Принципы и способы управления горным давлением при очистных работах
Основная часть (170 минут)
Вопрос №1 – «Общие сведения о горном давлении. Крепи капитальных и подготовительных горных выработок». (20 минут)
Трудность обеспечения сохранности открытого пространства (полости обнажения) в горном массиве при очистных работах зависит от следующих основных факторов:
- от устойчивости к обрушению массивов руды и вмещающих горных пород;
- размеров свободной, не заполненной горными породами подземной полости в горном массиве;
- времени, на которое должна быть обеспечена сохранность этой полости;
- способа образования подземной полости;
- способа поддержания очистного пространства;
- направления и порядка развития горных работ.
Первый влияющий фактор обычно связывают с крепостью и трещиноватостью массивов полезного ископаемого и вмещающих горных пород: чем крепче горный массив, тем легче в нём сохранить свободное пространство.
| Область информации |
Существуют принципиальные способы управления горным давлением при очистных работах, или, что по характеру работ то же самое, — поддержания очистного пространства, которые выполняются за счёт:
- использования естественной устойчивости и несущей способности массивов руды и вмещающих горных пород;
- периодического обрушения части подработанного массива вмещающих горных пород в выработанное пространство;
- заполнения выработанного пространства породной массой (закладкой) или как вариант заполнения — льдом (ледовая закладка);
- временного оставления в выработанном пространстве отбитой рудной массы (магазинирование руды);
- применения различных видов специальных крепей;
- упрочнения (омоноличивания) проблемных частей массива горных пород в очистном пространстве.
| Область информации |
Общая теория горного давления изучается в учебной дисциплине «Геомеханика». В ней рассматриваются физическая сущность явления горного давления, вопросы управления состоянием горных массивов в границах рудничного поля и инженерные методы управления геомеханическими процессами для шахты или рудника в целом, а также для примыкающих к нему территорий.
Горной крепью называют специальные конструкции, возводимые в подземных выработках для сохранения необходимых размеров их поперечного сечения и предотвращения обрушения.
Вопрос №2 – «Классификационные признаки горных крепей». (20 минут)
Классификация горных крепей
| По сроку службы |
| Временные |
| Постоянные |
| По характеру работы |
| Жесткие |
| Податливые |
| Шарнирные |
| По виду материала |
| Металлические |
| Каменные |
| Бетонные |
| Железобетонные |
| Деревянные |
| Смешанные |
| Анкерные (штанговые) |
| Полимерные |
| По конструктивным признакам |
| Сплошные |
| Рамные |
Форма, размеры горных выработок и виды крепей
Форма поперечного сечения выработки определяется удобством ее эксплуатации, условиями сохранения длительной 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.
Горизонтальные и наклонные выработки имеют, как правило, в устойчивых породах, сечения прямоугольные или в виде свода, в недостаточно устойчивых — трапециевидные, так как для перемещения людей и грузов необходима плоская подошва выработок.
Размеры поперечного сечения выработок определяются в зависимости от типа и размеров 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, по условию пылеобразования.
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 м2 до 60 м2, что для круглого сечения соответствует диаметру ствола от 4 м до 9 м.
| При щелчке мыши возможность перейти в область просмотра (рис.8) |
Поперечные сечения выработок:
а — трапециевидное; б — прямоугольно-сводчатое
Транспортные выработки при автомобильной откатке: а — поперечное сечение выработки, б — перегрузочный пункт.
Вопрос №3 – «Основные виды крепи капитальных и подготовительных горных выработок (деревянная, железобетонная, металлическая, анкерная и пр.). Крепь сопряжений». (100 минут)
Временные горные крепи
Временная крепь поддерживает выработку на некотором расстоянии от забоя в процессе проведения выработки и через короткий период времени заменяется постоянной крепью. Она проще, легче постоянной крепи, и на ее возведение затрачивается меньше времени.
Постоянные горные крепи
Постоянная крепь поддерживает выработку в течение всего срока ее существования.
Жесткие горные крепи
Крепь не обладающая податливостью.
Жесткая горная крепь
| Область информации |
Податливая крепь - горная крепь, имеющая конструктивные элементы (узлы) податливости, позволяющие сохранять несущую способность крепи при значительных изменениях её размеров вследствие смещения пород на контуре выработки.
Податливые крепи применяют в выработках, испытывающих влияние очистных работ, а также, при отсутствии их влияния, в выработках, пройденных по породам средней устойчивости и неустойчивым.
В одном из первых видов горной крепи (деревянной) элементами податливости служили клинья и прокладки, размещаемые над стойками, а также сминающиеся концы верхняков крепёжных рам или внедряющиеся в мягкую почву концы стоек.
В арочных крепях с элементами из стального проката первоначально применяли податливые опоры в виде башмаков различной конструкции (например, из труб, в которые забивали дубовые пробки). В современных типах такой податливой крепи выполняется податливое соединение внахлёстку элементов крепи со стяжкой их соединительными хомутами.
