Монолитная железобетонная крепь наклонной горной выработки

Изобретение относится к горному делу, а именно к сооружению наклонных горных выработок в условиях высокого горного давления. Монолитная железобетонная крепь наклонной горной выработки, состоящая из бетонного тела и каркаса включающего: арматурные прутки вдоль наклонной выработки, арматурные прутки поперек основания наклонной выработки, арматурные прутки, перпендикулярные к основанию наклонной выработки, и стальную арматуру по дуге свода, а также армируемые поперечные скобы, с шагом, соответствующим расчетному шагу армирования, выполненные в поперечном сечении эллипсовидной формы. Длинная ось эллипса арматуры совмещена с максимальными нагрузками на каркас железобетонной крепи наклонной выработки. Для арматурных прутков вдоль наклонной выработки максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса совмещен с перпендикуляром к боковой поверхности, основанию, а также с радиусом сегмента окружности свода наклонной горной выработки, соответственно их расположению. Для арматурных прутков поперек основания и перпендикулярных основанию наклонной выработки максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса арматуры совмещен с перпендикуляром к основанию и к боковой поверхности наклонной горной выработки, соответственно. Для стальной арматуры, установленной по дуге свода в виде сегмента окружности наклонной горной выработки, максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса арматуры совмещен с радиусом сегмента окружности каркаса. Для арматурных прутков вдоль наклонной выработки, установленных в углах основания и боковой поверхности, максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса арматуры совмещен с диагональю между соответствующими перпендикулярами на эти поверхности. Для армируемых поперечных скоб, установленных на арматурные прутки в каркасе: поперек основания наклонной выработки, перпендикулярные к основанию наклонной выработки, и стальную арматуру по дуге свода наклонной выработки, максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса арматуры установлен параллельно линии угла наклона горной выработки. Для армируемых поперечных скоб, установленных на арматурные прутки вдоль наклонной выработки, максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса арматуры установлен параллельно следу плоскости, проведенной через эту скобу, на боковой поверхности, основании наклонной выработки, а также касательной в точке выхода радиуса на дугу арматуры, соответственно их расположению. Техническим результатом является повышение надежности монолитной железобетонной крепи наклонной горной выработки. 6 ил., 1 табл.

 

Область техники

Изобретение относится к горному делу, а именно к сооружению наклонных горных выработок в условиях высокого горного давления.

Уровень техники

Известно устройство монолитная железобетонная крепь вертикального круглого шахтного ствола (патент RU 2765447, МПК E21D 5/00, опубликовано 31.01.2022 Бюл. №4), включающая бетонное тело, вертикальную стержневую рабочую, горизонтальную продольную стержневую рабочую стальную арматуру и арматурные поперечные скобы с шагом, соответствующим расчетному шагу армирования, в виде каркаса, причем вертикальная стержневая рабочая, горизонтальная продольная стержневая рабочая стальная арматура и арматурные поперечные скобы каркаса крепи круглого шахтного ствола выполнены поперечным сечением эллипсовидной формы, длинную ось эллипса арматуры совмещена с максимальными нагрузками на железобетонную крепь круглого шахтного ствола, для вертикальной и горизонтальной арматуры максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса совмещен с направлением радиуса круглого ствола, для арматурных поперечных скоб максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса установлен параллельно вертикальной оси круглого ствола.

Недостатком известного устройства является отсутствие возможности использование его для монолитной железобетонной крепи наклонной горной выработки.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство монолитная железобетонная крепь наклонной горной выработки, (Горно-инженерная графика. М., Недра, Г.Г. Ломоносов, А.И. Арсентьев, и др. 1976, 263 с., с. 91), состоящая из бетонного тела и каркаса включающего: арматурные прутки вдоль наклонной выработки, арматурные прутки поперек основания наклонной выработки, арматурные прутки, перпендикулярные к основанию наклонной выработки, и стальная арматура по дуге свода, армируемые поперечные скобы, с шагом соответствующим расчетному шагу армирования.

Недостатком наиболее близкого устройства является низкая надежность монолитной железобетонной крепи наклонной горной выработки.

Раскрытие изобретения

Техническим результатом является повышение надежности монолитной железобетонной крепи наклонной горной выработки.

