§ 3. Горное давление в вертикальных выработках

Давление горных пород на крепь вертикальной выработки проф. М. М. Протодьяконов рекомендует рассматривать аналогично давле­нию сыпучих пород на вертикальную подпорную стенку. Исходя

из этого, на стенку вертикальной выработки оказывают давление Породы но моему периметру ствола, которые стремятся сползти под углом к горизонту, где φ — угол внутреннего трения пород. Величина горного давления определяется по формуле

где γ — объемный вес пород, тс/м³;

Н— глубина ствола, м.

Недостаток гипотезы проф. М. М. Протодьяконова заключается и том, что она применима к однородным породам с коэффициентом крепости f не более 4—6 (tgφ=0.7÷0.8).

При пересечении вертикальной выработкой различных по своим фииико-механическим свойствам пород на величину давления оказывают влияние не только глубина, но и, свойства горных пород, чего не учитывает гипотеза проф. М. М. Протодьяконова.

Согласно гипотезе проф. П. М. Цимбаревича, величина горного давления на крепь вертикальной выработки в большей степени пависит не от глубины, а от физико-механических свойств пород пересекаемых слоев. В каждом из них образуется своя призма сиолзания, нагруженная сверху весом вышележащих пород. При атом величину давления необходимо вычислять как в кровле, так и в почве каждого пласта.

На основании этой теории горное давление у кровли n-го пласта

(15)

У почвы n -го пласта

(16)

где γ₁, γ₂, . ., γ_n-1-объемный вес пород, пересекаемых ство­лом шахты пластов,тс/м³;

γ_n— объемный вес породы самого нижнего пла­ста, для которого

определяется давление, тс/м³;

h_n - вертикальная высота пласта, для которого подсчитывается давление, м;

h_1, h_2, . . . . h_n-1 - высота пластов породы, м;

А₁, А₂, … А_n-1 - коэффициенты горизонтального распора пород каждого пласта.

Недостатком гипотезы П. М. Цимбаревича является условность распространения на твердые горные породы теории давления грунтов ни подпорную стенку.

Существует ряд других гипотез по теории горного давления на крепь вертикальных стволов, основанных на теории упругости и пластичности пород, в которых рассматривается совместная работа крепи и горных пород. Это гипотезы академика Г. Н. Савина, докт. техн. наук К. В. Руппенейта, проф. Белаенко и других. Они имеют

весьма сложные решения, поэтому в данной работе не рассматри­ваются.

§ 4. Материалы рудничной крени

На подземных горных работах для крепления выработок при­меняют дерево, бетон, железобетон, металл, естественные и искус­ственные камни и др.

Дерево

Дерево — наиболее распространенный дешевый крепежный мате­риал, обладающий высокой прочностью, небольшим весом, легко поддающийся обработке. Недостатками являются недолговечность в связи с его гниением, слабая огнестойкость. Из-за этих недостатков применение дерева в качестве крепежного материала все более сокращается.

Для крепежных материалов применяют хвойные и реже листвен­ные породы деревьев. Благодаря большой смолистости (18—20 кг смолы на 1 м³ древесины) и повышенной стойкости против гниения сосна и лиственница широко применяются для изготовления руд­ничной крепи. Пихта и ель мало устойчивы против гниения и как крепежный материал употребляются реже. Крепь из сухого соснового леса является хорошим сигнализатором, так как при увеличении горного давления она не ломается мгновенно, а, сжимаясь, издает предупреждающий характерный треск, по которому судят об интен­сивности горного давления и опасности пребывания людей в забое.

В качестве крепи применяют круглый и пиленый лес. Круглый лес в зависимости от диаметра и длины подразделяют на бревна, подтоварник или накатник, стойки и жерди; пиленый лес — на пластины, брусья, доски и обаполы.

Срок службы деревянной крепи в шахтных условиях зависит от применяемых пород дерева, качества древесины и условий, в кото­рых находится крепь. В сухих горных выработках, по которым про­ходит сухой холодный воздух, срок службы сосновой крепи до 15— 20 лет, а для выработок на исходящей вентиляционной струе он может составлять всего несколько месяцев.

Для предохранения крепежного леса от гниения его пропитывают антисептиками, под действием которых белки и углеводы древесины делаются ядовитыми для дереворазрушающих грибков. В качестве антисептиков применяют 2—5%-ный водный раствор фтористого натрия.

Бетон

Бетон — искусственный строительный материал, состоящий из затвердевшей смеси вяжущего вещества с водой и заполнителей (песка, щебня, гравия), взятых в определенных соотношениях.

В качестве вяжущего вещества используют цемент, состоящий из тонкоизмельченных материалов, способных образовывать с водой пластическую массу, постепенно превращающуюся в искусственный

каменный материал в результате физико-химических процессов.

