Файл: Бетонная крепь, технология и механизация ее возведения..pdf

ограничители из спецпрофиля. В существующих кре­ пях стойки с обратным сводом соединяются жестко фик­ сированной конструкцией из торцевых планок толщиной 20 мм на болтах. Опыт применения этого соединения в ряде шахт показал, что оно не является лучшим, так как требует высокой точности изготовления крепи, кото­ рая в условиях существующей технологии не всегда воз­ можна.

В связи с этим разработана плавающая конструкция соединения стоек с обратным сводом с помощью угло­ вого звена (см. рис. 6), позволяющая правильно соби­ рать крепь при наличии некоторых неточностей ее изго­ товления, устанавливать элемент обратного свода, когда выработка закреплена арочной крепью, упростить сбор­ ку крепи.

Для повышения устойчивости форма свода крепи принята эллиптической с уменьшенным радиусом верхняка. Отношение радиуса стоек к радиусу верхняка в зависимости от величины сечения крепи составляет от 1,17 до 1,35. Разность радиусов стоек и верхняков при­ нята 500 мм для всех сечений. На основе практического опыта предполагается, что увеличенная кривизна верх­ няков в комплексе с улучшенной конструкцией податли­ вых замков и плавающим соединением стоек с обратным сводом позволят повысить работоспособность металло­ конструкции в податливом режиме, а расположение спецпрофиля днищем в сторону пород обеспечит необ­ ходимое для совместной работы схватывание его с бе­ тоном.

Затяжка крепи предусматривается металлической сеткой, устанавливаемой в боках и кровле выработки. Затяжка обратного свода крепи не предусматривается.

Такая конструкция в виде металлических рам с за­ данной величиной конструктивной податливости уста­ навливается непосредственно у груди забоя и первона­ чально работает в податливом режиме, что исключает ее деформацию. Бетонируют металлокрепь на расстоянии 30—50 м от забоя за зоной интенсивных смещений по­ род. Бетон укладывается механизированным способом с помощью бетоноукладчиков.

Ограниченно податливая крепь из спецпрофиля с бе­ тонным заполнением предназначена для крепления капи­ тальных одно- и двухпутевых выработок околоствольных

54

дворов глубоких шахт, проводимых в сложных горно­ геологических условиях с пределом прочности пород на сжатие 300—800 кГ/см2 при смещениях контура пород до 300—350 мм. В настоящее время для крепления та­ ких выработок служит жесткая двутавровая крепь с бе­ тонным заполнением. Опыт показывает, что замена су­ ществующей двутавровой крепи ограниченно податливой крепью из спецпрофиля в бетоне даст существенный эко­ номический эффект, не ухудшая состояния выработки.

Для экономической оценки разработанной крепи сравнили ее с существующей двутавровой крепью, при­ нятой в проекте шахты «Южно-Донбасская» № 3 ком­ бината «Донецкуголь».

интенсивным смещениям. По горно-геологическим усло­ виям околоствольные дворы указанной шахты подходят для применения разработанной ограниченно податливой крепи.

Расчеты показали, что с применением предлагаемой крепи стоимость околоствольных дворов только одной шахты «Южно-Донбасская» № 3 можно уменьшить на 773,4 тыс. руб., или на 15,5% по капитальным затра­ там. С учетом улучшения состояния выработок и умень­

Принципиальная схема двухслойной крепи

Требования, предъявлямые к крепи в глубоких шах­ тах, затрудняют использование монолитного бетона в традиционных конструкциях. Для крепления выработок в неустойчивых породах перспективна двухслойная мо­ нолитная податливая крепь, разработанная ДонУГИ

1 Глава написана авторами совместно с инж. А. С. Кальянцем.

Рис. 8. Компрессионная характеристика Р ы сечения выра- карбамидного пенопласта ботки в свету ос­

таются неизмен­ ными. Несущая способность такой крепи при работе

вподатливом режиме определяется сопротивлением

ческие свойства пеноматериала позволяют использовать его в качестве временной крепи, то фактическую подат­ ливость конструкции можно изменять в широком диапа-

56

зоне, варьируя не только толщиной демпферного слоя, но и длительностью промежутка времени между нане­ сением пенопласта и возведением основной грузонесущей оболочки. Последнее становится возможным при большой деформативности пеноматериала, если он в со­ стоянии воспринимать смещения контура пород выра­ ботки без нарушения сплошности и грузонесущей спо­ собности.

