Способ крепления горной выработки
Использование: в горной промышленности , а именно, при креплении выработок набрызгбетоном или дисперсно-армированным набрызгбетоном. Сущность изобретения: повышение несущей способности и. снижение материалоемкости крепи. Ее очертание выполнено в виде усеченного на уровне почвы эллипса или повернутых на 90° пересекающихся усеченных эллипсов. Очертание крепи и ее толщина в поперечном сечении определяются следующими выражениями: при ((Г-Ј) 1 ь-& ь-ъм,ЬгМсш )чЫг: ho дь h3 2Рсж координат, или (-д- +Я) - обычной системе ) при hn qb 2RC k2 1 (T+I) - в повернутых на 90 системах координат, где: х, у - координаты точек контура крепи в обычной и повернутых на 90° системах координат , м; a, b - ширина и высота крепи выработки в обычной системе координат, удвоенная высота и половина ширины в повернутых на 90° системах координат, м; kQ коэффициент пропорциональности (k т- ); А- коэффициент бокового распора пород Р AT,- ;р-величина вертикального горного гв давления, МПа; Rex предел прочности материала крепи на сжатие МПа; hn, Ьз - толщина крепи в пятовых сечениях и замке, м. 1 п. ф-лы, 4 ил. Ј VI 00 О Ю ч Ю
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (sl)s Е 21 D 11/14
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ
ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
K АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ или =5-((— " - ) при (21) 4889234/03 (22) 24,10,90 (46) 07.01.93. Бюл. ¹ 1 (71) Московский горный институт и Всесоюзный научно-исследовательский институт организации и механизации шахтного строительства (72) А.Н.Воробьев, И,Г.Косков, В.П.Друцко, M.Ä.Чорнокозинский, И.Г.Рыбалкин и
B.Ï, Голощапов (56) Баклашов И.В„Тимофеев О,В. Конструкции и расчет крепей и обделок, М,; Недра, 1979, с. 49, рис. 3.9б, Там же, с 49, рис, 3 9г, (54) СПОСОБ КРЕПЛЕНИЯ ГОРНОЙ ВЫРАБОТКИ (57) Использование: в горной промышленности, а именно, при креплении выработок набрызгбетоном или дисперсно-армированным набрызгбетоном, Сущность изобре тения: повышение нес щей способности и. снижение материалоемкости крепи. Ее очертание выполнено в виде усеченного на уровне почвы эллипса или повернутых на
90 пересекающихся усеченных эллипсов, Очертание крепи и ее толщина в поперечном сечении определяются crедующими выражениями: при уЬ 1- гя К2. 16
«а > 1, уь г к я
Г «Р, ) Изобретение относится к горной промышленности, а именно к креплению выработок MQHoflNThblM бетоном, набры згбетоном или дисперсно-армированным набрызгбетоном.
„„. Ы„„1786272 А1 йз = — (— +Л) — обычной системе
qb k
2йсж 4 координат, пп = — (— + -()
qb
2 сж — в повернутых на 90 системах координат, где: х, у — координаты точек контура крепи в обычной и повернутых на 90 системах координат, м; а, b — ширина и высота крепи выработки в обычной системе координат, удвоенная высота и половина ширины в повернутых на 90 системах координат, м; k— коэффициент пропорциональности (k = — ); а
Л вЂ” коэффициент бокового распора пород
—;q — величина вертикального горного
Р2
Р. давления, МПа; Всж — предел прочности материала крепи на сжатие МПа; h,, йз — толщина крепи в пятовых сечениях и замке, м.
1 и. ф-лы, 4 ил.
Известен способ крепления горной выработки, включающий возведение крепи из монолитного бетона постоянной толщины.
Недостатком данного способа является перерасход материала на крепление, 1786272 у Ь
1 у= ь (-(—" — )+
1- — Д+ — +—
1 ЯА k2
2 k 16
Лп=.Ь к сж
Ближайшим по технической сущности и достигаемому результату к предложенному способу крепления горной выработки является способ крепления горной выработки, включающий возведение крепи сводчатого очертания из монолитного бетона снизу вверх с плавным изменением толщины от пят к замку в зависимости от горногеологических условий в месте заложения выработки.