В гидрофицированной податливой крепи податливость достигается за счёт опускания выдвижной части гидравлических стоек при срабатывании предохранительного клапана. В блочной крепи элементами податливости служат сминающиеся прокладки, в двухслойной крепи — сминающийся податливый наружный слой. В анкерной податливой крепи узлы податливости, обеспечивающие удлинение анкерного стержня при смещении горных пород, размещают либо в скважине, либо у её устья. В современных конструкциях анкеров такой податливый элемент — участок стержня, выполненный из металла, обладающего повышенной деформативностью (хромоникелевая сталь).
| Область информации |
Сопротивление податливой крепи в начальный момент срабатывания податливости называется её начальным сопротивлением (для предотвращения расслоения горных пород оно должно быть не меньше 50-70% рабочего), а среднее значение максимального допустимого его значения — номинальным рабочим сопротивлением.
Податливая крепь
| Область информации |
Шарнирная крепь - сборная крепь, элементы которой состыкованы шарнирно и могут перемещаться относительно друг друга вокруг оси шарнира без нарушения работоспособности и несущей способности крепи. Шарнирные стыки в такой крепи не воспринимают и не передают изгибающие моменты, поэтому элементы крепи, имеющие сравнительно небольшую длину, работают главным образом на сжатие и лишь в незначительной степени на изгиб, вследствие чего элементы шарнирной крепи могут быть выполнены более лёгкими и дешёвыми по сравнению с элементами жёсткой крепи при той же несущей способности в целом. Чем больше количество элементов в шарнирной крепи, тем меньше длина элементов и лучше условия работы её на изгиб. Однако увеличение количества шарниров отрицательно сказывается на устойчивости крепи, удорожает её и затрудняет монтаж, поэтому шарнирные незамкнутые крепи в большинстве случаев состоят из 3-5 (в редких случаях большего количества) элементов. При небольших смещениях боковых пород в шарнирно-арочных, панельных, блочных и тюбинговых крепях наибольшее распространение получили шарнирные сопряжения элементов по цилиндрическим поверхностям. В этом случае каждый элемент в торцевой части имеет с одной стороны цилиндрическую выпуклость, с другой — выемку с немного большим радиусом кривизны.
При значительных смещениях боковых пород применяют более устойчивые шарнирно-болтовые соединения, в которых растягивающие усилия воспринимаются болтами, а сжимающие и боковые — соответствующими опорными поверхностями шарниров.
Шарнирная крепь
| Область информации |
Металлическая рамная крепь вследствие высокой прочности, долговечности и огнестойкости получила широкое распространение на угольных шахтах. На рудниках и геологоразведочных работах эта крепь применяется значительно реже — только в сложных горно-геологических условиях и при высоком горном давлении. Стоимость металлической крепи выше, чем деревянной. При проведении разведочных выработок иногда применяют арочную податливую крепь (АП), состоящую из трех сегментов специального шахтного проката: верхнего (арка) и двух боковых (стойки). Эту крепь можно применять в выработках с углом наклона до 25° при значительном горном давлении. Концы арки 1 накладывают на стойки 2 (на 40 см) и место соединения стягивают хомутами 3 при помощи гаек 4. Податливость крепи обеспечивается за счет смещения стоек на величину 300—350 мм. Стойки 2 опираются на деревянные лежни 5 и опорные плиты 6. При скальных породах стойки устанавливают в лунки. Для обеспечения устойчивости рамы по оси выработки соединяются между собой стяжками 7 из старых рельсов или другого стального проката, которые крепят к раме скобами (узел III).
Однако металлическая крепь дороже деревянной и более трудоемка при возведении. Поэтому выбор крепи в этих условиях может быть окончательно решен только технико-экономическим расчетом.
