Способ крепления наклонной горной выработки монолитным железобетоном
METHOD FOR FASTENING AN INCLINED MINE WORKING WITH MONOLITHIC REINFORCED CONCRETE

Область техники
Изобретение относится к горному делу, а именно к сооружению наклонных горных выработок в условиях высокого горного давления.
Уровень техники
Известно устройство монолитная железобетонная крепь горизонтальной горной выработки (патент RU 2767760, МПК E21D 11/04, опубликовано 21.03.2022 Бюл. № 9), состоящая из бетонного тела и каркаса, включающего: горизонтальные арматурные прутки, вертикальные арматурные прутки, арматурные прутки, установленные по дуге свода, и арматурные поперечные скобы, с шагом, соответствующим расчетному шагу армирования, причем  горизонтальные арматурные прутки, вертикальные арматурные прутки, арматурные прутки, установленные по дуге свода в виде полуэллипса, и арматурные поперечные скобы выполнены поперечным сечением эллипсовидной формы, большая ось эллипса арматуры совмещена с максимальными нагрузками на железобетонную крепь, для вертикальных и горизонтальных прутков арматуры максимальный момент сопротивления по большей оси эллипса совмещен с перпендикуляром к боковой поверхности и к основанию горизонтальной горной выработки, соответственно, для арматурных поперечных скоб, связывающих ряды каркаса, максимальный момент сопротивления по большей оси эллипса стального прутка установлен параллельно боковой поверхности крепи, для арматурных прутков, установленных по дуге свода в виде полуэллипса, максимальный момент сопротивления по большой оси эллипса совмещен по радиусам полуэллипса свода горизонтальной горной выработки.
Недостатком известного устройства является низкая надежность монолитной железобетонной крепи для наклонной горной выработки.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ крепления наклонной горной выработки монолитным железобетоном, (Горно-инженерная графика. М., Недра, Г.Г. Ломоносов, А.И. Арсентьев, и др. 1976, 263 с., с. 91), содержащий формирование бетонного тела с каркасом включающим: арматурные прутки вдоль наклонной выработки, арматурные прутки поперек основания наклонной выработки, арматурные прутки перпендикулярные к основанию наклонной выработки и стальную арматуру по дуге свода, а также армируемые поперечные скобы, с шагом соответствующим расчетному шагу армирования.
Недостатком наиболее близкого способа является низкая надежность монолитной железобетонной крепи наклонной горной выработки.
Раскрытие изобретения
Техническим результатом является повышение надежности монолитной железобетонной крепи наклонной горной выработки.
Указанный технический результат достигается в способе крепления наклонной горной выработки монолитным железобетоном, содержащем формирование бетонного тела с каркасом включающим: арматурные прутки вдоль наклонной выработки, арматурные прутки поперек основания наклонной выработки, арматурные прутки перпендикулярные к основанию наклонной выработки и стальную арматуру по дуге свода, а также армируемые поперечные скобы, с шагом соответствующим расчетному шагу армирования, арматурные прутки устанавливают с поперечным сечением эллипсовидной формы, длинную ось эллипса арматуры совмещают с максимальными нагрузками на железобетонную крепь выработки, причем арматурные прутки вдоль наклонной выработки, арматурные прутки поперек основания наклонной выработки, арматурные прутки перпендикулярные к основанию наклонной выработки и стальную арматуру по дуге свода наклонной выработки, армируемые поперечные скобы устанавливают с поперечным сечением эллипсовидной формы, длинную ось эллипса арматуры совмещают с максимальными нагрузками на железобетонную крепь наклонной выработки, для арматурных прутков вдоль наклонной выработки длинную ось эллипса арматуры с максимальным моментом сопротивления выставляют перпендикулярно к: боковой поверхности, и основанию выработки, а также совмещают с радиусом сегмента окружности свода наклонной горной выработки, соответственно, для арматурных прутков поперек основания и перпендикулярных основанию наклонной выработки длинную ось эллипса арматуры с максимальным моментом сопротивления устанавливают  перпендикулярно к основанию и к боковой поверхности наклонной горной выработки, соответственно, для стальной арматуры, установленной по дуге свода в виде сегмента окружности, наклонной горной выработки, длинную ось эллипса арматуры с максимальным моментом сопротивления выставляют  по радиусу сегмента окружности соответствующего ряда каркаса, для арматурных прутков вдоль наклонной выработки, установленных в углах основания и боковой поверхности, длинную ось эллипса арматуры с максимальным моментом сопротивления выставляют  по диагонали между соответствующими перпендикулярами на эти поверхности, для  армируемых поперечных скоб, установленных на арматурные прутки в каркасе: поперек основания наклонной выработки, перпендикулярные к основанию наклонной выработки и стальную арматуру по дуге свода наклонной выработки, длинную ось эллипса арматуры с максимальным моментом сопротивления выставляют  параллельно линии угла наклона горной выработки, для  армируемых поперечных скоб, установленных на арматурные прутки вдоль наклонной выработки, длинную ось эллипса арматуры с максимальным моментом сопротивления выставляют  параллельно следу плоскости, проведенной через эту скобу, на: боковой поверхности, и основании наклонной выработки, а также параллельно касательной в точке выхода радиуса на дугу арматуры, соответственно их расположению.
