Рудничная крепь

Введение
Рудничная крепь, шахтная крепь, крепь — искусственные сооружения, возводимые в горных выработках для предотвращения обрушения окружающих пород и сохранения необходимых размеров поперечных сечений, а также для управления горным давлением.Устойчивый интерес к проблеме крепления и поддержания горных выработок на горных предприятиях и угольных шахтах в последние десятилетия неразрывно связан с возрастающими требованиями к прочности и надежности применяемых конструкций крепей в усложняющихся горногеологических условиях отработки месторождений, интенсификацией проявлений горного давления.Разработано очень много различных подходов и методов расчёта крепей горных выработок. При этом видоизменялись и совершенствовались типы и конструкции крепей, находили применение новые материалы, изменялась технология возведения крепей. Всё многообразие применяемых крепей и их методов расчёта невозможно осветить в этой лекции, да это, наверное, и нецелесообразно. В этой связи остановимся лишь на самых распространённых типах крепей выработок, особенностях их конструкций и основных принципах расчётов. В этом и заключается актуальность данной темы. Цель – описание понятия и основных моментов, связанных с горной крепью.Задачи:1. Описать горную крепь: виды, классификация и требования.2. Изучить применение горных крепей.3. Исследовать выбор конструкций, материалов, параметров, расчет и проектирование крепи.4. Проанализировать мероприятия, обеспечивающие безопасность работ по посадке кровли.1. Горная крепь: виды, классификация и требованияГорные крепи бывают: временная, жесткая, индивидуальная, опережающая, предварительная, призабойная, податливая, посадочная, постоянная, рамная, смешанная, сплошная и шарнирная.1) Временная горная крепь - крепь, устанавливаемая в выработке до возведения постоянной крепи. Применяется обычно при проведении капитальных выработок, закрепляемых каменной, бетонной или железобетонной постоянной крепью, так как возведение последней вслед за подвиганием забоя мешает работам по выемке и погрузке породы в забое. Временная крепь выполняется в виде деревянных или инвентарных облегченных металлических рам, устанавливаемых вслед за подвиганием забоя. В зависимости от устойчивости пересекаемых пород применяется затяжка кровли и боков выработки обаполами, горбылями или досками. Временной крепью поддерживается участок длиной 40-60 м, а далее она заменяется постоянной горной крепью [3].2) Жесткая горная крепь - крепь, не имеющая податливых или шарнирных узлов; деформации ее в период эксплуатации не должны выходить за пределы упругости. Примером жесткой горной крепи может служить бетонная и железобетонная крепь.3) Индивидуальная горная крепь - крепь очистных выработок, состоящая из отдельных, не связанных между собой конструктивно рам или стоек, переставляемых вслед за подвиганием забоя.4) Опережающая (забивная) горная крепь - крепь, опережающая забой выработки. При проведении выработок по сыпучим или плывучим породам (песок, плывун) она выполняется в виде шпунтового ограждения, под защитой которого производится выемка породы (такая крепь часто называется забивной); при проведении выработки по пласту, опасному по внезапным выбросам угля и газа, - в виде ряда стержней (труб, рельсов), вводимых в скважины и удерживающих массив угля над забоем выработки (такая крепь иногда называется потолочной) [1].5) Предварительная горная крепь - настил из досок или металлической сетки, применяемый для разделения слоев при разработке мощных пластов полезного ископаемого слоевыми системами разработки. Настил, устроенный при выемке первого слоя, удерживает обрушенную породу или закладочный материал при выемке второго слоя; настил, устроенный при выемке второго слоя, удерживает обрушенную породу или закладочный материал при выемке третьего слоя и т. д.6) Призабойная горная крепь - крепь очистной выработки, устанавливаемая или передвигаемая вслед за подвиганием забоя и служащая для поддержания кровли в рабочем пространстве очистной выработки.