Тюбинговая металлическая крепь

ТЮБИНГОВАЯ КРЕПЬ (а. tubbing; н. Tubbingausbau; ф. cuvelage, tubage, blindage; и. entibacion de chapas metalicas) — сплошная, криволинейного очертания крепь, состоящая из уложенных вплотную друг к другу сегментов-тюбингов с продольными и поперечными рёбрами жёсткости на одной стороне и гладкими с другой. Применяется в горизонтальных, наклонных и вертикальных горных выработках, а также — в тоннелях различного назначения. Для изготовления тюбингов используют сталь, чугун, железобетон, а также угольную пластмассу (угле-пласт).

Краткая история

К концу 17 века в качестве основного водонепроницаемого материала крепи были предложены литые необработанные чугунные тюбинги, так называемого английского типа. В 1792 году при проходке ствола «Уол-лсенд» в Ньюкасле впервые были применены чугунные тюбинги с пикотажными деревянными клиньями, а в 1795 г. на стволе «Кениг» шахты «Уокер» в том же районе были применены чугунные литые цельные кольца внутренним диаметром 1,83 м с уплотнениями в горизонтальных швах деревянными клиньями. Таким образом, была создана водонепроницаемая «чугунная пикотажная крепь» – гидроизоляция в которой осуществлялась исключительно пикотажем (расклиниванием) сухих деревянных клиньев, набухание которых обеспечивало соответствующую водоизоляцию. Тюбинги при этом пикотировались в две стадии – предварительно и окончательно, затрачивая каждый раз около 40 клиньев на 1 пог. м. Следует особенно отметить, что основным элементом созданной «пикотажной крепи» были не нормальные тюбинги или цельные литые чугунные кольца, а первое опорное чугунное пикотажное кольцо, которое устанавливалось в первую очередь. Пространство между ним и породой пикотировалось деревянными дощечками и клиньями.Это был главный элемент герметичности крепи. Сверху такого водонепроницаемого опорного венца трамбовалась полувлажная глина – «глиняный замок». Далее, снизу вверх возводилась обычная тюбинговая колонна без болтовых соединений, непременно распираемая между породой и тюбингами деревянными клиньями, с забутовкой закрепного пространства породой от проходки ствола или шлаком. Последнее верхнее кольцо примыкало к верхнему опорному кольцу-келькранцу, а горизонтальный шов 30–50 мм заполнялся деревянными дощечками и пикотировался деревянными клиньями.

Водонепроницаемость закрепного пространства и швов крепи обеспечивалась пикотажем деревянных (дубовых) клиньев, которые, набухая,создавали еще более водонепроницаемую колонну, через которую не могли проникнуть глинистые и песчаные частицы. Водоприток через такую крепь был, но вынос глинистых и песчаных частиц предотвращался и аварийных размывов пространства не происходило.
До середины 19 века «чугунная пикотажная крепь» английского типа решала все вопросы бурного развития каменноугольной промышленности Великобритании, в которой было построено более 250 шахт и уже в 1913 году добывалось 280 млн т угля, значительную долю которого экспортировали. В это время строились шахты на месторождениях, имеющих выходы на поверхность или залегающих неглубоко. С 1850 года в Германии происходит промышленная революция. осваиваются месторождения каменного угля, рудные и калийные месторождения. К концу 19 века в Германии, в Рейнско-Вестфальском районе было построено более 89 стволов, из которых тюбинговой крепью было закреплено более 5524м (в среднем 62 пог.м на ствол). Английская пикотажная тюбинговая крепь применялась на стволах с внутренним диаметром не более 6 м. Со времени начала освоения калийных месторождений требования к гидроизоляции крепи возросли, так как движение воды по закрепному пространству на калийных рудниках неприемлемо. И в современной Германии известны случаи затопления стволов калийных рудников в связи с движением воды за тюбинговой крепью.
В 1883 году была создана тюбинговая колонна нового типа – с расчеканкой швов свинцовой проволокой.

