Крепление горных выработок

Форма поперечного сечения  выработки определяется удобством  ее эксплуатации, условиями сохранения длительной ее устойчивости, материалом и конструкцией крепи и другими  факторами.

 Наиболее устойчива  круглая форма поперечного сечения  выработок с гладким контуром, но проведение ее очень трудоемко.  Поэтому круглыми делают, как  правило, выработки длительного  срока существования, в первую  очередь, вертикальные стволы, а  в слабых породах иногда и  главные откаточные горизонтальные  выработки (например, на рудниках  Никополь-Марганецкого бассейна).

 Горизонтальные и наклонные  выработки имеют, как правило,  в устойчивых породах сечения  прямоугольное или в виде свода  (рис. 8.1.б, рис. 8.2.), в недостаточно  устойчивых — трапециевидное, так  как для организации перемещения  людей и грузов необходима  плоская подошва выработок (рис  8.1.).

 Размеры поперечного  сечения выработок определяются  в зависимости от типа и  размера транспортных устройств,  величинами зазоров между оборудованием  и крепью или стенками выработки,  а в ряде случаев - необходимым  количеством воздуха, которое  требуется подать по выработке.  Скорость движения струи воздуха  по выработке регламентирована  Едиными правилами безопасности (ЕПБ) и в основных транспортных  выработках не должна превышать  8 м/с.

 Кроме того, необходимо  учитывать, что размеры поперечного  сечения выработки, особенно ее  ширина, не могут быть больше  определенной величины – допустимого  пролета, который зависит от  устойчивости окружающих пород  к обнажению. 

 Размеры выработок  принимают в соответствии с  типовыми сечениями, т.к сечения выработок стандартизованы. Площадь поперечного сечения стволов изменяется от 12 до 60 м2, что для круглого сечения соответствует диаметру ствола от 4 до 9 м.

 Правилами безопасности  предусмотрено, что главные откаточные  и вентиляционные выработки должны  иметь сечение не менее 4 м2 при металлической и деревянной крепи и не менее 3,5 м2 при бетонной крепи. Высота выработок в свету не менее 2 м от головки рельсов. При электровозной откатке с одной стороны выработки должен быть свободный проход для людей не менее 0,7 м, а с другой стороны не менее 0,25 м при металлической и деревянной крепи и не менее 0,2 м при бетонной крепи (рис.8.1 б). При конвейерном транспорте проход для людей также равен 0,7 м, а с другой стороны выработки  –  0,4 м. Расстояние от конвейерной ленты до кровли выработки не менее 0,5 м.

 Сечение выработок  при автомобильном транспортировании  показано на рис. 8.3.

 Чем длительнее срок  службы выработки, тем выше  в массиве напряжения, которые  могут вывести выработку из  строя и повлечь за собой  аварии и жертвы. Поэтому необходимо  осуществлять меры по поддержанию  выработок (крепление выработок), а так же для обеспечения  безопасных условий работ и  необходимого срока их службы.

 Поддержанием горных  выработок называют комплекс  мер, обеспечивающих рабочее состояние  выработок на заданный промежуток  времени, включающий в себя  возведение крепи и постоянный  маркшейдерский инструментальный  контроль за состоянием выработок.  Горной крепью называют специальные конструкции, возводимые в подземных выработках для сохранения необходимых размеров их поперечного сечения и предотвращения обрушения.

 Крепь горных выработок   должна удовлетворять следующим  основным техническим и экономическим   требованиям:

 • быть прочна, устойчива,  долговечна и обеспечивать рабочее  состояние выработок и безопасные  условия труда в течение всего  срока службы;

 •  иметь минимальные  затраты на изготовление, доставку, возведение и эксплуатацию;

 • не препятствовать  выполнению производственных процессов  при проведении выработок и  её эксплуатации;

 • занимать в выработке  минимальную площадь в поперечном  сечении;

 •  иметь минимальный  коэффициент аэродинамического  сопротивления.

 Горная крепь классифицируется  следующим образом:

 • по сроку службы  –  временная и постоянная;

 • по характеру  работы  –  жесткая, податливая  и шарнирная;

 • по виду материала  – металлическая, каменная, бетонная, железобетонная,  деревянная, смешанная, анкерная (штанговая), полимерная;

 • по конструктивным  признакам  –  сплошная и рамная.