Указанный технический результат достигается в устройстве монолитная железобетонная крепь наклонной горной выработки, состоящем из бетонного тела и каркаса включающего: арматурные прутки вдоль наклонной выработки, арматурные прутки поперек основания наклонной выработки, арматурные прутки, перпендикулярные к основанию наклонной выработки, и стальную арматуру по дуге свода, а также армируемые поперечные скобы, с шагом соответствующим расчетному шагу армирования, причем арматурные прутки вдоль наклонной выработки, арматурные прутки поперек основания наклонной выработки, арматурные прутки, перпендикулярные к основанию наклонной выработки, и стальная арматура по дуге свода наклонной выработки, армируемые поперечные скобы выполнены поперечным сечением эллипсовидной формы, длинная ось эллипса арматуры совмещена с максимальными нагрузками на каркас железобетонной крепи наклонной выработки, для арматурных прутков вдоль наклонной выработки максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса совмещен с перпендикуляром к: боковой поверхности, основанию, а также с радиусом сегмента окружности свода наклонной горной выработки, соответственно их расположению, для арматурных прутков поперек основания и перпендикулярных основанию наклонной выработки максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса арматуры совмещен с перпендикуляром к основанию и к боковой поверхности наклонной горной выработки, соответственно, для стальной арматуры, установленной по дуге свода в виде сегмента окружности наклонной горной выработки, максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса арматуры совмещен с радиусом сегмента окружности каркаса, для арматурных прутков вдоль наклонной выработки, установленных в углах основания и боковой поверхности, максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса арматуры, совмещен с диагональю между соответствующими перпендикулярами на эти поверхности, для армируемых поперечных скоб, установленных на арматурные прутки в каркасе: поперек основания наклонной выработки, перпендикулярные к основанию наклонной выработки, и стальную арматуру по дуге свода наклонной выработки, максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса арматуры установлен параллельно линии угла наклона горной выработки, для армируемых поперечных скоб, установленных на арматурные прутки вдоль наклонной выработки, максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса арматуры установлен параллельно следу плоскости, проведенной через эту скобу, на: боковой поверхности, основании наклонной выработки, а также касательной в точке выхода радиуса на дугу арматуры, соответственно их расположению.

Отличительными признаками являются:

арматурные прутки вдоль наклонной выработки, арматурные прутки поперек основания наклонной выработки, арматурные прутки перпендикулярные к основанию наклонной выработки и стальная арматура по дуге свода наклонной выработки, армируемые поперечные скобы выполнены поперечным сечением эллипсовидной формы, для повышения надежности монолитной железобетонной крепи за счет изменения геометрии арматуры;

длинная ось эллипса арматуры совмещена с максимальными нагрузками на каркас железобетонной крепи наклонной выработки, это повышает надежность монолитной железобетонной крепи;

для арматурных прутков вдоль наклонной выработки максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса совмещен с перпендикуляром к: боковой поверхности, основанию и с радиусом сегмента окружности свода наклонной горной выработки, соответственно их расположению, что увеличивает надежность крепи вдоль наклонной выработки с меньшим расходом материалов;

для арматурных прутков поперек основания и перпендикулярных основанию наклонной выработки максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса арматуры совмещен с перпендикуляром к основанию и к боковой поверхности наклонной горной выработки, соответственно, что увеличивает надежность крепи поперек наклонной выработки с меньшим расходом материалов;

для стальной арматуры, установленной по дуге свода в виде сегмента окружности наклонной горной выработки, максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса арматуры совмещен с радиусом сегмента окружности каркаса, это повышает надежность монолитной железобетонной крепи на своде;

для арматурных прутков вдоль наклонной выработки, установленных в углах основания и боковой поверхности, максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса арматуры, совмещен с диагональю между соответствующими перпендикулярами на эти поверхности, что повышает надежность монолитной железобетонной крепи углах основания и боковой поверхности;

для армируемых поперечных скоб, установленных на арматурные прутки в каркасе: поперек основания наклонной выработки, перпендикулярные к основанию наклонной выработки, и стальную арматуру по дуге свода наклонной выработки, максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса арматуры установлен параллельно линии угла наклона горной выработки, такое направление увеличивает жёсткость поперечных элементов каркаса и крепи в целом;

для армируемых поперечных скоб, установленных на арматурные прутки вдоль наклонной выработки, максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса арматуры установлен параллельно следу плоскости, проведенной через эту скобу, на: боковой поверхности, основании наклонной выработки, а также касательной в точке выхода радиуса на дугу арматуры, соответственно их расположению, такое направление увеличивает жёсткость продольных элементов каркаса.

