книги из ГПНТБ / Бетонная крепь, технология и механизация ее возведения
..pdfЗаславский Ю. 3., Квпвдур В. П., Лопухин Е. А., Переігичка Ф. И.
БЕТОННАЯ КРЕПЬ, ТЕХНОЛОГИЯ
ИМЕХАНИЗАЦИЯ
ЕЕВОЗВЕДЕНИЯ
Издательство «Донбас». Донецк-1973
r«'ï. г- y Sл v. ч ие л , - |
I |
t ^ . V . - . v ^ K i С С О Р |
1 |
& Ч З ^ * П Л Я Р |
|
ЧИТАЛЬНОГО аАЛА |
|
f 3 - 4 Ш /
1 4
„ 0 3 7 3 - 0 2 3
Б 213(04)-73 ^ 5 7 - 7 J
ИЗДАТЕЛЬСТВО «ДОНБАО . ДОНЕЦК - 1973
|
П Р Е Д И С Л О В И Е |
|
В комплексе |
вопросов, связанных |
со строительством |
и эксплуатацией |
шахт и рудников, |
крепление горных |
выработок является самым сложным |
и трудоемким про |
цессом, требующим наибольших затрат средств и вре мени в технологии горнопроходческих работ. Анализ
имеющегося |
отечественного |
опыта сооружения горных |
||
выработок показал, что |
за |
последние 20 лет, |
несмотря |
|
на довольно |
высокую |
степень механизации |
процессов |
бурения, отбойки и погрузки породы, общая производи тельность труда по креплению выработок возросла не значительно и резко отстает от темпов проходки. Это объясняется тем, что, в отличие от других технологиче ских процессов, крепление выработок до сих пор наиме нее механизировано. Применяемые крепи из дерева, ме талла, монолитного и сборного бетона и железобетона в большинстве случаев возводятся вручную, что увеличи вает их стоимость и трудоемкость крепления.
Практика строительства угольных шахт показывает, что именно тип крепи, технология и механизация ее воз ведения предопределяют темпы сооружения выработки, ее стоимость и в значительной степени влияют на каче ство горнопроходческих работ и производительность труда проходчиков. За период 1952—1972 гг. произво* дительность труда на проходке стволов в СССР возрос
ла в среднем |
с |
0,61 до 2,65 |
мъІвых |
(при механизиро |
ванной погрузке |
породы). Между тем производитель |
|||
ность труда |
при |
проведении |
горизонтальных выработок |
|
за последние |
15 |
лет остается |
на уровне—0,7—1,0 мгІвых. |
Из сопоставления динамики показателей при соору жении вертикальных стволов и горизонтальных вырабо ток в крупнейшей шахтостроительной организации—ком бинате «Донецкшахтострой» видно, что средние темпы проходки стволов возросли с 17,4 мімес в 1952 г. до 14,3 мімес в 1971 г., то есть почти в 4 раза. За это же
3
время скорость проведения квершлагов и полевых
штреков |
увеличилась с |
29,7 |
до 63,9 м/мес, |
то есть в |
|
2 раза. |
|
|
|
|
|
Такое |
резкое различие |
в |
показателях, |
достигнутых |
|
при строительстве стволов и проведении |
горизонтальных |
||||
выработок, можно объяснить |
тем, что |
в технологии и |
механизации горнопроходческих работ в стволах за этот период произошли коренные изменения, и, в первую очередь, эти изменения обусловлены качественно новым подходом к вопросам крепления.
Внастоящее время показатели строительства стволов
вСССР находятся на уровне лучших мировых достиже ний, и отечественный опыт их сооружения широко ис пользуется за рубежом.