 Временная крепь поддерживает  выработку лишь на некотором  расстоянии от забоя в процессе  проведения выработки и заменяется  постоянной. Она проще, легче постоянной  крепи, и на ее возведение затрачивается меньше времени. Постоянная крепь поддерживает выработку в течение всего срока ее существования.

 Крепление горных выработок  выбирается исходя из показателя  устойчивости массива и параметров  самих выработок. Первоначально  для крепления горных выработок  применялась деревянная крепь  (рис. 8.4.). Затем с увеличением  глубины разработки, а в следствии  с ухудшением горногеологических  условий, и созданием новых материалов деревянная крепь постепенно была вытеснена другими видами крепи.

 Доставочные выработки  крепят в основном анкерами  или тросами и сеткой (рис. 8.5.). Если массив подвержен выветриванию, то выработки покрываются слоем  набрызгбетона или герметиком. Для крепления выработок, которые должны сохраняться много лет, применяют крепь из монолитного, реже из сборного бетона и железобетона, причем, чем больше горное давление и чем слабее породы, тем мощнее крепь. Круглые стволы в слабых обводненных породах крепят чугунными тюбингами.

 Если кровля выработок  нарушена трещинами или имеет  слоистый характер, используют наиболее  распространенную – анкерную  крепь которая считается одной из самых прогрессивных систем крепления горных массивов.

 Анкерная крепь –  это зацементированные или заклиненные  в шпурах металлические стержни,  которые с помощью прижимной  пластины и гайки притягивают  приконтурные слои пород и более крепким породам основной кровли.

 Анкеры несут  основные функции (рис. 8.6.):

 • пристегивание слабых  пород в кровле выработки к  более прочным породам;

 • скрепление слоистых  пород в единую грузонесущую  конструкцию с      повышенным  сопротивлением изгибу;

 • повышение сил  трения между слоями пород;

 • восприятие растягивающих  напряжений в кровле выработок. 

 Часто действие этих  функций происходит одновременно, обеспечивая  надежную защиту  выработки от различных проявлений  горного давления.

 На многих горнодобывающих  предприятиях анкерная крепь  постепенно вытесняет другие  конструкции крепи горных выработок.  Особенно эффективно применение  анкерной крепи в выработках большого сечения. Существуют различные типы анкерной крепи (рис. 8.7.).

 Одними из первых  распространение получили клинощелевые анкеры (штанги) (рис. 8.8.), так как они просты, дешевы и достаточно прочны.

 Клинощелевой замок анкера (штанги) расклинивается в торце шпура, и опорная плита (шайба) закручиванием гайки прижимается к обнаженной поверхности у устья шпура, стягивая породы между замком и стенкой выработки.

 Недостатки анкеров  с клинощелевым замком:

 • необходимость соблюдения  точных длин и диаметра шпура  под анкеры;

 • невозможность повторного  использования;

 • не полностью  используется поверхность в виду  того, что расширение происходит  только у основания, образуется  пустое пространство между штангой  и стенкой шпура. 

 Учитывая эти недостатки, были разработаны новые системы  анкеров, закрепленные по всей  длине скважины, которые существенно  повышают устойчивость породного  массива и не допускают наличия  пустого пространства в шпуре.

 Железобетонная анкерная крепь (рис.8.9.) исключает наличие пустого пространства между штангой и стенкой шпура, но недостаточно эффективна на участках с развитой трещинноватостью пород. Из-за большого срока набора прочности цементным составом в условиях быстроразвивающегося горного давления и динамического воздействия взрывных работ часто нарушается сцепление состава с анкерами и породой. Это приводит к расслоениям укрепленных анкерами пород.

 Появление быстротвердеющей, прочной полимерной смолы, привело  к возникновению новой системы  анкерного крепления, со сплошным  закреплением химическими составами  на основе смол (рис.8.10.).