Принцип надежности арматуры состоит в изменении геометрической формы арматуры с той же самой площадью и с тем же самым материалом для увеличения момента сопротивления в определенном направлении, а это значит, увеличение и надежности конструкции. Момент сопротивления по оси максимальной нагрузки, эллипса с соотношением большей оси к меньшей 1,28 и с площадью, равной площади поперечного сечения круга 14 мм, увеличился в 1,133 раза, т.е. на +13,3%, см. табл. Момент сопротивления по оси минимальной нагрузки, в аналогичных условиях, уменьшился до 0,88 раза или -12%. Суммарные моменты сопротивления по обеим осям увеличились в 1,008 раза, т.е. на +0,8%.

Сравнение заявляемого решения с аналогом и прототипом не выявило в них признаки, заявляемого решения, это позволило сделать вывод о соответствии критерию «новизна».

Краткое описание таблицы и рисунков

В табл. представлена взаимосвязь соотношения величин осей эллипса и круга с моментами сопротивления по соответствующим осям эллипса и круга по данным [3].

На фиг. 1 приведен диметрический вид наклонной восходящей горной выработки с монолитной железобетонной крепью, включающий: 1 - сечение горной выработки вчерне; 2 - арматурный пруток внешнего ряда каркаса вдоль наклонной выработки; 3 - арматурный пруток внутреннего ряда каркаса вдоль наклонной выработки; 4 - арматурный пруток, перпендикулярный к основанию выработки внешнего ряда каркаса; 5 - арматурный пруток, перпендикулярный к основанию выработки внутреннего ряда каркаса; 6 - арматурный пруток поперек основания наклонной выработки внешнего ряда каркаса; 7 - арматурный пруток поперек основания наклонной выработки внутреннего ряда каркаса; 8 - основание крепи; 9 - боковую поверхность крепи; 10 - свод выработки; 11 - стальную арматуру по сегменту окружности внутреннего ряда каркаса; 12 - стальная арматура по сегменту окружности внешнего ряда каркаса; 13 - арматурную скобу, связывающую ряды каркаса; 14 - внешний радиус свода крепи; 15 - внутренний радиус свода крепи; 16 - анкер закрепленный; 17 - сварное соединение; 18 - шпур; 19 - сечение горной выработки в свету; 20 - бетонное тело; 21 - угол наклона горной выработки.

На фиг. 2 приведен разрез А-А с фиг. 1 арматурного прутка, перпендикулярного к основанию выработки внешнего ряда каркаса, включающего: 4 - арматурный пруток, перпендикулярный к основанию выработки внешнего ряда каркаса; 22 - линию, перпендикулярную к боковой поверхности наклонной выработки.

На фиг. 3 показан разрез Б-Б с фиг.1 арматурного прутка поперек основания наклонной выработки внешнего ряда каркаса, включающий: 6 - арматурный пруток поперек основания наклонной выработки внешнего ряда каркаса; 23 - линию, перпендикулярную к основанию наклонной горной выработки.

На фиг. 4 показан разрез В-В с фиг. 1 арматурной скобы, связывающей ряды каркаса, включающий: 13 - арматурную скобу, связывающую ряды каркаса; 25 - линию, параллельную линии угла наклона горной выработки.

На фиг. 5 показан разрез Г-Г с фиг. 1 стальной арматуры, прокатанной по сегменту окружности внешнего ряда каркаса, установленной на своде крепи наклонной горной выработки, включающий: 12 – стальную арматуру по сегменту окружности внешнего ряда каркаса 24 – линию, совмещенную с радиусом свода крепи.

На фиг. 6 приведен разрез Д-Д с фиг. 1 арматурного прутка вдоль наклонной выработки внешнего ряда каркаса, установленного в углу основания и боковой поверхности, включающий: 2 - арматурный пруток внешнего ряда каркаса вдоль наклонной выработки; 26 - диагональ между перпендикулярами на основание и боковую поверхность.

Осуществление изобретения

Процесс возведения крепи из монолитного железобетона включает разбивку линий в свету 19 горной выработки с углом наклона 21, в сечении горной выработки в черне 1, сборку и установку арматуры в каркас, устройство опалубки и бетонирование. В каркасе, арматурные прутки вдоль наклонной выработки 2 и 3, арматурные прутки поперек основания наклонной выработки 6 и 7, арматурные прутки перпендикулярные к основанию наклонной выработки 4 и 5, а также стальная арматура по дуге свода наклонной выработки 11 и 12, армируемые поперечные скобы 13 выполняют поперечным сечением эллипсовидной формы, большую ось эллипса этой арматуры совмещают с максимальными нагрузками на железобетонную крепь выработки.

