Рамная усиленная крепь

 

Изобретение относится к горному делу и мбжет быть использовано при креплении горных выработок в гтроцессе их сооружения и эксплуатации. Цель изобретения - снижение материалоемкости и трудоемкостии возведения крепи за счет повышения ее равнопрбчности и упрощения элемента усиления. Для этого оснащают элемент двумя опорными вставками 9, которые устанавлива^от между прикрепленным посредствомсоединительных узлов к боковым стойкам верхняком 2 и отрезк'ом спецпрофиля (СП) 4. Вставки 9 делят СП 4 на равные по длине части. К верхняку 2 СП 4 прикреплен с помощью скоб 5, планок 6 и натяжных гаек 1. Кромки СП 4 совмещены с участками нулевых изгибающих моментов в крепи. Между гайками 1 и планками 6 размещены оттарированные на усилие N предварительного напряжения крепи разрезные пружинные шайбы 8. В процессе монтажа с помощью элемента усиления'путем затяжки гаек 7 и сжатия пружинных шайб 8 в раме крепи создается предварительное напряжение N ,= 3WRr\ где W - осевой момент сопротивления сечения верхняка 2, см ; R - расчетное сопротивление на изгиб материала верхняка, кг/см^; I - длина отрезка СП, см, которое приводит к образованию по всему периметру крепи разгружающих моментов и повышению ее несущей способности. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.слсФиг. 28^^сл о

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (ч)з Е 21 0 11/14

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4744694/03 (22} 02.10.89 (46) 23.02.92. Бюл. № 7 (71) Коммунарский горно-металлургический институт (72) Г.Г;Литвинский (53) 622.284 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 1016522, кл. Е 21 D 11/14, 1983, Авторское свидетельство СССР № 752017, кл. Е 21 0 11/14, 1980. (54} РАМНАЯ УСИЛЕННАЯ КРЕПЬ (57) Изобретение относится к горному делу и мЬжет быть использовано при креплении горных выработок в процессе их сооружения и эксплуатации. Цель изобретения— снижение материалоемкости и трудоемкостии возведения крепи за счет повышения ее равнопрочности и упрощения. элемента усиления. Для этого оснащают элемент двумя опорными вставками 9, которые устанавливают между прикрепленным посредством

„„. Ж „„1714150 А1

2 соединительных узлов к боковым стойкам верхняком 2 и отрезком спецпрофиля (СП) 4.

Вставки 9 делят Cfl 4 на равные по длине части. К верхняку 2 СП 4 прикреплен с помощью скоб 5, планок 6 и натяжных гаек 7.

Кромки СП 4 совмещены с участками нулевых изгибающих моментов в крепи. Между гайками 7 и планками 6 размещены оттарированные на усилие N предварительного напряжения крепи разрезные пружинные шайбы 8. В процессе монтажа с помощью элемента усиления путем затяжки гаек 7 и сжатия пружинных шайб 8 в раме крепи создается предварительное напряжение и = 3WRI, где 1л/ — осевой момент

-1 сопротивления сечения верхняка 2, см; R—

3. расчетное сопротивление на изгиб материала верхняка, кг/см;! — длина отрезка СП.

2. см, которое приводит к образованию по всему периметру крепи разгружающих моментов и повышению ее несущей способности.

1 з.п. ф-лы. 6 ил.

1714150 рамной крепи является значительная их неравнопрочность при работе в условиях неравномерных нагрузок со стороны массива горных пород. Это обусловлено тем, что эле- 15 менты конструкции крепи выполнены с оди20 стержнями и их натяжения на уже установленной в выработке крепи, неравномер- 40

50 выработках с электровозной контактной от- 55 каткой, высокая трудоемкость и недостаточная эффективность усиления крепи, Изобретение относится к горному делу и может быть использовано. при креплении горных выработок в процессе их сооружения и эксплуатации.

Известны конструкции рамной крепи горных выработок. состоящие из верхняка, соединенного с боковыми стойками s виде арки, Рамы устанавливают в горных выработках на расстоянии 0,5-1,2 м одна от другой и перекрывают затяжкой.

Недостатком известных конструкций наковым поперечным сечением, а при действии неравномерных нагрузок грузонесущая способность крепи исчерпывается на одном участке с наибольшими действующими напряжениями, тогда как остальная большая часть конструкции оказывается недогруженной. Следовательно, грузонесущая способность крепи предопределена работоспособностью лишь одного участка. что приводит к нерациональному расходу материала крепи на мааозагруженных элементах крепи.

Известна рамная крепь, включающая верхняк из прямолинейного элемента и арматурных стержней в виде шпренгелей. За счет натяжения шпренгелей создают предварительное натяжение верхняка.