 Повышение эффективности  крепления пород кровли выработок  осуществляется в основном за  счет увеличения плотности установки  анкеров, что приводит к увеличению  затрат на крепление горных  выработок. Компанией «Ингерсолл-ренд» разработана оригинальная система крепления выработок и камер с использованием стальных тросов и анкеров фрикционного зацепления сплит-сет (рис. 8.11.). Армирующий элемент системы – тонкостенная стальная трубка, забиваемая в шпур с меньшим диаметром. Анкера помимо скрепления массива работают как средство натяжения троса, который помощью деревянных брусов и металлической сетки поддерживает кровлю. Система отличается простотой возведения, низкой стоимостью, податливостью и возможностью восстановления натяжения троса.

 Широкое распространение  на российских и зарубежных  рудниках получили штанги «свеллекс», разработанные фирмой «Атлас Копко» (Швеция). Это трубка, свернутая по оси для получения меньшего диаметра и запаянная по концам. Через боковое отверстие подается под давлением вода, и происходит развальцовка анкера в шпуре (рис. 8.12.).

 Система «свеллекс» получила большую популярность благодаря:

 • высокой несущей  способности;

 • быстрому вступлению  в работу;

 • простоте установки,  т.к. нет необходимости соблюдения  точного диаметра шпура (рис. 8.13.).

 Как видно из рисунка  8.13. существует определённый диапазон  диаметров шпуров при котором анкерная система «свеллекс» начинает работать и продолжает сохранять свою несущую способность.

 Компанией «Атлас Копко»  сконструированы соединительные  болты для анкерной системы  «свеллекс», что позволяет увеличивать глубину крепления пород (рис. 8.14.).

 В начале нового  столетия фирма «Атлас Копко»  соединила преимущества анкерных  болтов «свеллекс» и самозабуривающихся анкеров, сконструировав новый тип анкерной крепи (рис. 8.15.).

 По окончании бурения  шпура короткий болт «свеллекс» соединяется с одним или несколькими самозабуривающимися анкерами посредством специальной муфты. Затем конструкция устанавливается в шпур до упора.

 Затем с помощью  специального адаптера, устанавливающегося на самозабуривающемся анкере подсоединяется насос и производится закачка воды. Вода, проходя через муфту, анкер и соединительную муфту, разжимает «свеллекс». По завершении операции насос останавливается автоматически.

 На расширяющийся адаптер  подаётся крутящий момент и соединительная муфта деформируется, приняв «положение цементации».

 По окончании всех  вышеизложенных процессов к самозабуривающемуся анкеру  подсоединяется насос, подающий цементный раствор. Насос производит подачу раствора до вытекания его из шпура снаружи, что свидетельствует о завершении процесса цементации после чего автоматически останавливается.

 Одним из основных  вопросов при возведении анкерной  крепи является механизация операций  по их установке (рис. 8.16.). Установки  для возведения анкерной крепи  производят фирмы «Атлас Копко» (Швеция), «Секома» (Франция), «Сандвик Тамрок» (Финляндия), «Линден Алимак» (Швеция), «Замет» (Польша).

 Анализ перспективных  технических разработок по поддержанию  горных  выработок показывает, что  в настоящее время анкерное  упрочнение массива является  наиболее передовым и технически  оснащённым. Однако этот вид крепления   часто не отвечает повышенным  требованиям обеспечения устойчивости  горных пород. Несмотря на то, что анкерная крепь обладает  высоким сопротивлением выдергивающему  усилию, она обеспечивает надёжное  поддержание кровли выработок  только при крупной блочности массива и незначительной трещиноватости.

 Более совершенным  является упрочнение трещиноватого  массива твердеющими составами  с высокой проникающей способностью. Инъекционные способы воздействия  на свойства и состояние трещиноватого  массива горных пород находят  всё большее применение на  подземных рудниках.

 Принцип инъекционного  воздействия на массив горных  пород следующий. Вначале производят  обуривание массива шпурами по определённой сетке. Частота обуривания зависит от параметров трещин (ширины раскрытия, длинны, их числа). Затем в шпур на небольшую глубину вводят насос с плотно прилегающим наконечником к стенкам шпура и производят нагнетание инъекционного состава под высоким давлением до 10 Мпа (рис.8.17.). Продолжительность нагнетания так же зависит от параметров трещин.

