30.12.2020

Монолитная бетонная и железобетонная крепь


Бетон, как крепежный материал, применяют для крепления шахтных стволов, выработок околоствольного двора и камер различного назначения, размещенных в устойчивых породах вне зоны влияния очистных работ.

В неустойчивых породах применять традиционные бетонные крепи оказывается неэффективно. Бетон, упрочняясь, образует жесткую конструкцию и при интенсивных смещениях пород контура выработки разрушается. Хрупкий бетон, в отличие от пластичного металла, разрушается мгновенно, поэтому деформация крепи зачастую сопровождается аварийными обрушениями участков выработки. Это ограничивает область применения монолитных бетонных крепей выработками со смещениями контура до 5—7 см.

Несколько увеличивает деформируемость бетонной крепи и увеличивает ее работоспособность за счет более целесообразного использования упругого отпора пород использование низкомодульных бетонов. Такие бетоны получают при применении легкого пензового заполнителя или с помощью добавки латекса. Снижение модуля упругости бетона примерно в 1,5 раза позволяет расширить область применения крепи в выработках со. смещением породного контура до 7—8 см, более эффективно использовать несущие свойства массива пород и снизить толщину крепи примерно на 30% при той же несущей способности.

Одним из недостатков бетона как материала крепи является его подверженность коррозии в результате воздействия агрессивных шахтных вод.

Основные мероприятия по борьбе с различными видами агрессии шахтных вод — обеспечение высокой прочности бетона, применение быстротвердеющих сульфатостойких шлакопортландцементов, а в исключительных случаях глиноземистого цемента, использование в бетонной смеси поверхностно-активных добавок и тонкомолотого трепела. Наиболее эффективным мероприятием против коррозии бетона, особенно в стволах, является применение цементации пород на водоносных горизонтах с целью предотвращения притока воды в горные выработки.

Плотность бетона в крепи можно повысить, уменьшая водосодержание бетонной смеси. Лишняя вода, оставшаяся после реакции с цементом, испаряется, оставляя пары, которые нарушают плотность бетона. Уменьшить водосодержание смеси, не снижая ее пластичных свойств, можно, используя поверхностно-активные добавки (сульфитно-спиртовую барду — 0,10—0,25% от веса цемента, асидолмылонафт, абиетиновую смолу и др.).

Для крепления выработок в угольной и горнорудной промышленности чаще всего применяются конструкции крепи, разработанные Южгипрошахтом и Центрогипрошахтом (рис. 2.6). Для крепления выработок площадью сечения в свету от 4,2 до 12,8 м2 Южгипрошахтом разработано 16 типоразмеров бетонной крепи, которые выбираются в зависимости от требуемой ширины выработки (по условию размещения транспортных средств). Все типоразмеры крепи выполнены без обратного свода с прямолинейными стенками и верхним коробовым сводом.

Крепь Центрогипрошахта в соответствии с типовым проектом сечения горных выработок разработана для трех различных очертаний крепи: с вертикальными стенками и сводчатым перекрытием; с вертикальными стенками, сводчатым перекрытием и обратным сводом и кольцевой формы с обратным сводом.

Параметры крепи приведены в табл. 2.1. Крепь возводится из бетона марки 150.

В сложных горнотехнических условиях проходка и крепление выработок сопровождаются интенсивным вывалообразованием неустойчивых пород. В этих условиях при креплении выработок широкое применение находят металлобетонные крепи с высокой несущей способностью. Такая крепь состоит из металлических рам, изготовленных из двутаврового или специального профиля и бетонного заполнения.

Крепь из двутаврового профиля с бетонным заполнением известна давно. Отсутствие ее унификации и индивидуальное проектирование привело к появлению большого числа типоразмеров с различными радиусами кривизны элементов металлоконструкций и многообразию конструктивных решений узлов соединения стоек с верхняками.

Донгипрошахт с учетом недостатков известных конструкций разработал унифицированную крепь из двутаврового профиля с заполнением междурамного пространства бетоном марки 200. В результате унификации разработано 10 типоразмеров крепей с обратным сводом КДЗ (крепь Допгипрошахта замкнутая) и столько же без обратного, свода КДА (крепь Днепрогипрошахта арочная) площадью сечения в свету от 5,8 до 18 м2 (рис. 2.7).

Подобные крепи по режиму работы являются жесткими, что не позволяет рекомендовать их для сложных горно-геологических условии при больших смещениях пород.

