КОЛЬЦЕВАЯ КРЕПЬ ГОРНОЙ ВЫРАБОТКИ И СПОСОБ ЕЕ ВОЗВЕДЕНИЯ
CIRCULAR SUPPORT OF EXCAVATION AND METHOD FOR ITS SETTING

Предлагаемое изобретение относится к горному делу, в частности к конструкции крепи подземных горных выработок с круглой формой поперечного сечения и способам их крепления.
Для крепления подготовительных выработок с круглой формой поперечного сечения известна металлическая кольцевая крепь, содержащая рамы, устанавливаемые по контуру выработки и на равном расстоянии друг от друга по ее длине, соединенные между собой тремя распорками (верхней и двумя боковыми), выполненными из полосовой стали или уголка, и затяжку межрамного пространства. При этом каждая рама, выполненная в форме кольца, содержит четыре криволинейных элемента, изготовленных из двутаврового профиля, установленных последовательно встык друг с другом для образования кольца и связанных между собой при помощи планок, болтов и гаек [1]. Недостатком этой крепи является жесткость соединения криволинейных элементов крепи, ограничивающая область ее применения горными выработками с установившимся горным давлением.
В качестве прототипа принята кольцевая податливая крепь, содержащая рамы, выполненные из четырех сегментов из шахтного взаимозаменяемого спецпрофиля, связанных между собой последовательно внахлестку друг с другом при помощи скоб, планок и гаек и образующих кольцо; распорки и затяжку межрамного пространства [2]. К недостаткам прототипа относятся:
- отсутствие пространственной связи между элементами крепи и окружающим выработку горным массивом, что снижает надежность поддержания выработки в эксплуатационном периоде;
- повышенная трудоемкость возведения, связанная не только с многоэлементностью комплекта крепи, но и с тем, что кольцевая крепь требует установки рамы вплотную к контуру выработки, после чего установка межрамной затяжки является весьма затруднительной задачей;
- при окружающих выработку неустойчивых породах возведение межрамной затяжки является опасной операцией, так как именно в межрамном пространстве возможен прорыв пород в выработку.
Известен способ возведения кольцевой крепи, включающий соединение встык криволинейных элементов для образования кольцевой рамы поперек выработки, установку таких рам на равном расстоянии по длине выработки, соединение соседних кольцевых рам распорками и перетягивание межрамного пространства затяжкой [1]. Недостатком известного способа является повышенная трудоемкость перекрытия межрамного пространства затяжкой как вследствие того, что велико количество устанавливаемых затяжек, так и вследствие того, что при установке кольцевых рам вплотную к контуру выработки становится весьма ограниченным пространство, в котором монтируется затяжка, в противном случае значительно увеличивается объем закрепного пространства, который потребует забутовки.
За прототип принят способ возведения кольцевой податливой крепи, включающий укладку поперек выработки нижнего сегмента, лежня; последующую установку внахлестку с его краями боковых сегментов, боковин, со смещением противоположных краев боковин к середине выработки; подъем четвертого сегмента, верхняка, укладку его поверх боковин, удержание навесу и разведение боковин по контуру выработки; скрепление сегментов в местах нахлестки скобами, планками и гайками с образованием кольцевой рамы; соединение соседних кольцевых рам распорками и затяжку межрамного пространства [2]. Недостатками такого способа являются:
- повышенная трудоемкость возведения крепи из-за многочисленности монтируемых элементов в одном комплекте;
- тяжелые физические нагрузки, так как подъем верхняка и его удержание навесу чаще всего выполняют вручную;
- велика вероятность прорыва породы, особенно при проведении выработки в неустойчивых породах, в межрамном пространстве крепи во время его перетяжки, что снижает безопасность возведения крепи.
Перечисленные недостатки снижают надежность поддержания выработки в эксплуатационном периоде и безопасность возведения крепи.