Отличительными признаками являются:
арматурные прутки вдоль наклонной выработки, арматурные прутки поперек основания наклонной выработки, арматурные прутки перпендикулярные к основанию наклонной выработки и стальную арматуру по дуге свода наклонной выработки, армируемые поперечные скобы устанавливают с поперечным сечением эллипсовидной формы, для повышения надежности монолитной железобетонной крепи за счет изменения геометрии арматуры;
длинную ось эллипса арматуры совмещают с максимальными нагрузками на железобетонную крепь наклонной выработки, это повышает надежность монолитной железобетонной крепи;
для арматурных прутков вдоль наклонной выработки длинную ось эллипса арматуры с максимальным моментом сопротивления выставляют перпендикулярно к: боковой поверхности, и основанию выработки, а также совмещают с радиусом сегмента окружности свода наклонной горной выработки, соответственно, что увеличивает надежность крепи вдоль наклонной выработки с меньшим расходом материалов;
для арматурных прутков поперек основания и перпендикулярных основанию наклонной выработки длинную ось эллипса арматуры с максимальным моментом сопротивления устанавливают перпендикулярно к основанию и к боковой поверхности наклонной горной выработки, соответственно, что увеличивает надежность крепи поперек наклонной выработки с меньшим расходом материалов;
для стальной арматуры, установленной по дуге свода в виде сегмента окружности, наклонной горной выработки, длинную ось эллипса арматуры с максимальным моментом сопротивления выставляют по радиусу сегмента окружности соответствующего ряда каркаса, это повышает надежность монолитной железобетонной крепи на своде;
для арматурных прутков вдоль наклонной выработки, установленных в углах основания и боковой поверхности, длинную ось эллипса арматуры с максимальным моментом сопротивления выставляют по диагонали между соответствующими перпендикулярами на эти поверхности, что повышает надежность монолитной железобетонной крепи углах основания и боковой поверхности;
для армируемых поперечных скоб, установленных на арматурные прутки в каркасе: поперек основания наклонной выработки, перпендикулярные к основанию наклонной выработки и стальную арматуру по дуге свода наклонной выработки, длинную ось эллипса арматуры с максимальным моментом сопротивления выставляют параллельно линии угла наклона горной выработки, такое направление увеличивает жёсткость поперечных элементов каркаса и крепи в целом;
для  армируемых поперечных скоб, установленных на арматурные прутки вдоль наклонной выработки, длинную ось эллипса арматуры с максимальным моментом сопротивления выставляют  параллельно следу плоскости, проведенной через эту скобу, на: боковой поверхности, и основании наклонной выработки, а также параллельно касательной в точке выхода радиуса на дугу арматуры, соответственно их расположению, такое направление увеличивает жёсткость продольных элементов каркаса.
Принцип надежности арматуры состоит в изменении геометрической формы арматуры с той же самой площадью и с тем же самым материалом для увеличения момента сопротивления в определенном направлении, а это значит, увеличение и надежности конструкции. Момент сопротивления по оси максимальной нагрузки, эллипса с соотношением большей оси к меньшей 1,7 и с площадью равной площади поперечного сечения круга 12 мм, увеличился в 1,279 раза, т.е. на +27,9%, см. табл. Момент сопротивления по оси минимальной нагрузки, в аналогичных условиях, уменьшился до 0,75 раза или -25%. Суммарные моменты сопротивления по обеим осям увеличились в 1,016 раза, т.е. на +1,6%.
Сравнение заявляемого решения с аналогом и прототипом не выявило в них признаки, заявляемого решения, это позволило сделать вывод о соответствии критерию «новизна».
Краткое описание таблицы и рисунков
В табл. представлена взаимосвязь соотношения величин осей эллипса и круга с моментами сопротивления по соответствующим осям эллипса и круга по данным [3].
