Арочная крепь

Арочная крепь — это вид горной крепи, представляющий собой сборную или цельную металлическую конструкцию криволинейного (арочного) очертания, предназначенную для поддержания горных выработок в устойчивом состоянии. Основная функция арочной крепи — восприятие горного давления со стороны кровли и боков выработки, предотвращение обрушения породы и обеспечение безопасности ведения горных работ. Арочная крепь является одним из наиболее распространённых типов податливых и жёстких крепей в угольной, горнорудной и строительной промышленности.

История

Первые прототипы арочной крепи появились в конце XIX века в связи с переходом от деревянных рамных крепей к более прочным металлическим конструкциям. В 1870-х годах в угольных шахтах Англии и Германии начали использовать чугунные и стальные арки. Однако широкое распространение арочная крепь получила в первой половине XX века, когда была разработана теория расчёта горного давления и появились доступные технологии проката стали.

В СССР активное внедрение арочной крепи началось в 1930-е годы в связи с индустриализацией и ростом добычи угля. В 1950-х годах была разработана и стандартизирована конструкция арочной крепи из спецпрофиля (СВП — специальный взаимозаменяемый профиль), которая стала основной для большинства шахт страны. В 1960-1970-е годы арочная крепь вытеснила деревянную в капитальных и подготовительных выработках.

Устройство и конструкция

Арочная крепь состоит из нескольких основных элементов:

• Арки (рамы) — криволинейные элементы, образующие контур выработки. Изготавливаются из стального спецпрофиля (СВП, СВПУ, СВПК) или из труб.
• Соединительные элементы (замки, хомуты, стяжки) — обеспечивают фиксацию арок между собой, позволяя регулировать податливость крепи.
• Межрамные стяжки (распорки) — связывают соседние арки в продольном направлении, повышая пространственную жёсткость конструкции.
• Затяжка (забутовка) — пространство между аркой и породой заполняется бетоном, деревом или металлической сеткой для равномерного распределения нагрузки.

Типы арочных крепей

По форме поперечного сечения различают:

• Круглая (кольцевая) крепь — замкнутый контур, наиболее устойчивый к равномерному горному давлению.
• Арочная (коробовая) крепь — состоит из двух боковых стоек и верхней арки, имеет форму, близкую к прямоугольной с закруглёнными углами.
• Трапециевидная крепь — устаревший тип, близкий к прямоугольной форме, но с наклонными стойками.

По способу восприятия нагрузки:

• Жёсткая крепь — не допускает деформаций; применяется в устойчивых породах.
• Податливая крепь — допускает контролируемое смещение элементов (обычно на 100–300 мм) для снижения пиковых нагрузок. Наиболее распространённый тип в угольных шахтах.

По материалу:

• Металлическая — из стали (СВП, СВПУ, СВПК, трубы).
• Железобетонная — из сборных железобетонных арок (применяется редко, в основном в гидротехнических выработках).
• Комбинированная — металлические арки с бетонной затяжкой.

Характеристики и параметры

Основные параметры арочной крепи:

• Ширина выработки — от 2 до 6 метров (стандартные размеры: 2,5; 3,0; 3,5; 4,0; 4,5; 5,0 м).
• Высота выработки — от 2 до 5 метров.
• Шаг установки арок — от 0,5 до 1,5 метров (обычно 0,8–1,0 м).
• Несущая способность — от 100 до 500 кН на одну раму (в зависимости от профиля и шага).
• Податливость — до 200–300 мм для податливых конструкций.
• Масса — от 50 до 200 кг на одну раму (в зависимости от размера и профиля).

Профиль СВП (специальный взаимозаменяемый профиль) имеет стандартные номера: СВП-17, СВП-22, СВП-27, СВП-33, где число обозначает массу одного метра профиля в килограммах. Чем выше номер, тем больше несущая способность.

Применение

Арочная крепь используется в следующих областях:

• Угольная промышленность — крепление подготовительных и капитальных выработок (штреков, бремсбергов, уклонов, квершлагов). В угольных шахтах России (например, в Кузбассе, Печорском бассейне) арочная крепь является основным типом крепи.
• Горнорудная промышленность — крепление выработок в рудниках по добыче железной руды, цветных металлов, алмазов.
• Строительство — временное крепление котлованов, тоннелей, метрополитенов (в сочетании с анкерной крепью).
• Гидротехническое строительство — крепление водоводов, шахт гидроэлектростанций.

Преимущества

• Высокая несущая способность (до 500 кН на раму).
• Возможность регулировки податливости (снижение пиковых нагрузок).
• Долговечность (срок службы — 10–30 лет при правильной эксплуатации).
• Огнестойкость (в отличие от деревянной крепи).
• Возможность многократного использования (демонтаж и повторная установка).

Недостатки

• Высокая металлоёмкость (до 200 кг/м выработки).
• Сложность монтажа в условиях ограниченного пространства.
• Подверженность коррозии в агрессивных средах (шахтные воды с высоким содержанием серы).
• Ограниченная применимость в сильнотрещиноватых породах (требуется дополнительная затяжка).

Технология монтажа

Монтаж арочной крепи производится в следующей последовательности:

1. Подготовка забоя — выравнивание стенок и кровли выработки, удаление отслоившейся породы.
2. Установка нижних сегментов (стоек) — фиксация в проектном положении с помощью распорок.
3. Монтаж верхней арки — соединение со стойками через замки (хомуты).
4. Затяжка — заполнение пространства между аркой и породой (бетоном, деревом, сеткой).
5. Установка межрамных стяжек — связывание соседних арок (обычно через 2–3 арки).
6. Регулировка податливости — ослабление или затяжка замков для обеспечения заданной податливости.

В современных шахтах монтаж часто механизирован: используются крепеустановщики, анкерные установки и самоходные вагоны.

Критика и ограничения

Основные критические замечания к арочной крепи связаны с её высокой стоимостью и металлоёмкостью. В условиях низких цен на уголь (например, в 1990-е годы) многие шахты переходили на более дешёвые анкерные крепи. Кроме того, арочная крепь менее эффективна в выработках с большим пролётом (свыше 6 метров) — в таких случаях применяют рамные или комбинированные конструкции.

В 2010-е годы в России и странах СНГ началось активное внедрение анкерной крепи в подготовительных выработках, что привело к снижению доли арочной крепи. Однако в капитальных выработках (срок службы более 10 лет) арочная крепь остаётся основным типом.

Интересные факты

• Арочная крепь из спецпрофиля СВП была разработана в СССР в 1950-х годах и до сих пор является стандартом для угольных шахт России, Украины, Казахстана.
• В 1970-х годах в Кузбассе была установлена рекордная арочная крепь шириной 8 метров (для вентиляционного штрека).
• В некоторых шахтах арочную крепь изготавливают из рельсов (использованных железнодорожных рельсов) — это удешевляет конструкцию, но снижает её несущую способность.

Источники

• Горная энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1984–1991.
• Правила безопасности в угольных шахтах (ПБ 05-618-03). — М., 2003.
• СНиП 2.01.09-91. Горные выработки. Нормы проектирования.
• Ковалёв В. А. Горное дело. — М.: Недра, 1990.
• Шахтное строительство: учебник для вузов / под ред. Ю. А. Рыжкова. — М.: Недра, 1987.