тюбинг гладкостенный для крепления горных выработок, пройденных в вечной мерзлоте

Формула изобретения

Тюбинг гладкостенный для крепления горных выработок, пройденных в вечной мерзлоте, включающий наружную и внутреннюю стенки, соединенные между собой контурными ребрами, отличающийся тем, что наружная стенка выполнена из грузонесущих ребер жесткости, соединенных между собой в вертикальной и горизонтальной плоскостях, в которых вмонтированы элементы крепления тюбингов между собой, а внутренняя стенка выполнена в виде цельной ограждающей оболочки, образующей гладкостенную поверхность крепи, а торцевые стенки оболочки соединены с периферийными грузонесущими ребрами наружной стенки, а пространство между грузонесущими ребрами наружной стенки и объем, заключенный в ограждающей оболочке, заполнен теплоизоляционным материалом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горному делу, а именно к креплению горных выработок, в том числе вертикальных стволов шахт сборным железобетоном, пройденных в вечно мерзлых горных породах. Вечно мерзлые горные породы обладают спецификой, которую необходимо учитывать при поддержании горных выработок, в частности, они хорошо устойчивы и не требуют крепления если во время эксплуатации поддерживается отрицательная температура и не происходит оттаивания. В то же время, вечно мерзлые грунты и трещиноватые горные породы, в которых трещины заполнены льдом, при оттаивании теряют устойчивость и для поддержания выработок требуется усиленное крепление.

Наиболее целесообразным является сохранение естественной устойчивости вечно мерзлых грунтов путем предохранения их от оттаивания во время эксплуатации горных выработок. При этом, крепление капитальных горных выработок монолитным бетоном с теплоизоляционными наполнителями не представляется возможным, т. к. возведенный монолитный бетон не преобретая прочность. Поэтому, желательно, капитальные горные выработки, в том числе вертикальные стволы, с большим сроком эксплуатации и подверженные оттаиванию, крепить сборным железобетоном.

Известен тюбинг для крепления шахтных стволов [1], включающий наружную и внутреннюю стенки, соединенные между собой промежуточными вертикальными и контурными ребрами, причем, с целью улучшения эксплуатационных свойств, он снабжен дополнительными закрепленными на внешней поверхности наружной стенки вертикальными и горизонтальными ребрами и размещенными за контуром стенок соединительными выступами прямоугольного сечения закрепленными на контурах ребер, при этом, контурные ребра установлены по верхнему и одному из боковых торцов тюбинга, а соединительные выступы закреплены на них, во внутренней стенке и в соединительных выступах выполнены сквозные, а в наружной стенке глухие соосные отверстия.

Недостатком данного технического решения является низкая теплоизоляционная способность тюбинга такой конструкции и для крепления выработок, пройденных в вечной мерзлоте, требуется большая толщина тюбинга.

Наиболее близким по технической сущности является компенсационный блок для крепления горных выработок [2], выполненный в виде плиты, имеющей борта, ребра жесткости, отверстия скрепляющих составов и монтажные отверстия, причем, тюбинг выполнен составным из материалов различной прочности, уложенных слоями; выполненный из материала повышенной прочности, размещен с внешней стороны блока и выполнен на высоте 1/2-1/3 общей толщины блока, при этом, внешний слой выполнен из полимербетона, а внутренний из бетона. Кроме того, плита блока может быть выполнена из полимербетона, а борта и ребра жесткости из бетона. Недостатком данного технического решения является низкая теплоизоляционная способность блока такой конструкции.

Задачей является повышение теплоизоляционной способности сборного железобетонного блока, решение которой осуществляется следующим образом.

Тюбинг гладкостенный для крепления горных выработок, пройденных в вечной мерзлоте, наружная стенка которого выполнена из грузонесущих ребер жесткости, соединенных между собой в вертикальной и горизонтальной плоскостях. В ребра жесткости вмонтированы элементы крепления тюбингов между собой. Внутренняя стенка выполнена в виде цельной ограждающей оболочки, образующей гладкостенную поверхность выработки, а торцевые поверхности оболочки соединены с периферийными грузонесущими ребрами наружной стенки. Пространство между грузонесущими ребрами наружной стенки и объем, заключенный в ограждающей оболочке, заполнен теплоизоляционным материалом.

Сущность предлагаемого технического решения такова. С целью снижения теплопроводности, внешняя стенка при обеспечении ее прочности, выполнена в виде ребер жесткости в вертикальной и горизонтальной плоскостях, т.е. в виде решетки. Внутренняя стенка выполнена оболочкой минимальной толщины криволинейной гладкой поверхностью. С торцевых сторон оболочка примыкает к смежным тюбингам прямолинейными плоскостями. Предлагаемое техническое решение обладает элементами существенной новизны, а именно:

- наружная стенка выполнена из грузонесущих ребер жесткости, соединенных между собой в вертикальной и горизонтальной плоскостях, в которые вмонтированы элементы крепления тюбингов между собой; такое решение обеспечивает минимальную теплопроводность стенки с необходимой ее прочностью, а также возможность закрепления ее непосредственно к горным породам;

- внутренняя стенка выполнена в виде цельной ограждающей оболочки, образующей гладкостенную поверхность крепи, а торцевые стенки оболочки соединены с периферийными грузонесущими ребрами наружной стенки, что позволяет оборудовать емкость для размещения теплоизоляционного слоя с минимальным расходом строительного материала и минимальным подводом тепла к вечно мерзлому грунту по торцевым стенкам оболочки;

- пространство между грузонесущими ребрами наружной стенки и объем, заключенный в ограждающей оболочке, заполнен теплоизоляционным материалом; данное техническое решение позволяет надежно теплоизолировать контур горной выработки от тюбингового крепления выработки.