Ксожалению, этого нельзя сказать о практике про ведения горизонтальных капитальных выработок, кото
рые в большинстве случаев все еще крепят вручную. Для таких выработок наиболее широко применяются мо нолитные бетонные и железобетонные, а также металли ческие крепи. Особенно большое распространение моно литный бетон получил в глубоких шахтах, где его ис пользуют как в виде самостоятельных несущих крепей горных выработок, так и в составе монолитных железо
бетонных |
конструкций |
из |
двутавра |
или спецпрофиля |
с |
|||
бетонным |
заполнением. |
В |
связи с этим |
разработка |
и |
|||
совершенствование рациональных |
конструкций |
крепей, |
||||||
а также |
технологии и механизации |
крепления вырабо |
||||||
ток монолитным бетоном — основной |
резерв увеличения |
|||||||
производительности труда, |
улучшения |
состояния |
выра |
|||||
боток и снижения стоимости строительства |
шахт. |
|
|
Авторы отмечают большой вклад, внесенный канди датами технических наук X. И. Абрамсоном и Г. Г. Литвинским в решение проблемы механизации бетонных ра бот при креплении горных выработок и приносят им свою признательность за любезно представленный ма териал, использованный в настоящей книге.
Г Л А В А I. БЕТОН ДЛЯ |
КРЕПЛЕНИЯ |
ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК |
|
Область применения |
бетона |
Бетон как строительный материал в подземном стро ительстве применяется для крепления шахтных стволов,
выработок |
околоствольных |
дворов, |
различных |
камер, |
|||||
для |
сооружения угольных |
и породных бункеров, опор |
|||||||
ных |
стенок |
(«быков») |
узлов |
сопряжений |
выработок |
||||
и др. Для |
вертикальных |
стволов монолитный |
бетон — |
||||||
основной тип крепи. |
|
|
|
|
|
|
|
||
В |
отечественной |
практике |
сооружения |
стволов кон |
|||||
струкция крепи за |
последние |
два |
десятилетия |
претер |
пела ^изменения. Так, в 1950 г. на смену монолитной бе тонной крепи, возводившейся с помощью стационарной деревянной (реже металлической) опалубки пришел кирпич и бетонит. На смену этой крепи пришли железо бетонные тюбинги, объем крепления которыми в уголь ной промышленности в 1958 г. достиг 59%. Но, начиная с 1960 г., тюбинги вновь начал интенсивно вытеснять монолитный бетон на качественно новой основе: быстротвердеющие смеси доставлялись к месту укладки по тру бам и непосредственно из трубопровода укладывались за передвижные опалубки. С 1964 г. практически все ство лы, сооружаемые в СССР в обычных горно-геологиче ских условиях, крепят быстротвердеющим монолитным бетоном [28].
Крепи из сборного бетона и железобетона обладают рядом достоинств. На современном уровне механизации работ крепление горизонтальных выработок сборными крепями более индустриально, чем монолитным бетоном, так как в большинстве случаев бетонные смеси уклады вают самым примитивным способом за деревянную, ре же металлическую опалубку из вагонетки — бетоновоза. Кроме того, доставка и приготовление смесей в подзем ных условиях затруднены.
Крепь из сборного бетона или железобетона можно возводить непосредственно у забоя выработки без при менения временной крепи. Она сразу после установки
5
способна воспринимать давление пород. Большинство сборных конструкций взрывостойкие, и в них несложно ввести податливые элементы в виде прокладок, обеспе чивающих работу крепи в податливом режиме.
Сборные шарнирные крепи |
хорошо деформируются, |
в них наиболее целесообразно |
перераспределяются на |
грузки за счет отпора горных пород. Работоспособность крепи при этом повышается. Однако такие крепи требу
ют |
качественной забутовки |
закрепного |
пространства, |
|||
которую |
из-за |
особенностей |
технологии |
возведения |
это |
|
го |
типа |
крепи |
обеспечить трудно. Если |
забутовка |
нека |
чественная, крепь легко теряет устойчивость и становит ся неработоспособной. Рекомендуемый для сборных кре пей тампонаж закрепного пространства цементным рас твором является, по существу, дополнительной бетонной оболочкой, для которой сама крепь служит опалубкой. В этом случае способность крепи деформироваться и приспосабливаться к неравномерностям горного давле ния теряется, а стоимость значительно растет.
