Способы поддержания очистного пространства. Выбор типа и способов крепления горных выработок

Эти способы при очистной выемке можно разде­лить на следующие три группы (см. рис. У1.6): естественное под­держание очистного пространства при выемке руды; обрушение руды и вмещающих пород, т. е. без поддержания очистного про­странства при выемке руды; искусственное поддержание очистно­го пространства при выемке руды.

1. Естественное поддержание очистного пространства при вы­емке руды осуществляется за счет естественной устойчивости окру­жающих пород и еще не выработанных участков руды — целиков. Горное давление при этом регулируют за счет выбора размеров очистного пространства (камеры), расположения и размеров под­держивающих целиков.

Таблица VI.!

Характеристика дизельных самоходных полков завода Востокмаш Показатели Тип полка СП-8 СП-18А Назначение Крепление, осмотр и Осмотр и оборка кровли   оборка кровли в каме­ в камерах высотой   рах высотой до 10 м до 20 м Максимальная высота от   16 000 почвы до пола рабочей пло­     щадки, мм     Максимальный уклон поч­     вы камер в месте установ­     ки, градус     Дополнительное оборудо­ Гидравлические ножницы для срезания навесей вание ; на штаигах Эксплуатационная произ­   _ водительность, штанг/смену

Для осмотра и оборки кровли в высоких (высотой до 20 м) очистных камерах применяют специальные самоходные полки, часть которых служит и для штангового крепления кровли. Так,

а 6 в

Рис. VI.14. Способы искусственного поддержания очистного пространства: а — закладкой; б — крепью (вариант с усиленной распорной крепью); в — крепью и заклад­кой (вариант со станковой крепью); г — крепью с последующим обрушением пород (вари­ант с индивидуальной стоечной крепью)

на рудниках Джезказганского комбината применяют полки СП-8 и СП-18А (табл. VI.1).

2. Обрушение руды и вмещающих пород позволяет не остав­лять целиков и не применять искусственного поддержания очист­ного пространства. Обрушение пород на отбитую руду вызывают или обнажением пород на большой площади или взрыванием за­рядов ВВ. Руду выпускают из очистного пространства через вы­работки в основании блока. Обрушение руды и вмещающих по­род применяют на большинстве железных рудников Криворож» ского бассейна, Урала и Горной Шории, рудниках цветных метал­лов (Тырныаузском и др.)> фосфатных рудниках комбинатов «Апатит» и «Каратау».

3. Искусственное поддержание очистного пространства при вы­емке руды осуществляют с помощью закладки или крепления (рис. VI. 14). Закладку применяют, Например, при разработке мощных залежей Талнахского (пологого), Гайского и Тишинского (крутых) месторождений цветных металлов, Белозерского место­рождения железных руд и многих других.

Поддержание очистного пространства крепыо в чистом виде применяют только в маломощных залежах. При большой и сред­ней мощности крепь сама по себе не может выдерживать горного давления, поэтому применяется вместе с закладкой (если необхо­димо поддерживать выработанное пространство и после выемки руды). Чаще поддерживают крепыо лишь рабочее пространство у забоя, тогда в отработанной части ее обрушают или извлекают, чем вызывают обрушение вмещающих пород для снижения дав­ления на оставшуюся крепь. Крепление и последующее обруше­ние пород широко применяют в маломощных залежах, например в пологих пластах калийных и марганцевых руд.

Искусственное поддержание целесообразно тогда, когда дру­гие способы неприемлемы технически или не обеспечивают до­статочно полной и чистой выемки руд.

Процессы искусственного поддержания рассмотрим в следую­щих параграфах, а обрушение пород — вместе с системами разра­ботки, при которых его применяют.

. КРЕПЛЕНИЕ

При очистной выемке поддерживают крепыо не­устойчивые боковые породы или руду, а иногда закладочный мас­сив. Применяемые виды крепи приведены в табл. VI.7.

К системам разработки с креплением (а также с креплением и последующим обрушением) условно относят лишь те системы, при которых крепь размещают в выработанном пространстве и устанавливают регулярно вслед за выемкой. Соответственно при­менение штанговой крепи и опорных столбов не считается призна­ком систем разработки с креплением.

