§ 10. Кріплення виробок

Загальні відомості. Кріплення гірничих виробок забезпечує їх провітрювання, безперебійну роботу підземного транспорту, необхідні для безпеки гірничих робіт. Правила техніки безпеки дозволяють не закріплювати виробки, пройдені в особливо міцних породах.

Конструкція та спосіб кріплення залежать від виду та призначення виробки, розмірів і форми її поперечного перерізу, величини й характеру гірничого тиску, терміну служби кріплення тощо. Залежно від призначення, терміну служби, властивостей бічних порід використовують такі кріпильні матеріали: дерево, метал, бетон, залізобетон, штучне й натуральне каміння.

При проходженні гірничорозвідувальних виробок з коротким терміном експлуатації традиційно використовують дерев'яне кріп­лення; поперечний переріз таких виробок має трапецієподібну або прямокутну форму. При проходці експлуатаційних і гірничороз­відувальних виробок з тривалим терміном служби використовується кам'яне, бетонне, залізобетонне кріплення. Виробки, як правило, мають криволінійні контури.

Існує кріплення жорстке й піддатливе. Жорстке під дією гірничого тиску зберігає свою форму та розміри, тому його застосовують у стійких гірських породах. Піддатливе ж під дією великого гірничого тиску змінює свою форму й розміри, зберігає стійкість, його застосовують у малостійких породах. Піддатливість забезпечується шарнірним сполученням елементів кріплення, введенням у кріплення еластичних прокладок тощо.

За часом використання кріплення поділяється на тимчасове та постійне. Тимчасове підтримує виробку до встановлення постійного кріплення. Постійне будується слідом за тимчасовим на деякій відстані від нього. Тимчасове кріплення використовується для прискорення прохідницьких робіт, а зведення постійного вимагає багато часу. Тимчасове кріплення завжди застосовується в нестійких слабких породах і в тих випадках, коли постійним кріпленням має бути бетонне або кам'яне. Вимоги до тимчасового кріплення: багаторазовість використання, легкість встановлення, портативність.

Діюча гірнича виробка повинна мати затверджений паспорт закріплювання, в якому відмічається: тип і конструкція кріплення, способи закріплення, потреба в кріпильних матеріалах, обсяг робіт щодо закріплення та інші дані (дод. 3).

Щомісячно кріпильні роботи приймаються за спеціальними актами з участю маркшейдера, в якому відзначається відповідність виконаних робіт за паспортом.

Матеріали рудникового кріплення. Для закріплення гірничороз­відувальних виробок використовуються дерево, метал, зв'язні ма­теріали та розчини, бетон, залізобетон.

Дерево — основний необхідний матеріал при закріпленні розві­дувальних виробок (сосна, ялина, кедр, модрина, дуб, граб, ясен та ін.). Аби подовжити термін служби дерев'яного кріплення більше як на 3—5 років, деревину для стійкості проти гниття обробляють антисептиками: 2—5 %-м водним розчином хлористого цинку; 2—2,5 %-м розчином хлористого натрію; кремнієфтористим натрієм, мідним і залізним купоросом.

Обробку лісу антисептиками здійснюють за спеціальним техно­логічним режимом у котлах-автоклавах під тиском 58,8 • 10 — 78,4 • 102 гПа.

Для збереження дерева від загоряння його просочують в автоклавних установках спеціальними хімічними розчинами, які надають їм вогнетривкості. Метал як матеріал для закріплення набуває дедалі більшого поширення. Кріплення з металу міцне, довговічне й різнорідне за конструкцією. До недоліків відносять високу вартість і уразливість корозією. В сирих виробках, а також у разі наявності вуглекислоти використовують метал із покриттям від корозії та агресивних вод (мінеральною фарбою або рідким цементним розчином). Чавун для закріплювання виробок використовується у вигляді тюбінгів, в основ­ному для закріплення стовбурів шахт.

Зв'язні матеріали та розчини. Зв'яз­ними матеріалами називаються речовини, здатні під дією фізико-ме-ханічних процесів переходити з рідкого стану в твердий, тверднути. Вони поділяються на повітряні та гідравлічні.

Повітряні зв'язні речовини твердіють на початковій стадії на повітрі й здатні тверднути далі, зберігаючи міцність лише на повітрі.

Гідравлічні — тверднуть на початковій стадії на повітрі й можуть тверднути далі, зберігаючи протягом довгого часу міцність як на повітрі, так і у воді.