 В случаях, когда  анкерная крепь или инъекционное  воздействие не отвечает требованиям  обеспечения устойчивости состояния  массива, следует уделить особое  внимание использованию этих  способов крепления в сочетании  между собой или с другими  видами крепления. 

 Применение анкерной  крепи в сочетании с инъекционным  упрочнением позволяет безопасно  сооружать выработки большой  площади сечения в слабоустойчивых,  трещиноватых породах с последующим  их креплением облегченной крепью.

 Особое внимание  уделяется  сочетанию набрызгбетон и анкер. Анкеры оказываются ненадежным средством скрепления трещеноватого массива, а   набрызгбетон может выполнять роль изолирующего покрытия и одновременно грузонесущей конструкции. Такая комбинация позволяет снизить расход материала, уменьшить поперечное сечение выработки в проходке (в более сложных условия следует изменять параметры анкерования, а не увеличивать слой набрызгбетона), увеличить скорость проведения работ. Возведение набрызгбетонной крепи в сочетании с анкерным креплением можно механизировать на 85-87%.

 Слой бетона, нанесенный  способом набрызга, обладает хорошим сцеплением с породой и высокой прочностью, в результате чего полностью реализуются несущие свойства массива. Набрызгбетон хорошо сопротивляется воздействию взрывных работ, безопасен в пожарном отношении и имеет высокие гидроизоляционные свойства. Возможность обеспечения быстрого набора прочности позволяет проводить взрывные работы уже через 3-4 часа.

 Стоит отметить, что  набрызгбетон относится к жестким видам крепи, плохо работающей на растяжение. Это приводит к ее растрескиванию, особенно в зонах влияния очистных работ. Для устранения этого недостатка в отечественной и зарубежной практике ведутся работы по использованию при набрызгбетонировании металлических, стеклотканевых и полимерных добавок – фибры.

 Фибро-бетон это бетон, армированный металлическими волокнами. Добавки в виде отрезков тонкой проволоки диаметром 0,2-1мм и длиной 2-5см обычно составляют 5-10% массы цемента. Отрезки меньшего диаметра и большей длины непригодны, так как при их добавке в смесь не обеспечивается качественное сцепление.

 В технологии нанесения  особого отличия между бетоном  и фибро-бетоном не существует. При использовании фибро-бетона рекомендуется первый слой нанести без добавок. Второй слой наносится с металлической сечкой на еще не схватившийся первый слой. Концы проволочек покрываются слоем бетона. При этом металлические добавки связывают между собой слои набрызгбетона. Использование фибры в бетоне повышают прочность бетона на 30% увеличивают прочность на растяжение на 40%, а ползучесть повышается на 20%.

 Сочетание анкерной  крепи с фибро-бетоном успешно используется за рубежом при проведении работ на больших глубинах. Такое комбинирование позволяет укреплять выработки,  при интенсивном воздействии взрывных работ и в зонах высоких динамических нагрузок.

 Использование фибро-бетона с анкерами является наиболее оптимальным видом крепления крупных подземных сооружений. При этом отсутствие закрепленного пространства и качественный контакт фибро-бетона с массивом обеспечивает их совместную работу. Такая крепь является безотказной в зоне горных ударов, обеспечивая надежную защиту выработки.

 Особое внимание уделяется  креплению горных выработок, пройденных  в слабых породах и креплению  постоянных и полупостоянных  пунктов выпуска. В данных случаях  в сочетании участвуют три и более видов крепи (рис. 8.18.).

 Такое крепление выполняется  в несколько этапов (рис.8.19.). Первоначально  производят  установку анкеров  и железобетонных тросов. Вторым  этапом монтируют стальные арки  и стальные стяжки. Третьим этапом  производят монтаж опалубки и  затем заливают бетон. Одним  из интересных решений является  заложение в железобетонную конструкцию  при заливке бетона  пластиковых  труб, в которые, после отработки  рудного тела в этой зоне, помещали  патроны ВВ и взрывали для того, чтобы в дальнейшем можно было продолжить выпуск на нижнем горизонте.

