Укрепление сводов: горнодобывающая промышленность/туннели

Поверхностная крепь является ключевым компонентом большинства систем горной крепи, применяемых в целях снижения риска случаев выпадения породы и поддержания эксплуатационной пригодности горных выработок. Поверхностная крепь несет две основные функции:

1. распределение нагрузки на систему за счет соединения анкеров;
2. удержание мелких осколков породы, выпадающих между установленными анкерами.

Крепь также обеспечивает удержание горного массива, что способно повысить резистентность конструкции к дальнейшему разрушению или выпадению.

Растущие напряжения и связанная с ними сейсмичность, способные вызвать горный удар, представляют собой серьезную проблему для глубоких шахт с тяжелыми породами. Опорная система должна быть достаточно прочной, чтобы выдерживать высокие нагрузки, и в то же время достаточно гибкой, чтобы обеспечить относительно большие смещения стен выработок. Оптимальная система горной крепи должна иметь жесткий начальный отклик во время упругой стадии нагрузки, но затем деформироваться с горной массой во время пластической стадии. Анкеры и поверхностная крепь должны быть совместимы по показателям текучести.

ОБЗОР ОСНОВНЫХ ТИПОВ ПОВЕРХНОСТНОЙ КРЕПИ

Поверхностная крепь выполняет две основные задачи при устройстве выработок: удерживает сыпучий материал и распределяет нагрузки между скальными болтами. Поверхностную крепь можно разделить на две группы: первичную (сеть или торкрет) и вторичную (подхваты и тросы). Основная цель первичной крепи – удержание рыхлых пород, в то время как вторичная функционирует как средство передачи нагрузки между анкерами. Идеальная система адекватно выполняет обе задачи.

ПЕРВИЧНАЯ ПОВЕРХНОСТНАЯ КРЕПЬ

Сварная сеть

Сварная сеть относительно недорога, обеспечивает хороший контроль рассеяния в условиях умеренно блочного массива и достаточно прочна, способна удерживать до 4 тонн сыпучих горных пород. Она способна выдерживать среднее сдвижение горных пород, приблизительно до 200 мм. Основные недостатки данной крепи связаны с низкими эксплуатационными характеристиками в динамических грунтовых условиях, особенно в местах перекрытия, а также с восприимчивостью к повреждениям от взрывов.

Торкретбетон

Торкретбетон обеспечивает немедленное сопротивление давлению грунта, в отличие от сварной сети, которая должна значительно деформироваться, прежде чем обрести несущую способность. Заполняя пустоты и уплотняя свободные блоки, бетон придает несущую способность самой породе. Движения грунта в зоне его применения становятся моментально заметны из-за появления трещин. Дополнительное преимущество – герметизация скального массива от увлажненного воздуха и, тем самым, предотвращение выветривания и деградации поверхности породы. Недостатками использования являются относительно высокая стоимость и низкая деформационная способность. Для увеличения последней в смесь часто добавляют стальные или синтетические волокна (ФНБ, торкретбетон с фиброй). Но и при использовании лучших волокон торкрет не может выдержать даже относительно умеренные смещения

Комбинация торкретбетона и сети

Сеть может использоваться в сочетании с бетоном в двух вариантах – как армирование, т.е. сеть встроена в бетонную матрицу, или как установленная поверх бетонного торкретирования крепь. Выбор зависит от требуемой функции. Если требуется немедленное применение жесткой и прочной опоры для остановки движения грунта при деформациях, не превышающих 100 мм, то подходящим выбором является армированный сетью железобетон. Если требуется герметизация блочного грунта и контролируемые деформации горной массы свыше 100мм, то сеть, установленная поверх бетона, обеспечивает более прочную опору. Обе комбинации обеспечивают лучшие показатели энергопоглощения, чем при использовании по-отдельности, однако из-за прочности системы стоимость и время монтажа возрастает, как и сложность ремонта.

Высокопрочная плетеная сеть 

Плетеная сеть из мягкой стали (рабица) на протяжении многих лет используется во всем мире; однако из-за необходимости ручной установки она не пользуется популярностью в Австралии. Как правило, установка рабицы приводит к отсутствию напряжения на «мягкой» поверхности крепи, склонной к провисанию под расширяющимися скальными массивами.

Однако этот недостаток не применим к сети из высокопрочной стали (такой, как производит Геобругг), которая обеспечивает гораздо более жесткое ограничение на ранних стадиях релаксации массива. Высокопрочная сеть хорошо зарекомендовала себя при проведении открытых горных работ в качестве камнеулавливающих барьеров, а также на автомагистралях в горных районах. Сеть успешно используется и при проведении подземных работ. Крепление осуществляется с использованием специально разработанной насадки на стрелу бурового станка.

Высокое временное сопротивление проволоки обеспечивает высокую энергопоглощающую способность. Временное сопротивление проволоки толщиной 4 мм составляет 2,3 т, что в два раза больше, чем у сварной сети толщиной 5,6 мм. Благодаря гибким проволочным соединениям сеть не подвержена разрушению в результате взрывных работ. По данным производителя, благодаря специальному цинк-алюминиевому покрытию, нанесенному в процессе волочения, проволока обладает повышенной коррозионной стойкостью, увеличивающей срок службы сети в шесть-десять раз по сравнению с оцинкованной сварной сетью.

Полимерные мембраны

Полимерные мембраны или «тонкоструйные футеровки» (ТSL) применяются на протяжении многих лет, особенно при строительстве тоннелей. Однако ТSL не обладают достаточным потенциалом для сопротивления движению грунта. Но в некоторых случаях они могут обеспечить эффективное закрепление поверхности, например, при ручном распылении в подземных выработках, таких как подстанции, столовые комнаты, взрывоопасные склады и старые пути эвакуации, разработанные с помощью буровых и взрывных работ, где основной функцией облицовки является обеспечение надежной герметизации от притока воды и/или уплотнение блоков сыпучих пород.

ВТОРИЧНАЯ ПОВЕРХНОСТНАЯ КРЕПЬ

Подхваты и тросы относятся к группе вторичной поверхностной крепи, так как они лишь частично покрывают поверхность породы. Данные элементы обычно используются в качестве средства перераспределения нагрузки между анкерами, соединяя отдельные анкера в единую систему горной крепи. Тросы подвержены повреждениям при механизированной установке, что приводит к потере эффективности крепи на значительной площади.

ГИБРИДНАЯ ПЕРВИЧНАЯ/ ВТОРИЧНАЯ КРЕПЬ

Типы сетей, которые можно назвать гибридом между первичными и вторичными системами поверхностной крепи: энергоемкая (HEA) и тросовая сеть. Оба продукта по существу являются вариантами традиционных армированных сварных сетей.

Энергоемкая сеть (HEA)

Энергоемкая сеть HEA состоит из стандартной сварной сети диаметром 5,6 мм, перекрытой стальным тросом диаметром 12,7 мм, который выступает армирующим элементом. Результаты испытаний сети HEA показали, что этот тип футеровки разрушается при очень больших смещениях, до 900 мм при нагрузке около 17 т (близкой к пределу временного сопротивления троса). Следует отметить, однако, что данные показатели действительны для троса, а не сварной сети, отдельные пруты которой выходят из строя при нагрузке в 4 т.

Сеть из подхватов (штрипсов)

«Штрипсовая сеть» состоит из стандартной сварной сети 5,6 мм с добавлением двух прутов того же диаметра вдоль края листа. Это способствует более жесткому перекрытию и снижает риск разрушения сети в этих местах.