До повітряних зв'язних речовин належать повітряне вапно, до гідравлічних — цементи. Для підземних і підводних споруд використовуються лише гідравлічні зв'язні речовини, в основному — портландцемент, продукт тонкого помелу клінкеру, здобутого рівномірним опаленням до стікання дозованих штучних сумішей матеріалів, які містять вуглекислотне вапно та глину, або натуральні матеріали (вапняні мергелі) відповідного складу. Глину можливо замінювати доменним шлаком, трепелом тощо.

Основна властивість портландцементу — твердіння, тобто пере­творення пластичного цементного тіста (суміш цементу й води) в тверде тіло — цементний камінь. Твердінню передує процес тужавіння — поступова втрата цементним тістом пластичності. Процес тужавіння й твердіння супроводжується виділенням тепла.

За механічною міцністю цемент поділяється на 6 марок: 200, 250, 300, 400, 500, 600, які відповідають міцності цементу на тиск, наприклад, цемент марки 400 через 28 діб після приготування має міцність на тиск 40 МПа.

Під дією деяких рідин (наприклад, мінералізованих вод) і газів трапляється корозія цементу, тобто зниження його міцності при твердінні, або повне зруйнування. Радикальний захід проти корозії — використання глиноземистого, пуцоланового портландцементу тощо.

Цемент випускається в мішках вагою 50—70 кг. Зберігати цемент треба в сухому приміщенні. У паспорті на отриманий цемент відзначається марка цементу й результат його випробування.

Розчини використовуються при закріпленні гірничих виробок натуральним і штучним камінням, при штукатуренні грунту, стінок і стелі виробок. Вони складаються зі зв'язного матеріалу — вапна, цементу, гіпсу, води та піску. Склад вапнисто-піщаного розчину виражається співвідношенням 1:4, 1:3, 1:2, 1:1 (пісок, вапняне тісто) за об'ємом.

В гірничій справі в основному використовуються піщано-цементні розчини з портландцементу. Міцність розчину залежить від марки цементу й відношення його ваги до ваги води, використаної на одиницю об'єму розчину, тобто від величини цементно-водного відношення.

Склад розчину залежить від призначення: чим більша міцність і водостійкість потребується від розчину, тим більша кількість цементу має в ньому міститися. Склад піщано-цементного розчину: 1:1, 1:1,5; 1:2; 1:3; 1:3,5 за об'ємом.

Бетон — штучний кам'яний матеріал, отриманий у результаті твердіння суміші зі зв'язного матеріалу, води та наповнювачів. Для кріплення гірничих виробок використовується бетон, у якому зв'язним матеріалом є портландцемент. Цемент і вода є активними складовими бетону внаслідок того, що за рахунок хімічних реакцій між ними утворюється цементне каміння, яке твердіє та зчіпляється з наповню­вачем. Наповнювачі — інертні матеріали, між ними та цементним каменем існує лише механічне зчеплення. До наповнювачів належать пісок, гравій і щебінь. Пісок для бетону містить гострокутові зерна з шорсткою поверхнею, що забезпечує добре зчіплювання піску з цементом. Розмір зерен від 0,15 до 5 мм. Розмір зерен гравію або щебеню в бетоні встановлюється від 5 до 6 мм. Пісок, гравій і щебінь не повинні містити в собі мулистих, глинистих або землистих частинок.

Вода, яка використовується для приготування бетону, має бути чистою, без шкідливо діючих на цемент сірчанистих сполук, вільної вуглекислоти, органічних кислот тощо.

Бетон готується в бетономішалках. Час перемішування залежно від рухливості суміші та місткості барабана коливається від 1—1,5 до 2—3 хв. При вкладанні бетону суміш трамбується ручними або механічними трамбовками, або вібраторами.

Залізобетон. Для виготовлення залізобетону викори­стовується арматура — металевий каркас із сталевих прутів діаметром 10—12 мм і більше. При заповненні арматури бетоном утворюється залізобетон, який має великий опір на розтягнення та вигин. Кріплення з залізобетону поділяються на монолітні та збірні (найчастіше), які складаються з заготовлених на поверхні елементів, таких як стояки, верхняки, тюбінги, блоки тощо. Натуральний камінь (бутове каміння, обтесані плити тощо) як кріпильний матеріал використовується рідко, в основному при укладанні фундаменту під кріплення з бетону та залізобетону.

Поняття про гірський тиск. На гірські породи, які залягають усередині землі, чинять тиск маси, що їх оточують, внаслідок чого породи перебувають у напруженому стані. Будь-яка частинка породи на глибині перебуває в стані напруженої рівноваги. При проходці гірничої виробки рівновага порід порушуєть­ся — частинки породи нама­гаються зсунутися в бік про­веденої гірничої виробки. По­рода спочатку прогинається, з'являються дрібні тріщини, ви­падають невеликі шматки, трап­ляється обвал виробки (рис. 48).

