9.4. Проходка штолен и других рабочих выработок
Постройка тоннеля начинается с врезки в склон горного массива (рисунок 9.28, а). Обычно врезка заключается в образовании откоса максимально возможной крутизны или вертикальной стенки и укрепления их дощатой затяжкой, поддерживаемой системой подкосов.
а – конструкция затяжки; б – штольня с забивной крепью; 1 - марчеваны; 2 - филата; 3 - толстые клинья; 4 - тонкие клинья; 5 - верхняк; 6 - стойка; 7 - лежень; 8 - рошпан; 9 - лоток; 10 - скоба
Рисунок 9.28 – Врезка в склон горного массива
Для проходки штолен в затяжке предусматривают проемы.
С целью защиты выработки от обвала в слабых породах предусматривается надежное ее крепление.
Основой деревянной несущей конструкции, которая воспринимает горное давление, является рама (рисунок 9.28, б). Она выполняется в виде полного или неполного дверного оклада. Рама полного дверного оклада состоит из верхняка 5, стоек 6 и лежня 7. По лежням укладываются настил для движения людей и рельсы узкоколейного пути. Под лежнями при необходимости сооружают водоотводной лоток.
Поддерживающая породу затяжка кровли состоит из заостренных досок - марчеван, толщиной 5…6 см, забиваемых в породу для защиты от обвала при разборке забоя. В породах средней крепости и скальных породах лежни обычно не ставят. Такая рама называется неполным дверным окладом.
Рама в узлах имеет врубки, а элементы рамы скрепляются парными скобами.
Разработка породы в штольне производится под прикрытием ранее забитого посада марчеван. Забой разрабатывают уступами сверху вниз. При необходимости лоб забоя крепят досками, которые удерживаются распорками, опертые в крайнюю к забою раму.
В конце разборки породы марчеваны подхватывают поперечной доской - филатой, толщиной 6…8 см. Филата поддерживается временными наклонными стойками, которые не должны мешать постановке очередной рамы под филату. Между филатой и верхняком рамы забивают несколько толстых клиньев. В промежутке между толстыми клиньями забивают очередной посад марчеван, которые прижимают к филате тонкими клиньями. После этого удаляют поочередно толстые клинья и на их место ставят марчеваны с тонкими клиньями.
Если марчеваны невозможно забить сразу на всю глубину, то они добиваются в ходе разработки породы. Такая крепь называется этапно-забивной.
В зависимости от величины горного давления рамы устанавливаются через 0,7…1,5 м, по длине штольни. Расстояния между рамами и сечения элементов определяют расчетом.
Продольная устойчивость рам обеспечивается распорками - рошпанами, которые прирубаются к элементам рам в «чашечку». Высота рамы в свету должна быть не менее 1,8 м., а при электрифицированной откатке - не менее 2,2 м. Ширина штольни назначается из расчета расположения транспорта с запасом 25 см до стоек на возможную деформацию крепи и тротуара шириной не менее 70 см.
Затяжку по стойкам, как правило, выполняют из закладных досок с забутовкой за ними пустот, такая же закладная крепь может быть применена и в затяжке кровли при проходке в крепких породах.
Проходка фурнелей осуществляется снизу вверх, поэтому ее крепление выполняется обычно в виде сплошного сруба, установленного на рамы нижней штольни. Венцы крепи представляют собой прямоугольные рамы, соединенные в узлах в полдерева.
Крепление шахт может осуществляться рамами из металлического проката. Иногда применяют погружение обделки методом опускного колодца или кессона.
При строительстве горных тоннелей врезка в склоны, сложенные слабыми породами, и при преодолении зон тектонических разломов и нарушенных пород, для крепления выработок может применяться способ экранирования. При этом способе по контуру будущего тоннеля или только в пределах свода устраивают экран из труб (рисунок 9.29), под защитой которого сооружают тоннель горным способом. Для экранов применяют стальные, железобетонные, асбоцементные или пластмассовые трубы диаметром от 80 до 250 мм и длиной до 30…40 м. Трубы задавливают домкратами или устанавливают в пробуренные скважины отдельными звеньями длиной по 2…5 м. По мере разработки породы трубы между собой сваривают или соединяют с помощью замков по типу шпунта.