Крепи, возводимые в выработанном пространстве, разделяют по их способности к деформации на жесткие и податливые. По­следние под нагрузкой значительно деформируются, не снижая своей прочности, чем обеспечивается приемлемый для данной кре­пи уровень нагрузки. Податливыми могут быть крепи: стоечная — металлическая гидрофицированная; костровая; механизированные щитовые комплексы — гидрофицированные.

До шестидесятых годов изготавливали крепь, за редким ис­ключением, только из дерева, и соответственно применяли стоеч­ную, костровую, рамную и станковую крепи и испытывали само­опускающиеся щиты.

Классификация видов крепи очистных выработок

Вид крепи

Материал крепи

Пояснения к конструкции крепи

I. Крени, размещаемые в (пли на) массиве под­держиваемых пород (или закладки):

1) штанговая

2) торкрет-бетон

3) обвязка

4) подвесная (вспомо­гательная)

II. Крепи, разметае­мые в выработанном пространстве и поддер­живающие породный массив извне:

1) распорная (стоеч­ная)

2) крепежные,рамы

3) костровая

4) самоопускаюшиеся перекрытия

5) механизированные питы

6) опорные столбы

7) станковая

Металл, железобетон, пластмасса и др. Бетон

Трос

Металлические или де­ревянные балки и трос

Металл, дерево, испы- тывается пластмасса

Дерево, металл Дерево,:рельсы

Металлическая сетка из проволоки или поло­сового железа, тросы, де-,рево

Металл

Камень, бетон, бетони­ты и другие материалы

Дерево

Пневматическим разбрыз­гиванием наносят слой бето­на на стенки и кровлю вы­работки

Тросом обвязывают стол­бообразные целики

Применяют вместе с твер­деющей закладкой при нис­ходящей слоевой выемке. Балки укладываются на почву слоя и подвешивают­ся на тросах к таким же балкам вышележащего слоя

Распо,рки (стойки) уста­навливают между висячим н лежачим боками залежи

В виде сруба, иногда за­полняемого камнем

Опускаются под давле­нием налегающих обрушен­ных пород

Перемещаются с помощью механизмов по почве залежи

Устанавливаются на почву залежи для поддержания кровли

Пространственная решет­ка с ячейками в виде иарал- лелетипедов

Практика выявила существенные недостатки деревянных кре­пей: пожароопасность; разовое использование, а отсюда — доро­говизна, усложнение рудничного хозяйства в части заготовки и транспортирования крепи; трудоемкость установки; невозможность механизации передвижения крепи вслед за выемкой руды; огра­ниченная податливость; гниение, а отсюда—разогрев и загрязне­ние воздуха. Этим обусловлено применение других крепежных ма­териалов, и соответственно других конструкций крепей.

Широко распространилась штанговая крепь, сперва металли­ческая, затем преимущественно железобетонная или на базе по­лимеров и т. п. Она не загромождает выработку и, значит, не стесняет условий механизации работ по отбойке и доставке руды.

Реже стали встречаться крепежные рамы и станковая крепь, которые ни из чего другого, кроме дерева, выполнить нельзя. Де­ревянные стойки на ряде рудников вытеснены металлическими, обычно гидравлическими. Расширяется применение механизиро­ванных щитовых комплексов по типу используемых в угольной промышленности.

При выборе вида крепи предпочтение отдается той, которая, наряду с достаточной надежностью поддержания очистного про­странства в течение нужного срока, отвечает следующим услови­ям: возможность установки непосредственно у забоя с наимень­шей опасностью повреждения при взрыве; возможность механиза­ции работ по установке крепи и по ее передвижению, если оно необходимо; наибольшая производительность труда крепильщи­ков; минимум помех для работы бурильных и погрузочно-доста- вочных машин в очистном забое; наименьшие объем, вес и стои­мость материалов крепи; наименьшие расходы по ремонту крепи. Иногда требуется плавное опускание кровли и налегающих пород, например во избежание разрыва сплошности пласта водоупорных глин при добыче калийных солей, в этом случае крепь должна быть податливой в широком диапазоне.

