30.12.2020

Металлическая крепь и межрамные ограждения


Металл для крепления выработок начали применять еще в середине прошлого столетия, когда появились первые прокатные цехи.

В настоящее время металлическая крепь находит наиболее широкое применение в угольной и горнорудной промышленности объем ее применения за последнее десятилетие составляет 70—80%. Это объясняется особыми качествами этого материала: высокой несущей способностью, возможностью повторного использования, хорошей транспортабельностью, широким диапазоном конструктивных возможностей. Металлическая крепь может претерпевать значительные пластические деформации без потери несущей способности. Область пластической работы стали в стадии текучести и упрочнения очень велика; она примерно в 200 раз выше области упругой работы и представляет собой большой резерв прочности стальных конструкций. Поэтому деформация крепи протекает во времени без опасности внезапного разрушения, в связи с чем металлическая крепь одна из наиболее безопасных. Деформированные конструкции сравнительно просто поддаются ремонту и замене отдельных элементов крепи, не подлежащих восстановлению.

Как правило, металлическая крепь применяется в виде отдельных рам, устанавливаемых в выработке на расстоянии от 0,3 до 1,3 м. Промежутки между рамами в целях безопасности перекрываются межрамными ограждениями, существенно повышающими трудоемкость возведения крепи и сдерживающими механизацию процесса крепления.

Существенно снижает эффективность использования металла для крепления выработок его коррозионная способность. Агрессивные шахтные и подземные воды, влагонасыщенная среда, в которой работает крепь, наличие блуждающих токов, а также интенсивный обмен воздуха в выработке способствуют окислительным процессам в металле и относительно быстро (в течение 5—20 лет) выводят металлическую крепь из строя.

Рамные крепи создают высокие аэродинамические сопротивления вентиляционной струе и повышают общешахтную депрессию. Это обстоятельство снижает эффективность применения крепи в выработках с большими вентиляционными потоками.

При изготовлении крепи горных выработок применяют прокат различного профиля. Наиболее широко используют желобчатый спецпрофиль, разработанный специально как крепежный прокат (рис. 2.1). Такая форма проката обеспечивает почти одинаковый момент сопротивления относительно вертикальной и горизонтальной осей профиля и, следовательно, практически одинаковую работу конструкции при различном угле приложения нагрузок. Это обстоятельство особенно важно для условий горной выработки, где крепь может испытывать косонаправленные нагрузки.

Арочная податливая крепь из специального профиля — универсальна. Она применяется в. большом диапазоне горнотехнических условий для крепления выработок различного назначения. Этому способствует ряд преимуществ конструкции. Прежде всего, крепь обеспечивает податливый режим работы, возможность повторного использования для крепления выработок и имеет сравнительно невысокую стоимость. Крепь охраняет выработку в различных геомеханических условиях и может претерпевать без разрушения значительные деформации. Немаловажное значение имеет относительно несложная. технология ее производства, доступная небольшим рудоремонтным заводам. Возведение крепи в выработках трудоемко, однако не представляет особой трудности и не требует громоздких механизмов.

Известно много разновидностей металлической крепи, отличающихся формой и размерами поперечного сечения, профилем проката, способом соединения отдельных элементов, возможной податливостью, конструкцией опорных башмаков на стойках, типом межрамного ограждения и другими признаками. Наиболее распространена арочная податливая крепь. Ее основными преимуществами являются: форма, близкая к очертанию свода естественного равновесия; достаточно большая податливость и возможность управления смещением крепи, а следовательно, горным давлением; относительно небольшая разница между площадью сечения выработки в свету и вчерне. В угольной промышленности широкое распространение получили арочные трех-и пятизвенные податливые крепи АП-3 и АП-5 (рис. 2.2).

Трехзвенная крепь состоит из верхняка и двух стоек, соединяемых между собой скобами и планками. Соединение соседних арок производится межрамными стяжками из уголка. Для J увеличения площади опоры крепи во внутрь, нижнего конца стоек ввариваются диафрагмы из спецпрофиля или предусматривается установка специальных опорных башмаков.