I – продавливание труб; II – заполнение труб бетоном; III – разработка породы; IV – устройство тоннельной обделки; 1 – трубы; 2 – железобетон; 3 – контур тоннельной выработки; 4 – обрушенная порода
Рисунок 9.29 – Этапы работ по сооружению тоннеля под защитой экрана из труб
На большой глубине элементарная частица породы находится в объемно-напряженном состоянии и может выдержать большие давления без разрушения и деформаций. Проходка выработки нарушает естественное равновесие. Из практики известно, что горное давление на подземное сооружение глубокого заложения всегда меньше веса вышележащих горных пород. Объяснение этому впервые дано профессором М.М. Протодьяконовым в конце 19 века. Неуравновешенное состояние элемента породы в кровле выработки приводит к нарастанию деформации поверхности, в итоге которой появляются необратимые поверхностные деформации и даже трещины (рисунок 9.30), выключающие из работы поверхностный слой породы. Со временем этот процесс развивается в глубину, и на тоннель передается вес все увеличивающихся объемов породы в пределах сводов распространения деформации на данный момент (1…5). В тоннелях мелкого заложения этот процесс может выйти на поверхность, и тогда обделка должна воспринять полный вес вышележащих пород. При глубоком заложении процесс останавливается с достижением равновесия в горном массиве по очертанию свода 2…4. Таким образом, в породе создается разгружающий свод над тоннелем. Конструкция обделки или крепи должны воспринимать только вес породы, заключающийся внутри этого свода, называемого сводом обрушения.
Рисунок 9.30 – Схема нарастания деформации породы
Очевидно, что установка креплений выработки ограничивает возможность деформации породы внутрь выработки. Следовательно, чем раньше произведено надежное крепление, тем меньше будет конечное горное давление. Наличие пустот между несущими конструкциями и породой предопределяет дальнейшее нарастание деформаций и величины горного давления. Поэтому пустоты между обделкой или крепью и поверхностью выработки должны быть плотно забутованы.
Различают следующие виды горного давления:
р - вертикальное давление сверху вниз, равное давлению породы свода обрушения или весу вышерасположенной породы;
Рот - вертикальное давление снизу вверх, возникающее от выпучивания глинистых пород или выпирания породы из под фундаментов стен;
рг - горизонтальное (боковое) давление на стены;
Рп - продольное давление, возникающее у порталов от скольжения пластов склона по смоченным нижележащим слоям породы.
Наиболее распространенными являются вертикальное р и горизонтальное рг давления, создаваемые весом породы свода обрушения. Для определения величины горного давления необходимо знать размеры свода обрушения – ширину и высоту.
Величину горного давления определяют:
путем непосредственного измерения давления специальными динамометрическими стойками, гидравлическими динамометрами, тензометрами и т.д.;
методом обратного расчета по излому элементов специальной крепи, устанавливаемой с переменным шагом (пролетом изгиба);
вычислением теоретическими методами (рисунок 9.31).
Рисунок 9.31 - Схема построения свода обрушения
При определении размеров свода обрушения теоретическим способом от вертикальных касательных к контуру выработки проводятся линии под углом 45-0,5 ( - угол внутреннего трения породы). Точки пересечения этих линий с горизонтальной касательной к кровле выработки являются границами ширины свода обрушения. При большой глубине заложения выработки, когда расстояние от выработки до дневной поверхности превышает 2h, высота свода обрушения h определяется по формуле
,
где b - половина ширины свода обрушения;
f - коэффициент крепости породы по классификации профессора М.М. Протодьяконова.
Для сыпучих и слабых связных пород коэффициент крепости определяется, как тангенс угла внутреннего трения f = tg, а для пород с коэффициентом крепости f 5 его величина принимается равной:
f = 0,01 Rсж,
где Rсж - предел прочности породы на сжатие.
Величины коэффициента крепости породы f находятся в пределах от 0,3 (для плывунов) до 20 (для крепких и вязких пород - нетрещиноватые базальты и пр.).
Наибольшее горное давление равно произведению среднего удельного веса заключенных в своде обрушения пород на высоту свода:
рн = h, тс/м2,
где - средний удельный вес пород свода обрушения.
Поскольку на ширине выработки высота свода обрушения изменяется незначительно – на h, расчетное давление принимается равным наибольшему.
При неглубоком заложении выработки, когда Н 2h, горное давление принимается равным весу столба вышележащих пород, т.е.
рн = H, тс/м2.
Горизонтальное горное давление определяется в зависимости от величины вертикального давления. Для скальных пород оно принимается равным
,
тс/м2,
где - коэффициент Пуассона (поперечной деформации горной породы). При вычислении активного давления породы
Для связных грунтов, нескальных и разрушенных скальных пород применяется формула