Часть этих условий (например, наименьшая стоимость мате­риалов) находится в противоречии с требованиями надежности крепи и механизации работ, поэтому решение по выбору вида крепи принимается компромиссное.

Остановимся на отдельных видах крепи.

Штанговой (анкерной, болтовой) крепью называют конструк­ции, при которых толщу пород около выработки скрепляют стерж­нями (штангами), в результате чего возрастает несущая способ­ность толщи пород за счет совместной работы слоев породы и стержней. Иногда накладывают на массив металлическую сетку, которая удерживает отдельные отслоившиеся куски породы, а са­ма удерживается головками штанг.

Конструкции штанговой крепи примерло такие же, как и при проведении выработок, и рассмотрены в соответствующем курсе. Чаще всего применяют железобетонные штанги. Начинают ис­пользовать новые материалы, например полиэфирные смолы для закрепления арматурного стержня или стекловолокно для изго­товления стержней, если закрепляемый массив подвержен силь­ным вибрациям от взрывов или от работы механизмов.

При пролете обнажения до 12—15 м интервал между штанга­ми в общем случае не должен превышать утроенной величины наименьшего расстояния между трещинами отдельности, а длина штанг должна быть не менее удвоенного 'интервала и не менее V* перекрываемого пролета.

При пролете более 12—15 м или при интенсивной трещинова- тости пород можно пользоваться штангами двух размеров: корот­кие располагать по густой сетке для поддержания непосредствен­ной кровли, а длинные, в '/₄ пролета, устанавливать через интер­валы, равные приблизительно половине их длины.

В камерах высотой до 7—10 м используют самоходные пнев­моколесные установки, с них бурят шпуры и устанавливают штан­ги. В более высоких камерах кровлю закрепляют штангами при выемке только верхнего слоя, а при работе в нижнем слое ее осматривают и обирают с самоходных пневмоколесных установок (одна из таких описана ниже в связи со вспомогательными рабо­тами).

Торкрет-бетоном укрепляют кровлю и стенки очистных и подго­товительно-нарезных выработок, чтобы предотвратить отслоение кусков и выветривание. Процесс торкретирования полностью ме­ханизирован. На одном из шведских рудников установка для тор­кретирования расположена на земной поверхности, управляют ею из забоя дистанционно; удовлетворительные результаты получа­ются при вертикальном расстоянии подачи смеси до 300 м и го­ризонтальном— до 500 м.

Распорная и стоечная крепи применяются в маломощных за­лежах.

В пологих залежах распорки называются стойками, ими под­держивают кровлю. Между распоркой и кровлей (а также и поч­вой, если породы лежачего бока слабые) помещают прокладки из деревянных пластин, досок или обапол. Стойки металлические или деревянные. Металлические выдерживают значительно большую нагрузку и допускают многократную перестановку, бывают жест­кими или податливыми.

Стойки устанавливают рядами на расстоянии порядка 2 м, до­статочном для сообщения и производства работ по очистной вы­емке.

При необходимости в усиленном креплении устанавливают стойки группами, так называемыми кустами, с числом стоек в ку­сте от 3 до 10 на расстоянии 10—20 см одна от другой.

Стойки (деревянные) применяют и в виде органной крепи, ли­ния которой ограничивает обрушение кровли.

При крутом падении распорки используют обычно деревянные; их забивают между висячим или лежачим боком в лунки и рас­полагают с отклонением от нормали на 5—10° по восстанию за­лежи, чтобы предотвратить выпадение распорок при сдвижении висячего бока и при взрывании. Расстояние между рядами по вертикали около 2 м, а между распорками в ряду 0,7—1,5 м. Про­стую распорную крепь применяют с целью устроить на ней настил для работы бурильщиков, а иногда и для поддержания боковых, пород, если они не слишком неустойчивы. При неустойчивых бо­ковых породах применяют усиленную распорную крепь, т. е. под­пирают распорки стойками или усиливают их иными элементами.

Крепежные деревянные рамы применяются, в общем, такие же, как в подготовительных выработках, иногда они отличаются тем, что имеют не наклонные, а вертикальные стойки и устанавлива­ются на прогонах, которые подхватывают рамами при выемке ни­жележащего слоя руды.

