Способ возведения крепи горной выработки и крепь для его осуществления

 

Изобретение относится к горному делу и может быть использоваться для крепления подземных выработок различного назначения, срока службы и размера поперечного сечения, преимущественно испытывающих в процессе эксплуатации значительное всестороннее смещение и сильное давление неустойчивых пород, в том числе слабых, склонных к весьма интенсивному выдавливанию. Горная крепь содержит верхняк, лежень стойку, прогон и подпятник, узлы податливости, гнезда соединения прогона и подпятника со стойкой, связи прогонов друг с другом, прогоны выполнены из тавра стенкой вверх с гнездами, состоящими из фиксатора и бортиков, размещенных на полке тавра, которая имеет по форме днища спецпрофиля вырез с края, обращенного в выработку, причем между полкой и фиксатором размещено днище торца стойки из спецпрофиля, бортики прилегают снаружи к его стенкам, опирающимся в бермы, остановленные для этого от бортиков до краев выреза, который доходит до фиксатора, у которого толщина равна зазору между днищами соединяемых спецпрофилей с возможностью присоединения к стойке внахлест нижнего несущего элемента рамы, не убирая прогона. 3 з.п. ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к горному делу и может использоваться для крепления подземных выработок различного назначения, срока службы, формы и размера поперечного сечения, преимущественно рамной крепью в условиях, где применяется металлическая податливая крепь как арочной, так и замкнутой конструкции.

Известны крепи из спецпрофиля, включающие несущие элементы и соединительные узлы с замками (М.Н.Гелескул, В.Н.Каретников. Справочник по креплению капитальных и подготовительных выработок. М. Недра, 1982, с.49-95).

Однако известные крепи имеют узкую область применения согласно своему назначению и рамы не обладают свойством как бы технологической трансформации за счет элементов, из которых они состоят, и в зависимости от горно-геологических и производственных условий не могут быть соответственно измененными в процессе сооружения и эксплуатации выработок. Поэтому часто требуется демонтаж и установка другой крепи. Такое перекрепление связано с затратами, а также небезопасно.

Известна металлическая арочная замкнутая крепь (а.с. СССР N 644954, кл. E 21 D 11/24, 1979), включающая верхняк, стойки, лежень из спецпрофиля, узлы податливости и узлы соединения лежня со стойкой. Конструкцией предусмотрено, что в выработке вслед за забоем возводят трехзвенные податливые арки с вертикальными стойками, и обеспечивается при развитии пучения почвы установка выположенного лежня, присоединяемого к стойке узлом в виде упора, состоящего из двух прямоугольных и одной профильной планок, прижатого П-образной скобой с гайками, в одну прямоугольную планку лежень упирается концом, а профильная планка своим вырезом охватывает спецпрофиль со стороны его днища.

Однако у известной крепи отсутствуют опорные элементы против вдавливания стоек в слабую почву, особенно до установки лежня. Он не имеет нахлестки со стойкой, прикреплен только одним резьбовым хомутом к прямому участку стойки, поэтому может быть легко вывернут пучащей почвой или быстро смещен вверх почти без сопротивления. Не предусмотрена возможность монтажа других рам из унифицированных элементов, в т.ч. с увеличенным запасом податливости и более высокой несущей способностью. Конструктивные возможности крепи позволяют только преобразование трехзвенной арки в замкнутую, поэтому область ее применения является узкой, недостаточной для многообразных горно-геологических и производственных условий подземных выработок.

Цель изобретения расширение возможности преобразования крепи.

Поставленная цель достигается следующим.

Для крепи выполнен комплект несущих элементов из спецпрофиля, расположенного днищем к горным породам с максимальным унифицированием этих элементов, благодаря чему они обеспечивают возможность монтажа и преобразования ряда крепежных рам: трехзвенной арки с криволинейными стойками в пятизвенную арку подковообразной формы, а ее в шести- или семизвенные эллиптические рамы, в т. ч. со стойками усиления или без них. В комплект входят элементы, представляющие собой: верхняк, который может служить и цельным лежнем; полулежень, который служит деталями усиления верхняка и является половинами составного лежня, а также полустойки двух видов, в т.ч. криволинейные и прямые.

Предусмотрены опорные элементы (прогоны и подпятники).

