СПОСОБ КРЕПЛЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВЫРАБОТОК Российский патент 1997 года по МПК E21D11/14 

Изобретение относится к подземному строительству и предназначено для повышения устойчивости и несущей способности крепи на участках тоннелеобразных подземных выработок, поддерживаемых в сильно нарушенных породах (в плывунах, в зонах тектонической нарушенности с раздробленной породой, в карстовых нарушениях, при строительстве тоннелей в руслах древних подземных рек и т.п.).

Известны способы повышения устойчивости и несущей способности крепи подземных горных выработок путем применения шпренгельных тяг. Такова, например, шпренгельная крепь, описание которой приведено в книге А. Н. Насонова "Крепление горных выработок". Углетехиздат, М. 1959, с. 188-189, рис. 97. Здесь верхняк из обычной железобетонной стойки дополнительно снабжен шпренгельной упряжью, состоящей из двух металлических тяг, имеющих нарезки на концах под гайки, и двух прокладок. Обеими тягами охватывают железобетонную стойку и прокладки и при затягивании гаек с торцов стойки в ней создают предварительное напряжение сжатия, тем самым повышая несущую способность верхняка, доведя его сопротивление изгибу до уровня двутавровой балки аналогичной высоты.

Известен ряд изобретений, в которых повышение устойчивости и несущей способности пород кровли и крепи в подземных выработках осуществляется с помощью гибких тяг. Таковы, например, изобретения по а.с. СССР N 373421 от 18.10.71 г. где верхняк крепи усилен гибкой шпренгельной тягой; по а.с. СССР N 1361334 от 16.12.85 г. в котором лежень в подошве выработки также усилен гибкими тягами, концы которых закреплены в породе за зоной трещиноватости. В патенте США N 2192554 от 5.03.40 г. железобетонный верхняк усилен гибкой тягой аналогично указанному выше. В патентах Англии N 1151468 и США NN 3505824, 3601994, 3509726 и Польши N 46904 приведены способы поддержания кровли подземных выработок путем повышения их несущей способности с помощью гибких тяг с прокладками и даны варианты конструкции заделки концов этих тяг во вмещающих породах. Таким образом известно, что применение металлических жестких и гибких тяг для крепления подземных выработок способствует повышению несущей способности как самой крепи выработок, так и вмещающего массива пород.

Известен способ прикрепления трубы тоннеля, например, ко дну водоема анкерами, при пересечении тоннелем водного пространства (см. статью в переводе И.Авдакушиной "Плавающие тоннели из погружных секций. Преимущества и недостатки". Журнал "Подземное пространство мира". 1993 N 4,с. 40-42. М. Изд. ТИМР. Труды международной конференции по туннелестроению-93). Но для выполнения этого способа необходимо наличие в подошве тоннеля прочных ненарушенных пород, в то время как при поддержании подобной выработки в нарушенной зоне под ней может оказаться значительной толщины слой разрушенных пород. В изобретении по а.с. СССР N 1703824 от 7.01.92г. для сохранения крепи в наклонной выработке и для предотвращения сползания рам от первоначального проектного положения, рамная крепь снабжена канатом, натянутым в кровле вдоль продольной оси выработки и жестко соединенным с каждым верхняком рамы крепи, а концы каната закреплены в неразрушенном массиве пород. Это обеспечивает удержание рам крепи в заданном направлении.

Все вышеуказанные технические решения не решают вопросы поддержания и усиления крепи в продольном направлении на протяженных участках выработок, закрепленных сплошной крепью в зонах разрушенных пород.

Известно в практике крепления подземных выработок применение гибких продольных тяг (канатов). Таково, например, техническое решение по а.с.СССР N 1603010 от 30.11.88 г. в котором сегменты крепи имеют отверстия в местах их шарнирного соединения, через которые вдоль выработки протянуты канаты, выполняющие роль шарниров. Однако эти канаты не выполняют роль продольного натяжения сегментов крепи и их применение не повышает устойчивость выработки.

По патенту Японии N 2-51040 от 26.09.83 г. производится предварительное продольное напряжение в обделках тоннеля, осуществляемое при его проведении с помощью гибких струн, пропущенных через бетонные обделки, что повышает их несущую способность. Но здесь повышается несущая способность только отдельных колец крепи, а не всей трубы тоннеля в целом. Также не решен вопрос обеспечения устойчивости тоннеля при его проведении в сильно нарушенных породах.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ крепления подземных выработок, пройденных на участках сильно нарушенных пород, включающий их крепление кольцевой крепью всплошную из тюбингов или иных сегментов и проведение мероприятий по искусственному укреплению вмещающих пород (см. В.П.Волков. Тоннели, Транспорт. М. 1980. с. 394-403). В качестве такого мероприятия, в зависимости от окружающих выработку пород, может быть использовано, например, замораживание пород. Однако, этот способ отличается большой трудоемкостью и материалоемкостью, с течением времени требуется подмораживание грунта из-за оттаивания замороженных пород. Но главное, что этот способ, как и упомянутые выше, не решают вопроса поддержания и усиления крепи в продольном направлении на протяженных участках выработок, представляющих собой закрепленную всплошную трубу большого диаметра, помещенную в зону разрушенных пород.