Монолитные металлобетонные крепи из-за значительной толщины и насыщенности металлом имеют повышенную жесткость и плохо используют работу упругого отпора пород. Поэтому применение мощных крепей, состоящих из жестких металлических рам двутаврового профиля и заполнения межрамного пространства бетоном, во многих случаях положительного результата не дало. Устойчивость крепи несколько улучшается, когда крепление ведется с разрывом во времени между установкой жестких металлических рам и последующим их бетонированием. В этом случае металлические двутавровые арки рекомендуется устанавливать у забоя выработки, а заполнять их бетоном — после окончания интенсивных смещений контура пород, чтобы исключить отрицательное влияние нагрузок на процесс твердения бетона. При такой технологии крепления смещение контура пород происходит в основном за счет имеющихся переборов за крепью, величина которых при буровзрывном способе проходки достигает 150—200 мм; смятия мелкокусковатой забутовки в своде и некоторой подвижности двутавровых арок.

Экспериментальная проверка подтвердила целесообразность использования ограниченно-податливых конструкций, крепей для подземных сооружений, расположенных в неустойчивых породах, и позволила предложить в качестве арматуры металлобетонной крепи металлические арки из спецпрофиля.

Предложенная конструкция особенно эффективна в сложных горно-геологических условиях, когда демонтаж временной податливой крепи влечет за собой опасные вывалы пород, а постоянная крепь должна обладать высокой несущей способностью. В этом случае металлические рамы из спецпрофиля, устанавливаемые в забое выработки вслед за ее проходкой, должны в течение 1—1,5 мес работать в податливом режиме. Бетонировать металлическую крепь начинают за зоной интенсивного смещения пород.

Металлобетонная крепь, изготавливаемая на основе спецпрофиля, имеет ряд преимуществ перед конструкцией из двутавра:

- обеспечивает работу крепи в режиме ограниченной податливости и, следовательно, снижает нагрузку на крепь;

- спецпрофиль, имея примерно одинаковые моменты сопротивления по обеим осям, в отличие от двутавра мало чувствителен к эксцентренным нагрузкам, возникающим при работе- крепи;

- обладая меньшей высотой по сравнению с двутавром, спецпрофиль не получает существенных перенапряжений в крайних волокнах при изготовлении металлоконструкций крепи;

- металлобетонная крепь из спецпрофиля на 80—100 руб/м (по прямым затратам) дешевле аналогичной конструкции на базе двутавровой балки.

Такая ограниченно-податливая металлобетонная крепь разработана Донгипрошахтом совместно с ДонУГИ.

После проведенной унификации было разработано восемь типоразмеров крепи с обратным сводом (тип МПКЗ — металлобетонная податливая крепь замкнутая) и без обратного свода (тип МПКА — металлобетонная податливая крепь арочная) площадью сечения в свету от 5,9 до 17,7 м2 (рис. 2.8).

Благодаря отмеченным выше преимуществам, ограниченно-податливая металлобетоиная крепь на базе спецпрофиля начинает вытеснять металлобетонную крепь из двутавра. Это подтверждает данные об объемах применения этих крепей на ряде шахт Донбасса, приведенные в табл. 2.2.

Поскольку основным конструктивным и технологическим элементом металлобетонных крепей являются металлические рамы, то все недостатки, отмеченные выше у металлических крепей, свойственны и металлобетонным крепям.

Следует отметить, что металлобетонная крепь в виде, металлических арок с бетонным заполнением между ними является не лучшим вариантом железобетонной конструкции: металл и бетой работают практически самостоятельно, большая насыщенность металлом и толщина обусловливают повышенную жесткость конструкции и плохое использование упругого отпора пород. Эта крепь материалоемка, имеет высокую стоимость/ требует больших трудозатрат на возведение и не может обеспечить высоких темпов проходки. Поэтому в последнее время металлобетонная крепь начинает вытесняться арочной податливой крепью с железобетонной затяжкой и последующим тампонажем закрепного пространства твердеющими смесями (песчано-цементными, фосфогипсовыми, ангидритовыми и др.).

Важным направлением механизации горнопроходческих работ является создание машин для механизированного возведения монолитной бетонной и железо бетонной крепи. При строительстве подземных сооружений процесс крепления монолитным бетоном наиболее трудоемкий. Укладка и уплотнение бетонных смесей вручную значительно увеличивают трудоемкость п продолжительность возведения крепи. Многочисленные перекидки при укладке бетонной смеси за опалубку вручную ухудшают качество крепи, а устройство различных рештаков и подмостей приводит к загромождению выработки и требует дополнительных затрат труда.