Подготовку скоб 13 из стальной арматуры выполняют загибанием углов на 90^° вокруг большей оси эллипса арматуры, с предварительным их разогревом в горно кузнецы или газовой горелкой, с расположением большей оси эллипса в плоскости скобы 13. Подготовку стальной арматуры по дуге свода и в частности, по сегменту окружности внешнего ряда каркаса 12 и внутреннего ряда 11 выполняют прокаткой на вальцах арматуры с внешним радиусом свода крепи 14 и внутренним радиусом свода крепи 15, с расположением большей оси эллипса арматуры по радиусам свода выработки 10. Монтаж арматурного каркаса выполняют по месту расположения, предварительно бурят шпуры 18 по всему поперечному периметру горной выработки: боковых поверхностей выработки 9, свода выработки 10 и устанавливают в них анкеры 16, которые являются основанием для крепления соответствующих арматурных прутков и совмещения большей оси эллипса этой арматуры с максимальными нагрузками на крепь и фиксации их в таком положении на анкерах 16 на сварное соединение 17 на всю длину арматурных прутков. Расстояние между анкерами по длине арматурного прутка принимают из расчета линейности прутков каркаса. Первоначально на анкерах 16 монтируют арматурные прутки внешнего ряда каркаса 2 вдоль наклонной выработки на пересечении основания 8 и боковой поверхности выработки 9, устанавливая большую ось эллипса арматуры по диагонали 26 между соответствующими перпендикулярами этих поверхностей. У остальных арматурных прутков внешнего ряда каркаса 2 вдоль наклонной выработки большую ось эллипса арматуры совмещают с соответствующими перпендикулярами поверхностей и радиусами свода крепи, а также фиксируют их на сварное соединение 17. Арматурные прутки вдоль наклонной выработки 2 между собой устанавливают с шагом, соответствующим расчетному шагу армирования. Затем на анкерах 16 также устанавливают арматурные прутки перпендикулярные к основанию выработки внешнего ряда каркаса 4 соединяя их со стальной арматурой по дуге свода и в частности по сегменту окружности внешнего ряда каркаса 12. Пространственное позиционирование большей оси эллипса этого арматурного прутка 12 выполняют по линии 24 совмещенной с радиусом свода выработки 10. Арматурные прутки перпендикулярные к основанию выработки внешнего ряда каркаса 4 также между собой устанавливают с шагом, соответствующим расчетному шагу армирования и большую ось эллипса этой арматуры также совмещают с соответствующими перпендикулярами 22 боковой поверхности. Аналогично монтируют арматурные прутки внутреннего ряда каркаса вдоль наклонной выработки 3, арматурные прутки перпендикулярные к основанию выработки внутреннего ряда каркаса 5 и стальную арматуру по дуге свода и, в частности, по сегменту окружности внутреннего ряда каркаса 11. Армируемые поперечные скобы 13, связывающих ряды каркаса, устанавливают с шагом, соответствующим расчетному шагу армирования. Для армируемых поперечных скоб 13, установленных на арматурные прутки вдоль наклонной выработки 2 и 3, максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса арматуры устанавливают параллельно следу плоскости, проведенной через эту скобу, на боковой поверхности наклонной выработки, а также касательной в точке выхода радиуса 14 или 15 на дугу арматуры. Для армируемых поперечных скоб 13, установленных в каркасе на арматурные прутки 4 и 5 перпендикулярные к основанию наклонной выработки и стальную арматуру по дуге свода 11 и 12 наклонной выработки, максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса арматуры устанавливают параллельно линии 25 угла наклона горной выработки 21. На следующем этапе монтируют каркас на почве выработки в основании крепи 8, предварительно бурят шпуры 18 устанавливают анкера 16. На их основе монтируют арматурные прутки основания поперек наклонной выработки внешнего ряда каркаса 6. Эти прутки 6 устанавливают между собой с шагом, соответствующим расчетному шагу армирования и большую ось эллипса такой арматуры совмещают с перпендикуляром 23 к основанию выработки. Для арматурных прутков 2, смонтированных вдоль основания наклонной выработки, максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса совмещают с перпендикуляром 23 к основанию наклонной горной выработки. Аналогично, на основе анкеров 16 монтируют арматурные прутки основания поперек наклонной выработки внутреннего ряда каркаса 7, которые между собой также устанавливают с шагом, соответствующим расчетному шагу армирования и большую ось эллипса этой арматуры совмещают также с перпендикуляром 23 к основанию выработки и аналогично, выставляют армируемые поперечные скобы 13. Для армируемых поперечных скоб 13, установленных в каркасе на арматурные прутки поперек основания наклонной выработки 6 и 7, максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса арматуры устанавливают параллельно линии 25 угла наклона горной выработки 21.

