Комбинированные крепи

Повышение несущей способности крепи может быть обеспечено путем заполнения закрепного пространства быстротвердеющими смесями и нанесением набрызгбетонного покрытия (с учетом опыта, накопленного в последние годы при строительстве туннелей, хранилищ и других подземных сооружений различного назначения).

Набрызгбетонное покрытие восстанавливает взаимосвязь между подвижными породными блоками в приконтурном массиве, увеличивая тем самым его несущую способность.

Смещения породных блоков происходят, в частности, из-за попадания влаги, значительно снижающей трение и способствующей развитию увеличивающихся с течением времени квазипластических деформаций. Тонкий слой набрызгбетона является надежной защитой породы от действия влаги и, следовательно, от разрушения.

Затяжка кровли и боков выработки производится обычно для обеспечения равномерного распределения сопротивления крепи по поверхности приконтурного массива или же, наоборот, равномерной передачи на крепь нагрузки от отдельных отделившихся от массива породных блоков. Возведение набрызгбетонного покрытия при применении арочной крепи позволяет весьма удовлетворительно решать такую задачу.

Набрызгбетонное покрытие позволяет получать весьма высокую расчетную несущую способность конструкции крепи. Слой набрызгбетона толщиной 8 см при использовании ангидритовой строительной смеси с пределом прочности на сжатие 20 МПа обеспечивает в выработке диаметром 5 м удельное сопротивление смещению приконтурного массива, равное примерно 600 кН/м2.

Однако одно лишь высокое сопротивление крепи не может гарантировать удовлетворительного состояния выработок, поддерживаемых в условиях высокого давления. Жесткая крепь с высоким сопротивлением может подвергаться воздействию сосредоточенных нагрузок, величина которых на порядок выше сопротивления крепи. Если же, наоборот, крепь способна проявлять податливые свойства в местах наибольших нагрузок, сохраняя полную несущую способность в остальных местах контура выработки, то ее эффективность реализуется в полной мере. Именно этот случай имеет место при применении полу-жесткой крепи с набрызгбетонным покрытием небольшой толщины.

Если бы хотели воспрепятствовать любым разгрузочным сдвижениям приконтурного массива, происходящим после проведения выработки, то потребовалось бы устанавливать непосредственно в забое крепь, удельное сопротивление которой соответствовало бы первоначальному давлению в массиве (примерно 20 МН/м2). Такая крепь, разумеется, нереальна.

В угольных шахтах Рурского бассейна тангенциальные напряжения на контуре выработок всегда выше прочности породы в массиве. Поэтому уже на небольшом расстоянии от забоя в приконтурном массиве происходят процессы разрушения и остаточного деформирования пород. Сопротивление крепи, которое требуется в указанном случае для поддержания равновесия массива, значительно меньше необходимого для предупреждения первоначальных деформаций контура выработки. Однако для поддержания равновесия приконтурного массива может потребоваться значительно большее сопротивление крепи, если к моменту ее установки породные слои в кровле выработки уже подверглись смятию с частичным выдавливанием в полость выработки. Как было показано на моделях Н. Бушманом, крепь с достаточно высоким сопротивлением должна устанавливаться своевременно. Если крепь установлена с большим опозданием, то для стабилизации начавшегося процесса расслоения пород требуется намного большее сопротивление крепи, а уже начавшееся выдавливание в выработку смятых породных слоев приостановить невозможно.

Строительные смеси, применяемые при набрызгбетонировании, требуют для схватывания и затвердевания определенного времени. Тем не менее, если набрызгбетонная оболочка нанесена сразу же после обнажения кровли и стенок выработки, ее можно считать крепью быстронарастающего сопротивления.

Достоинства полужесткой крепи могут быть реализованы также при использовании тонкостенной крепи из готовых элементов или повсеместно применяемой арочной крепи с металлической листовой затяжкой, если за счет заполнения закрепного пространства крепь по всему периметру контактирует с приконтурным породным массивом. Применение же набрызгбетонных покрытии обеспечивает, кроме того, прочное сцепление их материала с поверхностью массива. Благодаря этому крепь становится более эффективной при воздействии изгибающих нагрузок. На рис. 7.31 воспроизведен широко известный пример, иллюстрирующий сравнение несущей способности не связанных и связанных друг с другом плит. В рассматриваемом случае можно принять, что верхняя плита представляет собой первый породный слой кровли, а нижняя — покрытие крепи. Если обе плиты имеют одинаковую толщину (см. рис. 7.31, а и б), то общий момент инерции скрепленных плит в четыре раза больше, чем у нескрепленных. При различной толщине плит (см. рис. 7.31, я и г) общий момент инерции благодаря наличию связи между плитами увеличивается более чем в два раза.

Прочное на сдвиг сцепление между бетонным слоем и приконтурным массивом обеспечивается шероховатой поверхностью породы.

В туннелестроении после нанесения слоя набрызгбетона непрерывно измеряют деформации контура поперечного сечения. Если процесс деформации не затухает, то может понадобиться дополнительное анкерованне, которое не только усиливает связь между бетонной оболочкой и поверхностью породы, но и упрочняет породный массив за пределами бетонного слоя.

В туннелестроении для усиления несущей конструкции крепи, хроме анкеров, предусматривают установку металлических колец. В выемочных штреках обычно поступают наоборот: вначале устанавливают арочную крепь, а затем механизированным способом заполняют закрепное пространство. Металлические арки, армирующие толстостенную и, следовательно, жесткую бетонную оболочку, малоэффективны, так как они начинают воспринимать нагрузку лишь после того, как бетон будет разрушен. При неудовлетворительном заполнении закрепного пространства арки деформируются и теряют несущую способность. Экспериментально установлено, что при удовлетворительном заполнении закрепного пространства несущая способность арочной крепи возрастает в 2—3 раза. Равномерное прилегание крепи к приконтурному массиву способствует полному использованию несущей способности арочной крепи.