Призабойные секции горная крепь - секции механизированной крепи очистных выработок, выполняющие функции призабойной крепи.7) Податливая горная крепь - крепь, сохраняющая несущую способность при значительных изменениях ее размеров. Величину изменения размеров крепи (по высоте или по ширине выработки) в период податливости называют величиной податливости крепи. Податливость крепи достигается за счет проскальзывания со значительным трением одного элемента крепи относительно другого (опускание с трением в клиновом замке выдвижной части стоек очистных выработок, взаимное смещение сегментов, стянутых хомутами арочной металлической крепи из проката желобчатого профиля и др), опускания выдвижной части гидравлических стоек при срабатывании предохранительного клапана, смятия деревянных подкладок, клиньев или прокладок, заостренных концов деревянных стоек и др [2].8) Посадочная горная крепь (специальная) - крепь очистных выработок, устанавливаемая на границе с погашаемым выработанным пространством и служащая для управления обрушением или плавным опусканием кровли. Посадочная крепь, применяемая при управлении кровлей полным обрушением, иногда называется обрезной.В качестве посадочной применяют органную, костровую, кустовую крепи, посадочные секции механизированной крепи, металлические посадочные стойки.Эта крепь устанавливается параллельно линии забоя, на границе с погашаемым выработанным пространством, и передвигается (переносится) по мере подвигания забоя. Шаг передвижки крепи зависит от ее конструкции, технологии выемки угля и свойств пород кровли. Шаг передвижки посадочных секций механизированных крепей берется равным ширине вынимаемой узкозахватным комбайном ленты угля, т. е. 0,6-0,8 м, шаг передвижки посадочных стоек типа ОКУ берется равным 1,5-2 м, шаг переноски органной крепи -- в зависимости от шага обрушения кровли и кратным подвиганию очистного забоя за цикл очистных работ в лаве, обычно от 1,5 до 3,6 м.9) Постоянная горная крепь - крепь, поддерживающая выработку длительное время, обычно весь срок ее эксплуатации.10) Рамная горная крепь - крепь из отдельных, не связанных между собой конструктивно, крепежных рам. Рамная крепь применяется для крепления капитальных подготовительных, нарезных и очистных выработок. Конструкция крепи зависит от площади и формы поперечного сечения горной выработки, величины и характера нагрузки на крепь (горного давления), срока службы крепи и других факторов [3].В зависимости от типа и конструкции крепежных рам различают рамную крепь:по форме - прямоугольную, трапециевидную, полигональную, арочную, кольцевую;по характеру работы - жесткую, податливую (постоянного и нарастающего сопротивления), шарнирную, комбинированную;по основному материалу - деревянную, стальную (металлическую), железобетонную, смешанную (комбинированную).11) Смешанная (комбинированная) горная крепь - крепь из различных крепежных материалов. Примерами смешанной крепи могут служить рамы из железобетонных трубчатых стоек и металлических верхняков, крепь в виде кирпичных или бетонных стоек с перекрытием из металлических балок и др.12) Сплошная горная крепь - крепь, полностью перекрывающая кровлю и бока выработки, а иногда и почву. Выполняется в виде: единой монолитной конструкции из бетона или железобетона: сборной конструкции из отдельных элементов, каждый из которых не может служить самостоятельной несущей конструкцией и является лишь составной частью ее (сплошная сборная железобетонная крепь из плит, крепь из тюбингов); рамной крепи, у которой рамы устанавливаются вплотную одна к другой.13) Шарнирная горная крепь - крепь, элементы которой могут перемещаться относительно друг друга вокруг шарнира без нарушения работоспособности и несущей способности крепи. Применяется при неравномерно распределенной нагрузке на крепь.