В сложных горнотехнических условиях проходка и крепление подземных сооружений сопровождается интенсивным вывалообразованием неустойчивыйх 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 профила и бетонного заполнения.
Крепь из двутаврового профиля с бетонным заполнением известна давно. Однако отсутствие ее унийикации и индивидуальное проектирование привело к появлению большого числа типоразмеров с различными радиусами кривизны элементов металлоконструкция и многообразию конструктивных решений узлов соединения стоек с верхняками. Форма сечений таких крепей принималась в угольно и горнорудной промышленности, как правило, с прямыми стенками и весьма выположенным верхним коробовым сводом. Стойки с верхняками соединялись плоскими накладками на болтам, имеющими недостаточную прочность. Поэтому из обследований выработок, закрепленных аткой крепью в Донбассе, 25% оказались деформированными.
Рисунок 1.
Наибольшие деформации наблюдались в выработках, размещеннызх в слабых. неустойчивых породах.
Институт ДЛонгипрошахт с учетом недостатков известных металлобетонных конструкций разработал унифицированную крепь из двутаврового профиля с заполнением междурамного пространства бетоном марки 200.
Тиблица 1.
В результате унификации разработано 10 типоразмеров крепей с обратным сводом (крепь Донгипрошахта замкнутая - КДЗ) и столько же без обратного свода (крепь Донгипрошахта арочная - КДА) сечением в свету от 5,8 до 18,0 м2 (рисунок выше).
Таблица 2.
При этом число радиусов кривизны металлоконструкций крепи КДЗ и КДА удалось уменьшить до 10. Для всех типоразмеров крепи используются только две разновидности стоек с различными радиуса кривизны, а количество типоразмеров верхняков крепи индивидуально для каждого отдельного сечения. Радиусы элементов обратного свода крепи приняты из числа унифицированных.
Во всех сечениях крепей КДЗ и КДА толщина бетона одинакова и в зависимости от номера двутавра состовляет 200, 240 и 270 мм, а требуемая несущая способность обеспечивается за счет разного числа арок металлоконструкции и на 1м. выработки. Параметры крепи КЛЗ и КДА приведены в таблице 1 и 2 (выше). Эта крепь в настоящее время широко применяется при строительстве глубоких шахт в Донбассе. Подобные крепи по режиму работы являются жесткими, что не позволяет рекомендовать их для сложных горно-геологических условий при больших смещениях пород. Область рационального применения металлобетонных крепей - преимущественно выработки и камеры околоствольных дворов с большим сроком службы, а также сопряжения, расположенные в непосредственной близости от ствола, где податливые или ограниченно-податливые крепи использовать опасно в связи с чрезмерным развитием зоны неупругих деформаций пород над выработками и выходом из равновесия приствольного массива.
Требуемая устойчисвость таких крепей в этих условиях обеспечивается путем цементации нарушенных пород и тампонажа закрепного пространства и при одновременном увеличении плотности металлических арок или применения более прочных двухтавровых профилей.
Конструкции, аналогичные КДА, применяют и в туннелестроении. Простраство между металлическими арками лаполняют монолитным бетоном, в качестве опалубки при этом часто используют проволочную сетку с мелкими ячейками.
Монолитные металлобетонные крепи из-за значительной толщины и насыщенности металлом имеют повышенную жестокость и плохо используют работу упругого отпора породы. 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 последующих их бетонированием. В этом случае металлические двутавровые арки рекомендуется устанавливать у забоя выработки, а заполнятьих бетоном - после окончания интенсивных смещений контура пород, чтобы исключить отрицательное влияние нагрузок на процесс твердения бетона. При такой технологии крепления смещения контура пород происходит в основном за счет имеющихся переборов за крепью, величина которых при буровзрывном способе проходки достигают 150-200 мм, смятия мелкокусковатой забутовки в своде и некоторой подвижности двутавровых арок.
Экспериментальная проверка подтвердила целесообразность использования ограниченно-податливых конструкци 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 работки вслед за ее проходкой, должны в течении 1-1,5 мес работать в податливом режиме. Бетонировать металлическую крепь начинают за зоной интенсивного смещения пород.
Металлобетонная крепь, изготавливаемя на основе спецпрофиля, имеет ряд преимуществ перед конструкцикй 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.
Такая ограниченно-податливая металлобетонная крепь разработана Донгипрошахтом совместно с ДонУГИ.
После проведенной уницикации было разработано восемь типоразмеров крепи с обратным сводом (тип МПКЗ - металлобетонная податливая крепь замкнутая) и без обратного свода (тип МПКА - металлобетонная податливая крепь арочная) сечением в сему от 5,9 до 17,7 м2. Общимй вид этих крепей показан на рисунке "2" (ниже), а их параметры приведены в таблице "3" (ниже).