На фиг. 1 приведен диметрический вид наклонной нисходящей горной выработки с монолитной железобетонной крепью, включающий: 1 - сечение горной выработки в черне; 2 - арматурный пруток внешнего ряда каркаса  вдоль наклонной выработки; 3 - арматурный пруток внутреннего ряда каркаса  вдоль наклонной выработки; 4 - арматурный пруток перпендикулярный к основанию выработки внешнего ряда каркаса; 5 - арматурный пруток перпендикулярный к основанию выработки внутреннего ряда каркаса; 6 - арматурный пруток поперек основания наклонной выработки внешнего ряда каркаса; 7 - арматурный пруток поперек основания наклонной выработки внутреннего ряда каркаса; 8 - основание крепи; 9 – боковая поверхность крепи; 10 – свод выработки; 11 – стальная арматура по сегменту окружности внутреннего ряда каркаса; 12 - стальная арматура по сегменту окружности внешнего ряда каркаса; 13 - арматурную скобу, связывающую ряды каркаса; 14 – внешний радиус свода крепи; 15 - внутренний радиус свода крепи; 16 - анкер закрепленный; 17 – сварное соединение; 18 – шпур; 19 – сечение горной выработки в свету; 20 – бетонное тело; 21 – угол наклона горной выработки.
На фиг. 2 приведен разрез А-А с фиг.1 арматурного прутка перпендикулярного к основанию выработки внешнего ряда каркаса, включающего: 4 - арматурный пруток перпендикулярный к основанию выработки внешнего ряда каркаса; 22 – линию перпендикулярную к боковой поверхности наклонной выработки.
На фиг. 3 показан разрез Б-Б с фиг.1 арматурного прутка поперек основания наклонной выработки внешнего ряда каркаса, включающий: 6 - арматурный пруток поперек основания наклонной выработки внешнего ряда каркаса; 23 – линию перпендикулярную к основанию наклонной горной выработки.
На фиг. 4 показан разрез В-В с фиг.1 арматурной скобы, связывающей ряды каркаса, включающий: 13 - арматурную скобу, связывающую ряды каркаса; 25 – линию параллельную линии угла наклона горной выработки.
На фиг. 5 показан разрез Г-Г с фиг.1 стальной арматуры прокатанной по сегменту окружности внешнего ряда каркаса, установленной на своде крепи наклонной горной выработки, включающий: 12 - стальную арматуру по сегменту окружности внешнего ряда каркаса 24 - линию совмещенную с радиусом свода крепи.
На фиг. 6 приведен разрез Д-Д с фиг.1 арматурного прутка вдоль наклонной выработки внешнего ряда каркаса, установленного в углу основания и боковой поверхности, включающий: 2 - арматурный пруток внешнего ряда каркаса вдоль наклонной выработки; 26 - диагональ между перпендикулярами на основание и боковую поверхность.
Осуществление изобретения
Процесс возведения крепи из монолитного железобетона включает разбивку линий в свету 19 горной выработки с углом наклона 21, в сечении горной выработки в черне 1, сборку и установку арматуры в каркас, устройство опалубки и бетонирование. В каркасе, арматурные прутки вдоль наклонной выработки 2 и 3, арматурные прутки поперек основания наклонной выработки 6 и 7, арматурные прутки перпендикулярные к основанию наклонной выработки 4 и 5, а также стальная арматура по дуге свода наклонной выработки 11 и 12, армируемые поперечные скобы 13 выполняют поперечным сечением эллипсовидной формы, большую ось эллипса этой арматуры совмещают с максимальными нагрузками на железобетонную крепь выработки.
о
Подготовку скоб 13 из стальной арматуры выполняют загибанием углов на 90 вокруг большей оси эллипса арматуры, с предварительным их разогревом в горно кузнецы или газовой горелкой, с расположением большей оси эллипса в плоскости скобы 13. Подготовку стальной арматуры по дуге свода и в частности, по сегменту окружности внешнего ряда каркаса 12 и внутреннего ряда 11 выполняют прокаткой на вальцах арматуры с внешним радиусом свода крепи 14 и внутренним радиусом свода крепи 15, с расположением большей оси эллипса арматуры по радиусам свода выработки 10. Монтаж арматурного каркаса выполняют по месту расположения, предварительно бурят шпуры 18 по всему поперечному периметру горной выработки: боковых поверхностей выработки 9, свода выработки 10 и устанавливают в них анкеры 16, которые являются основанием для крепления соответствующих арматурных прутков и совмещения большей оси эллипса этой арматуры с максимальными нагрузками на крепь и фиксации их в таком положении на анкерах 16 на сварное соединение 17 на всю длину арматурных прутков. Расстояние между анкерами по длине арматурного прутка принимают из расчета линейности прутков каркаса. Первоначально на анкерах 16 монтируют арматурные прутки внешнего ряда каркаса 2 вдоль наклонной выработки на пересечении основания 8 и боковой поверхности выработки 9, устанавливая большую ось эллипса арматуры по диагонали 26 между соответствующими перпендикулярами