При этом различают периоды схватывания и твердения цемента. Скорости схватывания И твердения зависят от состава цемента, тонкости его помола, от влажности и температуры воздуха, наличия Специальных добавок и др.

Начало схватывания обыкновенного цемента должно наступать но ранее, чем через 45 мин, а конец — не позже, чем через 12 ч. Дли увеличения спорости схватывания и твердения в цемент вводят пористый натрий или хлористый кальций в количестве 1—3% от неси цемента. Прочность цементного теста увеличивается в течение 2М дней, а питом почти прекращается. Поэтому прочность цемент­ного тести пли бетона оценивают по прошествии 28 дней.

Марки цемента покапывает прочность его, определяемую вре­менным сонротиплопиом па сжатие (кгс/см²) кубика со стороной 7 см, изготовленного из раствора цемента и песка в пропорции 1 : 3 в воз­расте 28 дней. Портланд-цемент имеет марки: 200, 250, 300, 400, 500 и 600. Объемный вес цемента 1300 кгс/м³.

Состав бетона обозначают отношением 1:2:3, показывающим, что на 1 объемную (или весовую) часть цемента приходится 2 части песка и 3 части щебня или гравия. Для возведения рудничной крепи применяют плотные, тяжелые бетоны с объемным весом в сухом состоянии более 1,8 тс/м³ составов 1:2: 4,1; 1 : 3 : 5; 1 : 3,5 : 6 и др.

В зависимости от содержания цемента в 1 м³ различают бетоны жирные (более 250 кг), нормальные (200—250 кг) и тощие (менее 200 кг).

В зависимости от количества воды бетоны делят на литые, пла­стичные и жесткие.

Прочность бетона определяется временным сопротивлением на сжатие кубика со стороной 20 см через 28 дней после изготовления и соответствует марке бетона. Для горной крепи применяют бетон марок 100, 150, 200, 300 и реже более высоких марок.

Бетон как крепежный материал имеет высокую прочность при работе на сжатие, долговечность, огнестойкость, относительно низ­кую стоимость и возможность хорошей формовки.

Недостатки бетона: незначительное сопротивление изгибающим и растягивающим усилиям, большой объемный вес, большая трудо­емкость возведения бетонной крепи. Кроме того, крепь из бетона сразу не может воспринимать на себя горное давление.

Железобетон

Железобетон представляет собой сочетание, двух различных по своим механическим характеристикам материалов — металла и бе­тона, работающих совместно. В железобетоне выгодно используются свойства обоих материалов: бетон воспринимает в основном сжима­ющие усилия, а сталь — растягивающие.

Стальную сетку, называемую арматурой, располагают в тех мостах конструкции, которые подвергаются растягивающим усилиям.

Для арматуры обычного железобетона применяется холоднотянутая проволока и горячекатаная сталь диаметром до 10 мм.

Железобетон применяют в виде монолитных конструкций и сбор­ных элементов, изготовляемых на заводах. Применение сборного железобетона позволяет значительно снизить стоимость железо­бетонной крепи, повысить качество и прочность ее конструкций.

Для изготовления рудничной крепи широко применяют железо­бетон с предварительно напряженной арматурой (струнобетон). Такая арматура позволяет улучшить совместную работу железо­бетонной конструкции, увеличить ее прочности на изгиб, снизить расход металла и уменьшить вес.

Сборные железобетонные изделия изготовляют из жесткого бетона с уплотнением высокочастотными вибраторами. Для сокра­щения срока твердения бетона в изделиях последние подвергают термовлажностной обработке.

Металл

Металл — один из наиболее совершенных крепежных материа­лов, обладающий высокой прочностью, долговечностью и огнестой­костью, хорошо воспринимающий растягивающие усилия. Для про­изводства металлической крепи применяют чугун и сталь.

Рис. 13. Типы специальных профилей стали для гор­ной крепи:

а — спецпрофиль СП (подтипы А и Б); б, в — спецпрофиль взаимозаменяемый с желобчатыми фланцами (СВПЖ); г — взаимозаменяемый ТТ-образный спецпрофиль; в — широкополоч­ный двутавр 100 X 100 мм; е — то же, 100 X 80 мм

Из чугуна изготовляют тюбинги, башмаки под крепь, элементы для соединения верхняков со стойками. Допускаемое напряжение на сжатие для чугуна находится в пределах 600—1200 кгс/см².