Недостатками этого способа являются перерасход материала на крепление и малая его надежность в сложных горногеологических условиях при неравномерном горном давлении, Целью изобретения является уменьшение материалоемкости крепления и повышение его надежности, Указанная цель достигается тем, что в способе крепления горной выработки, включающем возведении крепи сводчатого очертания из монолитного бетона снизу вверх с плавным изменением толщины от пят к замку в зависимости от горногеологических условий в месте зало>кения выработки, очертание крепи принимают в виде усеченного на уровне почвы эллипса или повернутых на 90 пересекающихся усеченных на уровне почвы эллипсов, а толщину крепи изменяют по закону изменения возникающей в поперечных сечениях продольной силы, при этом очертание крепи, выраженное функцией в декартовой системе координат и ее толщину в пятовых и замковом сечениях определяют из следующих выражений:
1) а/b = k> 2/У вЂ” очертание крепи принимают в виде усеченного на уровне почвы эллипса в системе координат с началом координат у левой пяти крепи:
hз,= -=— (+ ).
2Ясж 4
2) а/b = k > 2 — очертание крепи
1 принимают в виде повернутых на 90 пересекающихся усеченных на уровне почвы эллипсов в повернутых на 90 системах координат с началом координат в замковом сечении крепи;
Я Ь (k ).
9 Ь - 2Ë язм2" — 1á где у, х — координаты точек контура крепи, м;
15 а, Ь вЂ” ширина и высота крепи в системе координат с началом координат у левой пяты крепи, удвоенная высота и половина ширины крепи в повернутых на 90 системах координат с началом координат в замковом сечении крепи, м;
k — коэффициент пропорциональности (k = а/Ь);
Л- коэффициент бокового распора по25 род Л= Р2/Рв, q — величина вертикального горного давления, МПа;
Всж — предел прочности материала крепи на сжатие, МПа; и >, Ьз — толщина крепи в пятах и замке сечения выработки, м.
В результате патентного поиска установлено, что отличительные признаки данного технического решения отвечают критериям "новизна" и "существенные отли35 чия".
На фиг. 1 показано очертание крепи в виде усеченного на уровне почвы эллипса; на фиг, 2 — то же в виде повернутых на 90 пересекающихся усеченных эллипсов, образующих сечение шатрового типа; на фиг, 3, 4 показаны соответствующие поперечные сечения крепи, Способ осуществляется следующим образом.
Основные технологические операции соответствуют прототипу. Крепление по заявленному способу целесообразно выполнять безопалубочным способом набрызгбетонирование, В сочетании с гладким взрыванием набрызгбетонирование обеспечивает реальное снижение материалоемкости крепи за счет лучшей выдержки ее параметров. К этому добавляются тради55 ционные достоинства набразгбетонирования: технологичность крепления и повышенная скорость, лучшие качества возводимой крепи, В предлагаемом способе очертание возводимой крепи приближено к рацио1786272 нальному(безмоментному), т,е, крепь в процессе эксплуатации будет работать преимущественно на сжатие. Этим самым значительно повышается ее несущая способность, т.к. бетон прекрасно работает на сжатие и очень плохо на изгиб. Очертание крепи назначается в соответствии с горногеологическими условиями в месте заложения выработки, которые характеризуются параметром Л вЂ” коэффициентом бокового распора пород и геометрическими параметрами возводимой крепи а и Ь(фиг. 1, 2). Для уменьшения материалоемкости крепления толщину крепи при ее возведении изменяют по закону изменения возникающей в поперечных сечениях в процессе эксплуатации крепи продольной силы, т.к. изгибающий момент тождественно равен нулю. В этом случае получается крепь равного сопротивления, т.е. в каждом сечении напряжения одинаковые. При этом в учетом правильного выбора очертания возводимой крепи и ее толщин в соответствии со способом получаем 307 экономию бетона.
