В качестве временной крепи используют деревянную крепь, металлическую арочную или рамную крепь, анкеры, набрызг-бетон и комбинации этих видов крепи. При выборе крепи учитывают размеры пролета выработки и степень трещиноватости и устойчивости пород.
Деревянную временную крепь, используемую при горных способах производства работ, в настоящее время применяют главным образом в мягких слабоустойчивых грунтах (глинах, суглинках, супесях, песках). Кроме деревянной крепи, в таких условиях можно использовать металлическую арочную крепь, изготовляемую из двутавровых балок или широкополочных двутавров.
При разработке выработки на полное сечение за один прием применяют стальную арочную крепь (рис. 114), состоящую из двух элементов, опирающихся на подошву выработки или на уступы породы вне контура профиля тоннеля.
При разработке забоя уступным способом с опережением верхней части забоя выработку закрепляют арочной крепью в два приема. Вначале при проходке калоттного профиля закрепляют выработку арками с опиранием их на продольные рандбалки (двутавры, положенные на бок). При разработке породы в нижней части тоннеля под арочную крепь подводят стойки. Элементы крепи соединяют с помощью стальных пластин и болтов. В продольном направлении арки раскрепляют стяжками-распорками. Зазор между арками и породой тщательно расклинивают. Кровлю и бока выработки затягивают деревянными досками (затяжкой). Установка стальной арочной крепи выполняется быстро. При необходимости крепь оставляют в бетонной обделке в качестве арматуры.
Рис. 114. Стальная арочная крепь:
1 — арка из стального двутавра; 2 — стяжка-распорка; 3 —лг.дощатая затяжка
Рис. 115. Схема анкерного крепления: 1 — клиновые анкеры; 2 — опорные шайбы
Рис, 116. Анкеры:
а — клинощелевой сплошной; б — клинощелевой составной; в — железобетонный; 1 — клин; 2 — опорная шайба; 3 — стальной стержень анкера; 4 — прорезь в стержне; 5-гайка; 6 — стержень из арматурной стали; 7 — цементный раствор; 8 — хвостовик с проушиной для крепления сетки
Анкерная крепь — это металлические стержни, вставленные в предварительно пробуренные в кровле и боках выработки шпуры. Стержни закрепляют в шпурах различными способами. Анкеры как бы «прошивают» слои пород, расположенных вокруг выработки, не дают им расслаиваться и обрушаться.
Анкерную крепь (рис. 115) рекомендуется применять при проходке тоннелей в скальных и полускальных породах, устойчивых и средней устойчивости, с коэффициентом крепости не ниже 4. В более слабых породах анкерную крепь следует применять совместно с набрызг-бетоном или металлической арочной крепью. Анкерную крепь устанавливают немедленно после разработки породы в забое. При этом призабойная зона не загромождается, что дает возможность механизировать проходческие работы и облегчает условия проветривания, отпадает необходимость в защите крепи от повреждения при производстве взрывных работ.
Различают анкеры: металлические (клинощелевые и распорные) железобетонные и сталеполимерные.
Просты по конструкции и достаточно надежны клинощелевые анкеры (рис. 116, а,б). Комплект такого анкера состоит из стержня с резьбой на одном его конце и прорезью на другом, клина, опорной шайбы и гайки. Анкер вставляют в шпур, диаметр которого несколько больше стержня анкера. Под действием ударов, наносимых по наружному концу анкера, он заглубляется в шпур, при этом его замковая часть расширяется и раскрепляется в стенки шпура. Затем на выступающий конец анкера надевают шайбу и завинчивают гайку с некоторым натяжением анкера.
Одной из особенностей устройства анкерной крепи является необходимость точного соблюдения размеров элементов анкера, что достигается при изготовлении анкеров только в заводских условиях. Рабочие поверхности клиньев и прорезей клинощелевых анкеров должны быть гладкими и плоскими, благодаря чему обеспечивается высокая надежность их закрепления.
Для широкого применения рекомендуются железобетонные набивные анкеры, которые могут быть использованы в большом диапазоне инженерно-геологических условий. Конструкция такого анкера предельно проста; он обладает высокой несущей способностью и долговечностью, что позволяет использовать эти анкеры в качестве составных элементов обделки.
Железобетонный набивной анкер (рис. 116, в) состоит из стержня, изготовленного из арматуры периодического профиля с проушиной на конце, стержень устанавливают в шпур диаметром 42 мм, предварительно заполненный цементно-песчаным раствором.
