Крепь горной выработки

Крепь горной выработки — это искусственное сооружение, возводимое в подземных горных выработках для предотвращения обрушения вмещающих горных пород, сохранения необходимого поперечного сечения выработки, обеспечения безопасности работ и нормальных условий эксплуатации. Крепь воспринимает горное давление, создаваемое массивом пород, и защищает выработку от обвалов, вывалов и пучения пород. От типа, конструкции и материала крепи зависят устойчивость выработки, скорость проходки и стоимость горных работ.

История развития

Первые примитивные крепи применялись в древних рудниках для добычи кремня, меди и золота. В Древнем Египте и Древней Греции использовали деревянные стойки и перекладины. В Средние века в шахтах Европы получили распространение деревянные крепи из бруса и распилов. В XVIII—XIX веках с развитием угольной промышленности в России и Великобритании начали применять металлические крепи — сначала чугунные, затем стальные.

В XX веке с ростом глубины разработок и усложнением горно-геологических условий были разработаны бетонные и железобетонные крепи, а также анкерные системы. В СССР в 1930—1950-х годах активно внедрялись сборные железобетонные крепи для угольных шахт Донбасса, Кузбасса и Печорского бассейна. В 1960—1980-х годах получили развитие арочные металлические крепи из спецпрофилей (СВП, СГВ) и комбинированные системы с анкерами и набрызг-бетоном. В современной России и странах СНГ крепление выработок регламентируется отраслевыми нормами, такими как «Правила безопасности в угольных шахтах» и СНиП по подземным горным работам.

Классификация крепей

Крепи горных выработок классифицируются по нескольким основным признакам.

По материалу изготовления

• Деревянные крепи — изготавливаются из бревен, брусьев или досок (сосна, ель, лиственница). Применяются в выработках с небольшим сроком службы (до 2—3 лет) и невысоким горным давлением. Недостатки: горючесть, подверженность гниению, малая несущая способность.
• Металлические крепи — изготавливаются из стали (прокат, спецпрофили, трубы). Обладают высокой прочностью, долговечностью, огнестойкостью. Основные типы: арочные, трапециевидные, кольцевые. Широко применяются в угольных и рудных шахтах.
• Бетонные и железобетонные крепи — монолитные или сборные конструкции из бетона с арматурой. Обеспечивают высокую несущую способность и герметичность. Используются в капитальных выработках (стволы, околоствольные дворы, камеры) со сроком службы 10—50 лет и более.
• Каменные крепи — из естественного камня (гранит, песчаник) или кирпича. Применялись в XIX — начале XX века, сейчас используются редко, в основном для реставрации старых выработок.
• Пластмассовые и композитные крепи — из полимерных материалов (стеклопластик, полиэтилен). Отличаются малым весом, коррозионной стойкостью, но ограниченной прочностью. Применяются в выработках с агрессивной средой или для временного крепления.

По конструктивным особенностям

• Распорные крепи — состоят из стоек и верхняков, работающих на распор между стенками выработки. Пример: деревянная трапециевидная крепь.
• Арочные крепи — изготавливаются из металлических профилей, изогнутых по дуге. Обеспечивают равномерное распределение нагрузки. Различают трёхзвенные, пятизвенные и круговые арки.
• Кольцевые крепи — замкнутые конструкции круглого или эллиптического сечения. Применяются в выработках с высоким всесторонним давлением (шахтные стволы, горизонтальные выработки на большой глубине).
• Анкерные крепи — система стержней (анкеров), закрепляемых в породе. Упрочняют массив, повышая его несущую способность. Бывают стальными, стеклопластиковыми, канатными. Часто комбинируются с набрызг-бетоном (торкрет-бетоном).
• Набрызг-бетонные крепи — тонкий слой бетона, наносимый под давлением на поверхность выработки. Обеспечивает гидроизоляцию и предотвращает выветривание пород. Используется как самостоятельная крепь или в сочетании с анкерами.

По характеру работы

• Жёсткие крепи — не допускают деформаций, воспринимают нагрузку без изменения формы. Пример: бетонная крепь.
• Податливые крепи — способны деформироваться под нагрузкой без разрушения, что позволяет снизить горное давление. Металлические арочные крепи с замками скольжения (например, крепь КМП-А3) обеспечивают податливость до 200—300 мм.
• Комбинированные крепи — сочетают элементы жёстких и податливых конструкций (например, анкерная крепь с набрызг-бетоном и металлическими арками).

Устройство и характеристики

Основные элементы крепи горной выработки включают:

• Стойки — вертикальные или наклонные опоры, воспринимающие нагрузку от верхняка.
• Верхняк — горизонтальный элемент, перекрывающий выработку сверху.
• Затяжка — материал (доски, металлическая сетка, железобетонные плиты), укладываемый между элементами крепи для предотвращения вывалов породы.
• Замки — соединительные узлы, обеспечивающие податливость или жёсткость конструкции (например, замки скольжения в арочных крепях).
• Анкеры — стержни, закрепляемые в породе с помощью цементного раствора, смолы или механического распора.

Несущая способность крепи зависит от материала, сечения выработки, глубины заложения и свойств вмещающих пород. Для металлических арочных крепей из спецпрофиля СВП-27 несущая способность составляет 150—300 кН на арку. Для бетонных крепей — до 1—2 МПа на площадь контакта.

Применение

Крепи горных выработок применяются в различных отраслях горной промышленности:

• Угольная промышленность — крепление подготовительных и очистных выработок (штреки, лавы, бремсберги). Наиболее распространены металлические арочные крепи (КМП, КШПУ) и анкерные системы.
• Рудная промышленность — крепление стволов, штолен, камер. Используются бетонные, железобетонные и анкерные крепи.
• Строительство метрополитенов и тоннелей — крепление перегонных тоннелей, станций, вентиляционных шахт. Применяются сборные железобетонные тюбинги, монолитный бетон, набрызг-бетон с анкерами.
• Гидротехническое строительство — крепление подземных гидроэлектростанций, водоводов, камер затворов. Используются бетонные и железобетонные крепи с гидроизоляцией.

Примеры типовых конструкций

• Крепь арочная металлическая податливая КМП-А3 — трёхзвенная арка из спецпрофиля СВП-27 с замками скольжения. Применяется в угольных шахтах для крепления горизонтальных выработок сечением от 6 до 20 м². Податливость до 300 мм.
• Крепь анкерная с набрызг-бетоном — система стальных анкеров длиной 1,5—3 м, устанавливаемых по сетке 1×1 м, с последующим нанесением слоя бетона толщиной 50—100 мм. Используется в рудниках и тоннелях.
• Крепь бетонная монолитная — возводится в опалубке с армированием стальными стержнями. Применяется для крепления шахтных стволов и камер большого сечения (до 10—15 м в диаметре).

Критика и проблемы

Основные недостатки различных типов крепей:

• Деревянные крепи — низкая огнестойкость, малый срок службы, подверженность гниению. В России с 2010-х годов их применение в угольных шахтах ограничено правилами безопасности.
• Металлические крепи — подвержены коррозии в агрессивных средах (например, в шахтах с высокой влажностью или кислыми водами). Требуют защитных покрытий или использования нержавеющих сталей.
• Бетонные крепи — высокая стоимость, трудоёмкость возведения, необходимость выдержки бетона для набора прочности. В выработках с подвижными породами могут разрушаться из-за неравномерных нагрузок.
• Анкерные крепи — требуют точного расчёта параметров (длина, шаг, угол установки) в зависимости от свойств пород. При ошибках проектирования возможны обрушения.

В России и других странах ведутся исследования по созданию композитных крепей из стеклопластика и углепластика, обладающих высокой коррозионной стойкостью и малой массой. Однако их широкое внедрение сдерживается высокой стоимостью и недостаточной изученностью поведения в условиях высоких нагрузок.

Источники

• Правила безопасности в угольных шахтах (ПБ 05-618-03), утверждённые Госгортехнадзором России.
• СНиП 2.02.07-87 «Подземные горные выработки».
• Горная энциклопедия / под ред. Е. А. Козловского. — М.: Советская энциклопедия, 1984—1991.
• Баклашов И. В., Картозия Б. А. Механика подземных сооружений и крепление выработок. — М.: Недра, 1984.
• Типовые конструкции крепей горных выработок. — М.: ЦНИЭИуголь, 1985.