Стиль применяют в виде литья (стальные тюбинги), проката (двутавровые и швеллерные балки, рельсы, трубы, спецпрофиль для рудничной кропи) и металлических изделий (крючья, штыри, болты, хомуты, скобы и т. п.). Широко применяют специальные П- и Б-обрвнпыо профили для изготовления податливой арочной крепи. Ооиониым достоинством кропи из спецпрофиля является высокое ООПротинлонио продольному и поперечному изгибу, косонаправленным нагрузкам. Конструктивная форма профиля позволяет регули­ровать податливость кропи.

Институт Гипроугломаш разработал новые профили (рис. 13): II образный, корытный и широкополочный двутавр (100 X 100 мм и 100 - 80 мм). Последний более устойчив при косонаправленных нагрузках.

Металлическая крепь имеет больший срок службы и прочнее деревянной, огнестойка, по подвергается гниению, может быть использована повторно, легко устанавливается и сразу же после установки воспринимает нагрузки. К недостаткам металлической кропи слодуот отнести высокую первоначальную стоимость и под-верженость коррозии.

Для увеличения срока службы металлическую крепь покрывают антикоррозийными красками, лаками, эмалями. Иногда для борьбы с коррозией применяют торкретирование — нанесение с помощью сжатого воздуха слоя бетона на стенки выработок, закрепленных металлической крепью.

Естественные и искусственные камни

Естественные камни — крепкие горные породы, добываемые в карьере или при проведении горных выработок. К естественным камням относят нарезные блоки, бутовый камень и щебень из пес­чаника, известняков, гранитов, базальтов и других горных пород.

К искусственным камням относят строительный кирпич и бетон­ные камни (бетониты). Для крепления горных выработок приме­няют нормально обожженный (красный) кирпич, который изгото­вляют из смеси глины и песка путем обжига его при температуре 1150^° С. Предел прочности кирпича 150—175 кгс/см². Размеры кир­пича 250 X 120 X 65 мм, вес около 3 кг, а вес кирпичной кладки на цементном растворе 1,57—1,8 т/м³.

Бетониты изготовляют из цемента, песка, щебня или шлака. Иногда их армируют стальными прутьями диаметром не более 12— 15 мм, что придает им большую прочность.

Бетониты имеют форму прямоугольных или клиновидных парал­лелепипедов. Клиновидные применяют при креплении стволов и выкладке сводов горизонтальных выработок. Толщину бетонитов принимают равной толщине крепи, а вес их обычно не превышает 35 кг.

Недостатками кирпича и бетонитов являются большая трудоем­кость возведения крепи при ручной кладке и сложность механиза­ции возведения крепи.

Новые крепежные материалы

Пласт-бетон представляет собой бетон, в котором в каче­стве вяжущего вещества применены пластические массы. В их состав входят синтетические смолы различного состава (фурфурол-ацетоновая, эпоксидная и др.). В качестве заполнителя применяют песок и гранитный щебень. Прочность пласт-бетона в суточном возрасте на сжатие составляет 300 кгс/см², 28-суточном — 550 кгс/см² и на растяжение в 28-суточном возрасте — 70 кгс/см².

Пласт-бетон является хорошим морозостойким материалом, обла­дает высокой водонепроницаемостью и имеет хорошее сцепление с арматурой.

С т еклопластики — высокопрочный материал, получа­ющийся при смешении бесщелочного стеклянного волокна с синте­тической смолой. Они обладают многими ценными свойствами: высокой прочностью при малом весе, негорючестью, малой гигро­скопичностью, химической стойкостью, высокими электро-, звуко-и теплоизоляционными показателями. Особое место среди стекло­пластиков занимает стекловолокнистый анизотропный материал (СВАМ). Он обладает следующими механическими свойствами: предел прочности на растяжение 4800 кгс/см², на сжатие — 4200 кгс/см², объемный вес 1900 кгс/м. Крепь из СВАМ в три раза легче деревянной и в 7—8 раз легче железобетонной крепи. СВАМ изготовляют из уложенных параллельно стеклянных (65—80%) волокон, скрепленных клеем БФ (35—20%). Учитывая перспектив­ность применения этого материала для рудничной крепи, в Кара­ганде и Донбассе строят цеха производства стеклопластиков на базе стекла и смол местного производства.

Армоцемент представляет собой разновидность сборного железобетона, в котором арматурная сетка состоит из пакетов сталь­ных проволок диаметром 0,5—1,5 мм (ячейки не более 10 мм). Изде­лия из армоцемента имеют высокую прочность, но требуют боль­шого расхода металлической сетки (около 400 кг стали на 1 м³ изделия), поэтому их применяют только в весьма ответственных конструкциях.

Каменное литье получают расплавлением базальтов и диабазов с последующим разливом их в формы. Оно отличается высокой механической прочностью, большой плотностью, морозо-и химической стойкостью.

Г л а в а V