Будников П. М.

Россия, Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева, кафедра строительства подземных сооружений и шахт

НОВЫЕ СПОСОБЫ КРЕПЛЕНИЯ УСТЬЕВ НАКЛОННЫХ СТВОЛОВ

Практическое использование подземных сооружений является одной из наиболее актуальных проблем, так как подземное пространство в данном случае выступает как дополнительный источник природных ресурсов. Поэтому объемы строительства капитальных горных выработок в горнодобывающей промышленности будут постоянно увеличиваться. В связи с этим повышение интенсивности труда, улучшение качества и снижение сроков подземного строительства является весьма важным. Этот аспект относится и к устьям наклонных стволов угольных шахт. Необходимо ответственно подходить к выбору формы поперечного сечения, а также конструкции крепи устья наклонных стволов [1, 2].

Наиболее важными факторами, влияющими на выбор конструкции крепи устья являются: горно-геологические условия проведения выработки; способ проведение устья наклонных стволов (открытым котлованом и горный), а также форма и размеры поперечного сечения выработки. Наибольшее распространение получила на шахтах Кузбасса арочная форма поперечного сечения наклонного ствола.

Довольно часто для крепления устьев наклонных стволов применяется монолитная железобетонная крепь с жесткой арматурой. В качестве арматуры применяют металлические рамы из двутавровых балок [3] или специального шахтного профиля, которые используются как арматурный каркас при возведении (обетонировании) железобетонной крепи [1].

Кафедрой строительства подземных сооружений и шахт разработана новая конструкция монолитной бетонной крепи для устьев наклонных стволов и получен патент на полезную модель за № 59726 [4].

Установленные на большом расстоянии друг от друга элементы металлической крепи в средней (вертикальной) части как армирующие элементы менее эффективны по сравнению с большим количеством стержней малого сечения в сетке и наружной поверхности крепи.

Крепь горной выработки состоит из покрытой сетчатой затяжкой металлической арочной крепи из спецпрофиля 1 с узлами 2 сопряжения между стойками 3 и верхняками 4, расположенными соответственно у внутренней поверхности вертикальной части и у наружной поверхности верхней криволинейной части бетонной крепи 5. Дополнительные армирующие сетки 6 и 7, не связанные между собой, установлены соответственно у внутренней поверхности криволинейной части и у наружной поверхности вертикальной части бетонной крепи 5 (см. рис. 1) [4].

Крепь устанавливается в выработке с некоторым зазором от бортов и вплотную к верхней точке устанавливают рамы металлической арочной крепи с узлами сопряжения 2 между стойками 3 и верхняками 4 и закрепляют на них сетчатую затяжку.

Затем на некотором расстоянии от забоя на рамах арочной крепи устанавливают дополнительные армирующие сетки 7 у бортов выработки и подвешивают дополнительную армирующую сетку 6 под верхняками 4.

Рисунок 1 – Монолитная железобетонная крепь с гибкой арматуры в сечении крепи: 1 – металлическая рама из СВП; 2 – узел сопряжения; 3 – стойки;
4 – верхняк; 5 – монолитный бетон; 6 – нижняя арматурная сетка:
7 – верхняя арматурная сетка

При этом верхние концы сеток 7 располагаются выше нижних концов сеток 6 (практически выше и ниже узлов сопряжений 2).

В соответствии с эпюр напряжений в крепи горной выработки (см. рис. 2) максимальные изгибающие моменты М_и возникают в середине вертикальных и криволинейных верхних частях крепи с нулевыми значениями в зоне между концами армирующих сеток 6 и 7 и узлов 2 сопряжений элементов 3 и 4 арочной металлической крепи, причем максимальные растягивающие напряжения возникают только в армирующих сетках 6 и 7, что позволяет уменьшить размер спецпрофиля и количество рам крепи.

Рисунок 2 – Эпюр напряжений в крепи горной выработки: 1 – внутренний контур крепи; 2 – изгибающие моменты М_и

Способ проведения открытым котлованом применяется в горно-геологических условиях, когда наносы представлены породами с низким углом внутреннего трения и коэффициентом устойчивости, т.е. породы не стабильны. В данном случае наиболее эффективно производить работы в открытом котловане, что соответственно снижает стоимость и продолжительность строительства.

Необходимо отметить наибольшую степень механизации работ при строительстве устья открытым способом. Это связано с тем, что при ведении работ может применяться высокопроизводительное оборудование, используемое в других областях строительного производства (экскаваторы, грейдеры, подъемные краны и др.). Примечательно, что при открытом способе возведение крепи производится проще, т.к. доступ ко всем ее элементам не ограничен пространством. Помимо этого, есть возможность устройства качественной гидроизоляции.

На основании вышеизложенного, исследований и опыта проходки предложена крепь устья наклонной горной выработки применяемая при открытом способе ведения горных работ.

