КРЕПЬ ШАХТНОГО СТВОЛА Российский патент 1998 года по МПК E21D5/04 

Изобретение относится к горному делу, а именно к сооружению шахтных стволов в сложных горно-геологических условиях. Известна крепь вертикальной горной выработки [1], состоящая из железобетонной несущей оболочки, податливого слоя, выполненного в виде ослабленного вертикальными каналами на всю высоту крепи, и внешней оболочки, осуществляющей связь между крепью и стенками выработки.

Недостатком существующей крепи является малая надежность ввиду того, что даже при незначительном разрушении ребер жесткости (пространства между каналами) разрушенная порода скапливается в нижней части каналов, тем самым уменьшая податливость компенсационного слоя, в то время как в верхней их части из-за удаления части пород получается излишняя податливость (против расчетной), что создает неравномерную нагрузку на крепь и снижает ее общую работоспособность. Кроме того, при разрушении ребер жесткости практически нарушается связь между стенками выработки и несущей оболочкой железобетонной крепи, так как всем весом железобетонная оболочка будет стремиться вниз, что резко снижает надежность работы крепи, особенно при больших глубинах ствола.

Наиболее близким по технической сущности является крепь шахтного ствола [2] , включающая несущую компенсационную оболочку с разделенными ребрами жесткости вертикальными каналами и внешнюю оболочку, а для повышения надежности эксплуатации крепь снабжена наполнителем вертикальных каналов из податливого вспененного материала, а часть ребер жесткости выполнена из металлических элементов, закрепленных в несущей и внешней оболочках, причем в качестве металлических элементов могут быть использованы металлические листы, блоки швелерного или двутаврового сечений, а для защемления и закрепления в массиве горных пород могут быть использованы анкерные стержни. Недостатком известного технического решения является повышенный расход металла для ребер жесткости и большая трудоемкость их монтажа.

Задачей предполагаемого изобретения является снижение расхода металла и трудоемкости монтажа арматурного каркаса крепи. Поставленная задача решается следующим образом.

Крепь шахтного ствола, включающая несущую железобетонную оболочку, компенсационную оболочку, разделенную ребрами жесткости с образованием между ними вертикальных каналов, наполненных вспененным материалом, анкерные стержни, закрепленные в массиве горных пород, а для решения поставленной задачи анкерные стержни закреплены в массиве горных пород под острым углом к стенке шахтного ствола в вертикальной плоскости и соединены с несущей железобетонной оболочкой гибкими нитями (канатами, стержнями, тросами), размещенными в ребрах жесткости компенсационной оболочки. Кроме того, к анкерным стержням прикреплена металлическая арматурная сетка, служащая как временная крепь шахтного ствола.

Сущность предлагаемого технического решения состоит в том, что при разрушении ребер жесткости компенсационной оболочки, за счет которых удерживалась несущая железобетонная оболочка на станках шахтного ствола, нагрузка воспринимается гибкими нитями (канатами, стержнями, тросами), вмоноличенными в несущую железобетонную оболочку и прикрепленными к анкерным стержням, закрепленным в массиве горных пород. Использование гибких нитей для подвески железобетонной оболочки к породным стенкам шахтного ствола значительно сокращает расход металла и трудоемкость возведения крепи. Существенные отличия предлагаемого технического решения таковы:
анкерные стержни закреплены в массиве горных пород под острыми углами к станкам шахтного ствола в вертикальной плоскости и соединены с несущей железобетонной оболочкой гибкими нитями (канатами, стержнями, тросами), что позволяет снизить расход металла по сравнению с прототипом за счет использования вместо спецпроката гибких металлических нитей, работающих на разрыв; во избежание смещений несущей оболочки после разрушения ребер жесткости компенсационной оболочки, необходимо чтобы оси анкерных стержней и гибких нитей (канатов, стержней, тросов) по возможности располагались по траектории, близкой к прямой линии, без существенного перегиба в устьях шпуров, где к анкерным стержням прикрепляются гибкие нити. Это позволяет в случае разрушения горных пород в устьевой части шпуров избежать смещений мест скрепления анкерных стержней с гибкими нитями;
гибкие нити размещены в ребрах жесткости компенсационной оболочки, что позволяет в значительной степени предохранить гибкие нити от разрушения в течение времени фиксирования места положения гибких нитей при смещении горных пород и обеспечить неизменяемость монтажных траекторий гибких нитей при разрушении породных стенок ствола и ребер жесткости компенсационной оболочки;
кроме того, к анкерным стержням может быть прикреплена металлическая сетка временного крепления шахтного ствола.

Предлагаемая крепь шахтного ствола возводится в нисходящем порядке вслед за проходкой. При обуривании забоя шахтного ствола целесообразно вести бурение шпуров под анкерные стержни для крепления к ним гибких нитей, поддерживающих несущую оболочку. Если породы неустойчивые, целесообразно использовать установленные анкерные стержни для крепления металлической сетки временного крепления стенок шахтного ствола, которая в дальнейшем замоноличивается и работает как дополнительная арматура железобетонной крепи.