Прогон под нижние концы стоек (полустоек) представляет собой соединяемые последовательно отрезки таврового проката, располагаемого своей полкой вниз и стенкой вверх. На нем выполнены вдоль согласно шагу крепи специальные гнезда под торец спецпрофиля опирающейся стойки (полустойки). Гнездо как бы оформляет место упора спецпрофиля своим поперечным сечением в полку тавра, для чего к ней присоединен фиксатор из отрезка полосы, чтобы между ним и стенкой тавра разместилось торцом днище спецпрофиля, кроме того присоединены к полке бортики, не связанные с фиксатором, и прилегающие к боковым стенкам спецпрофиля снаружи его. При этом в этой полке тавра сделан вырез, одна сторона которого проходит вдоль фиксатора, а две другие параллельно бортикам на расстоянии, равном толщине стенок профиля, т.е. с образованием берм, достаточных, чтобы на них встали стенки спецпрофиля стойки (полустойки). Такой вырез позволяет при расположении спецпрофиля открытой частью внутрь выработки вставить для присоединения к нижнему концу одной полустойки другую (нижнюю) полустойку или к стойке лежень (полулежень), не убирая при этом прогона. Фиксатор не препятствует присоединению, так как его толщина принята с учетом зазора между днищами соединяемых внахлест спецпрофилей.

Подпятник имеет вид пластины с ребром жесткости и бортиком по форме внутреннего контура спецпрофиля, которые расположены на одной ее стороне. Гладкой стороной подпятник укладывают на почву выработки. Ребро жесткости направлено вверх и обращено своей плоскостью в выработку. Поэтому подпятник может быть установлен не только под стойку, но и под прогон, когда бортик подпятника входит в вырез, выполненный в полке тавра, а ее край упирается в ребро. Пластина увеличивает площадь опоры прогона. Подпятник усиливает прогон, особенно с учетом наличия выреза в полке тавра, при весьма слабой почве. Извлекают подпятник сдвижением в выработку в плоскости арки.

Связь прогонов друг с другом осуществляется встык между арками посредством П -образной накладки, которая надета на стенку тавра до его полки и снабжена в соосных отверстиях двумя-четырьмя имеющими проушины клиньями, под которые также выполнены отверстия в стенке тавра на концах прогонов. Клин фиксируется посредством объемной пружинящей проволочной скобки, один конец которой заведен за накладку, а далее вставлена в проушину каждого клина и по выходу из проушины последнего клина второй конец также заведен за накладку. В относительно благоприятных условиях допускается наложение прогонов без соединительных деталей внахлест концами так, чтобы при последующих работах по усовершенствованию выработки с преобразованием крепи конец предшествующего отрезка прогона удерживался началом последующего по ходу выемки породы в почве.

Возведение предложенной крепи выполняют при установке 3-звенных арок полустойками на прогоны с подпятниками под ними или без них. А 5-звенные арки могут отличаться тем, что каждая стойка предварительно соединена из двух таких полустоек с замками на нахлестке, или такие арки возводят поэтапно. В последнем случае в почве выработки оформляют уступ, над которым 3-звенные арки удерживаются на прогонах (если использовались, подпятники убирают вниз на почву уступа), укладывают прогоны, чтобы гнезда находились в плоскостях арок, ставят полустойки, соединяют их с ранее установленными арками податливым узлом. И, наконец, под 5-звенными арками, удерживаемыми прогонами, образуют следующий уступ (котлован), в который укладывают лежни (цельные или составные из полулежней), которые соединяют аналогично с нижними концами стоек, и в результате получают эллиптическую крепь. Прогоны снимают или оставляют на крепи.

По патенту Германии N 530813, кл. E 21 D 11/26, 5 C 11/26, 1931, несущие элементы крепи из рельсов присоединяют торцами к рельсовым прогонам посредством спаренных уголков. Элементы ввиду упора в рельс не могут иметь нахлестки друг с другом для получения податливого узла. Кроме того прогон не служит опорным элементом известной крепи.

Заявленное техническое решение предусматривает возможность с использованием несущих деталей только трех видов возводить рамную крепь трех конструкций, в т. ч. с поэтапным возведением. Для выработки с небольшим сроком службы, в частности, разведочной, наиболее отвечает 3-звенная крепь, сечение которой небольшое, а при слабой почве положительную роль выполняют специальные продольно уложенные под стойки прогоны. Выработка в дальнейшем при необходимости может быть реконструирована с преобразованием 3-звенной крепи в 5-звенную без замены ранее установленной крепи, с удлинением стоек. Если надо по условиям, то выработку проходят сразу с 5-звенной крепью, чтобы был запас податливости. Прогоны под стойками 5-звенных арок обеспечивают преобразование их в эллиптическую крепь без перекрепления. С помощью подпятников исключается вдавливание или деформация прогонов в особо слабые породы. Поэтапное возведение 3-звенной, 5-звенной арочной и эллиптической крепей вслед за забоем уступной формы дает возможность менее трудоемко, с меньшим расходом материалов и повышенной безопасностью сооружать выработки большого сечения. В результате за счет расширения производственных возможностей крепи достигается безремонтное поддержание выработок в различных горно-геологических и горно-технических условиях, что обеспечивает получение значительного положительного эффекта.

