Материалы для горной крепи

Древесина для крепления выработок (преимущественно сосна, ель, лиственница, кедр, пихта) применяется в виде круглого леса, пиломатериалов общего назначения и обаполов для затяжек.

Рис. 54. Пиломатериалы: а — пластина; б — четвертина; в — двухканатный брус; г — четырехканатный брус; д — доска необрезная; е — доска обрезная; ж — горбыль; з — рейка.

Круглый лес подразделяется на бревна (диаметр более или равен 12 см, длина 2…9 м), подтоварник (диаметр 8… 11 см, длина 3…9 м), жерди (диаметр 3. .7 см), стойки (диаметр верхнего торца 7. .34 см, длина 0,7. .7 м). Пиломатериалы общего назначения — это пластины, брусья, доски.

Пластины (распилы) — две части бревна (стойки), полученные при распиливании его по продольной оси (рис. 54, а).

Брусья — бревна, опиленные с четырех сторон, прямоугольного или квадратного поперечного сечения (рис. 54, г).

Доски получают путем распиловки брусьев или бревен, бывают обрезные (рис. 54, е) и необрезные (рис. 54, д).

Обаполы (горбыли) — крайние части бревна, распиленного на брусья или доски (рис. 54, ж).

Лес применяют для крепления горных выработок из-за его достоинств: стойкости к агрессивным водам, небольшой плотности (0,6…0,8 т/м³) и сравнительно небольшой стоимости, однако он недолговечен из-за гниения, огнеопасен и характеризуется сравнительно небольшой прочностью.

Физико-механические свойства древесины в значительной мере связаны с ее влажностью. Последняя обусловлена капиллярной влагой, размещенной в полостях клеток и межклеточном пространстве, и гигроскопической, находящейся в клетках древесины. Древесина имеет пороки (фауны). К первой группе относятся пороки, обусловленные условиями роста дерева (рис. 55). К ним относятся:

• 1) морозобоины — трещины, образующиеся от мороза или ударов соседнего падающего дерева;
• 2) закомлеватость, т. е. разность в толщине толстого и тонкого конца
• (нормальный сбег 1… 1,5 см на 1 м ствола);
• 3) эксцентричность — неодинаковая ширина одних и тех же годовых колец;
• 4) сучковатость, которая ослабляет работу дерева на изгиб;
• 5) косослой — винтообразное расположение волокон;
• 6) свилеватость — волнообразное расположение волокон.

Ко второй группе пороков относят различные механические повреждения. При глубине трещин, превышающих 1/3 диаметра, лес не применяется для крепления.

К третьей группе пороков относятся гнили.

Срок службы древесины зависит от условий ее работы и может длиться от 3 месяцев до 40 лет. Существуют следующие способы увеличения срока службы древесины: сушка, пропитка антисептиками (веществами, убивающими грибки и создающими невозможную для их жизнедеятельности атмосферу).

В качестве антисептиков применяют фтористый натрий (NaF), кремнефтористый натрий (Na₂SiF₆). Пропитка может быть произведена по способу горяче-холодной ванны или под давлением в автоклавах.

Рис. 55. Пороки древесины: а — морозобоина; б — метик согласный; в — метик несогласный; г — сердцевидные трещины; д — отплуны; е — косослой;

ж — свилеватость; з — крень

В раствор при температуре 95 °C помещают элементы крепи, после выдержки подают холодный раствор. При втором способе в автоклавах создают вакуум (8,45 кПа), затем подают раствор антисептика и давление в автоклаве повышают до 600 кПа и более.

Для крепления выработок применяется обычно металл в виде стальных прокатных профилей общестроительного назначения — двутавров, швеллеров, уголков или специального профильного проката типа СВП (рис. 56).

Арматурная сталь гладкая и периодического профиля используется в сборных и монолитных железобетонных крепях, в анкерных крепях и при изготовлении металлической решетчатой затяжки.

Рис. 56. Виды проката, применяемые для изготовления крепи горных выработок: а - специальный взаимозаменяемый профиль; б - специальный парный профииь; в - балки двутавровые, швеллеры, стачь угловая равнобокая.