Таким образом, техническое решение обладает элементами существенной новизны и полезности.

Пример выполнения тюбинга гладкостенного для крепления выработок, пройденных в вечной мерзлоте показан на фиг. 1 - 15, где

- на фиг. 1 показана принципиальная схема тюбинга гладкостенного для крепления выработок, пройденных в вечной мерзлоте;

- на фиг. 2 - то же, сечение I-I;

- на фиг. 3 - то же, сечение II-II;

- на фиг. 4 - то же, сечение III-III;

- на фиг. 5 - то же, сечение IV-IV;

- на фиг. 6 - то же, узел А крепления тюбингов между собой;

- на фиг. 7 - узел А - разрез по отверстиям для крепления тюбингов между собой;

- на фиг. 8 - узел B - пример замоноличивания специальных гаек в средней части контурного ребра наружной стенки тюбинга;

на фиг. 9 - пример крепления ствола шахты, пройденной в вечной мерзлоте - фрагмент выполнения в плане;

- на фиг. 10 - то же, вид по стрелке K;

- на фиг. 11 - то же, узел C;

- на фиг. 12 - то же, узел D;

- на фиг. 13 - то же, узел E в разрезе на уровне крепления тюбингов между собой;

- на фиг. 14 - пример выполнения монтажа коммуникаций (кабели, водоводы, воздуховоды и т.п.) на тюбингах;

- на фиг. 15 - пример закрепления армирования ствола - расстрелов на тюбингах.

Тюбинг гладкостенный для крепления горных выработок, пройденных в вечной мерзлоте состоит из наружной стенки, выполненной из грузонесущих несущих ребер жесткости 1 (фиг. 1, 2, 3, 4. 5), соединенных между собой в вертикальной и горизонтальной плоскостях в виде криволинейной решетки. Внутренняя стенка выполнена в виде цельной ограждающей оболочки 2, образующей гладкостенную поверхность 3 закрепленной выработки и торцевые поверхности 4. Торцевые поверхности 4 оболочек соединены с периферийными грузонесущими ребрами жесткости 1 наружной стенки. Пространство 5 между грузонесущими ребрами 1 наружной стенки и объем 6, заключенный ограждающей оболочкой 2, заполнен теплоизоляционным материалом. В качестве теплоизоляционного материала может быть использован пеногазобетон, пенопласт. Основным требованием к теплоизоляционному материалу является малая теплопроводность, большой срок службы (неизменность теплофизических свойств при длительной эксплуатации) при низких температурах. Стенки оболочки 2 не являются грузонесущими и должны быть выполнены минимального сечения, способного удерживать заключенный оболочкой объем 6, заполненный теплоизоляционным материалом. В качестве материала может быть использован фибробетон, полимербетон, железобетон с арматурой в виде сетки и тщательно уплотненный при изготовлении. Наружная стенка, выполненная в виде грузонесущих ребер жесткости 1, с целью упрощения технологии изготовления тюбинга может быть изготовлена из того же материала, что оболочка. А для получения надлежащей прочности выполняется с необходимым количеством ребер жесткости и расстояниями между ними. Кроме того, при необходимости, ребра жесткости могут быть армированы, например, сталью. Для соединения тюбингов между собой в наружней стенке ее ребер жесткости вмонтированы элементы крепления.

Так как данный тюбинг предназначен для крепления выработок, пройденных в устойчивых вечно мерзлых породах, элементы соединения между собой необходимы, в основном, только во время монтажа крепи, в связи с чем в тюбинге предусматривается крепление в трех точках. В теле тюбинга в торцевой его части, где располагается теплоизоляционный слой, выполнены два кармана 7 (фиг. 1, 6, 7). На уровне расположение грузонесущих ребер жесткости 1 (нижней стенки) в карманах выполнены отверстия 8 для крепления тюбингов между собой в кольце (ряду) и отверстия 9 для крепления тюбингов в соседнем кольце. Крепление тюбингов в смежных кольцах смещено на половину длины тюбинга (фиг. 10) поэтому, в средней части тюбинга на противоположной стороне замоноличены специальные гайки 10 (фиг. 1, 8), в которые ввинчиваются болты вставляемые в отверстия 9 двух смежных тюбингов соседнего кольца. Специальные гайки 10 могут быть присоединены к арматуре 11, размещенной в периферийном грузонесущем ребре 1.