 Усложнение горно-геологических  условий: вовлечение в отработку  участков и целых месторождений  со сложной тектоникой, увеличение  глубины разработки, проявления  опасных динамических воздействий  горного давления, ведёт к необходимости  постоянно совершенствовать методы  и способы крепления горных  выработок,  а также улучшению  качества материалов, используемых  при креплении. 

© Кузьмин Е.В., Хайрутдинов М.М., Зенько Д.К.

"Основы горного дела"

Читать полностью: http://www.miningexpo.ru/useful/4925

Одной из важнейших задач  при выборе технологических схем организации работ и подборе  всего комплекса оборудования для  проведения подготовительных выработок  комбайновым способом является наиболее полное использование значительных возможностей, заложенных в конструкции  комбайна по непрерывному разрушению и погрузке горной массы в забое  выработки. Эти возможности увеличиваются  с ростом мощности исполнительного  органа, с повышением надежности и  долговечности узлов комбайна и  износостойкости инструмента, а  также с осуществлением других мероприятий, направленных на совершенствование  конструкции комбайнов.

Возможности комбайнов по разрушению горной массы в наиболее полной мере характеризуют его так называемой теоретической (или максимальной) производительностью при отделении от массива исполнительным органом горной массы в течение 1 мин непрерывной работы комбайна в забое выработки со средними условиями по крепости пород и размерам сечения, для которых по технической характеристике предназначен данный комбайн.

В действительности возможная  и фактическая производительности комбайна по разрушению горной массы  значительно меньше теоретической. Что происходит из-за технической необходимости выполнения при работе комбайна ряда вспомогательных операций, при которых прекращается разрушение забоя (как, например, замена инструмента, маневры по перемещению комбайна в забое выработки, повторная подборка разрыхленной горной массы по почве и у стен выработки, разрушение крупных кусков угля и породы), а также выполнения других операций, связанных с конструкцией комбайна.

Кроме технологически необходимых  затрат времени на вспомогательные  операции, определяемые конструктивными  особенностями самого комбайна, имеют  место и прямые потери рабочего времени  комбайна из-за перерывов по различным  причинам, определяемым уровнем механизации  остальных процессов проходческого  цикла и общей организацией и  технологией производства работ  по проведению выработки, а также  другими организационными причинами. Причинами перерывов могут быть подготовительно-заключительные операции в начале и конце смены, смена  вагонеток, удлинение транспортных, энергетических и вентиляционных коммуникаций, установка постоянной крепи и  др.

Общая продолжительность  цикла, приходящаяся на 1 м3 выработки  вчерне, составила 12,8 мин, продолжительность  основной операции по выемке горной массы  — 2 мин, при этом коэффициент использования  комбайна составлял 0,156.

Приведенная структура затрат времени проходческого цикла  характерна для большинства выработок, которые проводят комбайнами, и потому может быть представительной для  оценки эффективности различных путей повышения производительности комбайна.

Технологические возможности  комбайна позволяют осуществлять почти  непрерывное производство работ  по извлечению горной массы из забоя  выработки с остановками только для профилактического осмотра  и ремонта, смены режущего инструмента. Уровень механизации и организации  работ во всех остальных процессах  горнопроходческого цикла должен обеспечивать высокопроизводительную работу комбайна на протяжении всей смены. Поэтому оборудование средств механизации остальных процессов горнопроходческого цикла, составляющих с комбайном единый технологический комплекс по проведению выработки, по своей производительности должно позволять с определенным резервом максимально использовать теоретическую производительность комбайна и так сочетаться в общей технологической цепи производства работ по проведению выработок, чтобы свести до минимума перерывы в подви-гании забоя выработки.

Исходя из указанного, можно  определить следующие положения, которыми следует руководствоваться при  выборе оборудования для выполнения всех остальных процессов при  проведении выработок комбайнами.

Непременным условием высокопроизводительной работы комбайна является опережающая  производительность призабойных транспортных средств и возможность их непрерывной работы. В наибольшей мере при комбайновом способе проведения выработок этому условию соответствует не рельсовый, а конвейерный транспорт горной массы. В связи с тем что комбайн способен разрушать породы с коэффициентом крепости /, не превышающим б, многие типы конвейеров могут быть использованы для этих целей. При этом имеется в виду, что комбайн непосредственно грузит горную массу на конвейер, а доставку в забой материалов и оборудования осуществляют по рельсовому или подвесному монорельсовому пути.