Таким образом, предлагаемое техническое решение обладает элементами существенной новизны и полезности.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема крепления шахтного ствола во время его проходки (вертикальный разрез); на фиг. 2 - узел А - крепь - шахтного ствола, вертикальный разрез стенки железобетонной крепи; на фиг. 3 - то же, сечение В-В на фиг. 2; на фиг. 4 - вариант крепления шахтного ствола с использованием магистральных связок анкерных стержней и гибких нитей для скрепления с контуром ствола несущей железобетонной оболочки.

Предлагаемая крепь шахтного ствола может возводиться как вслед за проходкой в нисходящем порядке согласно фиг. 1, так и в восходящем порядке при пройденном участке ствола. Конструкция крепи и ее элементов в обоих вариантах крепления не имеют существенных отличий кроме организации технологии воздействия крепи.

Крепь шахтного ствола состоит из несущей железобетонной оболочки (фиг. 1-3), компенсационной оболочки 2, разделенной ребрами жесткости 3 с образованием вертикальных каналов 4, заполненных податливым вспененным материалом 5. В стенках шахтного ствола 6 под острым углом к вертикали пробурены шпуры 7, в которых установлены анкерные стержни, закрепленные в забоях шпуров 9. К анкерным стержням 8 может быть прикреплена металлическая сетка (не показана) временного крепления стенок шахтного ствола 6. В устье 10 шпура 7 к анкерному стержню 8 прикреплена гибкая нить 11 в виде каната, стержня, троса, которая жестко присоединена к арматуре 12 несущей железобетонной оболочки 1. Анкерные стержни 8 могут быть выполнены увеличенной длины и присоединены непосредственно к арматуре 12 несущей железобетонной оболочки 1 и при этом выполнять роль гибкой связи. Анкерные стержни 8 (фиг. 4) в вертикальной плоскости могут быть присоединены к общему подвесному магистральному элементы 13, к которому закрепляют также гибкие нити 11, скрепленные с арматурой 12 несущей оболочки 1. Гибкие нити 11 размещаются в ребрах 3 (фиг. 3) жесткости компенсационной оболочки 2, причем сечение и материал ребер 3 жесткости рассчитываются на прочность из условий горного давления на крепь ствола, чтобы она была в три раза меньше прочности несущей железобетонной оболочки, чем обеспечивается необходимая податливость компенсационной оболочки и надежная связь несущей оболочки с вмещающим горным массивом.

Крепление ствола монолитным железобетоном ведется заходками (циклично), в связи с чем железобетонная оболочка 1 формируется из колец, размещенных между границами 14 (фиг. 4) шага крепления (цикла). Высота кольца может быть равной от полметра до трех и более метров; чем меньше высота кольца, тем качественнее можно уложить бетон, установить арматуру и т.д. В зависимости от горно-геологических условий для каждого конкретного случая устанавливается определенная высота кольца железобетонной оболочки, каждое из которых подвешивается на гибких нитях 11. Количество гибких нитей 11 на кольце определяется расчетом, но должно быть не менее трех. При количестве нитей менее трех невозможно устойчиво подвесить кольцо железобетонной оболочки. Чем больше количество гибких нитей 11 для подвески кольца, тем равномернее распределена нагрузка на анкерные стержни 8 и вмещающие породы 6, тем надежнее будет работать крепь. В местах закрепления 9 (фиг. 2) анкерных стержней 8 в породной стенке шахтного ствола 6 образуется внешняя (зона) оболочки 15 из естественного монолитного горного массива, участвующая в надежном поддержании крепи. Устойчивость зоны 15 зависит от крепости и слоистости пород, а также времени отстоя пройденного ствола без крепления. В случае, когда вслед за проходкой возводится постоянная крепь, представляется возможность сохранить зону 15 без существенного ее растрексивания и подвижек, что в последующем значительно повысит надежность работы крепи шахтного ствола с учетом применения временного крепления металлической сеткой. На устойчивость крепи шахтного ствола данной конструкции также оказывают влияние параметры и материал компенсационной оболочки 2, ее ребер 3 жесткости и вертикальных каналов 4, заполненных блоками (демпферными телами) из вспененных материалов 5. Конструкция крепи позволяет задавать требуемые размеры ребер 3 и вертикальных каналов 4 с демпферными телами, отформованными в заводских условиях с эксплуатационными характеристиками, позволяющими иметь крепь шахтного ствола необходимой податливости и несущей способности. Как уже указывалось выше, для повышения надежности работы крепи ствола, ее возведение желательно вести в нисходящем порядке, т.е. вслед за его проходкой с использованием подвесного проходческого полка 16 (фиг. 1), имеющего три яруса. На верхнем ярусе полка 16 ведутся работы, связанные с заполнением очередного кольца несущей железобетонной оболочки, на втором ярусе - скользящая опалубка и управление ею, на нижнем ярусе - ведут монтаж арматуры будущего кольца и формируют вертикальные каналы для укладки компенсационного заполнителя. Бурение шпуров 7 (фиг. 2) и установка анкерных стержней 8 ведется в забое во время проходки. После установки арматуры 12 в очередном кольце несущей оболочки 1 производится ее жесткое соединение (сварка, стачка жимками) с анкерными стержнями повышенной длины, используемым как гибкие нити. Затем по проекту укладываются блоки 5 из пеногазобетона, формируя тем самым будущие компенсационные каналы 4. При необходимости закрепление блоков в проектных местах производится с использованием деревянных пиломатериалов. Установка опалубки, ее закрепление, бетонирование заопалубочного пространства, освобождение от опалубки, перемещение проходческого полка ведется известными технологическими приемами. Выше указанные технические решения положены в основу конструкции крепи и приемов ее возведения.

