Крепь горная

КРЕПЬ ГОРНАЯ (а. mine, support; н. Grubenausbau; ф. soutenement; и. entibacion, fortificacion, soporte, sostenimiento) — горнотехническое сооружение (конструкция), возводимое в подземных горных выработках для обеспечения их устойчивости, технологической сохранности, а также управления горным давлением. При этом крепь горная выполняет одну или совокупность следующих функций: охрана подземного сооружения от обвалов и вывалов горной породы; обеспечение проектных размеров поперечного сечения подземных сооружений на весь срок их эксплуатации; восприятие внешних и внутренних (в частности, давления воды в гидротехнических тоннелях) нагрузок и их перераспределение для вовлечения в работу окружающего породного массива; предотвращение разрушения, разупрочнения породы от выветривания, размокания и других воздействий воздуха и воды; уменьшение шероховатости поверхности и вследствие этого снижение потерь напора воздуха и воды (в гидротехнических тоннелях) на трение.

Современные крепи горные подразделяют: по назначению и виду выработок, где крепь применяют, — на крепи капитальных, подготовительных и очистных выработок, крепи горизонтальных, наклонных и вертикальных выработок, крепи сопряжений и пересечений выработок; по основному (преобладающему) материалу, из которого изготовлена крепь горная — на металлическую крепь, деревянную крепь, каменную крепь, железобетонную, бетонную, полимерную. Выделяют также смешанные крепи горные — изготовленные из двух и более разнородных материалов, без значительного преобладания одного из них (например, рама из деревянных или железобетонных стоек с металлическим верхняком). По рабочей характеристике различают жёсткие крепи и податливые крепи; по характеру взаимодействия с окружающими породами — поддерживающую крепь, подпорную крепь, ограждающую крепь, изолирующую, упрочняющую, а также комбинированную крепь, обладающую свойствами нескольких перечисленных типов крепи горной.

В свою очередь, крепи горные капитальных и подготовительных выработок подразделяют: по сроку службы — на временные крепи и постоянные крепи (постоянную крепь тоннелей различного назначения и подземных помещений камерного типа принято называть обделкой); по форме очертания — на прямоугольную, трапециевидную, полигональную, бочкообразную, сводчатую, круговую; по степени перекрытия периметра сечения выработки — на замкнутую и незамкнутую; по конструктивному исполнению — на сплошную крепь, рамную крепь и анкерную крепь. Рамную и анкерную крепи горные обычно применяют в сочетании с межрамным ограждением. По способу изготовления и возведения различают сборную и монолитную крепь горную.

Крепи горные очистных забоев делятся: по конструктивному исполнению — на индивидуальную крепь, механизированную крепь и щитовую крепь; по выполняемой функции — на призабойную крепь и посадочную крепь.

Основные требования, предъявляемые к конструкциям крепи горной: податливость системы "порода-крепь" при поддержании горных выработок в неустойчивых породах; криволинейность очертания, обеспечивающая высокое сопротивление конструкции за счёт уменьшения изгибающих моментов и растягивающих напряжений. Кроме того, крепь горная подземных помещений камерного типа (в т.ч. тоннелей) должна воспринимать внешние и внутренние нагрузки и по возможности в наибольшей степени включать в работу породный массив (причём деформации крепи горной не должны превышать заранее заданные достаточно малые величины); иметь конструктивно-минимальную толщину (выравнивающая монолитная крепь горная); рассчитываться на весь срок службы сооружения (постоянная крепь), поскольку перекрепление в условиях эксплуатации подземного сооружения крайне затруднительно. К крепям капитальных горных выработок, учитывая длительный срок их службы, предъявляются повышенные требования надёжности и долговечности. В связи с этим основные крепёжные материалы, из которых они изготовляются, — монолитный бетон и железобетон. В сложных горно-геологических условиях применяют сборные крепи горные из бетонных и железобетонных блоков и тюбингов. В благоприятных для поддержания условиях иногда используют более лёгкие крепи (из набрызг-бетона, анкерную и др.).

Важное требование при проектировании крепи горной — обеспечение минимального числа типоразмеров сечений, пригодных для крепления всех выработок с различным расположением транспортных средств. Конструкции сборной крепи горной разрабатывают с учётом их унификации и взаимозаменяемости узлов и деталей, что позволяет применить для изготовления наиболее прогрессивную технологию, улучшить качество изделий и поставить производство крепи горной на индустриальную основу.