Все элементы крепи унифицированы с учетом уменьшения количества их типоразмеров. и радиусов изгиба. В крепи используются четыре типоразмера стоек и семь типоразмеров верхняков, охватывающих семь различных пролетов горизонтальных и два пролета наклонных выработок.

Для крепления выработок, расположенных в зоне влияния очистных работ, при смещении пород на величину более 300 мм разработана пятизвенная крепь. В этой крепи используются те же элементы трехзвенной и добавляются прямолинейные стойки длиной 600, 800 и 1000 мм, обеспечивающие дополнительную податливость крепи в стойках на величину 200, 400 и 600 мм. Наиболее ответственным узлом арочной податливой - крепи является конструкция соединения верхняка со стойками, от работы которого в значительной степени зависит устойчивость и характеристика податливости крепи, срок ее службы и эффективность применения в данных горно-геологических условиях.

В существующей крепи с расположением спецпрофиля днищем в сторону выработки соединение стоек с верхняком осуществляется при помощи двух хомутов и соединительных планок (рис. 2.3, а). Усилие трения в замке обеспечивается путем затягивания гаек на хомутах.

Как показывает опыт, основным недостатком указанного соединения является то, что в процессе работы крепи под нагрузкой происходит изгиб соединительных планок, перекос и деформация хомутов в . месте резьбы. Одновременно с прогибом планок в соединении образуются «зевы», происходит заклинивание замков и обрыв соединительных хомутов. Конструкция крепи в этом случае не работает в податливом режиме и деформируется.

ДоиУГИ предложено несколько конструкций замков для соединения элементов крепи из спецпрофиля, в которых соединительные скобы (рис. 2.3,б) или специальные болты (рис. 2.3, в) расположены под углом к продольной, оси спецпрофиля. Благодаря такому расположению, перекоса хомутов не происходит, что существенно улучшает устойчивость крепи и создает нормальные условия для ее работы в податливом режиме.

В сложных горно-геологических условиях, особенно на больших глубинах, усиливается процесс пучения. Для крепления горных выработок в таких условиях применяют крепи и конструкции с уменьшенным обратным сводом (рис. 2.4). Величина конструктивной податливости крепи зависит от количества податливых узлов в конструкции.

Выбор типа крепи — замкнутой или арочной зависит от ряда факторов. В практике нередки случаи, когда после первой или второй подрывки пород почвы их пучение прекращается и выработка после этого находится в удовлетворительном состоянии достаточно длительное время. Естественно, что в такой выработке применение замкнутой крепи является нецелесообразным, так как стоимость сооружения обратного свода может оказаться дороже стоимости подрывки почвы.

В связи с этим во всех случаях вопрос о целесообразности применения замкнутой крепи в конкретных горно-геологических условиях должен решаться путем технико-экономического сравнения затрат на сооружение обратного свода в выработке с затратами на подрывку почвы в сходных условиях с учетом срока существования выработки, ее технологического и транспортного назначения.

Основной причиной деформации податливой крепи из спецпрофиля является заклинивание податливых замков, когда они неправильно расположены по отношению к направлению преобладающей нагрузки. Натурные измерения и обследование горных выработок в Донбассе показали, что наибольшее давление обычно перпендикулярно напластованию пород. Податливые элементы нужно размещать с учетом направления преобладающих смещений породного контура.

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 заклинки смещающиеся породы кровли передают нагрузку по центру верхняка, что вызывает его изгиб еще до начала работы арки в податливом режиме. Такой характер деформации арочной податливой крепи особенно характерен для выработок площадью сечения более 12 м2, поскольку коэффициент надежности работы в податливом режиме арок такого типоразмера приближается к единице.

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.