Крепь шахтного ствола работает следующим образом.

При повышенном давлении изменяется контур 6 ствола шахты, уменьшается его диаметр. Крепь может работать при равномерном уменьшении сечения ствола (равномерном горном давлении), а также при неравномерном распределении горного давления, т. е. когда смещения различны по направлениям в сечениях. В случае равномерного горного давления вмещающие породы перемещают стенки шахтного ствола во внутрь, спрессовывая податливый пенистый материал 5 с разрушением ребер 3 жесткости при превышении нормативных величин давления. При этом весь разрушенный бетон ребер 3 жесткости остается на месте и не происходит его перемещение по каналам 4. Находящиеся в ребрах 3 жесткости гибкие стальные нити 11 обладают большей прочностью, чем бетон, и сохраняются в рабочем состоянии. Величина перемещений гибких нитей незначительна и не оказывает влияния на несущую способность крепи. При разрушении ребер 3 жесткости нарушается связь между стенкой выработки 6 и несущей железобетонной оболочкой 1. Железобетонная оболочка 1 под действием собственного веса должна была бы перемещаться вниз, но этому перемещению препятствуют гибкие стальные нити 11, закрепленные через замки анкерных стержней 8 в глубине массива вокруг ствола шахты. Происходит перераспределение напряжений в гибких нитях 11 на большой объем вмещающих пород, заполняемый зоной 15 вокруг ствола шахты. По условиям эксплуатации данной конструкции крепи шахтного ствола ребра 3 жесткости должны обладать прочностью, способной противостоять горному давлению на любом из участков крепи; при этом, несущая железобетонная оболочка 1 будет работать надежно, имея трехкратный запас прочности на разрушение в сравнении с ребрами 3 жесткости компенсационной оболочки 2. Крепь будет успешно противостоять в условиях изменяющегося горного давления за счет разрушения ребер 3 жесткости и смятия компенсационного материала 5. Несущая железобетонная оболочка 1 будет работать без деформаций и изменения своей формы до тех пор, пока не будут исчерпаны компенсационные возможности демпферных тел 5 (блоков). Нагрузка на крепь шахтного ствола от собственного веса и подъемно-транспортного оборудования будет передаваться через гибкие стальные нити 11 в глубь массива в зону 15, имеющей большой объем и несущую способность. Для более равномерного распределения нагрузки на крепь может применяться вариант с присоединением анкерных стержней 8 в вертикальной плоскости к общему подвесному магистральному элементу 13 (фиг. 4), к которому присоединены гибкие нити 11. Для устойчивости и сохранения от разрушения зоны 15 во время проходки к анкерным стержням 8 может быть прикреплена металлическая сетка временного крепления стенок ствола шахты (не показана). После возведения постоянной крепи, временная крепь не снимается и утрачивает свое основное назначение, работая в дальнейшем как дополнительная арматура, не внося в работоспособность постоянной крепи отрицательных воздействий.

Использование: в горном деле, а именно при сооружении вертикальных шахтных стволов монолитным железобетоном в сложных горно-геологических условиях. Сущность изобретения: крепь шахтного ствола включает несущую железобетонную оболочку, компенсационную оболочку, разделенную ребрами жесткости с образованием вертикальных каналов, заполненных податливым вспененным материалом, анкерные стержни, закрепленные в массиве горных пород и соединенные с несущей железобетонной оболочкой. Анкерные стержни закреплены в массиве горных пород под острыми углами к стенкам шахтного ствола в вертикальной плоскости и соединены с несущей железобетонной оболочкой гибкими стальными нитями (канатами, стержнями, тросами), размещенными в ребрах жесткости компенсационной оболочки. К анкерным стержням может быть прикреплена металлическая сетка временного крепления стенок шахтного ствола. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Крепь шахтного ствола, включающая несущую железобетонную оболочку, компенсационную оболочку, разделенную ребрами жесткости с образованием вертикальных каналов, заполненных податливым вспененным материалом, анкерные стержни, закрепленные в массиве горных пород и соединенные с несущей железобетонной оболочкой, отличающаяся тем, что анкерные стержни закреплены в массиве горных пород под острыми углами к стенкам шахтного ствола в вертикальной плоскости и соединены с несущей железобетонной оболочкой гибкими нитями (канатами, стержнями, тросами), размещенными в ребрах жесткости компенсационной оболочки. 2. Крепь по п.1, отличающаяся тем, что к анкерным стержням прикреплена сетка временного крепления стенок шахтного ствола.