Для бетонного тела 20 между линиями сечения выработки вчерне 1: и свету 19 устанавливают вертикальную наклонную опалубку в виде горизонтального сегмента в наклонной выработке и создают одновременно бетонное тело 20, включающего основание 8, боковую поверхность крепи 16 и свод крепи 15, применяя вибрационное уплотнение бетона. Для такого исполнения разрабатывают скользящую сегментную горизонтальную опалубку в наклонной выработке одновременного бетонирования по всему поперечному периметру выработки на величину шага бетонирования по высоте.

Таким образом, повышение надежности монолитной железобетонной крепи наклонной горной выработки достигают изменением геометрической формы арматуры, с той же самой площадью и с тем же самым материалом, перераспределяя момент сопротивления по осям арматуры в заданном направлении нагрузки на крепь.

Источники информации

1. Патент RU 2765447, МПК E21D 5/00, опубликовано 31.01.2022 Бюл. №4;

2. Горно-инженерная графика. М., Недра, Г.Г. Ломоносов, А.И. Арсентьев, И.А. Гудкова и др. 1976, 263 с., с. 91;

3. Справочник по сопротивлению материалов / Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матвеев В.В.; отв. ред. Писаренко Г.С. - 2-е изд., перераб. и доп. - Киев: Наук. думка, 1988. - 736 с. (58, 74 с.).

Табл.

Монолитная железобетонная крепь наклонной горной выработки

Наименование показателя	Круг, диаметр 14 мм	Эллипс
1. Длина осей, мм	14 × 14	15,8599 × 12,3584
2. Соотношение величин осей	i=1,0	i=1,283
3. Площадь поперечного сечения, см2	1,5386	1,5386
4. Момент сопротивления по max оси, см3	0,26926	0,305035
5. Момент сопротивления по min оси, см3	0,26926	0,237686
6. Суммарный момент сопротивления, см3	0,53852	0,542716

Монолитная железобетонная крепь наклонной горной выработки, состоящая из бетонного тела и каркаса, включающего: арматурные прутки вдоль наклонной выработки, арматурные прутки поперек основания наклонной выработки, арматурные прутки, перпендикулярные к основанию наклонной выработки, и стальную арматуру по дуге свода, а также армируемые поперечные скобы, с шагом, соответствующим расчетному шагу армирования, отличающаяся тем, что арматурные прутки вдоль наклонной выработки, арматурные прутки поперек основания наклонной выработки, арматурные прутки, перпендикулярные к основанию наклонной выработки, и стальная арматура по дуге свода наклонной выработки, армируемые поперечные скобы выполнены в поперечном сечении эллипсовидной формы, длинная ось эллипса арматуры совмещена с максимальными нагрузками на каркас железобетонной крепи наклонной выработки, для арматурных прутков вдоль наклонной выработки максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса совмещен с перпендикуляром к: боковой поверхности, основанию, а также с радиусом сегмента окружности свода наклонной горной выработки, соответственно их расположению, для арматурных прутков поперек основания и перпендикулярных основанию наклонной выработки максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса арматуры совмещен с перпендикуляром к основанию и к боковой поверхности наклонной горной выработки, соответственно, для стальной арматуры, установленной по дуге свода в виде сегмента окружности наклонной горной выработки, максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса арматуры совмещен с радиусом сегмента окружности каркаса, для арматурных прутков вдоль наклонной выработки, установленных в углах основания и боковой поверхности, максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса арматуры совмещен с диагональю между соответствующими перпендикулярами на эти поверхности, для армируемых поперечных скоб, установленных на арматурные прутки в каркасе: поперек основания наклонной выработки, перпендикулярные к основанию наклонной выработки, и стальную арматуру по дуге свода наклонной выработки, максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса арматуры установлен параллельно линии угла наклона горной выработки, для армируемых поперечных скоб, установленных на арматурные прутки вдоль наклонной выработки, максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса арматуры установлен параллельно следу плоскости, проведенной через эту скобу, на: боковой поверхности, основании наклонной выработки, а также касательной в точке выхода радиуса на дугу арматуры, соответственно их расположению.