Расчетные формулы получены следующим образом.
Считаем известными проектные ширину крепи выработки а и высоту b, которые назначаются из условий эксплуатации выработки в соответствии с требованиями правил ТБ (фиг. 1), В общем случае крепь нагружена вертикальным давлением ць = q и горизонтальным qz = il qb, связанным между собой через коэффициент бокового распора пород Л = Р2/P>, Найдем очертание безмоментной крепи в обычной системе координат XY (фиг. 1). Рассмотрим произвольную точку на крепи М (х, у). Составим сумму моментов всех сил горного давления относительно этой точки и приравняем ее нулю
q à q x q a — х
2 2 8b
У
- -К =0 (1)
Выделив полные квадраты относительно х и у и произведя д>полнительные преобразования, уравнение(1) можн о привести к каноническому виду
Уравнение (2) соответствует уравнению эллипса с началом координат, смещенным относительно центра по оси Х в отрицательную сторону на величину а/2, по оси Y — в — пооси YO В вЂ
| Г <а} — по оси ХФА =
Из выражений (4) видно, что
А=В /Г (5)
Отношение осей эллипса в соответствии с (5) такое же, как, например, в книге
Широкова А.П. и Пислякова Б.Г. Расчет и выбор крепи сопряжений горных выработок, изд, 2-е,перераб., и доп., М.: Недра, 1988, с. 16. Отличие данного технического решения состоит в том, что при выборе сечения крепи заданными считаются ее размеры а и b, т.е, получаемый эллипс является усеченным на уровне почвы (фиг. 1). Он может быть и полным в соответствии с (2) (фиг, 1, дополнение пунктиром), однако такое сечение не является рациональным с точки зрения возведения и эксплуатации, Кроме того, в указанном источнике рассмотрен случай Л(1, При Л> 1 по А,П.Широкову и др. эллипс поворачивается на 90 . При этом получаемое сечение также не является рациональным с точки зрения возведения и эксплуатации выработки.
Решая уравнение (2) относительно у, Считая а/b = k, получим искомую зависимость у = ь ((— — -) J(l) (, р)|б) Уравнение (6) соответствует условию (3), .е. > 2Ю.
Когда условие (3) не выполняется, зависимость (6) также не будет иметь места.
Для данного случая оси Х и Y меняются местами, или, по-другому, — система координат поворачивается на 90 (фиг. 2).
При сохранении определения коэффициента бокового распора пород, как
Л =Рг/Р> и тех же подходов в определении безмоментного очертания крепи, выражение (6) переходит в (7) посредством замены
Л на 1/ il. При этом под параметрами а и b положительную сторону на величину а2
8,т-g (ф 1)
Это имеет смысл, если
5 b a 0, или Ь в или, обозначая а/b = k, получим k -2/Л (3)
Из (2) видно, что эллипс имеет оси, рав10 ные
1786272 необходимо понимать удвоенную высоту и половину ширины крепи выработки (фиг, 2).
Таким образом, в повернутых на 90 системах координат уравнение очертания безмоментной крепи можно записать так: 5
Условие (3) заменяется на следующее 10
k > 2.1/Й (8)
Соответствующее данному условию очертание крепи определяет сечение шатрового типа с острой точкой наверху (фиг. 2), Это сечение крепи выработки имеет, со- 15 ответственно, ширину 2b и высоту а/2, В сложных условиях, где возможно получение пород или породы малоустойчиьы, целесообразно сечение не усекать(фиг, 2, дополнение пунктиром). 20
Толщина крепи выработки получена из условия восприятия ею сжимающих напряжений, т.к. в соответствии с вышеизложенным в ней отсутствуют изгибающие моменты, 25
Расчетная формула для сплошной крепи имеет следующий вид
o — (-,- < Rñc.ê
N (9) где о — нормальное напряжение в попереч- 30 ных сечениях крепи, МПа;
N — продольная сила в поперечных сечениях крепи, Мнlм;
h — толщина крепи, м;
R« — предел прочности материала кре- 35 пи на сжатие, МПа.