Настоящим изобретением решается задача повышения устойчивости и несущей способности крепи на участках тоннелеобразных выработок, пройденных и поддерживаемых в сильно нарушенных породах и(или) в обводненных породах и пустотах земной коры (плывунах, тектонических нарушениях, заполненных разрушенной породой, карстовых пустотах, руслах подземных древних рек и т.п).

Для этого, в подземных выработках (тоннелях), крепление которых осуществляется всплошную кольцами кольцевой крепи из тюбингов или иных сегментов, с внутренней стороны колец крепи на участке пересечения сильно нарушенных пород, вдоль кровли, подошвы и боков выработки устанавливают металлические трубчатые элементы, например, трубы малого диаметра, жестко соединяют их с кольцами кольцевой крепи и внутри этих элементов пропускают канаты, концы которых закрепляют в ненарушенных породах за пределами контура сечения выработки под углами к ее поперечному и продольному сечениям, и задают канатам необходимое по расчету натяжение.

На фиг. 1 представлен продольный, а на фиг. 2 поперечный разрез выработки.

Способ осуществляют следующим образом: в нарушенных породах 1 пройден и поддерживается участок выработки 2, крепление которого производят всплошную кольцами кольцевой крепи 3 из тюбингов или иных сегментов. Внутри кольцевой крепи 3 вдоль кровли, подошвы и боков выработки 2 прокладывают трубчатые элементы 4, например, трубы малого диаметра по сравнению с диаметрами выработки, которые жестко соединяют с кольцами кольцевой крепи 3. Внутри трубчатых элементов 4 свободно протягивают канаты 5, длину которых выбирают больше длины участка выработки 2 в сильно нарушенных породах. Диаметр трубчатых элементов 4 принимают такой величины, чтобы в них свободно помещался один, или в зависимости от расчета, несколько канатов 5, а оставшееся пространство внутри трубчатых элементов 4 заполняют смазкой для канатов. Трубчатые элементы 4 служат для фиксации канатов 5 в местах их установки и являются опорами для подвешивания участка выработки 2 на этих канатах и равномерно распределения нагрузок на канаты 5 в местах их установки от давления пород, веса крепи и находящегося внутри участка 2 веса оборудования и подвижного состава. В качестве трубчатых элементов 4 могут быть также использованы отрезки металлических труб или петли из арматуры или металлического прута, жестко закрепленные вдоль кровли, подошвы и боков выработки на каждом из колец кольцевой крепи 3. В зоне ненарушенных пород 6 за пределами контура сечения выработки 2 устраивают камеры 7 для закрепления канатов 5, в которых устанавливают натяжные механизмы 8 натяжения канатов и закрепления их концов, а также аппаратуру для контроля натяжения канатов. Размер камер 7 выбирают таким, чтобы в них помещались механизм натяжения 8 для канатов 5 и аппаратура контроля натяжения канатов и обеспечивался свободный доступ к ним. Расстояние от сильно нарушенных пород до камеры 7 определяют, исходя из условия устойчивости ненарушенных пород 6 в зависимости от ряда факторов: прочности, естественной трещиноватости, обводненности пород, глубины заложения выработки 2 и других. Производят натяжение канатов 5 и закрепление их концов в камерах 7 натяжным устройством 8 до необходимой величины и под углами α и d соответственно к поперечному и продольному горизонтальному сечению выработки 2. При этом силу натяжения канатов и углы их закрепления рассчитывают, исходя из условия подвешивания на канатах 5 пролета выработки 2 длиной, равной длине участка сильно нарушенных пород 1 и необходимого уклона транспортного пути в выработке (величина которого может достигать 0,04-0,06, в вентиляционных выработках уклон не ограничивается). Из практических соображений вышеуказанные углы a и d должны быть в диапазоне 25-45^o.

Указанный способ крепления подземных выработок позволяет осуществить следующие новые функции:
1. Создать подвесную систему для подвешивания пролета выработки на участке пересечения сильно нарушенной зоны, повысив этим устойчивость выработки и надежность ее поддержания в опасной зоне.

2. Создать в выработке дополнительное, по сравнению с обычной кольцевой сплошной крепью, сопротивление разрушенным породам за счет предварительного заданного растяжения в крепи, повысив этим ее несущую способность.

