Крепь горных выработок

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

„,SU„„120988 (50 4 Е 21 D 11 14

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

St< 0L 2((1 - os0L a) где<,Y 4

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3779711/22-03 (22) 10,08.84 (46) 07.02.86, Бюл, Ф 5 (71) Днепропетровский государственный ордена Трудового Красного Знамени проектный институт "Днепрогипрошахт" (72) Г.А.Симанович и А.М.Симанович (53) 622.284,5 (088.8) (56) Пиньковский Г.С. Повьппение устойчивости горных выработок на шахтах Западного Донбасса. Экспрессинформация.-M.: ЦНИЭИуголь,, 1977, с. 16-18.

Патент ФРГ 9 1229965, кл, Е 21 D ii/30 1966. (54) (57) КРЕПЪ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК, включающая соединенные узлами податливости верхняк и стойки, нижние концы которых снабжены съемными опорными плитами fl-образной формы с загнутыми вниз стопорными стенками, о т л и ч а ю щ à я с я тем, что, с целью снижения затрат на изготовление крепи и улучшения режима ее работы путем повьппения сопротивляемости боковым нагрузкам, стопорная стенка опорной плиты выполнена в виде дуги с радиусом г и центральным углом и(, которые в системе опорная плита — порода оптимизированы уравнением с (1 «- 5 « ) с>$ (— — — )-5 и (— — — ) g f )5 н(— )

Q чи о

1 ) ЯР(-coach.),) d1 а 2 2 5 Н oC ) соответственно сцепление, угол внутреннего трения и предел прочности при одноосном сжатии пород почвы выработки; толщина стопорной стенки; коэффициент трения металла о породу; вертикальная нагрузка на стойку крепи; предел текучести металла; ширина опорной плиты; длина горизонтального участка опорной плиты.

С: \

С

Ю

Ю

CO ,00

i CTI

Изобретение относится к горной промьш ленности и предназначается для крепления .горных выработок, поддерживаемых в неустойчивых породах, Цель изобретения — снижение затрат на изготовление крепи и улучшение режима ее работы путем повышения сопротивляемости боковым нагрузкам, На фиг.1 изображена крепь горной выработки, поперечное сечение; на фиг,2 — узел I на фиг.1; на фиг ° 3 — разрез А-А на фиг. 1; на фиг,4 — расчетная схема взаимодействия стопорной стенки известной опорной плиты при ее внедрении в почну до скола породной призмы; на фиг,5— то же, после скола породной призмы; на фиг.б — зависимость глубины внедрения стопорных стенок от прочности породы на сжатие в известном изобретении (кривая 1 — О 100 кН, кривая 2 — Q1 200 кН, кривая 3

300 кН); на фиг,7 — известный механизм деформирования стопорной стенки опорной плиты при воздействии вертикальной и боковой нагрузок, первая стадия; на фиг.8 — то же, вторая стадия; на фиг,9 — то же, третья стадия;:на фиг.10 — то же, l четвертая стадия; на фиг. 11 — расчетная схема взаимодействия предлагаемой опорной плиты с породами почвы выработки до скола породной призмы; на фиг,12 — то же, после скола породной призмы.

Крепь имеет рамы из спецпрофиля, состоящие из стоек 1, верхняка 2, узлов 3 податливости, съемных опорных плит 4 и затяжек 5, Съемн ая о пор н ая плит а с одержит упор 6, ограничитель 7 и стопорную стенку 8, выполнечную в виде дуги, Рамную крепь устанавливают следующим образом.

На почве выработки укладывают опорные плиты 4, повернутые стопорной стенкой 8 вниз и к центру выработки. На плитах устанавливают стойки 1 крепи с последующим закреплением верхняка 2 посредством уз-. ла 3 податливости, Положение стойки на опорной плите фиксирует упор б и ограничитель 7. Затем укладывают по контуру крепи затяжки 5 и забучивают закрепное пространство„ При погашении выработки крепь совмест209885 2

4S

56

55 но с опорными плитами извлекается для повторного использования, Предлагаемая крепь работает следующим образом, Стойки 1 совместно с опорными плитами 4 под воздействием смещаюшихся во внутрь выработки породньгх стенок нагружаются, сопротивляясь этим смещечиям посредством стопорных стенок, внедренных в породы почвы и, когда боковая нагрузка превышает сопротивление породной призмы сколу, происходит ее скол с одновременным осуществлением боковой податливости стойки и снижением действующей на нее боковой нагрузки, При этом реакция стойки рамы с опорной плитой ограничивает интенсивность смещения пород в выработку, предотвращая их расслоение и обрушение, В такой последовательности происходит противодействие рамы боковым нагрузкам до полного затухания смещений боковых пород. При этом устойчивость крепи и выработки в целом повышается, Аналитическое обоснование эффективности.режимов работы опорных плит по известному и предлагаемому техническим решениям с разработкой метода расчета оптимальных значений параметров стопорной стенки, Одним из главных требований, предъявляемых к крепи горных выработок в целом и к отдельным ее элементам, является равнопрочность конструкции, что обуславливает минимальную материалоемкость при максимальной несущей способности в конкретных горно-геологических условиях.