Для крепления тюбинга к породному контуру выработки (например, к контуру ствола шахты), в наружном слое (соединение вертикальных и горизонтальных ребер жесткости) выполнены отверстия 12 через которые при монтаже бурятся шпуры для установки резьбовых анкерных болтов 13 (фиг. 9, 11, 14, 15). Карманы 7 после монтажа кольца закрываются заглушками 14 (фиг. 11, 12, 14, 15) из теплоизоляционного материала. Заглушки 14 закрепляются болтами (не показаны), присоединенными к анкерным болтам и болтам соединения тюбингов между собой. На анкерные болты 13 соединительными элементами 15 могут крепиться кронштейны 16 (фиг. 14) для монтажа коммуникаций (кабели, водоводы, воздуховоды и т.д. а также опорная пята 17 (фиг. 15) крепления расстрелов для армировки ствола (расстрелов 18).

Пример выполнения крепления тюбингами гладкостенными при проходке ствола шахты, пройденного в вечной мерзлоте с возможностью возведения крепи в восходящем и нисходящем порядке.

Тюбинги готовятся виброударным прессованием на специальных вибропрессах, позволяющих получать прочную конструкцию с отклонением размеров не более двух миллиметров, чем обеспечивается высокая точность монтажных работ. При проходке ствола шахты вслед за подвиганием забоя ведется крепление тюбингами с подвесного проходческого полка. На палубе проходческого полка, с которого ведется возведение крепи, размещен монтажный кондуктор для сборки кольца тюбингов. После сборки, тюбинги в кольце соединяются между собой болтами, размещенными в отверстиях 8. Готовое кольцо из тюбингов вставляется на проектное место в стволе шахты и закрепляется посредством анкерных болтов 13, установленных в пробуренных в горном массиве шпурах, через отверстия 12 в тюбингах и производят заполнение закрепного пространства (зазор между кольцом тюбингов и породным контуром ствола шахты) тампонажным материалом. При установке первого кольца тюбингов тампонаж ведут сверху кольца. Выдержав определенное время, установленное инструкцией по креплению, после установки первого кольца в монтажном кондукторе собирается второе кольцо из тюбингов. В установленном первом кольце в отверстия со специальными гайками 10 вворачиваются монтажные направляющие конусы. Количество направляющих конусов определяется требованиями практики. Затем производится подъем собранного второго кольца из тюбингов. Стыковка первого и второго колец обеспечивается направляющими конусами. В свободные отверстия 9 во втором кольце тюбингов вставляются болты, которые вворачиваются в свободные специальные гайки 10 первого кольца тюбингов. Далее, выворачиваются монтажные направляющие конуса и на их место вворачиваются болты крепления тюбингов; так второе кольцо прикрепляется к первому. Тампонаж закрепного пространства второго кольца ведется через отверстия 12. Тампонаж может производится после установки каждого кольца или после установки двух и более колец тюбингов. Затем через отверстия 12 производится бурение шпуров для установки анкерных болтов 13 для крепления кронштейнов 16 или опорных пят 17 под расстрелы. Причем бурение шпуров и установка анкерных болтов 13 под кронштейны 16 и опорные пяты 17 производится по проекту армировки ствола шахты. В возведенном новом кольце бурение шпуров может производиться не во всех его карманах 7. Анкерными болтами 13 закрепляются соединительными элементы 15 для крепления к ним кронштейнов 16 и опорных пят 17. Причем между головками анкерных болтов 13 и соединительных элементов 16 могут быть установлены термоизолирующие прокладки. Затем карманы 7 закрываются заглушками 14 из термоизоляционного материала. Заглушки 14 выполняются глухими или с отверстиями для крепления кронштейнов 16 и опорных пят 17. Во время крепления ствола вслед за его проходкой, кронштейны 16 и опорные пяты 17 не монтируются. Эти работы производятся во время армировки ствола шахты. После установки второго кольца тюбингов монтируются следующие кольца по технологии описанной выше. После крепления тюбингами стенки ствола получаются гладкими. Техника и технология возведения крепи позволяют получить поверхность 3 ограждающей оболочки 2 с незначительной шероховатостью, а стыковые соединения осуществлять с точностью до 2-5 мм., что и обеспечивает гладкую поверхность крепи ствола шахты. Кроме того, полученная гладкая поверхность ствола шахты может быть покрыта термоизоляционным слоем. Наружная стенка, выполненная из грузонесущих ребер 1, с помощью анкерных болтов 13 надежно закреплена в вечной мерзлоте, которая изолирована теплоизоляционным материалом 6, заключенным в ограждающей оболочке 2.

Таким образом, предлагаемая конструкция тюбинга обеспечивает гладкую поверхность крепи выработки с минимальным аэродинамическим сопротивлением, а следовательно, и минимальную теплопередачу за счет поверхностного эффекта. Несущая поверхность тюбинга прочно закреплена к вечно мерзлым горным породам и надежно изолирована от внутренней поверхности ствола шахты с положительными температурами проходящего воздуха. Армировка ствола шахты надежно закреплена на несущей поверхности термоизолированной тюбинговой гладкостенной крепи.