Лекция по предмету «Основы горного дела» на тему «Классификация крепежных материалов, их характеристика»

Ход занятия

                                                      Лекция № 28

                    Тема: Классификация крепежных материалов, их характеристика

                                                           План лекции

1.Классификация крепежных материалов. Требования, предъявляемые к крепежным материалам.

2.Дерево как крепежный материал.

3.Металл как крепежный материал.

4.Бетон и железобетон как крепежный материал.

5.Прочие крепежные материалы.

1. Крепежные материалы — материалы для изготовления горной крепи. Подразделяются: по использованию — на основные крепежные материалы, применяемые в несущих конструкциях крепей (металл, бетон, дерево, естественные и искусственные камни, пластмассы и др.), вяжущие, служащие для приготовления растворов, бетонов и пластмасс (цементы, известь, смолы и др.), вспомогательные крепежные материалы (водоизоляционные материалы, химические реагенты и др.). Крепежные материалы выбирают в зависимости от конструкции крепи с учётом назначения и срока службы выработки. Основные требования, предъявляемые к крепежным материалам: высокая прочность, небольшая стоимость, доступность получения, огнестойкость, а также стойкость против коррозии и гниения (долговечность).

2. Дерево как крепежный материал имеет достаточно высокую прочность и упругость, легко обрабатывается. Элементы крепи из дерева просто и удобно соединяются друг с другом. Для крепления применяют чаще всего хвойные породы (сосна, ель, лиственница, кедр), реже – лиственные (дуб, бук, граб, ясень, береза). Наибольшее распространение в качестве крепежного материала получила сосна, обладающая более высокими механическими свойствами, чем ель и пихта. Влажность древесины не должна превышать 10-15%. У свежесрубленной древесины влажность в среднем составляет 40%. Механическая прочность древесины увеличивается с уменьшением влажности и повышением плотности. Пороки древесины (косослой, сучковатость, гниль) резко снижают ее механические свойства. Применение лесоматериалов, зараженных гнилью, не допускается.

Сорта крепежного леса. К круглым лесоматериалам относятся следующие виды: бревна, подтоварник, стойки, а к пиломатериалам – пластины

(распилы), брусья, доски и обаполы (горбыли). Наибольшее применение для крепления выработок нашли стойки и обаполы. Бревна - обрезки древесного ствола длиной от 5 до 9 м и толщиной в верхнем торце 12см и больше. Подтоварник - круглый лесоматериал длиной от 3 до 9 м и толщиной в верхнем торце от 9 до 11см. Рудничные стойки - круглый лесоматериал длиной от 0,5 до 5 м и толщиной в верхнем торце от 7 до 30см. Распилы - стойки, распиленные пополам вдоль продольной оси. Распилы и пластины в основном применяются в качестве верхняков временной крепи и для крепления шурфов, а также в качестве затяжки боков и кровли выработки. Брусья - пиломатериалы, толщина которых равна ширине или более половины ширины. Если толщина и ширина составляют 10см и меньше, то их называют брусками. Стороны брусьев называют кантами. Брусья иногда применяют для крепления неглубоких стволов разведочных шахт. Различают брусья четырех- и двухканатные, у последних пропилены только две стороны. Длина брусьев колеблется от 1 до 6,5 м, а сечение - от 13х13 до 25х25см. Двухканатные брусья применяют для крепления шурфов и изготовления рудничных шпал. Доски - пиломатериалы, ширина которых более двойной толщины. Доски бывают не обрезные, у которых боковые кромки не опилены, и обрезные, имеющие прямоугольное сечение. Доски применяются в качестве затяжки кровли и боков выработки, отшивки ходовых отделений и т. п. Обапол разделяют на горбыльный - с непропиленной наружной поверхностью или пропиленной не более чем на половину длины и дощатый - с пропиленной наружной поверхностью более чем на половину длины обапола.

С целью продления срока службы древесина пропитывается специальными защитными веществами (антисептиками). Антисептики должны быть безвредными для людей, не выщелачиваться из пропитанной древесины, не иметь запаха и вредных газов при высыхании, не способствовать горению, а при горении не выделять вредных газов и густого дыма Лесные материалы широко используют для крепления горных выработок, имеющих ограниченный срок службы (до 2—3 лет). Но срок службы деревянной крепи может находиться в пределах от 1.5 месяцев до 40 лет.  Достоинства деревянных конструкций: простота изготовления, невысокая трудоемкость, относительно невысокая первоначальная стоимость, легкость подгонки к форме выработки и наличие предупредительных признаков перед разрушением. Недостатки: невысокая прочность, малый срок службы в подземных условиях, огнеопасность, подверженность гниению и невозможность многократного использования.

3.  Металл для шахтной крепи применяют в виде профильного проката. При изготовлении проката используют малоуглеродистые и низколегированные стали. Металлический прокат имеет форму двутавровых балок и балок специального профиля СВП (рис. 4.3), а также швеллерных балок и рельсов. Профиль СВП выпускают пяти типоразмеров массой соответственно 14, 17, 19, 22 и 27 кг/м. Кроме указанных профилей используют арматурную гладкую сталь и металлические тюбинги—сегменты, имеющие криволинейную плиту (спинку) и ребра жесткости. Металлические тюбинги изготавливают из серого чугуна или стали.

Достоинства металла — прочность, огнестойкость, относительная простота изготовления элементов крепи, долговечность и возможность повторного использования. Недостатки — значительная стоимость и подверженность коррозии. He исключена возможность замены стали в некоторых элементах крепи легкими сплавами, например силумином (сплавом алюминия и кремния). Следует отметить, что металлы в течение ближайших 10-15 лет, очевидно, останутся одним из наиболее эффективных крепежных материалов и будут широко применяться для крепления горных выработок в Донецком угольном бассейне.