Для каждого сечения выработки необходим свой ти поразмер сборного элемента, что усложняет технологию изготовления и механизацию возведения сборной крепи, увеличивает ее стоимость и отрицательно влияет на темпы сооружения выработок. Этим и объясняется тот факт, что более чем двадцатилетний опыт проектирова ния, исследования и внедрения сборного железобетона для крепления капитальных выработок оказался мало эффективным.
В условиях больших смещений контура выработки применять обычные монолитные крепи нецелесообразно. Жесткая монолитная бетонная крепь не может воспри нимать смещений породного контура и разрушается. В этих случаях в СССР и за рубежом оказалось эффек тивным применение сборных блочных бетонитовых кре пей, которые чаще всего используют с податливыми про кладками, устанавливаемыми между блоками. Сборный железобетон целесообразно применять там, где им мож но заменить металл (железобетонные стойки с метал лическим верхняком, арочная шарнирная железобетон ная крепь из элементов таврового сечения и др.)
При сооружении капитальных горных выработок ши роко используются монолитные бетонные и железобе тонные (металлобетонные) крепи. Ими закреплено свы-
6
ше 80%' всех выработок околоствольных дворов уголь ных Шахт. Монолитный бетон как крепежный материал имеет существенные преимущества перед другими мате риалами.
Условия применения монолитного бетона при горных работах имеют свою специфику. В отличие от наземных сооружений из монолитных конструкций, где требуется двусторонняя опалубка и специальные приспособления для укладки бетонных смесей чаще всего выше отметки поверхности земли, для крепления горных выработок достаточно иметь одностороннюю опалубку несложной конструкции и самотечную подачу смеси по трубам с по верхности. При этом в шахте созданы оптимальные ат мосферные условия для твердения бетона. В течение суток крепь из быстротвердеющего бетона может до стичь 20—30% проектной прочности.
Монолитная бетонная крепь — самая дешевая, а про
цесс крепления поддается почти |
полной |
механизации. |
При оценке несущей способности |
бетонной |
крепи обыч |
но ориентируются на низкую прочность бетона на рас
тяжение. Между |
тем |
для |
монолитных бетонных |
крепей |
характерно наличие |
значительных сил сцепления в ме |
|||
сте контакта с |
породным |
контуром. Эти силы |
способ |
ствуют уменьшению изгибающих моментов в крепи, так как нормальные и касательные напряжения в месте кон такта с породами становятся величинами одного поряд
ка. Отпор горного массива |
при |
применении монолитных |
|
крепей |
благодаря высокому |
коэффициенту постели |
|
пород, |
контактирующихся |
с бетоном, достигает пре |
дельно возможных значений. Поэтому монолитная крепь в условиях отпора пород испытывает в основном сжи мающие напряжения и способна нести значительные на грузки, сохраняя сечение выработки неизменным.
Появление трещин в бетоне в зоне действия преобла дающей нагрузки не означает, что несущая способность монолитной крепи исчерпалась, а служит лишь призна ком перераспределения изгибающих моментов и образо вания первого шарнира в конструкции. После этого воз можны образования дополнительных шарниров в раз личные стадии работы крепи. Игнорирование такой постадийной работы приводит к тому, что монолитную крепь с трещинами, которая еще работоспособна, пере крепляют.
7
В сложных горно-геологических условиях находят применение жесткие металлобетонные крепи замкнутой конструкции с высокой несущей способностью. Такие конструкции весьма дороги, металлоемки и не техноло гичны при возведении. Иногда их проектируют с прямы
ми стенками, не оказывающими |
существенного |
сопро |
||
тивления боковому давлению. |
Из-за значительной тол |
|||
щины и насыщенности арматурой |
монолитные |
железо |
||
бетонные крепи имеют повышенную жесткость |
ЕІ |
(Е— |
||
модуль упругости, / — момент |
инерции) и плохо |
вклю |
чают в работу упругий отпор боковых пород. Поэтому применение мощных металлобетонных крепей, состоя щих из жестких металлических рам двутаврового про филя и заполнения межрамного пространства бетоном, во многих случаях положительного результата не дало.