Исследованиями устойчивости горных выработок, проведенными в Институте угля и углехимии СО РАН, выявлено, что при выполнении продольных каналов глубиной не менее половины радиуса поперечного сечения выработки в приконтурной зоне выработки в массиве окружающих горных пород происходит перераспределение сил горного давления на крепь. В частности, при проведении горизонтальной горной выработки круглого сечения наиболее рациональным, с точки зрения более равномерного распределения сил горного давления на крепь, является такое расположение трех продольных радиальных каналов в поперечном сечении выработки, при котором один из них выполняют по линии наиболее вероятного наибольшего давления, т.е. вертикально вверх, а два других - симметрично ему по обе стороны, т.е. под углом примерно 120 градусов от вертикальной оси. При этом вертикальная составляющая сил горного давления на крепь сверху перераспределяется симметрично по бортам выработки, а снизу - частично компенсируется весом породы, заключенной в пространстве между нижними продольными каналами.
На основе этого эффекта разработано техническое решение по конструкции кольцевой крепи горной выработки и способу ее возведения, целью которого является повышение надежности поддержания горной выработки в эксплуатационном периоде за счет организации пространственной связи крепи с окружающим массивом горных пород и безопасности возведения крепи за счет организации временного поддержания обнажений выработки.
Поставленная цель достигается тем, что в кольцевой крепи горной выработки, содержащей рамы, выполненные из сегментов шахтного взаимозаменяемого спецпрофиля, связанных между собой последовательно внахлестку друг с другом при помощи скоб, планок и гаек и образующих кольцо; распорки, связывающие соседние рамы, и межрамное ограждение, рамное кольцо состоит из трех сегментов: лежня, укладываемого на почву выработки, и двух боковин, накладываемых на лежень с разных сторон; межрамное ограждение выполнено в виде металлической решетчатой затяжки, приваренной с одной стороны боковины; распорка выполнена в виде закладного элемента из металлической полосы; распорки последовательно связаны между собой подвижными соединениями, а с рамой - посредством анкера, причем длина анкера соответствует глубине заложения распорки. Поставленная цель достигается также тем, что в способе возведения кольцевой крепи горной выработки, включающем укладку нижнего сегмента, лежня, на почву выработки в поперечном направлении, установку боковых сегментов, боковин, внахлестку с лежнем по разным его сторонам и между собой, соединение нахлестнутых частей сегментов при помощи скоб, планок и гаек с образованием кольцевой рамы, установку распорок между рамами и межрамного ограждения, перед укладкой лежня в массиве окружающих пород параллельно оси выработки прорезают продольные радиальные каналы, равномерно распределяя их в поперечном сечении выработки, на дно каждого канала укладывают закладной элемент, распорку, посредством соединения связанную с анкером, связанным со скобой, причем соседние распорки, уложенные в одном канале, соединяют подвижным соединением, каждую боковину устанавливают, ориентируя ее межрамным ограждением вперед, подхватывая сегментом из спецпрофиля консольный край межрамного ограждения ранее установленного комплекта и связывают их посредством скоб, планок и гаек.
Сущность изобретения поясняется схемами. На фиг.1 показана схема установки элементов крепи в горной выработке (поперечное сечение выработки); на фиг.2 - закладной элемент (фронтальная проекция); на фиг.3 - то же (вид в плане); на фиг.4 - анкер; на фиг.5 - крепи в выработке (продольное сечение).
Кольцевая крепь горной выработки состоит из последовательно устанавливаемых друг за другом по длине выработки комплектов крепи, каждый из которых содержит: лежень 1, боковины 2 и 3, три закладных элемента 4, три анкера 5, скобы 6, накладки 7 и гайки 8.
Лежень 1 выполнен в виде сегмента из шахтного спецпрофиля, изогнутого по наружному радиусу, примерно равному радиусу поперечного сечения горной выработки вчерне (в проходке).
Боковина 2 (3) также выполнена в виде сегмента из шахтного спецпрофиля аналогичным образом. Она отличается от лежня тем, что к одной из полок спецпрофиля приварена межрамная решетчатая затяжка 9, выполненная из прутков арматурной стали.