При расчете двухслойной крепи и подборе материа­ лов для нее следует учитывать, что прочностные харак­ теристики податливой и несущей оболочек должны на­ ходиться в определенном соотношении, обеспечивающем заданный, оптимальный режим работы крепи в целом. Так, если прочность пеноматериала будет больше мак­ симально допустимой нагрузки на несущую конструк­ цию, то последняя разрушится или будет работать в жестком режиме. В то же время прочность демпферно­ го слоя на сжатие не должна быть намного меньше не­ сущей способности бетонной оболочки, так как в про­ тивном случае работоспособность несущей части крепи не будет полностью использована. Таким образом, необ­ ходимо, чтобы податливый слой деформировался по мере смещения контура пород выработки от нагрузки, не пре­ вышающей прочности бетонной конструкции с учетом нарастания прочностных свойств бетона. В процессе ра­ боты крепи предел прочности демпферного слоя должен быть только немногим меньше несущей способности бе­ тонной крепи.

Разработка конструкции и лабораторные исследования крепи

В качестве материала податливого слоя можно ис­ пользовать вспененные пластмассы и различные виды пеногазобетонов. Однако пенопласты, обладающие удач­ ными деформационно-прочностными характеристиками, предпочтительнее хрупких и более прочных газобетонов. Для использования в податливом слое крепи рассматри­ вались и оценивались пенополиуретановый, фенольнорезольный и карбамидный пенопласты.

Пенополиуретан широко применяется для различных изоляционных покрытий перемычек, заполнения пустот в шахтах и др. Для создания вентиляционных уплотнений

57

в бутовых полосах и заполнения пустот в выработках служит фенольно-резольный пенопласт (ФРП) .

ВНИИИГД разработаны рецептуры безусадочных карбамидных пенопластов и промышленная установка УППД для их образования и нанесения на стенки вы­ работки методом набрызга. Характеристики пенопла­ стов, которыми пользуются в шахтах, представлены в табл. 12.

Из таблицы видно, что пенополиуретан обладает лучшими техническими данными и отвечает требовани­ ям, предъявляемым к демпферному слою крепи. Кроме

58

того, имеется достаточно надежное оборудование для набрызга пенополиуретана. Но он весьма дорогой (осо­ бенно его нетоксичные и малотоксичные композиции) и дефицитный.

Исходные компоненты фенольно-резольного пенопла­ ста дешевые, недефицитные и практически малотоксич­ ны. Однако у этого пенопласта малая прочность на сжатие, что резко снижает работоспособность крепи в податливом режиме. Его только укладывают на опалуб­

Он сравнительно недорогой и недефицитен, легко нано­ сится методом набрызга, нетоксичен (через 30—50 мин

пенопласта—длительный срок набора проектной проч­ ности (2—3 сут), что делает его малопригодным в каче­ стве временной крепи в неустойчивых породах. В ре­ зультате технико-экономического анализа пенопластов можно сделать вывод о целесообразности применения карбамидного пенопласта в качестве материала для по­ датливого слоя крепи.

Процесс взаимодействия крепи с вмещающим выра­ ботку массивом заключается, главным образом, в сдав­ ливании несущей конструкции, обусловленном смеще­ ниями породного контура. Для упрощения расчетов кре­ пи при составлении расчетной схемы можно пользовать­ ся искусственным приемом замены фактического взаи­ модействия— эквивалентным, т. е. действие массива на крепь заменить эквивалентной нагрузкой, распределение которой по контуру обусловливается горно-геологически­ ми условиями заложения выработки и деформационнопрочностными свойствами крепи.

Строгий расчет крепи с учетом отпора пород, ослож­ ненный непостоянством нагрузки, весьма трудоемок. Для практических расчетов такой сложной конструкции, как двухслойная крепь, было решено разработать эмпириче­ ский метод, основанный на результатах статистической обработки представительного числа испытаний крепи с варьированием наиболее характерных параметров. С

59

учетом последнего положения проведена проверка рабо­ тоспособности и разработана методика проектирования двухслойной крепи.

Испытывать крепи в натуральную величину на стен­ де из-за чрезмерной трудоемкости нецелесообразно, а небольшой масштаб моделирования более дешев и удо­ бен для множества испытаний, которые в силу статисти­ ческих закономерностей гораздо представительнее, чем отдельные испытания конструкции в натуральную вели­ чину. Поэтому испытания проводились на стенде с мо­ делями крепей, выполненными в масштабе 1:20.

Методика исследования и экспериментальный стенд разработаны на основе теории подобия и размерностей [40]. В основе моделирования принято, что необходи­ мым и достаточным условием подобия двух явлений бу­ дет постоянство значений безразмерных комбинаций, образующих базу. Иначе говоря, для выполнения усло­ вия подобия необходимо, чтобы безразмерные комбина­ ции параметров модели и натуры были равны между собой. Параметры, определяющие состояние двух­ слойной крепи при ее нагружении, приведены в табл. 13.

Т а б л и ц а 13. Параметры, определяющие состояние крепи

Из этих семи параметров при двух независимых пе­ ременных (К—сила и L — линейный размер) можно со­ ставить пять безразмерных комбинаций:

60