Так, для пологих пластов, где преобладают вертикальные смещения, в отечественной и зарубежной практике предложены крепи, имеющие форму свода в виде эллипса с большой осью, вытянутой по вертикали (в отличие от циркульного свода в обычных арочных крепях). Для выработок, проходимых по простиранию в крутых пластах, ДонУГИ разработана крепь КПК, способная воспринимать большие смещения в направлении, перпендикулярном к напластованию, и обеспечивающая податливость в вертикальном направлении (рис. 2.5).

С целью совершенствования узла податливости крепей из спецпрофиля предложено очень большое количество технических решений (замки клиновые, кулачковые и др.), однако ни одно из них пока не конкурептноспособно с применяющимся на практике. Очевидно, что будущее — за быстроразъемными замковыми соединениями, обладающими стабильной рабочей характеристикой в различных условиях эксплуатации.

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 метизов (хомутов, планок, гаек). Специальной винтовой распоркой стяжке придается предварительное натяжение, в результате чего улучшаются условия работы верхняка.

Особого внимания заслуживает вопрос о плотности установки рамной крепи. В условиях, где крепь работает в режиме за данной 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 затрат на устройство межрамных ограждений. Как показали исследования, экономически целесообразен постоянный шаг установки крепи — 1 м, а требуемую несущую способность необходимо обеспечивать применением соответствующих типоразмеров профилей.

В качестве межрамных ограждений при креплении выработок рамной и анкерной крепью применяют различные конструкции железобетонных, металлических, стеклопластиковых, стеклотканевых и других затяжек, изготовленных из долговременных и негорючих материалов. В последние годы в качестве межрамного ограждения с успехом применяют также набрызгбетонное покрытие по породе или по металлической сетке.

В отечественной практике преимущественно применяют железобетонную затяжку, в зарубежных странах предпочтение отдается металлическим межрамным ограждениям.

Межрамные ограждения (затяжки) предназначены для равномерного распределения и передачи горного давления на крепь, а также для предупреждения вывалов породы между рамами.

Наибольшее распространение в нашей стране получила плоская железобетонная затяжка, представляющая собой плоские плиты шириною 40—60 мм, длиною 700—1200 мм, армированные сварной сеткой из стальной проволоки диаметром 4,8 мм.

Известны затяжки фасонной формы и с предварительно напряженной арматурой. Конструкции железобетонных затяжек, применяющихся за рубежом, мало отличаются от отечественных.

Железобетонная затяжка обладает рядом существенных недостатков. До 30% этих затяжек разрушается еще в процессе транспортирования от завода-изготовителя до забоя, а трудоемкость их установки достигает 30—40% общих трудозатрат на крепление горных выработок.

Низкая несущая способность железобетонной затяжки не соответствует условиям ее совместной работы с рамной крепью. Поэтому затяжка оказывается деформированной задолго до исчерпания несущей способности крепи. Однако, несмотря на недостатки, вследствие простоты изготовления и дефицита металла, годовой объем применения железобетонной затяжки доходит до 170 тыс. м3, а общая стоимость составляет около 20 млн. руб.

Последние годы в России начинает находить применение металлическая затяжка. Конструктивно металлическая затяжка изготавливается в виде сварной металлической решетки или листового металла, изогнутого в различный профиль.

Сварные решетчатые затяжки представляют собой сварную сетку, образованную продольными прутками диаметром 8—10 мм с загнутыми под углом 30—60° концами и поперечными прутками из проволоки диаметром 4 мм. Длина затяжек рассчитана на шаг крепи 0,5; 0,75 и 1 м. Применяются также затяжки, сваренные в виде решетки из полосовой стали.

Весьма перспективно применение различных затяжек из синтетических материалов. Гофрированная затяжка из стеклопластика конструкции ИГД им. А.А. Скочинского выполняется в виде листа волнистого профиля с плоскими концами, изготовленного из стеклохолста. Применение подобных затяжек обеспечивает их многократное применение и позволяет достаточно полно механизировать процесс установки.

НИИОГР разработана рулонная стеклотканевая затяжка. Стеклоткань толщиной 1,5 мм и шириной 800—1500 мм изготовляется из очень тонкой стеклянной нити и полимерных смол.