Горную крепь классифицируют по следующим признакам:по расположению выработок в пространстве - на крепь горизонтальных, наклонных и вертикальных выработок;по роду выработок - на крепь капитальных, подготовительных и очистных выработок;по основному материалу - на деревянную, металлическую (из стали, легких сплавов), анкерную, каменную (из естественных и искусственных камней), бетонную, железобетонную (монолитную, из отдельных блоков или элементов), смешанную (комбинированную);1) Деревянную крепь в основном применяют в выработках небольшого сечения и с небольшим сроком службы.2) Разновидностями бетонной крепи являются: торкрет (заполнитель цементного раствора имеет крупность 0-8 мм); набрызг-бетон (заполнитель цементного раствора имеет крупность от 10 мм до 25 мм) и тюбинговая -- крепь из составных частей (бетонных или металлических), связанных между собой болтами или другим крепежом.3) Анкерная крепь используется по роду слоёв за контуром выработки для удержания породы по контуру выработки, поэтому её применение позволяет сократить металлоемкость крепления при повышении темпов проходки; однако возможно только при проходке тоннелей в скальных и полускальных породах, устойчивых и средней устойчивости; в более слабых породах анкерную крепь применяют совместно с набрызг-бетонной или металлической арочной крепью.по сроку службы - на временную и постоянную (обделку) [5];В связи с тем, что при проведении капитальных выработок возведение постоянной крепи вслед за подвиганием забоя мешает работам по выемке и погрузке породы, на участке длиной 40--60 м устанавливается временная крепь, а затем она заменяется постоянной.Как правило, временная крепь выполняется в виде деревянных или инвентарных облегченных металлических рам. Наружным очертанием временной крепи считается верхняя граница марчеван (заострённая толстая доска, забиваемая наклонно за элементы рамы крепи способом забивной крепи по мере разработки забоя горной выработки в неустойчивых породах).по конструкции - на рамную, сплошную, штанговую и комбинированную;по типу или характеру взаимодействия с боковыми породами - на жесткую, шарнирную, податливую;по форме поперечного сечения выработок - на прямоугольную, трапециевидную, полигональную, сводчатую, арочную, кольцевую, эллиптическую и др.Это, как правило, рамная крепь, состоящая из отдельных крепежных рам, устанавливаемых в выработке на некотором расстоянии одна от другой. Кровля и бока выработки в промежутках между рамами закрепляются затяжками. От продольного смещения рамы удерживаются рошпанами, представляющими собой поперечину, соединяющую соседние рамы. Это придает конструкции жесткость и стабильность.по местоположению на трассе выработки - на крепь протяженных участков, выходов на поверхность (устьев стволов и штолен), сопряжений и пересечений [1];по условиям работы - на обычную и специальную.Крепь горных выработок должна удовлетворять следующим основным техническим и экономическим требованиям:быть достаточно прочной, надежной и долговечной в работе (поддерживать выработку в рабочем и безопасном состоянии в течение всего срока службы), не загромождать выработку;по площади должна занимать в выработке как можно меньше места, не мешать выполнению производственных процессов, оказывать минимальное сопротивление движению воздуха;обеспечивать возможность механизации возведения крепи и изготовления ее элементов;быть транспортабельной, нетрудоемкой при возведении и ремонте, предусматривать возможность ее максимального извлечения из погашаемых выработок и дальнейшего повторного использования;конструкция и материал должны соответствовать сроку службы выработки, а сумма материальных я трудовых затрат на изготовление, возведение, эксплуатацию и ремонт в течение срока службы выработки должны быть минимальными.В отдельных случаях крепь должна быть огнестойкой, морозостойкой, водо- или газонепроницаемой, сейсмостойкой.Всем этим требованиям одновременно не удовлетворяет ни одна конструкция горной крепи, поэтому при выборе ее необходимо учитывать конкретные горно-геологические условия.2. Применение горных крепей1) В очистных выработках в основном должна применяться механизированная крепь с характеристиками, соответствующими горно-геологическим условиям [2].В сложных горно-геологических условиях допускается применение индивидуальных металлических или деревянных крепей.Постоянная индивидуальная крепь должна состоять из однотипных стоек с одинаковыми характеристиками по несущей способности.