Соответствующие типоразмеры крепей МПКЗ и МПКА имеют одинаковые сечения в свету, радиус и длину верхняков и отличаются между собой наличием или отсутствием обратного свобда. Длина стоек в крепи МПКА принята несколько большей, чем в крепи МПКЗ, за счет устройствао фундаментов больше, чем в крепи МПКЗ, за счет устройствао фундаментов и водоотливной канавки. Радиусы металлических элементов крепи унифицированы с учетом уменьшения их числа путем использования в различных местах по периметру конструкции. Это позволило принять для изготовления всех типоразмеров замкнутых и арочных крепей 16 радиусов вместо 40, требовавших бе учета унификаций.
В крепи МПКЗ применено плавающее соединение стоек с обратном сводом при помощи угловых звеньев, позволяющих собирать крепь при наличии некоторых неточностей ее изготовления на заводах, подводить обратный свод в выработке, ранее закрепленной арочкой крепью, и легко демонтировать элементы обратного свода в случае их деформации до заполнения бетоном.
Рисунок 2.
Форма свода крепи выполнена эллиптической с уменьшенным радиусов верхняка, что, как показали резальтуты испытания такой формы крепи на Октябрьском руднике и шахте "Петровская-Глубокая" в Донбассе, позволит улучшить общую устойчивость конструкии и ее работу в податливом режиме.
Таблица 3.
Отношение радиуса стоек к радиусу верхняка в зависимости от типоразмера крепи состовляет 1,17-1,35. Разность радиусов стоек и верхняка для всех сечений принята 500мм.
Для оценки экономической эффективности ограниченно-податливой крепи произведено сравнения ее стоимости со стоимостью применяющейся жесткой крепи КДЗ и КДА из двутаврового профила с бетонных заполнением. Соответствующие типоразмеры сравниваемы крепей имеют одинакомые сечения, форму и размеры в свету и различные размеры в проходке (за счет конструктивных особенностей спецпрофиля и двутавра). При сравнениии учтена стоимость по прям нормируемым затрарт прохождения и крепления выработок, настилки рельзовых путей, устройства водоотливной канавки и побелки. Результаты расчетов для замкнутых крепей МПКЗ и КДЗ (при коэффициенте крепости пород по шкале проф. М. М. Протодьяконова f=3) приведены в таблице 4 (ниже).
Таблица 4.
С учетом улучшения состояния выработок и уменьшения затрат на их поддержание эффект от применения ограниченно-податливой крепи может быть еще большим.
Крепь из двутаврового профиля с бетонным заполнением известна давно. Однако отсутствие ее унийикации и индивидуальное проектирование привело к появлению большого числа типоразмеров с различными радиусами кривизны элементов металлоконструкция и многообразию конструктивных решений узлов соединения стоек с верхняками. Форма сечений таких крепей принималась в угольно и горнорудной промышленности, как правило, с прямыми стенками и весьма выположенным верхним коробовым сводом. Стойки с верхняками соединялись плоскими накладками на болтам, имеющими недостаточную прочность. Поэтому из обследований выработок, закрепленных аткой крепью в Донбассе, 25% оказались деформированными.
Рисунок 1.
Наибольшие деформации наблюдались в выработках, размещеннызх в слабых. неустойчивых породах.
Институт ДЛонгипрошахт с учетом недостатков известных металлобетонных конструкций разработал унифицированную крепь из двутаврового профиля с заполнением междурамного пространства бетоном марки 200.
Тиблица 1.
В результате унификации разработано 10 типоразмеров крепей с обратным сводом (крепь Донгипрошахта замкнутая - КДЗ) и столько же без обратного свода (крепь Донгипрошахта арочная - КДА) сечением в свету от 5,8 до 18,0 м2 (рисунок выше).
Таблица 2.
При этом число радиусов кривизны металлоконструкций крепи КДЗ и КДА удалось уменьшить до 10. Для всех типоразмеров крепи используются только две разновидности стоек с различными радиуса кривизны, а количество типоразмеров верхняков крепи индивидуально для каждого отдельного сечения. Радиусы элементов обратного свода крепи приняты из числа унифицированных.
Во всех сечениях крепей КДЗ и КДА толщина бетона одинакова и в зависимости от номера двутавра состовляет 200, 240 и 270 мм, а требуемая несущая способность обеспечивается за счет разного числа арок металлоконструкции и на 1м. выработки. Параметры крепи КЛЗ и КДА приведены в таблице 1 и 2 (выше). Эта крепь в настоящее время широко применяется при строительстве глубоких шахт в Донбассе. Подобные крепи по режиму работы являются жесткими, что не позволяет рекомендовать их для сложных горно-геологических условий при больших смещениях пород. Область рационального применения металлобетонных крепей - преимущественно выработки и камеры околоствольных дворов с большим сроком службы, а также сопряжения, расположенные в непосредственной близости от ствола, где податливые или ограниченно-податливые крепи использовать опасно в связи с чрезмерным развитием зоны неупругих деформаций пород над выработками и выходом из равновесия приствольного массива.