Такі явища виникають у масиві гірських порід після проходки виробки й називаються деформаціями. Деформація гірських порід залежить від різних факторів: фізико-механічних властивостей гірських порід, глибини закладання виробки від поверхні, форми та розмірів поперечного перетину виробки, способів кріплення тощо. Розвиток деформації можна не допустити, встановлюючи кріплення, яке стримує тиск гірських порід — гірський тиск.

Гірський тиск у горизонтальних виробках. Сучасні теорії гірського тиску в горизонтальних виробках поділяються за принципом створення склепіння натуральної рівноваги (теорія Протодияконова) та за іншими принципами (теорії гідростатичного тиску, теорії пружності тощо).

Теорія Протодияконова завдяки своїй простоті й достатній практичній точності найпоширеніша, виділяє два періоди стану гірських порід після проходки гірничих виробок (рис. 49):

період первинного гірського тиску, тобто частинки породи втрачають початковий напружений стан з утворенням навколо виробки так званого склепіння натуральної рівноваги;

період вторинного тиску, тобто стан гірських порід після створення склепіння натуральної рівноваги.

На першій стадії ще не існує склепіння натуральної рівноваги (відбувається розподіл напруження всередині склепіння), а кріплення зазнає тиску, який перевищує вагу породи всередині склепіння натуральної рівноваги.

До початку другого періоду склепіння рівноваги створене, а тиск на кріплення зменшується до певної постійної величини.

В слабких породах величина пер­винного тиску порівняно з міцними породами більша, а період його мен­ший; у міцних породах період первин­ного тиску більший, а величина пер­винного тиску менша.

Гірський тиск на кріплення стелі виробки дорівнює масі породи в об'ємі склепу й визначається за формулою

де — густина гірської породи, т/м3; 2а — ширина виробки, м; f — коефіцієнт міцності порід за шкалою Протодияконова.

Гірський тиск у вер­тикальних виробках. Кріплення вертикальної виробки розглядається як підпірна стінка, яка запобігає обваленню гірської породи.

П.М. Цимбаревич запропонував ви­значати гірський тиск у вертикальних виробках за ділянками, утвореними з однорідних порід (неоднорідні породи мають різні фізико-механічні власти­вості, тому й діють на окремі ділянки кріплення з різним гірським тиском) (рис. 51).

Кріплення розвідувальних канав. Канави традиційно не закріплюються, а після складання геологічної докумен­тації і випробування засипаються. При проведенні канав у нестійких породах закріплюються або вирівнюються борти до кута стійкого укосу. Стінки канав закріплюються при проходці пісків, гальки, суглинків, завалів кам'яних порід (міцних, але з великими тріщинами), а також у випадках, коли канави зберігаються протягом тривалого строку (запобігають вивітрюванню).

Штангове кріплення (рис. 56). Суть його полягає в тому, що породи покрівлі (а інколи стінок і грунту) закріплюються за допомогою металевих болтів, у такому разі порода покрівлі, стягнута болтами, працює як породна балка.

Пневмобетонне кріплення. Торкретування (пневмобетонування) — нанесення на тверду поверхню за допомогою стисненого повітря цементного розчину або бетону з тонкозернистим заповнювачем. Для цього використовуються спеціальні машини, які називаються торкрет-гарматами: в них засипають портландцемент із піском або суху бетонну суміш, що перемішується і з нижньої частини машини видувається крізь сопло стисненим повітрям. До сопла подається вода. Тиск стисненого повітря від 19,6 • 102 до 49 • 102 гПа залежно від довжини шлангів, якими пневмобетон подається до торкретувальної поверхні. Суміш вики­дається зі швидкістю 100 м/с. що забезпечує її високу щільність. Продуктивність гармати становить від 0,5 до 2 м3 суміші за годину

Кріплення вертикальних виробок. Закріплення шурфів. Шурфи прямокутного перерізу закріплюються деревом. Основою конструкції дерев'яного кріплення є вінець — прямокутна рама, яка складається з чотирьох брусків або пластин. Елементи вінця з'єднуються між собою врубками-лапами (на півдерева чи менше). Розрізняють вінці основні (опірні) й проміжні (нормальні). Основні з боку коротких брусків мають пальці завдовжки 300—800 мм, які заводяться в лунки. Лунки — заглиблення (вруби) споруджуються в довгих стінках шурфу. В устя шурфу вкладається перший вінець — прохідна (напрямна) рама, яка має пальці з усіх чотирьох боків.