4. Бетоном называют искусственный каменный материал, получаемый в результате затвердевания смеси из вяжущего вещества, песка, щебня или гравия после затворения водой или введения отвердителя. Наибольшее применение нашли бетоны на цементном вяжущем. Если в качестве вяжущего вещества применяют синтетическую смолу, то полученный бетон называют пластбетоном. Песок (мелкий заполнитель) и щебень или гравий (крупный заполнитель) являются инертными добавками, которые наряду с сокращением расхода цемента обеспечивают высокую прочность и плотность бетона. Вяжущие, вода и отвердитель являются активными составляющими бетона и пластбетона.
Бетоны по плотности разделяют на тяжелые и легкие. Для горной крепи применяют в основном тяжелые бетоны с плотностью 2200 - 2300 кг/м. куб. По расходу цемента на 1м. куб. бетонной смеси различают жирные (более 250 кг/м. куб.), средние (200 - 250 кг/м. куб.) и тощие (менее 200 кг/м. куб.) бетоны. Для горной крепи применяют жирные и средние бетоны.
По содержанию воды бетонные смеси разделяют на жесткие, пластичные и литые. Жесткие смеси содержат 6 - 6,5% воды (130 - 170 л/м. куб.) от массы сухой смеси. Пластичные бетоны содержат 6,5 - 8% воды (170 - 230 л на 1м. куб.) и хорошо укладываются при слабом трамбовании. В литых бетонах 8 - 12% воды (более 230 л/м. куб.), они свободно растекаются и укладываются в опалубки. Для изготовления горной крепи применяют жесткий бетон.
Торкретбетон - бетон, состоящий из цемента и песка, затворенных водой (цементно-песчаный раствор). Крупность песка в торкретбетоне до 8 мм. При включении крупных фракций песка или щебня (до 25 мм) бетон называют набрызгбетоном. Водоцементное отношение в таких бетонах находится в пределах 0,3 - 0,4. Отличительными особенностями торкретбетона и набрызгбетона являются способы приготовления бетонной смеси и ее укладки. Предварительно заготовленную сухую смесь цемента и заполнителей загружают в специальную пневматическую бетономешалку, из которой под действием сжатого воздуха под давлением 0,2 - 0,3 Мпа. Смесь подают по шлангу, оборудованному на конце соплом. Затворение смеси водой происходит в сопле и она сразу же наносится на поверхность выработки. Набрызгбетон получил широкое распространение в различных видах строительства, а в подземных условиях становится одним из основных материалов для крепления выработок. Торкретбетон применяют для нанесения покрытий, предохраняющих породу от выветривания и отслаивания, создания гидроизоляционных покрытий, усиления и ремонта бетонных крепей. Для ускорения твердения в бетон добавляют фтористый натрий в количестве 2 - 5% от массы цемента.
Железобетон — единый искусственный материал, состоящий из бетона и металлической арматуры. Изготавливают железобетонные конструкции путем установки металлических элементов и последующей заливки их бетоном. В качестве арматурных элементов используют круглую сталь гладкого или периодического профиля и арматурные канаты. Расчетную нагрузку железобетон может воспринимать после набора бетоном заданной прочности. Железобетонную крепь изготавливают либо непосредственно в шахте (монолитная крепь), либо на заводе железобетонных изделий (сборная крепь). Железобетонные крепи воспринимают не только сжимающие, но и растягивающие напряжения. В последнее время из железобетона изготовляют элементы рамной или сплошной крепи (стойки, верхняки, затяжку, плиты и др.).

5. Камни. Естественные и искусственные камни используют для крепления выработок на горных предприятиях. Естественные камни неправильной формы выкладывают в так называемые бутовые полосы для поддержания выработок, граничащих с очистным пространством.
В некоторых случаях горные выработки закрепляют камнями известняка или гранита, имеющими правильные геометрические формы.
Более широкое применение в качестве крепежного материала имеют искусственные камни (бетонные камни, называемые бетонитами, бетонные блоки, крепежный кирпич, шлаковые камни).
В зависимости от формы закрепляемой выработки бетонитам, бетонным блокам и шлаковым камням придают различную форму; шлаковые камни изготовляют литьем из расплавленных металлургических шлаков, они прочны и дешевле бетонных. Крепежный кирпич отличается от строительного кирпича более высокими прочностными характеристиками. При сооружении крепи из камней используют растворы вяжущих веществ, наиболее распространенным из которых является цемент.

Полимерные материалы, в частности стеклопласты, испытывались на шахтах в качестве заменителей элементов металлической крепи.
Московский геологоразведочный институт проводит производственные испытания полимерной крепи шурфов, проходимых способом бурения. Использование полимерных материалов для крепления шурфов круглого сечения представляется весьма целесообразным. Обладая высокими механическими свойствами, стеклопласты могут заменить в конструкциях крепи углеродистую сталь. Замена стеклопластами дерева позволяет при сохранении той же прочности уменьшить размеры деталей крепи в несколько раз. Как в первом, так и во втором случае достигается выигрыш в массе крепи, особенно значительный при замене стальных деталей, так как плотность стеклопластов меньше плотности стали в 4 раза.
Винипласт, занимающий по своим прочностным свойствам промежуточное место между сталью и деревом, также может быть использован для крепления шурфов.

Достоинством каменных, бетонных и железобетонных материалов является их высокая прочность на сжатие. Процесс укладки бетона и железобетона хорошо поддается механизации. Недостаток заключается в малом сопротивлении на растяжение.