Горная крепь

Горные крепи подразделяют:

• по назначению и виду выработок, где крепь применяют, – на крепи капитальных, подготовительных и очистных выработок, крепи горизонтальных, наклонных и вертикальных выработок, крепи сопряжений и пересечений выработок;
• по основному (преобладающему) материалу, из которого изготовлена горная крепь, – на металлическую, деревянную, каменную, железобетонную, бетонную, полимерную.

Выделяют также смешанные горные крепи – изготовленные из двух и более разнородных материалов, без значительного преобладания одного из них (например, рама из деревянных или железобетонных стоек с металлическим верхняком). По рабочей характеристике различают жёсткие и податливые крепи; по характеру взаимодействия с окружающими породами – поддерживающую, подпорную, ограждающую, изолирующую, упрочняющую крепи, а также комбинированную крепь, обладающую свойствами нескольких перечисленных типов горной крепи.

В свою очередь, горные крепи капитальных и подготовительных выработок подразделяют:

• по сроку службы – на временные и постоянные (постоянную крепь тоннелей различного назначения и подземных помещений камерного типа принято называть обделкой);
• по форме очертания – на прямоугольную, трапециевидную, полигональную, бочкообразную, сводчатую, кольцевую;
• по степени перекрытия периметра сечения выработки – на замкнутую и незамкнутую;
• по конструктивному исполнению – на сплошную, рамную и анкерную. Рамную и анкерную горные крепи обычно применяют в сочетании с межрамным ограждением.

По способу изготовления и возведения различают сборную и монолитную горную крепь.

Горные крепи очистных забоев делятся: по конструктивному исполнению – на индивидуальную, механизированную и щитовую. По выполняемой функции – на призабойную и посадочную.

Основные требования, предъявляемые к конструкциям горной крепи:

• податливость системы «порода – крепь» при поддержании горных выработок в неустойчивых породах;
• криволинейность очертания, обеспечивающая высокое сопротивление конструкции за счёт уменьшения изгибающих моментов и растягивающих напряжений.

Кроме того, горная крепь подземных помещений камерного типа (в том числе тоннелей) должна:

• воспринимать внешние и внутренние нагрузки и по возможности в наибольшей степени включать в работу породный массив (причём деформации горной крепи не должны превышать заранее заданные достаточно малые величины);
• иметь конструктивно-минимальную толщину (выравнивающая монолитная горная крепь);
• рассчитываться на весь срок службы сооружения (постоянная крепь), поскольку перекрепление в условиях эксплуатации подземного сооружения крайне затруднительно.

К крепям капитальных горных выработок, учитывая длительный срок их службы, предъявляются повышенные требования надёжности и долговечности. В связи с этим основные крепёжные материалы, из которых они изготовляются, – монолитный бетон и железобетон. В сложных горно-геологических условиях применяют сборные горные крепи из бетонных и железобетонных блоков и тюбингов. В благоприятных для поддержания условиях иногда используют более лёгкие крепи (из набрызг-бетона, анкерную и др.).

Важное требование при проектировании горной крепи – обеспечение минимального числа типоразмеров сечений, пригодных для крепления всех выработок с различным расположением транспортных средств. Конструкции сборной горной крепи разрабатывают с учётом их унификации и взаимозаменяемости узлов и деталей, что позволяет применить для изготовления наиболее прогрессивную технологию, улучшить качество изделий и поставить производство горной крепи на индустриальную основу.

Способы выбора и расчёта параметров горной крепи для капитальных и подготовительных выработок регламентируются нормативными документами. Крепи вертикальных шахтных стволов выбирают и рассчитывают раздельно для устья, протяжённой части и сопряжения, в зависимости от инженерно-геологических, гидрогеологических условий, вредных воздействий, а также с учётом схем организации и методов производства работ. Выбор типа и расчёт параметров крепи горизонтальных и наклонных выработок производят также для различных однородных по условиям их работы участков в зависимости от ожидаемых по расчёту смещений пород в кровле, почве и боках выработки с учётом степени воздействия очистных работ и других выработок. Типоразмеры индивидуальной и механизированной горной крепи очистных забоев выбирают в зависимости от мощности угольного пласта и её изменения в пределах выемочного поля, а также от ожидаемого сближения пород кровли и почвы по всей ширине призабойного пространства.

Возведение горной крепи в капитальных и подготовительных выработках остаётся одним из наиболее тяжёлых и трудоёмких процессов. Трудности механизации процесса крепления вызваны стеснёнными размерами выработок, которые до предела насыщены производственным оборудованием, а также неприспособленностью некоторых конструкций горных крепей (например, рамных) для их механизированного возведения. Наибольшая степень механизации работ достигнута при возведении набрызг-бетонной крепи и монолитной бетонной крепи с помощью передвижной опалубки и бетоноукладчиков.

Для технического развития горной крепи характерна тенденция к дальнейшему повышению их надёжности и несущей способности, а также к использованию новых крепёжных материалов и конструктивной увязке крепей с технологией их механизированного возведения при помощи автономных машин или машин, входящих в состав горнопроходческих комплексов.

В истории создания и применения горной крепи прослеживаются отдельные этапы. В 3-м тыс. до н. э. началось использование деревянной, а также каменной крепи в виде сухой кладки из бутового камня. В 4 в. до н. э. на подземных горных разработках появилась каменная крепь из кирпичной кладки и тёсаного камня на вяжущих растворах из глины и асфальта. В 18 в. каменная горная крепь на вяжущих растворах получает широкое распространение на угольных шахтах западноевропейских стран. Во 2-й половине 19 в. начинается применение бетонной горной крепи, создание первых конструкций рамной металлической крепи из стального проката для горизонтальных выработок, индивидуальной металлической крепи для очистных забоев. 1-я половина 20 в. ознаменовалась появлением крепи из бетонитов (бетонный камень) (1911), бетонных стоек из дисков для очистных забоев, железобетонных центрифугированных стоек для крепёжных рам (1945), применением чугунных и стальных тюбингов (1911), первых железобетонных тюбингов, созданием и использованием анкерной, набрызг-бетонной крепей, различных крепёжных конструкций из монолитного и сборного бетона и железобетона. В середине 20 в. на шахты стала поступать комплектная передвижная металлическая крепь из призабойных стоек, появились щитовые крепи для очистных забоев крутых и пологих пластов. Началось широкое внедрение индивидуальной металлической горной крепи, создание гидравлических стоек и передвижных гидрофицированных крепей для очистных забоев. Этот же период связан с разработкой и применением различных крепей из сборного железобетона для капитальных и подготовительных выработок (1951–1960), интенсивным внедрением на шахтах металлической рамной крепи, главным образом арочной податливой из стального проката специального желобчатого профиля, консервированием (пропиткой антисептиками) крепёжного леса (1951).

Во 2-й половине 20 в. создают и начинают широко использовать механизированные крепи в составе очистных механизированных комплексов при разработке пологих угольных пластов (1961–1970), этот же вид горной крепи применяют в лавах для крутых пластов, разрабатывают крепи для автоматизированных комплексов и агрегатов (1971–1980). Далее появляются новые конструкции арочной и трапециевидной металлической горной крепи с безболтовым податливым соединением элементов и инвентарные многократно используемые крепи для выработок с небольшим сроком службы. Начинается внедрение на шахтах анкерной крепи, закрепляемой в шпурах химическими составами, заключёнными в специальные ампулы, этого же вида крепи из полимерных материалов, металлической трубчатой анкерной крепи, закрепляемой взрывным и другими способами. Создаются гидрофицированные передвижные крепи для временного поддержания кровли в призабойной части подготовительных выработок.