Тип, конструкция и параметры крепи очистного забоя определяются паспортом выемочного участка.2) При применении в очистной выработке деревянной крепи должен быть неснижаемый сменный запас крепежных материалов, располагаемых вблизи забоя.При применении в очистном забое индивидуальной металлической крепи необходимо иметь запас этой крепи не менее 5%.3) При выемке угля узкозахватными комбайнами и стругами индивидуальная металлическая крепь должна применяться с консольными металлическими верхняками. Допускается применение других видов крепи, обеспечивающих надежное поддержание кровли в призабойном пространстве, особенно за комбайном в месте изгиба конвейера.В лавах, закрепленных металлической крепью, разрешается применение деревянных верхняков, а деревянных стоек - в качестве контрольных.4) Сопряжения очистных выработок с откаточными (конвейерными) и вентиляционными штреками (бремсбергами, уклонами, ходками и др.) должны быть закреплены механизированной передвижной крепью. Применение другого вида крепи допускается как исключение, при невозможности применения механизированной передвижной крепи. Конструкция специальных видов крепи сопряжения должна пройти экспертизу промышленной безопасности, после чего утверждается техническим руководителем организации и отражается в паспорте выемочного участка [3].5) В комплексно-механизированных лавах допускается применение индивидуальной металлической крепи на концевых участках, а также деревянной - в местах выкладки бутовых полос и в местах геологических нарушений.Применение деревянной крепи в лавах с индивидуальной металлической крепью допускается в местах геологических нарушений и на концевых участках, в местах выкладки бутовых полос или возведения других сооружений для поддержания сопряжений очистных забоев с примыкающими выработками.3. Выбор конструкций, материалов, параметров, расчет и проектирование крепиГорные меры охраны выработок и конструктивные меры защиты их крепи следует назначать на основе результатов сравнения ожидаемых деформаций или смещений горных пород с допускаемыми значениями деформаций или смещений крепи.1) Проектирование крепи выработок должно включать в себя:определение характера и параметров проявлений горного давления;выбор типа крепи и технологии ее возведения;выбор конструктивной схемы крепи и ее расчет.2) Бетонные, железобетонные, рамные металлические, анкерные конструкции крепи должны соответствовать требованиям СП 16.13330, СП 63.13330 по:безопасности;эксплуатационной пригодности;долговечности [4].При выборе конструкции и параметров крепи следует также соблюдать предъявляемые к крепи особые требования, связанные с дополнительными воздействиями на нее динамических нагрузок, агрессивных подземных и грунтовых вод, а также обеспечения водо- и газоизоляции выработок.Защита от воздействия агрессивных сред должна предусматриваться для крепи горных выработок, а также для армировки стволов, фундаментов под оборудование и других элементов подземных конструкций.3) Проектная документация выработок, возводимых в обводненных породах, должна предусматривать мероприятия по защите от проникновения в выработку воды путем водоотвода, гидроизоляции крепи, тампонажа пород и противофильтрационных завес.4) Выбор материалов конструкции крепи необходимо проводить в соответствии с требованиями технических регламентов и национальных стандартов, предъявляемыми к материалам с учетом их работы в подземных условиях.5) В конструкциях монолитной бетонной и железобетонной крепи шахтных стволов следует применять тяжелый бетон класса не ниже В15; для сборных железобетонных и бетонных конструкций крепи бетон следует применять класса не ниже В25.6) Проектные классы бетона по морозостойкости и водонепроницаемости следует назначать с учетом принятой системы гидроизоляции или защиты крепи от коррозии в зависимости от климатических и гидрогеологических условий района расположения выработки и в соответствии с классификацией бетонов и требованиями к их применению, установленными СП 63.13330, а также в соответствии с СП 28.13330.7) Минимальную толщину защитного слоя бетона для арматуры монолитной