Впервые Ю. Риммером были разработаны механически обрабатываемые по бортам чугунные тюбинги со сверленными бортовыми отверстиями и с просверленными тампонажными пробками. Уплотнение всех элементов тюбингового кольца - стыковых фланцев, болтовых соединений и тампонажных отверстий производилось свинцом. Бочкообразные шайбы болтовых соединений и тампонажных пробок уплотнялись за счет затяжки свинцовых шайб болтов и пробок. Закрепное пространство укреплялось цементным раствором, помимо перешедших от английской тюбинговой колонны пикотажных опорных венцов. Гидроизоляция горизонтальных и вертикальных (механически обработанных) фланцев производилась путем «чеканки» свинцовых прокладок. Такая колонна после установки давала почти полную герметизацию внутренней части тюбинговой колонны, а оставшиеся «в наследство» от английской тюбинговой колонны келькранцы были успешно заменены цементными тампонажными завесами. В начале 20 века сложные гидрогеологические условия в районе всех основных горнодобывающих районов Германии, осложненные почти сплошным заселением территории и наличием плотной промышленной застройки, катастрофически реагирующей на все виды деформации поверхности под влиянием горнотехнических факторов (проседания поверхности от осушения и водопонижения в районе шахтных полей) выявили серьезные недостатки существующих конструкций тюбинговых крепей стволов. Крепи разрушались под действием проседающей поверхности, под действием глубокого замораживания. Большие проблемы возникали с устойчивостью крепей стволов большого диаметра в свету. В 1925-1927 году в результате потери устойчивости тюбинговой крепи в забутованном закрепном пространстве разрушились два новых шахтных ствола Dсв = 6,5 м. Жесткость крепи была увеличена путем включения в совместную работу с чугунной крепью железобетона. Так был разработан метод расчета О.Домке для комбинированной чугуннобетонной крепи, суть которого до 1958 года не была известна мировой шахтостроительной практике.

В 60-еы годы 20го столетия возникла необходимость разработки податливой крепи. Вопрос создания такой крепи был решен путем применения схемы отделения массива от водонепроницаемой стальной крепи и асфальтового слоя. При этом проходка ствола велась с применением временной крепи, несущая способность которой больше, чем несущая способность основной крепи. Чугунно-бетонная крепь, которую рассчитывали и по методу О.Домке и по методу Ф. Мора, была признана не рациональной и в Германии практически не применяется. Вместо чугунной тюбинговой крепи в Германии применялась герметичная сварная сталебетонная крепь, рассчитываемая по методике Х. Линка, а в качестве основного податливого элемента крепи применяется асфальтовая оболочка, окружающая сталебетонную крепь снаружи. Применение сталебетонной крепи ограничивает диаметр ствола в свету до 5-6м, так как технологически возможно изготавливать внутреннюю стальную обечайку не более 80 мм толщиной, что обуславливается возможностью вальцев.

В нашей стране с шестидесятых годов ХХ века, наоборот, наблюдалось широчайшее применение именно чугунно-бетонной крепи . На крепление шахтных стволов различного назначения, в том числе и для специальных объектов, ежегодно изготовлялось 25-40 тыс. т чугунных тюбингов. Трест «Шахтспецстрой» на проходку самых сложных стволов ежегодно затрачивал около 25 тыс. т чугунных тюбингов. С 1965 года трестом «Шахтспецстрой» пройдено около 2200 пог. м стволов с креплением чугунными тюбингами. Почти все стволы Метростроя, многие стволы Минобороны и других министерств бывшего Советского Союза постоянно использовали чугунные тюбинги на своих объектах. Для крепления стволов преимущественно использовались тюбинги внутренним диаметром 6,5 м, 7,0 м, 7,5 м и 8,0 м. При этом вопрос потери устойчивости колец теоретически и практически был решен. Это означает, что широчайшее применение чугунной тюбинговой крепи на всех горных объектах, в том числе и на осушаемых, (где возможна просадка поверхности от 0,5 м до 3,5 м по практическим наблюдениям), позволяет решить вопросы обеспечения несущей способности крепи на вертикальные сжимающие нагрузки. Были разработаны методы определения вертикальных нагрузок и конструктивные решения и мероприятия, обеспечивающие сохранность и герметичность крепи. Проблема вертикальной податливости крепи стволов была решена не путем разделения водонепроницаемой крепи и проседающего массива ,а путем включением узлов податливости в тех пластах, где предполагались напряжения в крепи, близкие к предельным разрушающим напряжениям.

Сегодня практикой шахтостроения накоплен опыт эксплуатации шахтных стволов различного назначения в условиях агрессивного воздействия сред (фильтрующейся через крепь агрессивной воды или соляной просыпи внутри ствола), воздействия агрессивного газа (сероводорода), позволяющий подходить более гибко к конструкции крепи ствола в целом. Так, если говорится о сроке службы ствола 120 лет, то это требование предъявляется только к основному материалу крепи (чугуну). При этом скрепляющие элементы крепи не должны обладать такими свойствами, ибо в процессе эксплуатации ствола нормами предусматривается постоянный надзор за крепью и периодическая ревизия основных элементов крепи, а в случае выхода элемента из работы - замену уплотнительных шайб прокладки,замену определенного количества болтов или пробок.

Через 30-60 лет почти на всех рудниках происходит переход на новые условия эксплуатации, часто с изменением функции назначения самого ствола, что одновременно означает замену или ремонт армировки ствола. К этому времени, даже в относительно благоприятных условиях, болтовые стальные элементы (гайки и резьба болтов) в значительной степени разрушаются коррозией. Поэтому элементы крепления, работающие в условиях горной и гидростатической нагрузки, должны иметь возможность замены. Собственно конструкция крепи должна предусматривать ремонт отдельных элементов крепи или предусматривать устройство новых узлов, разгружающих конструкцию крепи от непредвиденных воздействий (например, от влияния систем отработки шахтного поля или от последствий водопонижения). Прежде всего к этому относятся методы выполнения герметичной сварки; методы уплотнения герметизирующих элементов (прокладок и шайб) путем их деформирования; затяжки в болтовых соединениях и пробках (тампонажных и заливочных); а также методики уплотнения свинца путем чеканки в неподвижных соединениях (соединительный шов между бортами тюбингов) и пикотажа деревянных клиньев с расчетом на последующую их набухаемость при остаточном просачивании воды.

Выбор того или иного способа герметизации крепи должен производится исходя из условий нормальной эксплуатации конструкции на весь расчетный срок службы ствола. Для стволов должны быть предусмотрены все основные методы и средства устранения возможных аварийных ситуаций как отдельных элементов, так и для конструкции в целом. Например, очень заманчивым кажется применение герметичной сварки для изоляции соединительных швов металлических несущих конструкций. Но при тщательном анализе применения сварных работ, видно, что сварные работы можно применять для неглубоких стволов, не подверженных воздействию сдвигов и осадок поверхности от водопонижения или подземных разработок. Если учесть, что коррозия стали 2-2,5 мм/год, то очевидно, что без специальной защиты срок службы герметичного сварного шва весьма недолог, более того, в случае необходимости шов не всегда можно переварить. Поэтому, при почти равной трудоемкости герметизации швов сваркой или чеканкой, в сложных горных условиях чаще предпочтение отдается чеканке, прежде всего из условий возможности выполнения данной работы в любых условиях. Более углубленный анализ свойств конструкции в области защиты от коррозии; безопасности конструкции; в восприятие дополнительных нагрузок при эксплуатации, воздействия вертикальных осадок при отработке шахтного поля или последующем развитии осушения водоносных горизонтов, простоты и доступности ремонтных работ, показывает бесспорные преимущества чугунной крепи перед стальной.

В России металлические тюбинговые крепи начали применять с 1911 на шахтахДонбасса. С 1928 такую крепь стали использовать в ряде других районов страны и особенно широко на строительстве тоннелей Московского метрополитена.

В единую конструкцию тюбинги соединяются болтами или стыкуются без болтов. В каждом тюбинге имеется закрываемое пробкой круглое отверстие, через которое в закрепное пространство нагнетают после установки крепи цементный раствор.

Швы между тюбингами зачеканивают (заполняют) расширяющимся цементом или свинцовой проволокой.