Как указывалось выше, ни в аналогах, ни в прототипе не решен вопрос обеспечения устойчивого состояния пролета выработки и надежного его поддержания на участке с разрушенными породами или пустотами. В предложенном способе крепления вводят дополнительные силовые элементы, позволяющие удерживать продольный пролет выработки с помощью канатных проводников, тем самым создавая надежную подвесную опору в конкретных тяжелых условиях. Для этого применяют канаты, толщина которых и разрывное усилие позволяют выдержать вес пролета выработки с необходимым уклоном в сильно нарушенных породах. Без дополнительных силовых элементов канатов прогиб кольцевой крепи тоннеля на участке стильно нарушенных пород с учетом динамических воздействий от движущихся транспортных составов может привести к опасным деформациям и авариям. И при этом трудно осуществить контроль за появлением опасных участков деформирования крепи на всем протяжении пролета выработки в сильно нарушенной зоне. В предложенном способе установка на канатах в местах их заделки специальной контрольной аппаратуры, следящей за натяжением канатов, повышает надежность эксплуатации выработки на всем ее протяжении в опасной зоне и позволяет своевременно влиять на поддержание заданных режимов натяжения канатов.

Натяжение канатов в области ненарушенных пород под заданными углами к поперечному и продольному сечениям выработки (см. фиг. 2) позволяет создать в крепи в плоскости ее поперечного сечения на участке сильно нарушенных пород предварительные усилия растяжения. Величины углов заделки канатов и усилия их натяжения при этом зависят от поддерживаемого пролета выработки, горного давления вмещающих пород P, веса крепи, оборудования и подвижного состава внутри выработки. Усилие Q натяжения каната в кровле выработки под углом a₁ к поперечному сечению выработки выполняет основную функцию создания подвесной опоры для заданного участка тоннеля (выработки). Усилия σ натяжения канатов в боках выработки под углами a₂ и δ к ее поперечному и продольному сечениям соответственно создают дополнительные составляющие подъемной силы σ′ в плоскости поперечного сечения и усилия растяжения крепи σ″ в той же плоскости. Усилие σ″ препятствует растяжению кольца крепи до формы вертикального эллипса силами натяжения каната Q в кровле выработки. Усилие J натяжения каната в подошве выработки под углом α₃ выполняет функцию регулирования сил растяжения в кольце крепи по ее периметру, обеспечивая при этом их равномерное распределение, а также препятствует деформации кольца крепи усилиями σ″ до формы горизонтального эллипса. Таким образом, задается оптимальный режим работы колец крепи в тяжелых условиях поддержания выработки.

Таковы технические преимущества предлагаемого способа крепления подземных выработок по сравнению с аналогами и прототипом. Новым здесь является применение канатов с заданным натяжением не только вдоль кровли выработки, но и вдоль ее подошвы и боков, а также закрепление канатов за пределами контура сечения выработки под углами к ее поперечному и продольному горизонтальному сечениям и применение трубчатых элементов для помещения в них канатов (и смазки для канатов) и фиксирование этих канатов внутри колец крепления выработки и одновременно служащими опорами для подвешивания пролета выработки в тяжелых условиях поддержания в разрушенной зоне.

Изобретение относится к подземному строительству и предназначено для повышения устойчивости выработок и увеличения несущей способности крепи на участках тоннелеобразных выработок, проводимых и поддерживаемых в сильно нарушенных породах/плавунах, зонах тектонических нарушений с раздробленной породой, карстовых пустотах, подземных руслах древних рек и т.п./. Сущность изобретения заключается в том, что в выработке, закрепленной всплошную кольцами из тюбингов или иных сегментов, на участке пересечения сильно нарушенных пород, с внутренней стороны колец крепи вдоль кровли, подошвы и боков выработки устанавливают трубчатые элементы, например, в виде металлических труб, диаметр которых существенно меньше диаметра выработки, эти трубы жестко соединяют с кольцами крепи, а внутри трубчатых элементов пропускают канаты, концы которых закрепляют в ненарушенных породах за пределами контура сечения выработки под углами к ее поперечному и продольному сечениям, и канатам придают заданное натяжение. Такое выполнение способа крепления выработок в тяжелых горногеологических условиях способствует образованию подвесной системы или пролета выработки в нарушенной зоне, что повышает устойчивость этого пролета, а возникающее при этом растяжение колен крепи канатам увеличивает их несущую способность за счет уменьшения сжатия колец крепи от давления пород на крепь выработки. 4 з.п.ф 2 ил.

1. Способ крепления подземных выработок, пройденных на участках сильно нарушенных пород, включающий их крепление кольцевой крепью из тюбингов или иных сегментов, отличающийся тем, что с внутренней стороны кольцевой крепи вдоль кровли, подошвы и боков выработки устанавливают трубчатые элементы и жестко соединяют их с кольцевой крепью, внутри трубчатых элементов пропускают канаты, концы которых закрепляют в ненарушенных породах за пределами контура выработки, и натягивают канаты с помощью натяжных механизмов. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве трубчатых элементов используют металлические трубы малого диаметра по сравнению с диаметром выработки. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве трубчатых элементов используют отрезки металлических труб, жестко закрепленные на каждом из колец кольцевой крепи. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве трубчатых элементов используют петли из арматуры или металлического прута, жестко закрепленные на каждом из колец кольцевой крепи. 5. Способ по пп. 1 4, отличающийся тем, что концы канатов закрепляют под углами к поперечному и продольному сечениям выработки.