Принципиально же из монолитного бетона можно со здавать крепи податливых конструкций, что расширит область его применения.
Если некоторая часть смещений контура выработки воспринимается временной податливой крепью, то жест кую крепь из монолитного бетона, устанавливаемую че рез определенное время после проведения выработки, условно можно считать ограниченно-податливой в пре делах податливости временной крепи.
В сложных горно-геологических условиях, когда де монтаж временной податливой крепи влечет за собой опасные вывалы пород, а постоянная крепь должна обла дать высокой несущей способностью, можно рекомендо вать ограниченно-податливую металлобетонную крепь из спецпрофиля с бетонным заполнением и конструктивной податливостью металлической крепи, хорошо зарекомен довавшую себя при креплении глубоких выработок в
СССР и за рубежом [11]. При этом металлические ра
мы |
из спецпрофиля, устанавливаемые в забое выработ |
|||
ки, |
должны в течение 1—1,5 |
мес. работать |
в податли |
|
вом |
режиме. Бетонировать |
металлическую |
крепь начи |
|
нают |
за зоной интенсивного |
смещения пород. |
Проектирование состава бетона
Бетон является многокомпонентным составом. По этому его стоимость, физико-механические и технологи ческие свойства определяются характеристиками от-
8
дельных компонентов и их количественным соотношени ем в составе смеси. Бетонная смесь состоит из цемента, крупного и мелкого заполнителей, воды и различных до бавок для получения специальных бетонов. Расчет со става бетона сводится к определению весового или объ
емного |
(менее точного) расхода каждого |
из компонен |
||
тов на |
1 мг смеси |
и может |
выполняться |
эксперимен |
тально |
или путем |
расчетов. |
|
|
Чаще всего пользуются |
расчетно-экспериментальным |
методом, предложенным Б. Г. Скромтаевым и Ю. М. Ба |
|||
женовым [41]. |
|
|
|
1. Определяют |
водоцементное отношение |
(В/Ц) в |
|
зависимости от требуемой прочности, |
срока и |
условий |
|
твердения бетона или путем предварительных |
опытов, |
||
устанавливающих |
зависимость прочности бетона от В/Ц |
||
и активности цемента (с применением |
местных |
заполни |
телей), |
или ориентировочно |
по упрощенной |
|
формуле, |
|||||||
предложенной Боломеем: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
Я 2 8 = * * ц ( - ^ - 0 , 5 ) , |
|
|
|
|
(1) |
||||
где |
і?28 |
— требуемый предел прочности при сжатии |
|||||||||
|
Rn |
бетона в возрасте |
28 |
суток, |
|
кГ/см2; |
|||||
|
— активность |
цемента; |
|
|
|
|
|
||||
|
k |
— коэффициент, |
характеризующий |
качест |
|||||||
|
|
во заполнителя; |
|
|
|
|
|
|
|||
£=0,55 |
— при |
высококачественных |
заполнителях |
||||||||
|
|
бетона; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
/г=0,5 |
— рядовых заполнителях; |
|
|
|
|
||||||
6=0,4 — заполнителях низкого качества. |
|
|
|||||||||
2. Определяют расход воды на 1 м3 бетона в зависи |
|||||||||||
мости |
от требуемой |
подвижности |
(удобоукладываемо- |
||||||||
сти) бетонной смеси по заранее установленной |
опытным |
||||||||||
путем зависимости |
бетонной |
смеси |
согласно |
|
ГОСТу |
||||||
10181—62 «Методы |
определения |
удобоукладываемости |
|||||||||
бетонной смеси и прочности |
бетона» |
или по |
графикам, |
||||||||
приведенным |
на рис. 1. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Графики |
действительны |
|
при |
расходе |
цемента до |
||||||
40 кГ на 1 м3 бетона |
с применением |
щебня |
и |
песка |
|||||||
средней |
крупности |
при |
водопотребности |
|
последнего |
||||||
7%. В случае использования |
других |
заполнителей |
необ- |
9