железобетонной крепи следует принимать 30 мм.8) Элементы блочной и тюбинговой сборной крепи должны иметь отверстия для тампонажа пустот, остающихся за крепью в процессе ее монтажа.9) В железобетонной и бетонной крепи выработок, сооружаемых в сейсмических районах с сейсмичностью свыше 7 баллов, следует предусматривать устройство деформационных швов, расстояния между которыми должны быть не более 30 м. Устройство деформационных швов следует предусматривать, как правило, в местах пересечения выработкой трещин или контактов между породами различной прочности [5].4. Мероприятия, обеспечивающие безопасность работ по посадке кровлиМероприятия, обеспечивающие безопасность работ по посадке кровли, должны быть предусмотрены паспортом.Передвижку секций механизированной крепи на пластах с углом падения более 35о допускается производить в направлении снизу вверх. При угле падения пласта более 15о производить выбивку крепи при посадке кровли в лаве разрешается в направлении снизу вверх. Запрещается ведение других работ ниже места передвижки посадочной крепи при посадке кровли на наклонных, крутонаклонных и крутых пластах.Удаление деревянной крепи при посадке кровли в лавах должно производиться механизированным или взрывным способом.Посадка кровли в лавах с индивидуальной крепью должна производиться под непосредственным руководством инженерно-технического работника по должности не ниже помощника начальника участка.Рабочие, занятые на посадке кровли, должны находиться в закрепленных местах. В органной крепи должны оставляться окна шириной не менее 0,7 м и на расстоянии не более 5 м одно от другого.В лавах, закрепленных деревянной крепью, на пластах с углом падения не более 15о, одновременно с посадкой кровли допускается производство других работ (кроме взрывных работ и работы механизмов, создающих шум) при условии нахождения людей на расстоянии не менее 30 м от участка, намеченного к посадке. При посадке кровли не одновременно по всей длине лавы, а отдельными участками, число их должно быть минимальным. Выбивка крепи и посадка должны производиться последовательно в одном направлении. Порядок посадки кровли отдельными участками или по всей лаве и меры по безопасному ведению работ определяются в каждом отдельном случае паспортом выемочного участка [4].При применении индивидуальной металлической призабойной и режущей крепи на пластах с углом падения до 25о одновременно с посадкой допускается производство других работ в лаве на расстоянии от места посадки, определяемом паспортом.
Заключение
Итак, крепь — искусственное сооружение, возводимое для предотвращения возможности обрушения окружающих горных пород в горных выработках, а также при строительстве шахт, тоннелей и метрополитенов и др. подземных объектов. Конструкция крепи зависит от площади и формы поперечного сечения горной выработки, величины и характера горного давления, срока службы и других факторов.Значительное число разведочных канав проводят без крепления, в основном крепят глубокие канавы, проводимые в неустойчивых породах.В качестве основных несущих элементов при креплении канав используют бревна диаметром 12 см и более, а также подтоварник, в качестве вспомогательных — доски или тес.Конструкции крепи весьма просты, наиболее распространенная крепь представляет собой ряды горизонтальных распорок, устанавливаемых вверху и внизу выработки между досками, укладываемыми на боковых стенках канавы.
Список литературы
Белоусов, В. В. Крепление горных выработок на глубоких горизонтах подземных рудников АО "Апатит" в условиях повышенного горного давления / В. В. Белоусов, А. В. Осипенко, А. Н. Сахаров // Горный журнал. - 2016. - № 10. - С. 33-37Порцевский, А.К. Технологии проведения горизонтальных, вертикальных горных и горно-разведочных выработок. - М.: Изд-во МГОУ, 2017. - 69 с.Свод правил подземные горные выработки. Актуализированная редакция СНиП II-94-80 от 30 июня 2018. - N 283 –С.76Терминология горного дела. Горные крепи, ч.1, вып.9. А. М. Терпигорев. М., Изд., 2018. – 324 с.https://cyberleninka.ru/article/n/krep-glubokih-vertikalnyh-stvolov-perspektivy-sovershenstvovaniya