Распорка выполнена в виде закладного элемента 4 из двух стальных полос 10, в средней части своей длины огибающих с разных сторон вкладыш 11. Стальные полосы 10 сварены между собой и с вкладышем 11. Вкладыш 11 снабжен резьбовым отверстием 12. Относительно вкладыша 11 часть стальной полосы, направленная в сторону забоя, снабжена отверстием 13, а противоположная - закручена на 90 градусов и снабжена крючком 14. При этом расстояние между центром отверстия 13 и геометрическим центром крючка принимают равным шагу установки комплектов крепи.
Анкер 5 выполнен в виде металлического стержня, один из концов которого снабжен резьбой, а другой загнут кольцом, внутренний диаметр которого не меньше наружного диаметра прутка скобы 6.
Данная кольцевая крепь может быть возведена следующим образом. При проведении горной выработки средствами механизации прорезают продольные радиальные каналы 15, 16 и 17, один из которых (15) ориентируют по вертикальной оси, а два других (16 и 17) - симметрично друг другу в разные стороны под углом 120 градусов от вертикальной оси.
После зачистки бокового продольного канала 16 (17) на его дно, ориентируя отверстием 13 в сторону забоя, укладывают закладной элемент 4, во вкладыш 11 которого вкручен анкер 5. При этом анкер 5 утапливают на всю длину в продольный канал, вкручивая его во вкладыш 11 таким образом, чтобы из канала выглядывало только кольцо, а плоскость этого кольца совпадала бы с поперечным сечением выработки. В кольцо анкера 5 вставляют скобу 6, а сверху устанавливают лежень 1.
Затем аналогичным образом укладывают закладной элемент 4 в вертикальный продольный канал 15 и во внутреннее пространство скоб 6 внахлестку с лежнем устанавливают боковину 2, ориентируя ее решетчатой затяжкой 9 в сторону забоя; участок нахлестки лежня 1 и боковины 2 посредством накладки 7 и гаек 8 стягивают и дублируют стяжку установкой дополнительной скобы 6 с накладкой 7 и гайками 8, образуя тем самым узел податливости.
Аналогичным образом устанавливают боковину 3, связывая ее затем аналогичным узлом податливости с боковиной 2.
Следующий комплект кольцевой крепи устанавливают аналогичным образом, но при этом:
- закладной элемент 4 крючком 14 через отверстие 13 связывают с ранее установленным комплектом крепи;
- при установке боковин 2 и 3 в узлах податливости скобами 6 связывают решетчатую затяжку ранее установленного комплекта крепи.
За счет нарезки продольных радиальных каналов и установки в них закладных элементов крепи повышается связь горной крепи с окружающим массивом горных пород; за счет применения решетчатой затяжки, заранее приваренной к одной из полок спецпрофиля боковины крепи, резко снижается количество монтируемых элементов, что снижает трудоемкость возведения; установка боковин решетчатой затяжкой в сторону забоя позволяет организовать временное крепление выработки, за счет чего повысить безопасность крепления; а отказ от четвертого звена в составе кольцевой рамы исключает необходимость поднимать и удерживать его на весу, что заметно снижает физическую нагрузку; за счет расположения верхнего узла соединения внахлестку боковых сегментов комплекта в непосредственной близости от линии наибольшего проявления горного давления повышается надежность крепления выработки, а перераспределение сил горного давления по обеим сторонам от вертикальной оси способствует сохранению податливости кольцевой крепи из трех сегментов.
Таким образом, перечисленные обстоятельства свидетельствуют о достижении положительных эффектов как по снижению трудоемкости и повышению безопасности, так и по надежности крепления выработки, а это и есть цель изобретения.
Источники информации
1. Справочник по креплению горных выработок / Изд-е 2, перераб. и доп., М.Н.Гелескул, В.Н.Хорин, Е.С.Киселев, Н.П.Бушуев. - М: Недра, 1976, с.53, рис.19 (аналог).
2. Гелескул, М.Н. Справочник проходчика: Учеб.-справ, пособие для профтехобразования/ М.Н.Гелескул, Б.М.Усан-Подгорнов, Б.М.Кушнарев. - М.: Недра, 1979, с.28, рис.II.9 (прототип).