Для заполнения шпуров применяют раствор, состоящий из глиноземистого цемента марки М400-М500 и песка в соотношении по массе от 1:0,5 до 1:1,5 при водоцементном отношении В/Ц=0,3-0,4 с добавкой 6% (по массе) хлористого кальция (такая добавка ускоряет набор прочности раствором).
Анкеры устанавливают рядами по прямоугольной сетке в соответствии с утвержденным паспортом временного крепления, в котором должны быть указаны тип и длина анкеров, расстояние между ними и степень натяжения стержней.
В тех случаях, когда из промежутка между анкерами могут выпадать мелкие куски породы, на выступающие в выработку концы анкеров следует навешивать металлическую сетку (из проволоки диаметром не менее 3 мм), прикрепляя ее к анкерам с помощью штырей, гаек и опорных шайб. В трещиноватых и сильнотрещиноватых породах анкеры следует объединять подхватами из полосовой или швеллерной стали.
Одними из перспективных видов анкерной крепи являются сталеполимерные анкеры (СПА). Армирующий стержень такого анкера закрепляется в шпуре быстротвердеющими синтетическими смолами.
В настоящее время широко применяют патронированный способ использования синтетических составов, при котором закрепляющую смесь вводят в шпур в ампулах-патронах из целлюлозы, стекла или полиэтилена. Такая ампула (рис. 117) представляет собой двухкамерную оболочку, одна из камер содержит смолу с наполнителем, другая — отвердитель-инициатор с модификатором.
Армирующий стержень анкера выполнен из стали периодического или гладкого профиля со скошенным концом. При вращении или забивании анкера скошенный конец стержня разрывает оболочку с закрепляющим составом и перемешивает его. При этом обеспечивается высокая степень сцепления стержня с породой.
Разработанные составы и технология возведения СПА позволяют применять их в сухих и обводненных шпурах, а также при отрицательной температуре грунта (до —10?С). Несущая способность СПА уже через 15 мин достигает 90 Н и в течение суток увеличивается до 200-250 кН.
В скальных трещиноватых и сильнотрещиноватых породах, плотных глинах, мергелах в качестве временной крепи применяют набрызг-бетон.
Сущность способа крепления выработки набрызг-бетоном заключается в том, что сразу после разработки грунта или в процессе ее на обнажаемую поверхность выработки наносят поддерживающий слой из быстросхватывающегося и быстротвердеющего бетона. Этот слой наносят методом набрызга (торкетированием). Это достигается путем подачи по шлангу под давлением сжатого воздуха сухой смеси песка, мелкого щебня и цемента, которая в специальном устройстве — сопле — смешивается с водой и выбра-сыйается на набрызгиваемую поверхность. Высокая скорость истечения смеси от сопла обеспечивает ее плотную укладку и хорошее сцепление с породой.
Рис. 117. Схема установки сталеполимерного анкера:
а — введение в конец шпура ампулы-патрона с закрепляющим составом; б — введение в шпур анкерного стержня; в — вращение анкерного стержня с целью разрушения ампулы-патрона и перемешивания закрепляющего состава, досылка стержня до дна шпура; г — анкер в рабочем положении; 1 — полиэтиленовая ампула-патрон с закрепляющим составом; 2 — смесь связующего (смолы) и наполнителя (песка); 3 — отвердитель, заключенный во внутреннюю полиэтиленовую или стеклянную оболочку; 4 — анкерный стержень; 5 — уплотняющая шайба; 6 — натяжная гайка; 7 — плоский опорный элемент
В зависимости от требуемой марки набрызгбетона на 1 м3 сухой смеси расходуется от 250 до 350 кг цемента.
При креплении поверхности подземных выработок набрызгбе-тоном необходимо обеспечить условия для быстрого увеличения его прочности. Применяют быстротвердеющие цементы БТЦ, глиноземистые и водонепроницаемые расширяющиеся цементы ВРЦ, портландцементы с добавками, ускоряющими процесс твердения.
В комплекс оборудования для нанесения набрызгбетона входят: установка для приготовления сухой смеси, средства для подачи сухой смеси к забою, торкрет-машина и механизм для перегрузки сухой смеси, резервуары для воды с растворенной в ней добавкой, ускоряющей твердение смеси, передвижные подмости, которые используют при нанесении покрытия на свод и стены тоннеля.