Для механизации работ по укладке бетонных смесей за опалубку применяют пневмобетоноукладчики различных конструкций и бетононасосы. Пневмобетоноукладчик — это основной транспортный механизм, пригодный в разных условиях. Предельная простота конструкции, большая производительность, невысокие требования к квалификации обслуживающего персонала делают этот механизм удобным для широкого применения.

Принцип действия пневмобетоноукладчиков состоит в том, что в герметически закрытый сосуд, наполненный бетонной смесью, подается сжатый воздух, который скоростным напором выдавливает смесь из сосуда и увлекает ее по трубопроводу.

Недостатками пневмобетоноукладчиков по сравнению с бетононасосами являются больший расход энергии, а при расстоянии доставки смеси свыше 120 м — большая стоимость транспортирования.

При креплении горизонтальных выработок используются различные конструкции инвентарных и передвижных опалубок. Инвентарные—обычно представляют собой набор секций, устанавливаемых по мере крепления выработки. Они просты в эксплуатации, могут оставаться в выработке до набора бетоном необходимой прочности и предохранять его от повреждения при взрывных работах в забое. Передвижные опалубки более громоздкие, тяжелые и перемещаются в выработке на лыжах или по отдельному рельсовому пути. Они требуют крепления выработок быстротвердеющим бетоном, способным набрать необходимую прочность к моменту передвижки опалубки. Выбору конструкции опалубки должна предшествовать оценка горнотехнической обстановки крепления выработки.

По аналогии с креплением вертикальных стволов, иногда применяют передвижные опалубки для крепления горизонтальной выработки непосредственно в забое вслед за его проходкой без временной крепи. Используя такую схему организации крепления, следует учесть, что при установке жесткой монолитной крепи непосредственно в забое создаются наиболее неблагоприятные условия ее работы. В этом случае крепь будет воспринимать нагрузку от всех деформаций породного контура, в том числе и от неминуемых упругих смещений, которые происходят и в самых прочных породах. Проявление упругих смещений сдерживает забой. Шахтные натурные измерения показали, что упругие смещения контура выработки полностью проявляются на расстоянии 15—20 м от забоя и составляют в глубоких выработках примерно для кровли-почвы 30—40 мм, а для боков — 15—20 мм. При креплении выработки с помощью передвижной опалубки разопалубленный в раннем возрасте бетон (даже быстротвердеющий) не может воспринять таких смещений, и возведенная крепь дает трещины. Положение еще более ухудшается, если выработка размещена в слабых породах и крепь должна будет воспринять кроме упругих еще и неупругие деформации массива горных пород.

В прочных породах можно возводить бетонную крепь непосредственно в забое выработки, но при этом нельзя снимать опалубку до набора бетоном достаточной прочности и во всяком случае до полного проявления упругих смещений контура. Бетон за опалубкой в стадии твердения обладает некоторыми пластическими свойствами, и поэтому напряжения, возникающие в нем от смещения природного контура, релаксируют, не ухудшая его прочностных свойств. Наоборот, прочность бетона, твердеющего под нагрузкой, повышается.

Таким образом, исходя из горнотехнической обстановки, можно рекомендовать следующие схемы крепления горных выработок монолитным бетоном.

1. В прочных, устойчивых породах бетонную крепь можно возводить непосредственно в забое выработки без временной крепи. В этих условиях следует рекомендовать применение инвентарной переносной опалубки, состоящей из секций длиною 1,5—2 м. В выработке устанавливается 10—15 секций при общей длине опалубки 20—30 м. Бетон набирает прочность под защитой опалубки и предохраняется ею от повреждения при взрывных работах. Ho мере проходки дальнюю секцию по монорельсу, закрепленному к своду опалубки, перемещают к забою и устанавливают на новом участке для бетонирования.

2. При креплении выработок в прочных, устойчивых породах, когда бетонную крепь возводят вслед за временной на расстоянии не менее 20—30 м от забоя, целесообразно применять передвижную опалубку и быстротвердеющий бетон.

3. В неустойчивых и средней устойчивости породах более надежно применять инвентарные, переносные опалубки, используя принцип «технологической податливости». В этом случае бетонную крепь возводят через 1—1,5 мес после проходки выработки за зоной интенсивных смещений контура пород.

Следует учесть, что использование передвижных опалубок эффективно, когда выработка на большом протяжении сохраняет неизменными направления, форму и размеры поперечного сечения. При креплении выработок переменного сечения небольшой длины на закруглениях, в узлах сопряжений и в камерах целесообразно применять инвентарные опалубки.





Яндекс.Метрика