Крепь устья наклонной горной выработки в наносах [5] включает слой бетона на уплотненном наклонном днище котлована отрытого до коренных пород, согласно полезной модели слой бетона размещен между установленными снизу вверх секциями опалубки, каждая из которых содержит внутреннюю и внешнюю металлические опорные рамы, соединенные между собой внутренним и внешним съемными листами опалубки.

Крепь устья наклонной горной выработки в наносах содержит секции 1 опалубки с внутренними 2 и внешними 3 металлическими опорными рамами, соединенными между собой прутковыми связями 4, на резьбовых концах которых закреплены внутренние 5 и внешние 6 съемные листы опалубки, являющиеся также продольными связями между опорными рамами 2, 3 секций 1 (см. рис. 3).

Рисунок 3 – Секция крепи опалубки перед установкой на уплотненном наклонном днище котлована: 1 – секция опалубки; 2, 3 – внутренние и внешние металлические опорные рамы; 4 – прутковые связи; 5, 6 – внешние и внутренние съемные листы опалубки; 7 – проемы

В верхней части секций 1 в листах 6 образованы проемы 7 для заливки внутрь опалубки бетона.

Секции 1 опалубки крепи устанавливают снизу вверх на уплотненное наклонное днище 8 котлована 9 (см. рис. 4 и 5) с помощью, например, башенного или портального крана, перемещающегося по горизонтальной поверхности (краны на чертеже не показаны).

Секции 1 опалубки крепи готовят на поверхности котлована 9 в специальных кондукторах с высокой точностью. Внутренние 2 и внешние 3 металлические опорные рамы из желобчатого профиля или из спецпрофиля устанавливают рядами на расчетном зависящем от величины горного давления расстоянии и соединяют сваркой прутковыми связями 4, на резьбовых концах которых закрепляют внутренние 5 и внешние 6 съемные листы опалубки с отверстиями для концов прутковых связей 4.

Таким образом, листы 5 и 6 опалубки являются продольными связями между рядами опорных рам 2, 3 секций 1 опалубки.

Количество рядов опорных рам 2, 3 в секции 1 опалубки определяется жесткостью подготовленных к транспортировке секций 1 и грузоподъемностью кранов.

Рисунок 4 – Крепь устья наклонной горной выработки в наносах в процессе установки в котловане: 1 – секция опалубки; 2, 3 – внутренние и внешние металлические опорные рамы; 7 – проемы; 8 – уплотненное наклонное днище

После установки листов 5 и 6 опалубки на торцах крайних опорных рам 2, 3 остаются несвязанные с листами 5 и 6 прутковые связи 4.

Рисунок 5 – Сечение крепи по А-А: 2, 3 – внутренние и внешние металлические опорные рамы; 8 – уплотненное наклонное днище; 9 – котлован; 10 – бетона

Первую из нижних секций 1 опалубки устанавливают вплотную к торцу котлована 9 из коренных пород. Каждую последующую секцию 1 опалубки устанавливают от ранее установленной секции 1 на расстоянии отверстий в листах 5, 6 опалубки, которые закрепляют на резьбовых концах прутковых связей 4 крайних рядов опорных рам 2 и 3.

После установки трех или четырех секций 1 опалубки через проемы 7 во внешних съемных листах 6 опалубки нагнетают бетонный раствор, образующий после набора прочности слой бетона 10, внутри которого замоноличены ряды опорных рам 2, 3 (см. рис. 5).

С определенным отставанием от установки секций 1 опалубки и заполнения их бетонным раствором листы 5 и 6 опалубки снимают, очищают и используют для изготовления других секций 1 опалубки.

Сроки возведения мощной металлобетонной крепи устьев наклонных горных выработок в наносах резко сокращаются из-за совмещения времени образования котлована, уплотнения его наклонного днища с параллельным изготовлением секций опалубки и высокой степенью механизации ее монтажа.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Технология строительства подземных сооружений. Строительство горизонтальных и наклонных выработок / И. Д. Насонов, В. И. Ресин, М. Н. Шуплик, В. А. Федюкин // учеб. для вузов. – 3-е изд., перераб. и доп. – М. : Изд-во Академии горных наук, 1998. – 317 с.

2. Каретников В. Н. Крепление капитальных и подготовительных выработок. Справочник / В. Н. Каретников, В. Б. Клейменов, А. Г. Нуждихин. – М. : Недра, 1989. – 571 с.

3. Строительство наклонных горных выработок / Н. Ф. Косарев, А. И. Копытов, В. В. Першин, М. Д. Войтов. – Кемерово : Кузбассвузиздат, 2004. – 347 с.

4. Патент РФ на полезную модель № 59726. Крепь горной выработки / Авт. М. Д. Войтов, В. В. Першин, К. В. Садыков, П. М. Будников. Опубл. 27.12.2006. Бюл. № 36.

5. Патент РФ на полезную модель № 122696 Крепь устья наклонной горной выработки в наносах / Авт. М. Д. Войтов, В. В. Першин, П. М. Будников. Опубл. 10.12.2012. Бюл. № 34.