при ограниченных притоках воды составляет 30-50 см Широкое применение монолитной бетонной крепи обусловлено рядом ее положительных качеств:

· надежная и плотная связь крепи с окружающими породами, что позволяет исключить из конструкции опорные венцы;

· широкие возможности механизации крепежных работ в части доставки и укладки бетонной смеси за опалубку и и применение передвижных опалубок;

· достаточно высокая водонепроницаемость материала крепи и стойкость против агрессивных вод;

· незначительное число технологических швов, что также позволяет снизить приток воды;

· гладкая внешняя поверхность бетонной крепи, способствующая снижению сопротивления воздуха и тем самым уменьшению расхода энергии при работе вентиляторов.

Крепь из монолитного бетона представляет собой цилиндр с толщиной стенки 200-600 мм и характеризуется высокой несущей способностью (до 60 тс/м² и выше). Для крепления стволов обычно применяют жесткий тяжелый бетон марок 150-300.

Однако такая крепь при наличии агрессивных подземных вод подвергается постепенному разрушению. Поэтому при сложных гидрогеологических условиях приходится применять бетон особых составов, имеющих повышенную водопроницаемость и стойкость к агрессивным водам, или использовать другие виды крепи – металлическую тюбинговую, комбинированную многослойную и т.п. Монолитная бетонная крепь по конструктивным, экономическим и технологическим показателям считается в настоящее время наиболее эффективной.

Монолитная железобетонная крепь способна воспринимать не только повышенные сжимающие, но и значительные растягивающие напряжения. Ее используют при больших неравномерных нагрузках и любых формах поперечного сечения ствола. Толщина крепи составляет в среднем 200-400 мм. Рабочую арматуру диаметром 18-28 мм одинарного или двойного каркаса располагают горизонтально с расстоянием между рядами 150-300 мм, распределительную арматуру диаметром 8-14 мм – вертикально. Расход арматуры на 1 м³ бетона составляет 70-120 кг. Применяют бетон пластичной консистенции, жирный, марки 250 и выше. Наличие арматуры усложняет и удорожает работы по креплению, поэтому монолитный железобетон применяют лишь на участках крепи, работающих в наиболее тяжелых условиях – при высоких неравномерных нагрузках, иногда в устьях стволов и сопряжениях с околоствольным двором и т.п.

Каменная крепь, выполняемая преимущественно из кирпича и бетонитов, обычно имеет толщину 400-650 мм. Строительными нормами и правилами рекомендовано применять: кирпич стандартный (250х120х65 мм) среднеобожженный марок 150 и 175 с водопогллощением не более 12%, морозостойкий; бетониты марки не менее 150, морозостойкие с массой не более 30 кг. Кладка выполняется на жирном цементно-песчаном растворе состава от 1:2 до 1:3 с перевязкой швов в соседних рядах. Закрепленное пространство заполняют тощим бетоном или кусками прочной породы с заливкой цементно-песчаным раствором, а для обеспечения искусственной податливости – пористым материалом.

Каменная крепь способна воспринимать нагрузку сразу после возведения. Вместе с тем она трудоемка, менее прочна и более водопроницаема, чем бетонная, поэтому в настоящее время применяется редко.