Недостатки этой крепи — сложность со здания и дозировки предварительного напряжения верхняка. что требует проведения этих работ на поверхности, невозможность установки шпренгелей со ность натяжения различных ветвей напрягающих элементов. Это снижает эффективность усиления, приводит к повышению расхода материалов.

Известна также рамная арочная крель из спецпрофиля, верхняк которой усилен напрягающей стяжкой, состоящей из двух ветвей и закрепленной с помощью скоб по обе стороны верхняка.

Недостатками этой конструкции являются сложность монтажа и осуществления предварительного напряжения крепи, загромождение поперечного сечения выработки, невозможность применения в ненадежность работы стяжки в условиях агрессивной и влажной среды.

10

ЗО

Наиболее близкой к предлагаемой является рамная крель из спецпрофиля, которая снабжена элементом усиления, выполненным из отрезка желобчатого профиля, прикрепленного к верхняку винтовыми струбцинами, причем для создания предварительного напряжения на заданном участке крепи элемент усиления выполнен с кривизной; отличной от кривизны усиливаемого участка, Недостатками такой конструкции крепи являются техническая сложность точного придания необходимой кривизны усиливающему элементу для обеспечения предварительного напряжения крепи, причем оказывается, что даже незначительная деформация верхняка в процессе его монтажа или эксплуатации крепи делает ггринципиально невозможным предугадать требуемую кривизну элемента усилия. Это значительно снижает эффективность усиления крепи и увеличивает тем самым ее материалоемкость. Кроме того, такое усилие крепи сложно по конструкции из-за большого числа деталей, входящих в элемент усилия, и трудоемко при монтаже.

Целью изобретения является снижение материалоемкости и трудоемкости возведения крепи за счет повышения ее равнопрочности и упрощения элемента усиления.

Указанная цель достигается тем, что известная конструкция рамной усиленной. крепи, содержащая стойки и верхняк с прикрепленным к нему скобами предварительно напряженным элементом усиления, снабжена двумя опорными вставками, установленными между верхняком и элементом усиленйя, концы которого совмещены с участками нулевых изгибающих моментов крепи. Элемент усиления разделен по длине опорными вставками на равные части и под- вергнут предварительному напряжению после монтажа рамы крепи, а его центр смещен от оси крепи на угол, равный углу падеиия пород. Кроме того, с целью контроля предварительного напряжения крепи скобы, прикрепляющие элемент усиления к верхняку, снабжены разрезными пружинными шайбами, установленными под натяжные гайки на скобах и оттарированными на усилие предварительного напряжения крепи, которое определяют по формуле

К = ЗФ/ЙГ, где W — oceeoA момент сопротивления верхняка. см;

Й вЂ” расчетное сопротивление материала верхняка на изгиб, кг/см ;

I — длина элемента усиления, см.

1714150

N = ЗЧЧЯГ, И -3WRI

35

50

На фиг, 1 показана рамная усиленная крепь, общий вид; на фиг. 2 — узел 1на фиг.

1; на фиг. 3 — сечение А-А на фиг. 2; на фиг.

4 — эпюра моментов от внешней нагрузки на крепь; на фиг. 5 — эпюра разгружающих моментов в крепи m предварительного напряжения элемента усиления; на фиг; 6— суммарная результирующая зпюра моментов при эксплуатации крепи.

Рамная усиленная крепь содержит стойки I и верхняк 2, прикрепленный к ним соединительным узлом 3. К верхняку 2 прикреплен элемент 4 усиления, выполненный в виде отрезка спецпрофиля с помощью скоб 5, планок 6 и натяжных гаек 7. Между последними установлены разрезные пружинные шайбы 8. Верхняк 2 и элемент 4 усиления взаимодействуют друг с другом через размещенные между ними две опорные вставки 9, например, из стальной полосы, которые разделяют элемент 4 усиления по длине на три равные части. С помощью элемента 4 усиления рама крепи после ее установки в выработке предварительно напряжена усилием, Приложенным к скобам 5 и определяемым по формуле где W — осевой момент сопротивления сечение верхняка 2;

Я вЂ” расчетное сопротивление материала верхняка 2 на изгиб;

I — длина элемента 4 усиления, Длина элемента 4 усиления равна расстоянию между участками крепи с нулевыми изгибающими моментами, где он и установлен. В штреках центр элемента 4 усиления смещен от оси крепи на угол. равный углу падения а пород (при их пологом залегании).