этих поверхностей. У остальных арматурных прутков внешнего ряда каркаса 2 вдоль наклонной выработки большую ось эллипса арматуры совмещают с соответствующими перпендикулярами поверхностей и радиусами свода крепи, а также фиксируют их на сварное соединение 17. Арматурные прутки вдоль наклонной выработки 2 между собой устанавливают с шагом, соответствующим расчетному шагу армирования. Затем на анкерах 16 также устанавливают арматурные прутки перпендикулярные к основанию выработки внешнего ряда каркаса 4 соединяя их со стальной арматурой по дуге свода и в частности по сегменту окружности внешнего ряда каркаса 12. Пространственное позиционирование большей оси эллипса этого арматурного прутка 12 выполняют по линии 24 совмещенной с радиусом свода выработки 10. Арматурные прутки перпендикулярные к основанию выработки внешнего ряда каркаса 4 также между собой устанавливают с шагом, соответствующим расчетному шагу армирования и большую ось эллипса этой арматуры также совмещают с соответствующими перпендикулярами 22 боковой поверхности. Аналогично монтируют арматурные прутки внутреннего ряда каркаса  вдоль наклонной выработки 3, арматурные прутки перпендикулярные к основанию выработки внутреннего ряда каркаса 5 и стальную арматуру по дуге свода и, в частности, по сегменту окружности внутреннего ряда каркаса 11. Армируемые поперечные скобы 13, связывающих ряды каркаса, устанавливают с шагом, соответствующим расчетному шагу армирования. Для  армируемых поперечных скоб 13, установленных на арматурные прутки вдоль наклонной выработки 2 и 3, максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса арматуры устанавливают параллельно следу плоскости, проведенной через эту скобу, на боковой поверхности наклонной выработки, а также касательной в точке выхода радиуса 14 или 15 на дугу арматуры. Для армируемых поперечных скоб 13, установленных в каркасе на арматурные прутки 4 и 5 перпендикулярные к основанию наклонной выработки и стальную арматуру по дуге свода 11 и 12 наклонной выработки, максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса арматуры устанавливают параллельно линии 25 угла наклона горной выработки 21. На следующем этапе монтируют каркас на почве выработки в основании крепи 8, предварительно бурят шпуры 18 устанавливают анкера 16.  На их основе монтируют арматурные прутки основания поперек наклонной выработки внешнего ряда каркаса 6. Эти прутки 6 устанавливают между собой с шагом, соответствующим расчетному шагу армирования и большую ось эллипса такой арматуры совмещают с перпендикуляром 23 к основанию выработки. Для арматурных прутков 2, смонтированных вдоль основания наклонной выработки, максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса совмещают с перпендикуляром 23 к основанию наклонной горной выработки. Аналогично, на основе анкеров 16 монтируют арматурные прутки основания поперек наклонной выработки внутреннего ряда каркаса 7, которые между собой также устанавливают с шагом, соответствующим расчетному шагу армирования и большую ось эллипса этой арматуры совмещают также с перпендикуляром 23  к основанию выработки и аналогично, выставляют армируемые поперечные скобы 13. Для армируемых поперечных скоб 13, установленных в каркасе на арматурные прутки поперек основания наклонной выработки 6 и 7, максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса арматуры устанавливают параллельно линии 25 угла наклона горной выработки 21.
Для бетонного тела 20 между линиями сечения выработки черне 1: и свету 19 устанавливают вертикальную наклонную опалубку в виде горизонтального сегмента в наклонной выработке и создают одновременно бетонное тело 20  включающего основание 8, боковую поверхность крепи 16 и свод крепи 15, применяя вибрационное уплотнение бетона. Для такого исполнения разрабатывают скользящую сегментную горизонтальную опалубку в наклонной выработке одновременного бетонирования по всему поперечному периметру выработки на величину шага бетонирования по высоте.
Таким образом, повышение надежности монолитной железобетонной крепи наклонной горной выработки достигают изменением геометрической формы арматуры, с той же самой площадью и с тем же самым материалом, перераспределяя момент сопротивления по осям арматуры в заданном направлении нагрузки на крепь.
Источники информации
1. Патент RU2765447, МПК E21D 5/00, опубликовано 31.01.2022 Бюл. №4.
2. Горно-инженерная графика. М., Недра, Г.Г. Ломоносов, А.И. Арсентьев, И.А. Гудкова и др. 1976, 263 с., с. 91.
3. Справочник по сопротивлению материалов / Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матвеев В.В.; отв. ред. Писаренко Г.С. – 2-е изд., перераб. и доп. – Киев: Наук. думка, 1988. – 736 с. (58, 74 с.).