Способы выбора и расчёта параметров крепи горной для капитальных и подготовительных выработок в CCCP регламентируются нормативными документами. Крепи вертикальных шахтных стволов выбирают и рассчитывают раздельно для устья, протяжённой части и сопряжения, в зависимости от инженерно-геологических, гидрогеологических условий, вредных воздействий, а также с учётом схем организации и методов производства работ. Выбор типа и расчёт параметров крепи горизонтальных и наклонных выработок производят также для различных однородных по условиям их работы участков в зависимости от ожидаемых по расчёту смещений пород в кровле, почве и боках выработки с учётом степени воздействия очистных работ и других выработок. Типоразмеры индивидуальной и механизированной крепи горной очистных забоев выбирают в зависимости от мощности угольного пласта и её изменения в пределах выемочного поля, а также от ожидаемого сближения пород кровли и почвы по всей ширине призабойного пространства.

Возведение крепи горной в капитальных и подготовительных выработках остаётся одним из наиболее тяжёлых и трудоёмких процессов. Трудности механизации процесса крепления вызваны стеснёнными размерами выработок, которые до предела насыщены производственным оборудованием, а также неприспособленностью некоторых конструкций крепей горных (например, рамных) для их механизированного возведения. Наибольшая степень механизации работ достигнута при возведении набрызг-бетонной крепи и монолитной бетонной крепи с помощью передвижной опалубки и бетоноукладчиков.

Для технического развития крепи горной характерна тенденция к дальнейшему повышению их надёжности и несущей способности, а также к использованию новых крепёжных материалов и конструктивной увязке крепей с технологией их механизированного возведения при помощи автономных машин или машин, входящих в состав горнопроходческих комплексов.

В истории создания и применения крепи горной прослеживаются отдельные этапы. В 3-м тысячелетия до н.э. началось использование деревянной, а также каменной крепи в виде сухой кладки из бутового камня. В 4 в. до н.э. на подземных горных разработках появилась каменная крепь из кирпичной кладки и тёсаного камня на вяжущих растворах из глины и асфальта. В 18 веке каменная крепь горная на вяжущих растворах получает широкое распространение на угольных шахтах западноевропейских стран. Во 2-й половине 19 века начинается применение бетонной крепи горной, создание первых конструкций рамной металлической крепи из стального проката для горизонтальных выработок, индивидуальной металлической крепи для очистных забоев. 1-я половина 20 века ознаменовалась появлением крепи из бетонитов (1911), бетонных стоек из дисков для очистных забоев, железобетонных центрифугированных стоек для крепёжных рам (1945), применением чугунных и стальных тюбингов (1911), первых железобетонных тюбингов, созданием и использованием анкерной, набрызг-бетонной крепей, различных крепёжных конструкций из монолитного и сборного бетона и железобетона. В середине 20 века на шахты стала поступать комплектная передвижная металлическая крепь из призабойных стоек, появились щитовые крепи для очистных забоев крутых и пологих пластов. Началось широкое внедрение индивидуальной металлической крепи горной, создание гидравлических стоек и передвижных гидрофицированных крепей для очистных забоев. Этот же период связан с разработкой и применением различных крепей из сборного железобетона для капитальных и подготовительных выработок (1951-60), интенсивным внедрением на шахтах металлической рамной крепи, главным образом арочной податливой из стального проката специального желобчатого профиля, консервированием крепёжного леса (1951). Во 2-й половине 20 века создают и начинают широко использовать механизированные крепи в составе очистных механизированных комплексов при разработке пологих угольных пластов (1961-70), этот же вид крепи горной применяют в лавах для крутых пластов, разрабатывают крепи для автоматизированных комплексов и агрегатов (1971-80). Появляются новые конструкции арочной и трапециевидной металлической крепи горной с безболтовым податливым соединением элементов и инвентарные многократно используемые крепи для выработок с небольшим сроком службы. Начинается внедрение на шахтах анкерной крепи, закрепляемой в шпурах химическими составами, заключёнными в специальные ампулы, этого же вида крепи из полимерных материалов, металлической трубчатой анкерной крепи, закрепляемой взрывным и другими способами. Создаются гидрофицированные передвижные крепи для временного поддержания кровли в призабойной части подготовительных выработок.