Тюбінгове металеве кріплення
ТЮБІНГОВИЙ КРІП (а. tubbing; н. Tubbingausbau; ф. cuvelage, tubage, blindage; і. entibacion de chapas metalicas) - суцільна, криволінійного обрисукріплення, що складається з покладених впритул один до одного сегментів- поздовжніми та поперечними ребрами жорсткості на одній стороні та гладкими з іншого. Застосовується в горизонтальних, похилих і вертикальних гірських виробках, а також - в тунелях різного призначення. Для виготовлення тюбінгів використовують сталь, чавун, залізобетон, а також вугільну пластмасу (вугілля-пласт).
Коротка історія
До кінця 17 століття як основний водонепроникний матеріал кріплення були запропоновані литі необроблені чавунні тюбинги, так званого англійського типу. У 1792 році при проходці ствола «Уол-лсенд» у Ньюкаслі вперше були застосовані чавунні тюбинги з пікотажними дерев'яними клинами, а в 1795 р. на стволі «Кеніг» шахти «Уокер» в тому ж районі були застосовані чавунні литі цільні кільця. ,83 м із ущільненнями у горизонтальних швах дерев'яними клинами. Таким чином, було створено водонепроникне «чавунне пікотажне кріплення» – гідроізоляція в якій здійснювалася виключно пікотажем (розклинюванням) сухих дерев'яних клинів, набухання яких забезпечувало відповідну водоізоляцію. Тюбінги при цьому пікотувалися у дві стадії – попередньо та остаточно, витрачаючи щоразу близько 40 клинів на 1 пог. м. Слід особливо відзначити, що основним елементом створеного «пікотажного кріплення» були не нормальні тюбинги або цілісні чавунні литі кільця, а перше опорне чавунне пікотажне кільце, яке встановлювалося в першу чергу. Простір між ним і породою пікотувався дерев'яними дощечками та клинами. Це був головний елемент герметичностікріпи. Зверху такого водонепроникного опорного вінця трамбувалася напівволога глина - "глиняний замок". Далі, знизу вгору зводилася звичайна тюбінгова колона без болтових з'єднань, що неодмінно розпирається між породою та тюбінгами дерев'яними клинами, із забутовкою закріпного простору породою від проходки ствола або шлаком. Остання верхнє кільце примикало до верхнього опорного кільця-келькранца, а горизонтальний шов 30-50 мм заповнювався дерев'яними дощечками та пікотувався дерев'яними клинами.
Водонепроникність закріпного простору та швів кріплення забезпечувалася пікотажем дерев'яних (дубових) клинів, які, набухаючи, створювали ще більш водонепроникну колону, через яку не могли проникнути глинисті та піщані частинки. Водоприток через таке кріплення був, але винесення глинистих і піщаних частинок запобігало і аварійним розмивам простору не відбувалося. До середини 19 століття «чавунне пікотажне кріплення» англійського типу вирішувала всі питання бурхливого розвитку кам'яновугільної промисловості Великобританії, в якій було збудовано понад 250 шахт і вже в 1913 році видобувало 280 млн т вугілля, значну частку якого експортували. У цей час будувалися шахти на родовищах, що мають виходи на поверхню або неглибоко залягають. З 1850 року у Німеччині відбувається промислова революція. освоюються родовища кам'яного вугілля, рудні та калійні родовища. До кінця 19 століття в Німеччині, в Рейнсько-Вестфальському районі було збудовано понад 89 стволів, з яких тюбінговим кріпленням було закріплено понад 5524м (в середньому 62 пог.м на ствол). Англійська пікотажне тюбінгове кріплення застосовувалося на стовбурах з внутрішнім діаметром не більше 6 м. З часу початку освоєння калійних родовищ вимоги до гідроізоляції кріплення зросли, оскільки рухводи за закріпленим простором на калійних копальнях неприйнятно. І в сучасній Німеччині відомі випадки затоплення стволів калійних копалень у зв'язку з рухом води за тюбінговим кріпленням. У 1883 році була створена тюбінгова колона нового типу - з розчеканкою швів свинцевим дротом.
Вперше Ю. Риммером були розроблені чавунні тюбінги, що механічно оброблялися по бортах, зі свердленими бортовими отворами і з просвердленими тампонажними пробками. Ущільнення всіх елементів тюбінгового кільця - стикових фланців, болтових з'єднань і отворів тампонажних вироблялося свинцем. Бочкоподібні шайби болтових з'єднань і пробок тампонажних ущільнювалися за рахунок затягування свинцевих шайб болтів і пробок. Закріпний простір укріплювався цементним розчином, крім перейшов від англійської тюбінгової колони пікотажних опорних вінців. Гідроізоляція горизонтальних та вертикальних (механічно оброблених) фланців проводилася шляхом «карбування» свинцевих прокладок. Така колона після установки давала майже повну герметизацію внутрішньої частини тюбінгової колони, а келькранці, що залишилися «у спадок» від англійської тюбінгової колони, були успішно замінені цементними тампонажними завісами. На початку 20 століття складні гідрогеологічні умови в районі всіх основних гірничодобувних районів Німеччини, ускладнені майже суцільним заселенням території та наявністю щільної промислової забудови, що катастрофічно реагує на всі види деформації поверхні під впливом гірничотехнічних факторів (просідання поверхні від осушення та водозниження в районі шахтних полів) серйозні недоліки існуючих конструкцій тюбінгових кріплень стволів. Кріпи руйнувалися під дією поверхні, що просідає, під дією глибокого заморожування. Великі проблеми виникали зстійкістю кріплень стволів великого діаметра у світлі. У 1925-1927 році в результаті втрати стійкості тюбінгового кріплення в забутованому закріпленому просторі зруйнувалися два нові шахтні стволи Dсв = 6,5 м. Жорсткість кріплення була збільшена шляхом включення в спільну роботу з чавунним кріпленням залізобетону. Так було розроблено метод розрахунку О.Домке для комбінованого чавунобетонного кріплення, суть якого до 1958 року не була відома світовій шахтобудівній практиці.
У 60-ті роки 20-го століття виникла необхідність розробки податливого кріплення. Питання створення такого кріплення було вирішено шляхом застосування схеми відділення масиву від водонепроникного сталевого кріплення та асфальтового шару. При цьому проходка ствола велася із застосуванням тимчасового кріплення, що несе здатність якого більше, ніж несуча здатність основного кріплення. Чавунно-бетонне кріплення, яке розраховували і за методом О.Домке та за методом Ф. Мора, було визнано не раціональним і в Німеччині практично не застосовується. Замість чавунного тюбінгового кріплення в Німеччині застосовувалася герметична зварна сталебетонна кріплення, що розраховується за методикою Х. Лінка, а як основний податливий елемент кріплення застосовується асфальтова оболонка, що оточує сталебетонне кріплення зовні. Застосування сталебетонного кріплення обмежує діаметр стовбура у світлі до 5-6м, тому що технологічно можна виготовляти внутрішню сталеву обичайку не більше 80 мм завтовшки, що обумовлюється можливістю вальців.
У нашій країні з шістдесятих років ХХ століття, навпаки, спостерігалося найширше застосування саме чавунно-бетонного кріплення. На кріплення шахтних стволів різного призначення, у тому числі й для спеціальних об'єктів, щорічно виготовлялося 25-40 тис. т чавунних тюбінгів. Трест «Шахтспецбуд» на проходку найскладніших стволівщорічно витрачав близько 25 тис. т чавунних тюбінгів. З 1965 року трестом "Шахтспецбуд" пройдено близько 2200 пог. м стволів із кріпленням чавунними тюбінгами. Майже всі стволи Метробуду, багато стволів Міноборони та інших міністерств колишнього Радянського Союзу постійно використовували чавунні тюбінги на своїх об'єктах. Для кріплення стволів переважно використовувалися тюбинги внутрішнім діаметром 6,5 м, 7,0 м, 7,5 м і 8,0 м. При цьому питання втрати стійкості кілець теоретично і практично було вирішено. Це означає, що широке застосування чавунного тюбінгового кріплення на всіх гірських об'єктах, у тому числі і на осушуваних, (де можлива просадка поверхні від 0,5 м до 3,5 м за практичними спостереженнями), дозволяє вирішити питання забезпечення несучої здатності кріплення на вертикальні стискаючі навантаження. Були розроблені методи визначення вертикальних навантажень та конструктивні рішення та заходи, що забезпечують безпеку та герметичність кріплення. Проблема вертикальної податливості кріплення стволів була вирішена не шляхом поділу водонепроникного кріплення і просідає масиву, а шляхом включенням вузлів податливості в тих пластах, де передбачалися напруги в кріпленні, близькі до граничних руйнівних напруг.
Сьогодні практикою шахтобудування накопичено досвід експлуатації шахтних стволів різного призначення в умовах агресивного впливу середовищ (що фільтрується через кріплення агресивної води або соляного просипу всередині ствола), впливу агресивного газу (сірководню), що дозволяє підходити гнучкіше до конструкції кріплення ствола в цілому. Так, якщо йдеться про термін служби ствола 120 років, то ця вимога пред'являється лише до основного матеріалу кріплення (чавуну). При цьому скріплюючі елементи кріплення не повинні мати такі властивості, бо в процесі експлуатаціїстовбура нормами передбачається постійний нагляд за кріпленням та періодична ревізія основних елементів кріплення, а у разі виходу елемента з роботи – заміну ущільнювальних шайб прокладки, заміну певної кількості болтів або пробок.
Через 30-60 років майже всіх рудниках відбувається перехід нові умови експлуатації, часто із зміною функції призначення самого ствола, що водночас означає заміну чи ремонт армування ствола. До цього часу, навіть у відносно сприятливих умовах, болтові сталеві елементи (гайки та різьблення болтів) значною мірою руйнуються корозією. Тому елементи кріплення, що працюють в умовах гірничого та гідростатичного навантаження, повинні мати можливість заміни. Власне конструкція кріплення повинна передбачати ремонт окремих елементів кріплення або передбачати влаштування нових вузлів, що розвантажують конструкцію кріплення від непередбачених впливів (наприклад, від впливу систем відпрацювання шахтного поля або наслідків водозниження). Насамперед до цього належать методи виконання герметичного зварювання; методи ущільнення герметизуючих елементів (прокладок та шайб) шляхом їх деформування; затяжки в болтових з'єднаннях та пробках (тампонажних та заливальних); а також методики ущільнення свинцю шляхом карбування в нерухомих з'єднаннях (з'єднувальний шов між бортами тюбінгів) та пікотажу дерев'яних клинів з розрахунком на подальшу їх набухання при залишковому просочуванні води.
Вибір того чи іншого способу герметизації кріплення повинен проводиться, виходячи з умов нормальної експлуатації конструкції на весь розрахунковий термін служби ствола. Для стволів мають бути передбачені всі основні методи та засоби усунення можливих аварійних ситуацій як окремих елементів, так і для конструкції загалом. Наприклад,дуже привабливим здається застосування герметичного зварювання для ізоляції сполучних швів металевих несучих конструкцій. Але при ретельному аналізі застосування зварних робіт, видно, що зварні роботи можна застосовувати для неглибоких стволів, не схильних до впливу зсувів і осад поверхні від водозниження або підземних розробок. Якщо врахувати, що корозія стали 2-2,5 мм/рік, то очевидно, що без спеціального захисту термін служби герметичного зварного шва досить недовгий, більше того, у разі потреби шов не завжди можна переварити. Тому, за майже рівної трудомісткості герметизації швів зварюванням або карбуванням, у складних гірських умовах частіше перевага надається карбуванням, насамперед з умов можливості виконання даної роботи в будь-яких умовах. Більш поглиблений аналіз властивостей конструкції у сфері захисту від корозії; безпеки конструкції; у сприйняття додаткових навантажень при експлуатації, впливу вертикальних осад при відпрацюванні шахтного поля або подальшому розвитку осушення водоносних горизонтів, простоти та доступності ремонтних робіт, показує безперечні переваги чавунного кріплення перед сталевим.
УУкаїниметалеві тюбінгові кріплення почали застосовувати з 1911 нашахтахДонбасу. З 1928 таке кріплення стали використовувати в ряді інших районів країни і особливо широко на будівництві тунелів Московського метрополітену.
У єдину конструкцію тюбінги з'єднуються болтами або стикуються без болтів. У кожному тюбінгу є круглий отвір, що закривається пробкою, через яке в закріпний простір нагнітають після установки кріплення цементний розчин.
Шви між тюбінгами зачеканивают (заповнюють) цементом, що розширюється, або свинцевим дротом.