Требуемая устойчисвость таких крепей в этих условиях обеспечивается путем цементации нарушенных пород и тампонажа закрепного пространства и при одновременном увеличении плотности металлических арок или применения более прочных двухтавровых профилей.
Конструкции, аналогичные КДА, применяют и в туннелестроении. Простраство между металлическими арками лаполняют монолитным бетоном, в качестве опалубки при этом часто используют проволочную сетку с мелкими ячейками.
Монолитные металлобетонные крепи из-за значительной толщины и насыщенности металлом имеют повышенную жестокость и плохо используют работу упругого отпора породы. 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 последующих их бетонированием. В этом случае металлические двутавровые арки рекомендуется устанавливать у забоя выработки, а заполнятьих бетоном - после окончания интенсивных смещений контура пород, чтобы исключить отрицательное влияние нагрузок на процесс твердения бетона. При такой технологии крепления смещения контура пород происходит в основном за счет имеющихся переборов за крепью, величина которых при буровзрывном способе проходки достигают 150-200 мм, смятия мелкокусковатой забутовки в своде и некоторой подвижности двутавровых арок.
Экспериментальная проверка подтвердила целесообразность использования ограниченно-податливых конструкци 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 работки вслед за ее проходкой, должны в течении 1-1,5 мес работать в податливом режиме. Бетонировать металлическую крепь начинают за зоной интенсивного смещения пород.
Металлобетонная крепь, изготавливаемя на основе спецпрофиля, имеет ряд преимуществ перед конструкцикй 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.
Такая ограниченно-податливая металлобетонная крепь разработана Донгипрошахтом совместно с ДонУГИ.
После проведенной уницикации было разработано восемь типоразмеров крепи с обратным сводом (тип МПКЗ - металлобетонная податливая крепь замкнутая) и без обратного свода (тип МПКА - металлобетонная податливая крепь арочная) сечением в сему от 5,9 до 17,7 м2. Общимй вид этих крепей показан на рисунке "2" (ниже), а их параметры приведены в таблице "3" (ниже).
Соответствующие типоразмеры крепей МПКЗ и МПКА имеют одинаковые сечения в свету, радиус и длину верхняков и отличаются между собой наличием или отсутствием обратного свобда. Длина стоек в крепи МПКА принята несколько большей, чем в крепи МПКЗ, за счет устройствао фундаментов больше, чем в крепи МПКЗ, за счет устройствао фундаментов и водоотливной канавки. Радиусы металлических элементов крепи унифицированы с учетом уменьшения их числа путем использования в различных местах по периметру конструкции. Это позволило принять для изготовления всех типоразмеров замкнутых и арочных крепей 16 радиусов вместо 40, требовавших бе учета унификаций.
В крепи МПКЗ применено плавающее соединение стоек с обратном сводом при помощи угловых звеньев, позволяющих собирать крепь при наличии некоторых неточностей ее изготовления на заводах, подводить обратный свод в выработке, ранее закрепленной арочкой крепью, и легко демонтировать элементы обратного свода в случае их деформации до заполнения бетоном.
Рисунок 2.
Форма свода крепи выполнена эллиптической с уменьшенным радиусов верхняка, что, как показали резальтуты испытания такой формы крепи на Октябрьском руднике и шахте "Петровская-Глубокая" в Донбассе, позволит улучшить общую устойчивость конструкии и ее работу в податливом режиме.
Таблица 3.
Отношение радиуса стоек к радиусу верхняка в зависимости от типоразмера крепи состовляет 1,17-1,35. Разность радиусов стоек и верхняка для всех сечений принята 500мм.
Для оценки экономической эффективности ограниченно-податливой крепи произведено сравнения ее стоимости со стоимостью применяющейся жесткой крепи КДЗ и КДА из двутаврового профила с бетонных заполнением. Соответствующие типоразмеры сравниваемы крепей имеют одинакомые сечения, форму и размеры в свету и различные размеры в проходке (за счет конструктивных особенностей спецпрофиля и двутавра). При сравнениии учтена стоимость по прям нормируемым затрарт прохождения и крепления выработок, настилки рельзовых путей, устройства водоотливной канавки и побелки. Результаты расчетов для замкнутых крепей МПКЗ и КДЗ (при коэффициенте крепости пород по шкале проф. М. М. Протодьяконова f=3) приведены в таблице 4 (ниже).
Таблица 4.
С учетом улучшения состояния выработок и уменьшения затрат на их поддержание эффект от применения ограниченно-податливой крепи может быть еще большим.