Доставочные выработки крепят в основном анкерами, или в сочетании с тросами и сеткой. Если массив подвержен выветриванию, то выработки дополнительно покрываются слоем набрызгбетона или герметика. 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 очистных выработок нарушена трещинами или имеет слоистый характер, используют анкерную крепь, которая считается одной из самых прогрессивных систем крепления горных массивов
Арочная податливая крепь
1-концы арки; 2-стойки; 3-хомуты; 4-гайки;5-деревянные лежни; 6-опорные плиты; 7-стяжки
| Область информации |
Каменная крепь - горная крепь из горных пород или искусственных материалов (кирпич, бетонные и литые шлаковые камни). Применяют в вертикальных, наклонных и горизонтальных выработках с длительным сроком службы при значительном горном давлении. При сплошной каменной крепи поверхность выработки перекрыта полностью каменной кладкой. Промежутки между арками закреплены затяжками. B горизонтальных выработках перекрытию каменной крепи придают сводчатую форму, а стенкам - прямолинейную или криволинейную (при боковом давлении). При наличии давления со стороны пород почвы выработки каменную крепь сооружают замкнутой формы. Каменную крепь связывают с боковыми породами путём забутовки закрепного пространства бетоном или мелкой породой на растворе. B горизонтальных выработках чаще всего применяют каменную крепь из бетонного камня co сводчатым перекрытием и прямыми стенами (бетонная крепь). Толщина крепи (свода и стен) 30-50 см, фундаменты заглубляют в почву выработки на 70-30 см, а со стороны водоотводной канавы - на 50-70 см. Для кладки прямых стен применяют прямоугольные бетониты, для сооружения крепи криволинейной формы - клиновидные. Масса бетонитов от 20 до 45 кг. Несущая способность сплошной цилиндрической бетонитовой каменной крепи до 17,5 МПa. Каменную крепь возводят постепенно, участками по мере проходки выработки. По длине выработки через 10-20 м в каменной крепи устраивают осадочные швы. B выработках c углом наклона свыше 10° сооружают ступенчатые фундаменты крепи (с выступом ступени 0,4-1 м). B вертикальных выработках каменная крепь представляет собой сплошной цилиндр из камней, выложенных горизонтальными рядами. Толщина кирпичной крепи (в зависимости от свойств пород, диаметра и глубины ствола) 1-2,5 кирпича (25-75 см), бетонитовой крепи равна длине бетонита (обычно 40 см). Опорные венцы при каменной крепи делают из монолитного бетона.
Достоинство каменной крепи - способность воспринимать давление горных пород сразу после возведения, однако наличие большого числа швов снижает прочность и монолитность крепи. Возведение каменной крепи связано с трудоёмким ручным трудом, в результате чего этот вид крепи применяют редко.
| Область информации |
Бетонная крепь — сплошная горная крепь, выполненная из бетона и возводимая с помощью опалубки. Применяют для крепления капитальных горизонтальных, наклонных и вертикальных выработок со сроком службы 10 лет и более и установившимся равномерно распределённым горным давлением. В выработках с углом наклона до 40° и коэффициентом крепости вмещающих пород f = 3-9 используют бетонные крепи с вертикальными стенками и сводчатым перекрытием, в породах f = 1-2, а также при всестороннем горном давлении и пучащей почве, крепи выполняют замкнутыми, с обратным сводом:
При горном давлении, достигающем 490 кПа, а также в выработках с углом наклона более 75° бетонные крепи придают круглую или овальную форму и снабжают коническими опорными венцами, устанавливаемыми, как правило, через каждые 30-60 м. Бетонные крепи возводят обычно с некоторым отставанием от забоя (в породах с f = 0,4-1,5 не более 3 м; с f = 1,5-9 не более 20 м), причём в наклонных и вертикальных выработках — звеньями снизу вверх. Участок между забоем и местом возведения бетонных крепей поддерживают временной крепью.
Основные операции возведения бетонной крепи: приготовление бетонной смеси, доставка её к месту работ, сооружение опалубки, подача, распределение и уплотнение смеси в опалубке. В выработках с постоянным сечением и большой протяжённостью применяют, как правило, передвижную или инвентарную сборно-разборную металлическую опалубку. Бетонную смесь готовят главным образом централизованно на поверхности, доставляя к месту укладки в специальных контейнерах или по трубам, а за опалубку укладывают механизированным способом с помощью бетоноукладчиков.
Толщина бетонной крепи зависит от размеров выработки и крепости пород. В горизонтальных и наклонных выработках толщина свода в замке — не менее 17 см, стены — не менее 20 см, в вертикальных выработках толщина стены не менее 30 см. Расход бетона на 1 м горизонтальных и наклонных выработок 1,52-8,42 м3.
Бетонная крепь – шахта Подмосковная.
Бетонная крепь
Деревянные горные крепи
Крепление горных выработок выбирается исходя из показателя устойчивости массива и параметров самих выработок. Первоначально для крепления горных выработок применялась деревянная крепь. Затем с увеличением глубины разработки, а также вследствие ухудшения горногеологических условий деревянная крепь постепенно была вытеснена другими видами крепи.
Анкерные (штанговые) горные крепи
Анкерная крепь — это зацементированные или заклиненные в шпурах металлические стержни, которые пристегивают приконтурные слои пород к более крепким породам основной кровли.
| Область информации |
-пристегивание слабых пород непосредственной кровли выработки к более прочным породам основной кровли;
-скрепление слоистых пород в единую грузонесущую конструкцию с повышенным сопротивлением изгибу;
-повышение сил трения между слоями пород;
-восприятие растягивающих напряжений в кровле выработок.
Часто эти функции выполняются одновременно, обеспечивая надежную защиту выработки от различных проявлений горного давления.
На многих горнодобывающих предприятиях анкерная крепь постепенно вытесняет другие виды крепления горных выработок.