Рамная усиленная крепь работает. следующим образом, В горной выработке устанавливают раму крепи, состоящую от стоек 1 и верхняка

2. На основании прогнозируемых параметров проявлений горного давления (интенсивность и направление действия внешней нагрузки q на крепь) определяют эпюру моментов, возникающих в раме крепи от давления горных пород, по к.оторой определяют расположение протяженности и степень загруженности наиболее напряженных элементов и участков крепи. В конструкции крепи имеется наиболее нагруженный участок крепи с максимальным моментом М> и менее нагруженные участки с экстремумами моментов Mz и Мз другого знака. Несущая способность крепи зависит от действующих изгибающих моментов, так как роль нормальных и поперечных сил не превышает 5 — 107,. Поэтому усиление рамной крепи преследует цель снижения изгибающих моментов и увеличение осевого момента сопротивления сечения элементов во всей или на части конструкции. Из эпюры моментов (фиг. 4) определяют место установки и требуемую длину элемента 4 усиления, равную расстоянию между участками крепи с нулевыми изгибающими моментами, возникающими при смене знака эпюры моментов вдоль крепи, Элемент 4 усиления требуемой длины с помощью скоб 5, планок 6 и гаек 7 прикрепляют к верхняку 2, разместив между ними две опорные вставки 9 так, чтобы элемент 4 усиления был разделен по длине на три равные части. С помощью натяжных гаек 7 и размещенных под ними разрезных пружинных шайб 8 создают предварительное напряжение во всей конструкции крепи.

Пружинные шайбы оттарированы на усилие предварительного напряжения, определяемое по формуле где W — осевой момент сопротивления сечения верхняка 2;

R — расчетное сопротивление материала верхняка 2 на изгибе:

1 — длина элемента усиления.

Затяжку гаек 7 производят до полного сжатия разрезных пружинных шайб 8, Увилия напряжения N (фиг. 5) передаются на верхняк 2 через скобы 5 и опорные вставки

9. Это приводит из-за статической неопределенности конструкции крепи к образова40 нию эпюры разгружающих моментов по всему ее периметру. Разгружающие моменты противоположны по знаку моментам от внешней нагрузки, возникающим при эксплуатации крепи.. В результате наложения этих эпюр результирующие моменты значительно уменьшены, что позволяет увеличить несущую способность конструкции крепи и снизить ее материалоемкость.

Благодаря установке между верхняком

2 и элементом 4 усиления опорных вставок

9 появляется воэможность усиливать крепь в процессе ее эксплуатации, даже в случае некоторой деформации верхняка 2, обеспечивая заданную величину и распределение

55 напрягающих усилий N и формируя строго определенную эпюру разгружающих моментов предварительного напряжения. Две опорные вставки 9 позволяют добиться наиболее оптимальной компенсации эпюры эксплуатационных моментов на участке установки элемента 4 усиления. Если устанавливать только одну вставку 9 между верхняком 2 и элементом 4 усиления, то зпюра разгружающих моментов формируется на этом участке в виде треугольника, что не соответствует близкой к параболической форме эпюре эксплуатационных моментов, а это снижает эффективность их компенсации, т.е. степень усиления крепи, Если установить больше двух опорных вставок 9 (три, четыре и т.д.), то распределение напрягающих усилий между опорными вставками 9 вдоль элемента 4 усиления становится неуправляемым из-за статической неопределимости такой системы взаимодействия элемента 4 с верхняком 2 и оказывается зависимой от случайных факторов (различие в толщине опорных ставок 9, местных деформаций и искривлений верхняка 2 и усиливающего элемента 4 и т.д.). Поэтому некоторые опорные вставки 9 будут пережаты, а некоторое разгружены, что может совершенно исказить эпюру разгружающих моментов на участке усиления, а это снизит эффективность усилия крепи.

Благодаря тому, что опорные вставки 9 делят элемент 4 усиления на три разные части, достигают наиболее полной компенсации на этом участке эпюры эксплуатационных моментов, имеющей форму, близкую к квадратичной параболе. Образующаяся зпюра раэгружающих моментов в виде правильной трапеции с соотношением оснований 3:3 наиболее полно способна компенсировать параболическую эпюру эксплуатационных моментов (см. фиг. 4 и 5).

Это значительно увеличивает эффективность усиления крепи, Любое другое размещение опорных вставок 9 менее благоприятно для компенсации эксплуатационных моментов и приводит к увеличению результирующей эпюры моментов, То, что концы элемента 4 усиления совмещены с ненагруженными участками эпюры эксплуатационных моментов, позволяет наиболее полно совместить с ней эпюру разгружающих моментов от предварительного напряжения. Это способствует более эффективному повышению несущей способности крепи. исключает появление участков крепи, где эксплуатационные моМенты будут усилены разгружающими, т.е, возникновение опасности перенапряжения и разрушения элементов крепи. Поскольку нагружение крепи в штрекообразных выработках происходит по нормали к напластованию пород, т.е, задано направление внешней нагрузки q в условиях отсутствия данных по прогноэируемым параметрам горного давления, при установ5 0

50 ке элемента 4 усиления его центр следует сместить от вертикальной оси крепи йа угол. равный углу адения пород. Длину элемента усиления в этом случае следует принять равной половине длины верхняка 2. Тем самым достигается усиление наиболее нагруженного участка рамной крепи, что способствует повышению ее несущег способности.