Костровая крепь (рис. VI.23) применяется в пологих залежах для поддержания кровли при большом горном давлении, иногда в дополнение к органной крепи. Костер — это сруб, сложенный из бревен (или брусьев). Бревна укладывают либо только по краям сруба, либо по три-четыре в ряду, либо всплошную. По форме в плане костры прямоугольные, реже треугольные. Для увеличения прочности костра внутрь его иногда засыпают породу. При на­клонном падении залежи для предотвращения сползания костров предварительно устанавливаются стойки по углам. Костровая крепь податлива, так как элементы ее сжимаются поперек волок­на дерева с уменьшением толщины в 2—3 раза. Иногда устраива­ют костры из рельсов, в этом случае крепь жесткая, и конструк­цию тогда можно отнести к искусственной опоре.

Появились примеры использования костровой крепи как основ­ной, но в усовершенствованном виде. Так, на золотом руднике «Эльзбург» (ЮАР) разрабатывают пологие рифы мощностью 1,8 м на глубине более 2—2,3 км. Каркас костра возводят из уло­женных по периметру деревянных брусьев, а внутрь помещают ме­шок размером 1X1X1,8 м из полипропиленовых нитей. Этот ме­шок заполняют подаваемым по трубам с поверхности цементным раствором (1 часть цемента на 2 части песка, добавка 0,5% хло­ристого кальция для быстрого твердения). Через 2 ч после уста­новки костра можно вести рядом взрывные работы. Между пунктами подачи раствора на поверхности и приема раствора в забое имеется прямая связь. За смену в забое возводят до 9 костров.

Самоопускающиеся перекрытия применяют при неустойчивых руде и вмещающих породах. Вынимают руду под перекрытием го­ризонтальными слоями, начиная с верхнего слоя. Под давлением обрушенных пород перекрытие опускается по мере выеМки под ним руды и служит как бы искусственной кровлей. О материа­лах и применении перекрытий подробнее сказано ниже в связ^,_ с системой разработки слоевым обрушением.

Щитовые механизированные комплексы применяют при выемке маломощных пологих залежей с креплением и последующим об-

Рис. У1.23. Костровая (а—г) и станковая (д) крепи:

а — по два бревна в ряду; б — по три бревна в ряду (план); в- (вид с боку); г — треугольный костер (план); д — станок

бревна уложены всплошную

6 д 'хж/У Ш-И-.

рушением кровли. Щиты продвигаются вслед за выемкой руды и поддерживают кровлю над рабочим пространством у забоя, а по­зади у них кровля обрушается.

Опорные столбы возводятся из бетона, бетонных блоков или каменной кладки. Поддерживают обнаженную устойчивую кров­лю в пологих залежах. Применяются при ценной или неустойчи­вой руде, так как в ином случае в качестве опор оставляют столбообразные рудные целики.

Станковую крепь ранее широко применяли в мощных место­рождениях с цепной, но малоустойчивой рудой, по теперь она встречается редко.

Эта крепь представляет собой как бы пространственную решет­ку из деревянных брусьев или бревен, возведенную в выработан­ном пространстве от лежачего до висячего бока. Каждый кубик — станок имеет поперечный размер 2—2,2 м, У висячего и лежачего боков применяют угловые станки. В залежах мощностью более 3—4 м выработанное пространство, закрепленное станками, обя­зательно заполняют закладкой.

Новые материалы крепи. Исследуется возможность использо­вания нневмобаллоной крепи, изготовленной из резины, высоко­прочных синтетических волокон и эластомеров. Такую крепь ис­пользуют, например, на угольных шахтах Донбасса, баллоны раз­мером 200X600X1300 мм изготовлены из резины и корда.

Пневмоподушки используют в ФРГ для отделения призабой- ного пространства от закладочного массива, их помещают за по­следний ряд крепи. Связанные между собой, они представляют подвижную перегородку. Стыки между подушками уплотняют кусками резины, соединенными внахлестку. При передвижении перегородки давление сжатого воздуха в подушках понижают. Имеются предложения использовать пневматические конструкции в качестве опалубки для образования выработок и перемычек при возведении твердеющей закладки.