Тюбинговая крепь
В сложных горно-геологических условиях, а также в тех случаях, когда необходимо, чтобы крепь воспринимала нагрузку сразу же после ее возведения, применяют чугунные или (реже) железобетонные тюбинги. Из тюбингов составляют кольца крепи, а из колец — сплошной металлический или железобетонный цилиндр крепи ствола.
В тюбингах сегменты 1 окаймлены по периметру двумя круговыми 2 и двумя радиальными 3 ребрами с отверстиями 4 для соединения смежных тюбингов. На внутренней (а иногда и на внешней) стороне сегмента располагают вертикальные и горизонтальные ребра жесткости.
Чугунные тюбинги выпускают для стволов диаметром в свету 6—9 м; число тюбингов в кольце 11—17; толщина стенок и ребер тюбинга (d) 20—80 мм, масса 750—2700 кг.
Высота железобетонного тюбинга 1000—1200 мм, толщина ребер 250—350 мм; масса 600—1500 кг.
В каждом тюбинге имеется отверстие для нагнетания через него цементного раствора за крепь. Тюбинги устанавливают по вертикали сверху вниз по мере проходки ствола (реже — снизу вверх).
При возведении крепи сверху вниз тюбинги подвешивают на тросах к ранее установленной крепи с помощью тихоходных лебедок. Тросы продевают через крайние отверстия в тюбингах, уже подвешенном к крепи и подвешиваемом. Подведенный на тросах к стенке ствола тюбинг крепят болтами, устанавливаемыми в средние отверстия, после чего убирают тросы и устанавливают болты в крайних отверстиях. После навески нескольких колец заделывают щели между нижним кольцом и стенками ствола и производят подачу быстросхватывающегося цементного раствора через отверстия в тюбингах.
Крепление бетонитами применяют в тех же условиях, что и бетонную крепь, но без возведения опалубки.
Чугунные (а) и железобетонные (б) тюбинги и схема их установки в стволе (в)
Сплошные горные крепи
Сплошная крепь — горная крепь, непрерывно перекрывающая поверхность выработки в продольном направлении. Выполняется как монолитная конструкция (бетонная, железобетонная крепи) либо сборная из отдельных однотипных элементов, установленных вплотную друг к другу (блочная, панельная,тюбинговая крепи, искусственные и естественные камни). В горизонтальных и наклонных выработках сплошная крепь может быть незамкнутой и замкнутой, в выработках с углом наклона 45° и более имеет только замкнутую конструкцию обычно цилиндрического очертания. Применяется как во вскрывающих, так и подготовительных выработках
Рамные горные крепи
Рамная крепь — горная крепь, состоящая из крепёжных рам, устанавливаемых в выработке на некотором расстоянии друг от друга или вплотную. Применяется для крепления капитальных, подготовительных, нарезных и очистных выработок обычно в сочетании с межрамным ограждением, перекрывающим промежутки между крепёжными рамами.
Рамную крепь классифицируют по виду материала, из которого изготовлены крепёжные рамы (металлические, железобетонные, деревянные, смешанные), по форме их контура (арочные, трапециевидные, кольцевые и т.д.) и другим признакам. На современных шахтах наиболее распространена металлическая рамная крепь из специальных профилей: широкополочных, двутавровых, желобчатых, колоколообразных, а также сварных коробчатых. Необходимая для заданных условий поддержания выработок несущая способность рамной крепи обеспечивается за счёт изменения расстояния между крепёжными рамами — от 0,3 до 1,3 м, а также подбора соответствующих типоразмеров профилей проката (для металлической крепи). В связи с увеличивающимися сечениями горных выработок и ухудшающимися условиями их поддержания при углублении горных работ наметилась тенденция к применению в металлических рамных крепях профилей тяжёлого типа массой 44 кг/м и более, изготовляемых из стали высокого качества.
Для механизации процесса возведения рамной крепи используют навесные приспособления, устанавливаемые на проходческих комбайнах, а также подвесные самоходные крепеустановщики. Несмотря на это, рамные крепи мало приспособлены для механизированного возведения. Коэффициент механизации крепления при применении крепеустановщиков (отношение объёма механизируемых работ к общему объёму работ по креплению), например для арочных крепей, не превышает 0,15-0,2. Важным составным элементом рамной крепи в капитальных и подготовительных выработках является забутовка — куски породы, закладываемые за крепь вручную, или быстротвердеющие растворы на гидравлических вяжущих материалах, укладываемые в закрепное пространство механизированным способом (пневматическим или гидромеханическим). При механизированном заполнении закреплённого пространства функциональные возможности рамной крепи значительно повышаются, её деформация при давлении горных пород уменьшается, поэтому эта технология получает распространение.
Вопрос №4 – «Общие понятия о технологии возведения». (30 минут)