Усилие Й предварительного напряжения определяется из условия создания в верхняке 2 предельного разгружающего момента на участке между опорными вставками 9, что дает верхнюю границу допустимого предварительного напряжения, исходя из прочности верхняка 2. Тем самым и на остальных участках крепи возникают максимальные разгружающие моменты, что способствует достижению максимальной эффективности усиления. конструкции крепи в целом. В процессе загружения крепи горным давлением в элементе 4 усиления возникают пластические шарниры на участках установки опорных вставок 9, поэтому разгружающие моменты, достигая своего предельного значения, в дальнейшем при работе крепи остаются постоянными, а сам элемент 4, несмотря на наличйе пластических шарниров, сохраняет устойчивость благодаря тому, что нагружение со стороны скоб 5 силами N происходит в режиме, близком к жесткому, а сам элемент усиления закреплен в четырех точках.

Если усилие предварительного напряжения создать в верхняке меньше N, то снизятся величины разгружающих моментов в крепи и не будет достигнута необходимая эффективность усиления.

Если усилие предварительного напряжения превышает N, то в верхняке материал переходит в пластическую стадию деформирования, что затрудняет его дальнейшую эксплуатацию и повторное использование.

Снабжение скоб 5 разрезными пружинными шайбами 8, оттарированными на заранее заданное усилие, исключает ошибки при предварительном напряжении крепи и заметно упрощает его контроль в процессе эксплуатации. Кроме того, разрезные пружинные шайбы 8 компенсируют неизбежные деформации ползучести скоб 5, постоянно растянутых усилиями й, что гарантирует постоянство предварительного напряжения so времени. Этому же способствует упругая деформация консоли элемента усиления на длине t/3 от скобы 5 до опорной вставки 9; Таким образом, предлагаемая крепь характеризуется надежностью сохранения заданного предварительного напряжения, простотой его конструктивного исполнения, монтажа и эксплуатации эле1714150

10! мента усиления, что способствует высокой эффективности повышения работоспособности крепи.

Предложенная конструкция рамной усиленной крепи проста в изготовлении.и 5 при установке, требует низких трудозатрат, характеризуется низкой материалоемкостью, Усиление крепи может производиться не только при ее возведении, но и в процессе ее эксплуатации, причем для усиления 10 пригодны и рамы крепи с деформированным верхняком. Грузонесущая способность крепи при этом повышается в 2-2,5 раза, а материалоемкость снижается в 1,5-2 раза, значительно повышается надежность и ра- 15 ботоспособность крепи. Экономическая эффективность достигается за счет экономии дефицитного металла, сокращения числа рам на единицу длины выработки в 1,5-2 раза, уменьшения трудозатрат на возведение кре- 20 пи в 2-2,5 раза и стоимости крепления выра-. ботки в 1,3-15 раза, снижения расходов на ремойт и перекрепления горных выработок, что в целом способствует улучшению техника-зкономических показателей в шахтном и 25 подземном строительстве.

Формула изобретения

1. Рамная усиленная крепь. включающая стойки и верхняк, к которому скобами

30, присоединены элементы усиления из отрезков профиля, а также узлы соединения, о тл и ч а ю щ а я с я тем. что, с целью снижения материалоемкости и трудоемкости возведения крепи за счет повышения ее равнопрочности и упрощения элемента усиления, последний снабжен двумя опорными вставками, размещенными между верхняком и отрезком спецпрофиля, кромки которого совмещены с участками нулевых изгибающих моментов, возникающих в верхняке, при этом опорные вставки делят отрезок спецпрофиля на равные по длине части, а элемент усиления подвергнут предварительному напряжению, определяемому по формуле

N = ЗИIЯ1 где Nf — осевой момент сопротивления сечения верхняка; см;

Я вЂ” расчетное сопротивление на изгиб материала верхняка, кг/см ;

1 — длина отрезка спецпрофиля, см.

2. Крепь по и. 1, о.т л и ч а ю щ а я с я тем, что скобы снабжены разрезными ïðóжинными шайбами, установленными под натяжными гайками и оттарированными на усилие N предварительного напряжения крепи.

1714150

Раг 6

Составитель В.Ханцеверов

Техред M.Mîðãåíòàë Корректор М.Демчик

Редактор А.мотыль

Заказ 672 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям.и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35. Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101