При использовании в качестве межрамного ограждения набрызгбетонного покрытия следует учитывать упрочняющий эффект набрызгбетона, т. е. его способность проникать в трещины приконтуриого массива и, скрепляя разрушенные породы в окрестности выработки, вовлекать их в систему противодействующих сил. В результате несущая способность покрытия повышается. Однако такое межрамное ограждение. имеет повышенную жесткость и при смещениях породного контура более 5—8 см разрушается. Ремонт набрызгбетонного покрытия, в отличие от обычных затяжек, весьма прост и осуществляется путем повторного набрызга.

Возведение металлической крепи в настоящее время является наименее механизированным процессом из всех работ, связанных с сооружением горной выработки.

Исследованиями, выполненными в ИГД им. А.А. Скочинского, установлено, что эффективное использование различных средств механизации возможно при условии, если доля механизированных операций по затратам труда будет составлять не менее 70% и если они не будут мешать нормальной работе горнопроходческого оборудования, вызывать осложнений в технологии горнопроходческих работ. Такого уровня механизации .труда при возведении металлической рамной крепи добиться невозможно. Именно поэтому не находят практического применения десятки конструкций различных крепеукладчиков, подъемников и других приспособлении для механизации отдельных элементов процесса крепления, разработанных институтами. Большинство этих конструкции обеспечивает степень механизации 10—20%.

Существующие конструкции металлической крепи трудно поддаются механизации. Сложнее всего механизировать процессы забутовки закрепного пространства и устройства межрамных ограждений, особенно установку затяжки.

Поэтому по фактору механизации применение традиционной арочной металлической крепи бесперспективно. К такому же выводу пришли X.И. Абрамсон и Я.Б. Кальницкий, отметив, что в горнорудной и угольной промышленности осуществляются бесперспективные попытки создать комплексы оборудования, оснащенные крепеустановщиками, в то время как опыт отчетливо свидетельствует, что арочная крепь изжила себя. Таким образом, идет своеобразное приспособление новейшего оборудования к заведомо неудачной технологии.

С позиции геомеханики арочная металлическая крепь также имеет ограниченную область применения. С ростом глубины разработки устойчивость пород, вмещающих выработки, снижается и металлическая арочная крепь, не создающая контактного подпора по всему периметру породного обнажения, исчерпывает свои возможности как несущая конструкция. Забутовка закрепного пространства породой производится, как правило, вручную, не обеспечивает подпора кровли выработки — наиболее опасного места, подверженного внезапным вывалам и обрушениям. Поэтому в последние годы в Донбассе, где угольные пласты разрабатываются на глубинах 800—1200 м, резко ухудшилось состояние горных выработок, участились случаи внезапных завалов металлической крепи.

Оценивая в целом металлическую податливую крепь из спецпрофиля, можно сделать следующие выводы. Достоинства этой крепи в ее универсальности, позволяющей использовать ее в широком диапазоне горно-геологических условий в выработках различного назначения; невысокой стоимости; возможности возведения без применения специальных и громоздких механизмов, в то же время эта крепь имеет и недостатки: большое аэродинамическое сопротивление, относительно небольшой срок службы, немеханизированный процесс возведения.

Совершенствование металлических крепей должно идти по пути применения высокопрочных сталей, создания более надежных технологичных конструкций межрамных ограждений и средств механизации возведения крепи. В настоящее время для механизации возведения металлической рамной крепи идут по пути создания различных крепеустановщиков, которые могут уменьшить только трудоемкость монтажных операций по установке рам, составляющих 30—35% общей трудоемкости крепления. Остальные операции трудно поддаются механизации и в ближайшей перспективе все еще будут выполняться вручную.

Поэтому по оценкам многих специалистов 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.

Для улучшения состояния арочной крепи и создания ее плотного контакта с горным массивом, обеспечивающего достаточный подпор породным обнажениям, в последние годы в Донбассе и ФРГ закрепное пространство выработки заполняют твердеющими составами.





Яндекс.Метрика