С этой точки зрения необходимо провести сравнение предлагаемого и известного конструктивных решений опорной плиты, как существенного элемента крепи, эксплуатируемой в условиях неустойчивых пород.

Рассмотрим известный механизм взаимодействия варианта опорной плиты с породами почвы выработки. Под действием силы О (фиг,4), характеризующей вертикальную составляющую нагрузки на стойку рамной крепи, стопорная стенка (вследствие симметрии конструкции известной опорной плиты рассматривается работа одной стопорной стенки) опорной плиты стремится внедриться в породы почвы и тем самым сопротивляется с силой Q боковым нагрузкам, Внед1209885 рению стопорной стенки препятствуют также нормальная сила P действующая на ее торце, и касательные нал пряжения трения от действия нормальных напряжений б, появляющихся при деформировании породы в процессе внедрения в нее стопорной стенки.

Максимальная величина напряжений б „ определяется условием скола породной призмы АВС (фиг.4).

cosg=-с+ б,„, s»8tRV

2с б ь (2)

cosÓ- Й д%(совs-sinТ)

Величина 6 С, складывается из двух составляющих: напряжений от деформирования породы при внедрении стопорной стенки и от действия бокового усилия Q . Первую составляющую можно принять равной пределу прочности породы на сжатие 6 поскольку деформации при внедрении развиваются весьма значительные; при этом около стопорной стенки образуется некоторый слой разрушенной породы. Вторая составляющая равна (3) б = 2 где h — глубина внедрения стопор ной стенки в породу;

6 — напряжение от действия бокового усилия Qgg а — ширина опорной плиты.

Из выражений (2) и (3) определяется максимально допустимое значение бокового усилия, которое способна выдержать породная призма без скола:

2с (q ) =2 ah ( соя Р- tiff(coяУ-вin Р)

17сж ) (4) Анализ выражения (4) показывает, что внедрение стопорной стенки без скола породной призмы возможно тольгде с — сцепление породы;

Y — угол внутреннего трения породы; — угол скола породной призмы.

При этом возможны два случая внедрения стопорной стенки: без скола призмы и со сколом призмы в верхней части.

Для случая внедрения стопорной стенки без скола призмы ь = — — (— < - -Ь)

2fòà 2абсс где  — тол ина стоп (6) 25 щ орной стенки; — коэффициент трения металла о породу.

30 Как видно из расчетов, глубина внедрения h зависит от ряда параметров и прежде всего от вертикальной нагрузки на крепь Я „ и прочности пород почвы на сжатие. На фиг.б приведены графики зависимости h от g и 6; для варианта известной опорйой плиты шириной а 0,2 м и толщиной стенки 6 0,8 10 м, иэ которых видно, что в породах с коэффициентом крепости )1 (по шкале проф.

М.M.Ïðoòîäüÿêîíoâà) глубина внедрения h не превышает нескольких сантиметров (для упрощения расчетов в известном изобретении принято вер45 тикальное положение стопорной стен ки) .

Поэтому за исключением весьма слабых пород стопорные стенки внедряются в породу не на полную их

5О длину и горизонтальная часть плиты не контактирует с породой и не сопротивляется боковым нагрузкам посредством сил ее трения о породу, а вся нагрузка передается на стопорные стенки (фиг.5). Тогда максимальное сопротивление Qz стопорной стенки изгибу от действия боковой нагрузки определяется по формуле ко для весьма ограниченной группы пород, характеризующейся большим сцеплением и малой прочностью на сжатие. В подавляющем же большинстве случаев происходит скол призмы.

Но по мере развития этого процесса увеличивается длина АВ плоскости наименьшего сопротивления (фиг.4) и, следовательно, увеличивается сопротивление породы сколу. Поэтому .максимальная допустимая сопротивляемость породной призмы сколу возрастает и определяется IIo формуле

5 () ак = 2 о 11

2с

-3,„ с о 5 1 - I/2 Q Y (co s Y- A H Y)

h+h (Б) где h — высота начального разрушения породной призмы.

Глубина внедрения h стопорной стенки в породу рассчитывается по формуле

1209885 бр ао 3(1, -Ь)

v (1- os ) t1I г-Ы,„, н (""" гр» и з|иос "" гр»и

П Ч)

П Р п Г .

@os(— — — — ) — 51и — — — ) х

c, Z) q Z 4 ) cos ((< бас si h д г ) cy (1-cosd.) б Sin(— - +) со.;(— — — -.)-- sj (— — — ) х1 где 1 — высога известной стопорной

1 5 стенки, и изменяется при 1

0,1-0,15 м в пределах 5-20 кН., Однако в условиях большого бокового давления (100-200 кН) этого сопротивления явно недостаточно„ 1O

Поэтому в таком случае происхоцит изгиб стопорной стенки, который ускоряет также вертикальная нагрузка „. На фиг.7-10 показаны отдельные стадии деформирования стопорной стенки; под действием нагрузок и Ц стопорная стенка иэгибаясь, повторяет профиль породного уступар выходит иэ защемления и, в конечном 20 итоге, занимает положение параллельно горизонтальной части опорной плиты. При этом сопротивление определяется силами трения и для рамной крепи иэ спецпрофиля с несущей 25 способностью 300-350 кН при коэффициенте трения пород Западного Донбасса по металлу f» = 0,35-0р45 составляет порядка 60 кН.

Таким образом, если породный ЗО уступ обладает значительным сопротивлением боковым нагрузкам (100200 кН и более) при большой глубине эаглубления в соответствии с форму,;,0 L. Q, % (И:а саи ..

" х 2 тр в несколько раз больше, чем в варианте известной опорной плиты, Сопротивление опорной плиты боко- 40 вому давлению, как и в известном случае, рассчитывается по двум условиям: по сколу породной призмы и по изгибу стопорной стенки, показывают, что с уменьшением h npu постоянном угле с(р т,е, при постепенном сколе верхних слоев призмы, лой (5), стопорные стенки ввиду описанного процесса их внедренияр

=вязанного с их конструктивным не=овершенством, не выдерживают высоких боковых нагрузок, т.е. имеет место неравнопрочность системы опорная плита — порода и, как следствие, низкая эффективность работы опорнОй плитыо

Устранить этот недостаток можно двумя путями: либо увеличить толщину стопорных стенок, что приводит к повьппению металлоемкости опорной плиты, либо изменить их форму. Более целесообразным является второй путь, заключающийся в том, что стопорной стенке (одной в предлагаемом варианте вместо двух в известном) придана форма дуги (фиг,11), центральный угол о(и радиус r которой определяются по условию равнопрочности системы опорная плита — порода. Внедряясь в почву, стопорная стенка скалывает определенной высоты призму и заглубляется на величину h в породу, При этом следует отметить, что процессу эаглубления стопорной стенки способствует,не только вертикальная (как в известном случае), но и боковая нагрузка, B связи с чем максимальная глубина внедрения, рассчитывается по формуле

Q cos(+- 6Рc.sj — —,— х)

> I StllX л 1 (8)

На величину сопротивления 0< по условию скола породной призмы оказывает влияние ряд факторов, к числу которых относится и величина эаглубления h. Расчеты по формуле пре- дельного состояния породной призмы. сопротивление Q z увеличивается. Это обусловлено тем, что уменьшается площадь контакта породы со стопор1209885 са Р = ),6., I со (— — — - ) —

2 ) Сопротивление Qi pro условию изгиба стопорной стенки определяется по следующей формуле:

10 т а, & . (1-

+ + +а „,,1

O +r sin& 2 (1cos ) J (1o) 15

25

30 сК,град Q<, кН

100-110

130-140

140-150

170-180

8 а/

35 2

45-50

Из таблицы видно, что величина сопротивления Q< боковым нагрузкам

45 предлагаемой опорной плиты гораздо выше (в 1,7-3 раза), чем в известной конструкции, что предопределяет ее высокую эффективность в работе, ной стенкой, по которой действуют сдвигающие усилия б;», . Максимальное

Эти зависимости имеют противоположный характер изменения по отношению к К,Если по условию скола породной призмы (имеются ввиду породные призмы небольшой толщины, показанные штриховой линией на фиг,12) с увеличением о возрастает Qg> -то по условию изгиба стопорной стенки имеет место обратная зависимость. Максимальное сопротивление Q определяется совместным решением формул (9) и (10), в результате чего получается уравнение, оптимизирующее параметры сто.порной стенки: с (g — со ос) (соя(- - )-sin(™ )t l)sill(— — — ) Q $1t1 0 (si с

+ (О +,,H ol) ) (- оэо ) то ° (11) По такому принципу проведены расчеты оптимальных с точки зрения максимального сопротивления 0

;значений угла Ы для различных радиусов r изгиба стопорной стенки применительно к наиболее характерным породам Западного Донбасса крепостью 1-4. сопротивление 0 при полном сколе породной призмы (фиг.12) равно (— С OSo(. ) ) ), (l- ) (в1

Анализ результатов показал сле дующее.

С увеличением радиуса изгиба стопорной стенки при постоянном О увеличивается сопротивление Qz. Од нако зто увеличение незначительно.

Например, при изменении радиуса от

5 до 15 см при коэффициенте крепости пород f =1 сопротивление возрастает всего на 24,87, а металлоемкость стопорной стенки увеличивается на

113,57. Для пород с другой крепостью наблюдается аналогичная картина.

Поэтому для уменьшения металлоемкости стопорного элемента целесообразно радиус его закругления принять равным 5 см, а значение центрального угла Ж оптимизировать для разных пород.

Полученные оптимальные значения стопорной стенки приведены в таблице.!

209885

1209885

Риг. б

Фиг. И

ВНИИПИ Заказ 482/43 Тираж 470 Подписное

Филиал ППП "Па гент", r. Уятород, ул. Проектная, 4