В случае отсутствия в выработке  конвейерного транспорта и наличия  только рельсового пути погрузку горной массы целесообразно осуществлять с помощью специальных перегружателей, позволяющих производить загрузку вагонеток партиями в нерасцепленном состоянии. С маневрами по смене груженого состава необходимо совмещать другие неизбежные перерывы в работе комбайна, связанные с заменой инструмента.

Погрузка горной массы  проходческим комбайном в одиночные  вагонетки, как правило, неприменима, так как резко снижает производительность комбайна, и, кроме того, необходимость  замены загруженных вагонеток значительно  повышает трудоемкость работ по проведению выработки.

Особенно большое значение для более полного использования  комбайна имеют правильная организация  работ по возведению крепи и средства механизации этих работ. Комбайновая  проходка в основном распространена в выработках, которые проводят по углю, а также по смешанным углепородным забоям с присечкой пород крепостью / до 6, к которым большей частью относятся двухпутные выемочные откаточные или вентиляционные штреки протяженностью более 500 м.

Как указывалось выше, в  качестве постоянной крепи в этих выработках в большинстве случаев  применяют металлическую, арочную  из спецпрофиля, рамную смешанную из железобетонных трубчатых стоек и металлических верхняков, анкерную, деревянную рамную и различные виды бетонной крепи. Из перечисленных видов крепи в наибольшей мере может быть механизировано и наименее трудоемко возведение анкерной крепи.

Гидрофицированная металлическая передвижная крепь, находясь над комбайном, обеспечивает проходческой бригаде полную безопасность работ в призабойной части выработок и позволяет возводить постоянную крепь, производить затяжку кровли и боков выработки механизированным способом вне забойной части выработки и максимально совмещать эти процессы с работой комбайна по выемке горной массы.

В настоящее время создаются  несколько проходческих комбайновых  комплексов, которые включают в различных  сочетаниях разные типы комбайнов и  оборудования для механизации призабойно-транспортных операций, возведения крепи и других работ. Эти комплексы применительно к различным горно-геологическим и производственным условиям по мощности и углу падения пластов, крепости пород, сечению, протяженности и направленности выработок более полно и согласованно механизируют основные и вспомогательные процессы по проведению выработок и в значительной степени позволяют повысить коэффициент использования, а следовательно, и эксплуатационную производительность комбайнов, а также улучшить другие технико-экономические показатели проведения выработок комбайнами.

Эффективность применения технологических  схем с использованием проходческих комбайнов определяется большим  количеством факторов, в том числе  физико-механическими свойствами боковых  пород, и их сочетанием в сечении  проводимой выработки, расходом режущего инструмента, численным составом проходческой бригады, сечением проводимой выработки, плотностью возводимой постоянной крепи, скоростью проведения, длиной выработки  и объемом работ, выполняемым  комбайном за один год.

Для оценки эффективности  применения проходческих комбайнов  наряду с такими показателями, как  трудоемкость и скорость проведения выработки, необходимо учитывать и  приведенные затраты на проведение 1 м выработки.

Исследования, выполненные  специалистами ДонУГИ, показывают, что приведенные затраты на проведение подготовительных выработок в значительной степени зависят от затрат труда и объема проведения выработок, приходящихся на один комбайн в год.

Технологические схемы проведения выработок комбайновым способом с учетом средств механизации  других процессов могут быть разделены  на четыре группы:

•          технологические схемы проведения выработок комбайнами с погрузкой  горной массы на конвейер;

•          технологические схемы проведения выработок комбайнами с погрузкой  горной массы в вагонетки;

•          технологические схемы проведения выработок комбайнами' с погрузкой  горной массы в самоходные вагоны и погрузочно-доставочные машины (ПДМ);

•          технологические схемы проведения выработок комбайновыми комплексами.

При проведении выработок  по технологическим схемам, например, первой группы используют следующее  проходческое оборудование: