S&T (Super Tehnology)

История развития форм и видов крепи горных выработок уже в древнем мире представлена двумя основными формами - арочной и прямоугольной. Начало освоения подземного пространства было связано со сводчатой формой выработок (без крепи), аналог которой древние строители видели в форме свода естественного равновесия природных пещер и гротов. Первые крепи в виде деревянных стоек или столбовых элементов каменной кладки использовались в выработках различного очертания. Позже они трансформировались в привычные для нас прямоугольные деревянные рамы и каменные крепи арочной формы. Примечательно, что до нашего времени сохранились останки рамных крепей Лаврийских и Кипрских рудников, которые датированы V столетием до Р.Х. Не смотря на малые размеры элементов (не более 1 - 1,2 м), они уже имели все основные конструктивные признаки рамной крепи. Первые подземные сводчатые конструкции из каменной кладки также датируют I тыс. до Р.Х., причём узкая и высокая форма древних выработок (например, Царский курган в Пантикапее) свидетельствует об интуитивном (эмпирическом?) понимании устойчивого состояния свода. Следует отметить значительное преобладание прямоугольной формы выработок при добыче полезных ископаемых. Это во многом объясняется меньшей трудоёмкостью и стоимостью деревянной крепи по сравнению с каменной, более эффективным использованием прямоугольной формы поперечного сечения выработки.

С изобретением в 1783 г. способа проката фасонного железа с помощью специальных валков, металлические конструкции начинают широко применяться в строительстве и железнодорожном транспорте. Начиная с 60-х годов Х1Х в. рельсовый и двутавровый профиль стали применять на шахтах Чехии и Германии, сначала в виде прямолинейных верхняков, а позже - рам трапециевидного очертания (по аналогии с деревянными конструкциями). Недостаточная несущая способность прямолинейных верхняков, работающих на изгиб, ограничивала ширину выработок и их функциональную нагрузку, поскольку применявшееся усиление промежуточными стойками существенно снижало транспортные возможности выработки. Поэтому уже к концу Х1Х в. преимущественное применение получают жёсткие рамы арочной формы. Использование в конструкциях шарнирных (с 1924 г.) и податливых (с 1932 г.) соединений ещё больше способствовало распространению крепи арочной формы, не смотря на повышенный расход металла (увеличенная длина периметра) и дополнительные объёмы проходческих работ (отработка сводчатой части сечения). Это объяснялось большей надёжностью работы арочной крепи в определённом диапазоне горнотехнических условий, что в последствии привело к универсальному, практически повсеместному использованию стальных рам арочной формы.

Как утверждал проф. А.П. Максимов, «арка из спецпрофиля справедливо считается одним из лучших конструктивных решений, однако было бы ошибочным считать это решение универсальным». Ошибочность такого подхода содействовала не только значительному удорожанию строительства горных выработок, но и многочисленным отказам крепи, большим объёмам ремонтных работ. Так, около 30% рам на шахтах Украины находятся в деформированном состоянии, ежегодные объёмы перекреплений составляют до 10% от протяженности поддерживаемых выработок.

Одной из отличительных особенностей формирования нагрузки на крепь в условиях больших глубин является быстрый рост зоны неупругих деформаций при отсутствии отпора крепи. Наличие пустот закрепного пространства, особенно в кровле выработки арочной формы, приводит к беспрепятственному развитию деформаций пород, формированию повышенных нагрузок, неблагоприятным контактным условиям взаимодействия крепи с массивом (сосредоточенные нагрузки). Экстенсивный путь повышения материалоёмкости арочной крепи (тяжёлые типы профилей, увеличенная плотность установки рам) не решают проблему устойчивого поддержания горных выработок, особенно в зоне влияния очистных работ. В этой связи перспективными представляются новые конструктивно-технологические решения рамных крепей прямоугольной (трапециевидной) формы, которые обеспечивают быстрый ввод конструкции в работу, эффективные контактные условия взаимодействия с массивом, использование несущей способности вмещающих пород.