Кріплення гірничих виробок

Склад розчину залежить від призначення: чим більша міцність і водостійкість потребується від розчину, тим більша кількість цементу має в ньому міститися. Склад Ігіщано-цементного розчину: 1: 1, 1: 1, 5; 1: 2; 1: 3; 1: 3, 5 за об'ємом.

Бетон – штучний кам'яний матеріал, отриманий у результаті твердіння суміші зі зв'язного матеріалу, води та наповнювачів. Для кріплення гірничих виробок використовується бетон, у якому зв'язним матеріалом є портландцемент. Цемент і вода є активними складовими бетону внаслідок того, що за рахунок хімічних реакцій між ними утворюється цементне каміння, яке твердіє та зчіпляється з наповнювачем. Наповнювачі – інертні матеріали, між ними та цементним каменем існує лише механічне зчеплення. До наповнювачів належать пісок, гравій і щебінь. Пісок для бетону містить гострокутові зерна з шорсткою поверхнею, що забезпечує добре зчіплювання піску з цементом. Розмір зерен від 0, 15 до 5 мм. Розмір зерен гравію або щебеню в бетоні встановлюється від 5 до 6 мм. Пісок, гравій і щебінь не повинні містити в собі мулистих, глинистих або землистих частинок.

Вода, яка використовується для приготування бетону, має бути чистою, без шкідливо діючих на цемент сірчанистих сполук, вільної вуглекислоти, органічних кислот тощо.

Бетон готується в бетономішалках. Час перемішування залежно від рухливості суміші та місткості барабана коливається від 1-1, 5 до 2-3 хв. При вкладанні бетону суміш трамбується ручними або механічними трамбовками, або вібраторами.

Залізобетон. Для виготовлення залізобетону використовується арматура – металевий каркас із сталевих прутів діаметром 10-12 мм і більше. При заповненні арматури бетоном утворюється залізобетон, який має великий опір на розтягнення та вигин. Кріплення з залізобетону поділяються на монолітні та збірні (найчастіше), які складаються з заготовлених на поверхні елементів, таких як стояки, верхняки, тюбінги, блоки тощо. Натуральний камінь (бутове каміння, обтесані плити тощо) як кріпильний матеріал використовується рідко, в основному при укладанні фундаменту під кріплення з бетону та залізобетону.

На гірські породи, які залягають усередині землі, чинять тиск маси, що їх оточують, внаслідок чого породи перебувають у напруженому стані. Будь-яка частинка породи на глибині перебуває в стані напруженої рівноваги. При проходці гірничої виробки рівновага порід порушується – частинки породи намагаються зсунутися в бік проведеної гірничої виробки. Порода спочатку прогинається, з’являються дрібні тріщинки, випадають невеликі шматки, трапляється обвал виробки.

Такі явища виникають у масиві гірських порід після проходки виробки й називаються деформаціями. Деформація гірських порід залежить від різних факторів: фізико-механічних властивостей гірських порід, глибини закладання виробки від поверхні, форми та розмірів поперечного перетину виробки, способів кріплення тощо. Розвиток деформації можна не допустити, встановлюючи кріплення, яке стримує тиск гірських порід – гірський тиск.

Гірський тиск у горизонтальних виробках. Сучасні теорії гірського тиску в горизонтальних виробках поділяються за принципом створення Склепіння натуральної, рівноваги (теорія Протодияконова) та за іншими принципами (теорії гідростатичного тиску, теорії пружності тощо).

Теорія Протодияконова завдяки своїй простоті й достатній практичній точності найпоширеніша, виділяє два періоди стану гірських порід після проходки гірничих виробок (рис. 7) :

1) період первинного гірського тиску, тобто частинки породи втрачають початковий напружений стан з утворенням навколо виробки так званого склепіння натуральної рівноваги;

2) період вторинного тиску, тобто стан гірських порід після створення склепіння натуральної рівноваги.

На першій стадії ще не існує склепіння натуральної рівноваги (відбувається розподіл напруження всередині склепіння), а кріплення зазнає тиску, який перевищує вагу породи всередині склепіння натуральної рівноваги.

До початку другого періоду склепіння рівноваги створене, а тиск на кріплення зменшується до певної постійної величини.

В слабких породах величина первинного тиску порівняно з міцними породами більша, а період його менший; у міцних породах період первинного тиску більший, а величина первинного тиску менша.

Гірський тиск на кріплення стелі виробки дорівнює масі породи в об'ємі склепу й визначається за формулою  ,

де   – густина гірської породи, т/м3; 2а – ширина виробки, м;   – коефіцієнт міцності порід за шкалою Протодияконова.

Рис. 7. Схема для визначення ваги породи в покрівлі горизонтальної виробки:

h – висота склепіння, 2a -ширина виробки

Висота склепіння природної рівноваги за експериментальними даними 

Протодияконова  .

У слабких породах, коли стінки виробки нестійкі, виникає бічний тиск. Висота підземних гірничорозвідувальних виробок невелика, тому бічний тиск порівняно малий і його можна не враховувати. При проходці камер та інших підземних виробок більшої висоти (8 м і більше) бічним тиском зневажати не можна.

Гірський тиск у похилих виробках. Кріплення в похилих виробках встановлюється нормально до осі виробки, тому за розрахункове береться значення нормального тиску (рис. 8).

Гірський тиск у вертикальних виробках. Кріплення вертикальної виробки розглядається як підпірна стінка, яка запобігає обваленню гірської породи.

П. М. Цимбаревич запропонував визначати гірський тиск у вертикальних виробках за ділянками, утвореними з однорідних порід (неоднорідні породи мають різні фізико-механічні властивості, тому й діють на окремі ділянки кріплення з різним гірським тиском)  (рис. 9).

 Рис. 8. Гірський тиск у похилих виробках:

Р – загальний гірський тиск, N-звичайний (нормальний) гірський тиск, Т – тангенціальний тиск, а-кут нахилу виробки до горизонту.