На фиг. 1 приведена схема крепи с этапами ее преобразования в выработке, продольный разрез; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 разрез Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 разрез В-В на фиг. 1; на фиг. 5 схема устройства прогона; на фиг. 6 схема подпятника, вид сверху; на фиг. 7 разрез Г-Г на фиг.2; на фиг. 8 вид Д на фиг. 3; на фиг. 9 разрез Е-Е на фиг. 8; на фиг. 10 разрез Ж-Ж на фиг. 8; на фиг. 11 схема соединения прогонов между собой; на фиг. 12 разрез З-З на фиг. 11.

Горная крепь состоит из отдельных рам, устанавливаемых в выработке вразбежку и соединяемых друг с другом межрамной связью. Рама включает унифицированные криволинейные несущие элементы, выполненные из спецпрофиля, расположенного днищем в сторону горных пород, а открытой частью (фланцами) внутрь выработки. Основных элементов три: верхняк 1, полустойка 2, полулежень 3, кроме того при необходимости в раме может устанавливаться средняя стойка из двух прямых отрезков спецпрофиля (не показана). С помощью полулежней 3 получают усиленный верхняк, скрепляя все три спецпрофиля хомутом 4, который используется также для межрамной связи. Трехзвенная податливая арка состоит из верхняка 1 (с усиливающими деталями (3) или без них) и двух полустоек 2, соединенных внахлестку замком 5, которые установлены на прогоны 7, в т.ч. при особо слабой почве и большой нагрузке на крепь с подпятниками 8 под ними. Пятизвенная подковообразная арка содержит упомянутые несущие элементы и дополнительные две полустойки 2, образующие составные стойки с нахлесткой, соединенной, помимо замка 5, вторым замком 6, которые также установлены на аналогичные опорные элементы прогоны 7 и подпятники 8. Эллиптическая рама включает, кроме несущих элементов 5-звенной арки, лежень из двух полулежней 3, соединенных друг с другом и со стойками 2 податливыми узлами с замками 5. Прогон выполнен из проката таврового профиля и на почве располагается полкой 9, а стенка 10 направлена вверх. На прогоне согласно шагу арок оформлены гнезда для концов стоек, у которых спецпрофиль обращен фланцами в выработку. Днище наружной поверхностью прилегает к стенке 10, а с внутренней стороны к фиксатору 11 в виде отрезка полосы, присоединенному к полке 9, на расстоянии от стенки 10, чтобы разместилось днище (толщина фиксатора принята с учетом величины зазора между днищами спецпрофилей при соединении их внахлестку). Спецпрофиль стойки контактирует с боков с бортиками 12 на полке 9, в которой выполнен по форме спецпрофиля вырез 13, одной стороной граничащий с фиксатором, а две другие стороны параллельны бортикам 12 с оставлением берм 14, в которые также упирается торец спецпрофиля. Подпятник 8 включает пластину 15, ребро 16 жесткости и бортики 17, направленные вверх, причем ребро 16 расположено своей плоскостью в сторону выработки. Бортики 17 при установке подпятника под стойку входят в спецпрофиль, а при установке под прогон в вырез 13 в полке 9. Благодаря такому устройству прогона и подпятника и их взаиморасположению подпятник легко убирают при преобразовании рам крепи, а прогон не только поддерживает консольно стойку арки, но и обеспечивает присоединение к ней внахлестку другого несущего элемента (нижней полустойки 2 или полулежня 3). Прогоны 7 соединены последовательно встык один другому посредством П -образной накладки 18, надетой на их стенки 10. В соосные отверстия накладки и стенок смежных прогонов вставлены клинья 19. В их проушины 20 пропущена стальная проволочная скоба 21, которая удерживается своими концами 22, заведенными за накладку.

Крепь возводят следующим образом.

При креплении 3-звенными арками на почву укладывают прогоны 7 с подпятником 8 (или без них в зависимости от условий). Затем устанавливают полустойки 2, чтобы нижние торцы встали в гнезда. Поднимают крепеустановщиком верхняк 1, скрепленный с усиливающими деталями (3), хомутом 4, к которому присоединяют межрамную стяжку. Одновременно податливые узлы соединяют замками 5. После этого выполняют остальные операции (выравнивание, расклинивание, затягивание, забучивание), а далее аналогично возводят следующие арки с предварительным удлинением прогонов. На их стыке надевают на стенки 10 накладку 18, забивают со стороны выработки в соосные отверстия клинья 19, а в проушины 20 пропущенную скобу 21 заводят концами 22 за накладку с обратной ее стороны. Чтобы преобразовать данную крепь в 5-звенную, вслед за почвенным забоем, где арки удерживают на прогонах 7, из под них убирают подпятники 8 вниз и укладывают прогоны так, чтобы гнезда под нижние полустойки совпадали с плоскостями арок. Нижние и верхние полустойки 2 соединяют внахлест и скрепляют двумя замками 8 и 9 в каждом узле. После образования 5-звенных арок в выработке более, чем длина прогона, его или снимают в порядке, обратном удлинению, или оставляют при необходимости повышения надежности межрамной связи по узлам податливости на составных стойках арочной крепи с большой высотой. В дальнейшем преобразование в замкнутую эллиптическую крепь осуществляют подобным образом, лишь уступ в почве оформляют не плоским, а в виде котлована под лежень, который монтируют из полулежней 3 с двумя замками 5, и таким замком соединяют их с нижними концами стоек 5-звенных арок.