В металлической тюбинговой крепи, применяемой в тяжелых гидрогеологических и горнотехнических условиях, для изготовления тюбингов обычно используют серый чугун.

Сталь как крепежный материал обладает многими важными свойствами — высокой прочностью, широкими конструктивными возможностями, достаточно высокой долговечностью, возможностью повторного использования и др.

Для получения искусственных каменных материалов используют различные вяжущие вещества — чаще всего цементы, иногда синтетические смолы.

Вяжущими веществами называют гонкоизмельченные естественные или искусственные материалы, которые при смешивании с водой образуют пластическую массу, постепенно превращающуюся в твердое тело. Вяжущие вещества разделяются на воздушные, затвердевающие только на воздухе, и гидравлические, затвердевающие как на воздухе, так и в воде. Для горной крепи применяют только гидравлические вяжущие вещества и чаще всего портландцемент (силикатный цемент).

В горном деле наибольшее распространение получил портландцемент (силикатный цемент), выпускаемый четырех марок: 300, 400, 500 и 600.

При наличии агрессивных вод вместо портландцемента применяют глиноземистый, пуццолановый, шлаковый и другие цементы.

Рассмотренные виды цементов при твердении дают усадку, в результате чего в цементном камне появляются микротрещины. Имеются цементы, не дающие усадки при твердении: безусадочный и расширяющийся.

Раствор — это смесь вяжущего с мелким заполнителем, растворенная водой и перемешанная; бетон — искусственный каменный материал, содержащий вяжущее, мелкий и крупный заполнитель и воду. В качестве заполнителя применяют песок, гравий или щебень. Состав бетона обозначается 1: А: Б, где 1 — одна по массе часть цемента, А — весовые части по массе песка, Б — часть по массе гравия или щебня.

Бетоны в зависимости от типа заполнителя разделяются на плотные (тяжелые) и пористые (легкие). Для горной крепи применяют обычно плотные бетоны (2,2…2,3 т/м³).

По расходу цемента различают бетоны жирные, средние и тощие. В первых на 1 м³ бетона расходуется больше 250 кг цемента, во вторых — от 200 до 250 кг, в третьих — меньше 200 кг. Для горной крепи применяют жирные и средние бетоны.

Прочность бетона характеризуется его маркой. Для горной крепи применяют бетон марок 100,200, 300,400, 500 и 600 (цифры — предел прочности на сжатие кубика 15×15×15 см в возрасте 28 сут, твердеющего при температуре 15…20 °С и относительной влажности воздуха 90−100%).

Торкрет-бетон состоит из цемента (с расходом до 750 кг на 1 м³ смеси), песчано-гравийного заполнителя с крупностью зерен до 5 мм и воды. Торкрет-бетон наносят слоями толщиной 2…3 см на укрепляемую поверхность с помощью цемент-пушки под давлением сжатого воздуха 0,2…0,3 МПа. Прочность, плотность, водонепроницаемость, сцепление с породой и арматурой у торкрет-бетона выше, чем у обычного.

Набрызг-бетон в отличие от торкрет-бетона содержит более крупный заполнитель (до 25 мм) и ускоряющие твердение добавки. Расход цемента в нем не превышает 400…450 кг на 1 м³ смеси. Приблизительный его состав 1: А: Б = 1: 2: 2. В качестве ускоряющих твердение добавок применяют фтористый натрий (NaF), ОЭС — тонкомолотый алюминиевый спек в количестве 2−5% массы цемента. Набрызг-бетон наносят на поверхность слоями по 5…7 см (суммарно до 20…30 см) с помощью пневматической набрызг-машины.

Пластбетон, содержащий в качестве вяжущего синтетические смолы (фурфуролацетоновую, мочевино-формальдегидную, эпоксидную и др.) в комбинации с добавками (бензол-сульфокислота, полиэтиленполиамин и др.), характеризуется высокой прочностью при сжатии, растяжении и изгибе (соответственно 40…70, 5…6 и 10…12 МПа), химической стойкостью против агрессивных вод и высокой водонепроницаемостью.

Железобетоном называют материал, в котором бетон и стальная арматура работают совместно. Благодаря этому железобетонные конструкции способны нести значительные сжимающие, изгибающие, а в некоторых случаях и растягивающие нагрузки.