Крепь каждого вида работает в податливом режиме в пределах конструктивной величины, которая возрастает от 3-звенной арки к эллиптическим рамам, причем последние к концу срока их службы принимают кольцевую форму.

Для извлечения крепи снимают замки и рассоединяют соединения несущих элементов, начиная с верхних узлов податливости. Элементы направляют для повторного применения (если требуется, с частичным восстановлением, в основном, радиуса).

Использование заявленного технического решения обеспечит высокую эффективность геолого-разведочных и горно-подготовительных работ, благодаря тому, что: существенно улучшится снабжение горнодобывающих предприятий крепежными материалами за счет унификации элементов крепи, благодаря чему из трех элементов будут возводиться 3-звенные и 5-звенные арки и эллиптическая 6-7-звенная крепь, в т.ч. с усиленными верхняками; снизится стоимость крепи вследствие повышения производительности труда при ее изготовлении с меньшими затратами на переналадку технологического оборудования; представится возможным уменьшить численность горнорабочих по ремонту выработок, так как устраняется непроизводительное их перекрепление; за счет прогонов и подпятников незамкнутые арки не вдавливаются в почву при усиленном горном давлении; прогоны своей конструкцией обеспечивают реализацию предлагаемого способа преобразования крепи, в т.ч. в выработках при необходимости значительных размеров, особенно по высоте, с запасом сечения на податливость в течение всего срока службы; с использованием прогонов (и подпятников) облегчается применение крепи для усовершенствования уже существующих выработок, когда условия эксплуатации потребуют возведения рам как большей высоты, так и вообще замкнутой конструкции, чтобы содержание в рабочем состоянии не требовало ремонта и перекрепления с заменой рам возведенной крепи; улучшаются условия труда и безопасность вследствие устранения операций по демонтажу крепи, установленной при проходке, и обнажения кровли выработок; экономический эффект в результате устранения снятия арочной крепи при ее замене новой крепью в соответствии с условиями проходки выработки или ремонта, а также связанных с этим процессов.

На шахтах Д. Востока крепь по прототипу при проведении не применяется ввиду ее несоответствия горно-геологическим условиям. Поддержание вследствие податливости (уменьшения сечения) кольцевой крепи обуславливает ежегодное перекрепление.

Формула изобретения

1. Способ возведения крепи горной выработки, включающий установку лежней, стоек, верхняков и соединяемых друг с другом и элементами крепи прогонов, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности использования крепи при проведении выработки почвоуступным забоем, первоначально на почве выработки укладывают прогоны, устанавливают на них стойки и соединяют стойки с верхняками с образованием трехзвенных арок, а после формирования уступа на его почву также укладывают прогоны, на которых размещают дополнительные стойки и соединяют их с ранее установленными с образованием пятизвенных арок, а затем по мере расширения сечения выработки до проектного устанавливают лежни, которые соединяют с дополнительными стойками с образованием замкнутой крепи, причем прогоны по отношению к трех- и пятизвенным аркам устанавливают с опережением, а лежни с отставанием.

2. Крепь для возведения горной выработки, включающаяся сочлененные между собой с зазором стойки, верхняки и лежни и соединенные между собой прогоны, установленные в местах сочленения стоек с дополнительными стойками и лежнями, отличающаяся тем, что прогоны выполнены из тавра, полки которого, обращенные внутрь выработки в местах сочленения прогонов с элементами крепи, имеют вырезы по форме спецпрофиля, а крепь снабжена установленными под основаниями стоек подпятниками, фиксаторами для размещения между ними и стенками тавров торцов днищ спецпрофилей крепи и установленными параллельно вырезам бортиками, причем расстояние бортиков от вырезов равно толщине стенки спецпрофиля крепи, а толщина фиксаторов равна зазору между стойками и верхняками.

3. Крепь по п.2, отличающаяся тем, что подпятники выполнены в виде пластин, имеющих обращенные внутрь выработки ребра жесткости и контактирующие с внутренними поверхностями стенок спецпрофилей бортики.

4. Крепь по пп. 2 и 3, отличающаяся тем, что в стенках тавров смежных прогонов выполнены сквозные пазы, а прогоны установлены встык друг к другу и соединены между собой посредством надетых на стенку тавров -образных накладок со сквозными пазами и клиньев, пропущенных в сквозные пазы накладок и прогонов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12