При определении толщины крепи будем исходить из ее равнопрочности, т.е. одинаковости напряжений во всех сечениях при действующей заданной нагрузке, q, х q 40 (фиг, 1, 2), Считаем, кроме того, что крепь работает на пределе, т,е, Из (9) следует 45 h= N/Rcx (1 О) Вся задача сводится к определению продольной силы в поперечных сечениях крепи в соответствии с расчетными схемами на фиг, 1,2, 50 Найдем продольную силу в пятовых сечениях и замке, считая, что она плавно изменяется от пят к замку. Вывод осуществляем в соответствии с фиг. 1, но он будет справедлив и для фиг. 2 55 в повернутых на 90 системах координат. При атом пяты и замок меняются местами, а х заменяется 1/х Продольная сила в пятах А, В и замке С и 7 = N(xc,) = sin c(+ (— — — )» ",1аЬ 2 Sb 2 cos(4 (11) Ч» 7»Ь ЙЗ= ьь " ) (12) Ц= — - +Я < ° р 7 2 2 4 В соответствии с (10) толщина крепи в пятах и замке 1 Я k2 1- — + т+ (13) l ь»- — (— + p), 1,а 2 и с с 4 Для сечения крепи по фиг. 2, как было отмечено ранее, 1 1 k2 ° Ь 1 2Я g 2 сж I я) ((Ч1 Сечения крепи в соответствии с выра>кениями ее толщины по (13), (14) изображены на фиг. 3, 4. При выполнении условиЯ (3) k > 2 /Х толщина крепи от пят к замку плавно уменьшается (фиг. 3), а при выполнении условия (8) k > 2 1gil — плавно увеличивается (фиг. 4), Примеры расчета: 1. Исходные данные: Ширина крепи выработки 4,5 м q =08 ÌÏà; Высота крепи выработки 3 м Л = 0,5; Rc < = 18 МПа. Решение Принимая а = 4,5 м, b = 3 м, получим k = а/Ь = 1,5; 2 /У= 1,41&k> 2 Д Выполняется условие (3). Поэтому в соответствии с (б) 15 1 5а у = 3 -(— o,5)+/ — -05) + (— ) 805 805 05 3 9 2 ,222х у = -0,1875 + 3 Значения тригонометрических функций sine@ и cost@> получим через tgc4> ., который равен производной Y (О) в выражении (6). Опуская преобразования, выражение (11) можно записать таким образом: ф Ь 1- 8++ т+ +— а кт И 1786272 Формула изобретения Способ крепления горной -выработки включающий возведение крепи сводчатогс очертания из монолитного бетона сниз) 5 вверх с плавным изменением толщины о пят к замку в зависимости от горно-геологических условий в месте заложения выработки, отл и ча ю щи и ся тем, что, с цельк уменьшения материалоемкости крепления 10 и повышения его надежности, очертаниг крепи принимают в виде усеченного на уровне почвы эллипса или повернутых на 90 пересекающихся усеченных на уровне почвы эллипсов, а толщину крепи изменяют 15 по закону изменения возникающей в поперечных сечениях продольной силы, при этом очертание .крепи, выраженное функцией в . декартовой системе координат и ее толщину в пятовых и замковом сечениях определяют 20 из следующих выражений; и 218 0,8 3 160о2 2 18 0667 = 0,10 м= — 10 см 1) a/b = k > 2 П вЂ” очертание крепи принимают в виде усеченного на уровне почвы эллипса в системе координат с началом 25 координат у левой пяты крепи; 35 6672) + 21667 0,6 2,26 1 296 2 6 06264 0 16™= 16 2 сн1 Нп- 2 16 (т 6)=0,106м =!О бсн 9 Ь Ьз=2 R, Этим исходным данным соответствует сечение крепи по фиг. 4, Существующие методы расчета набрызгбетонной крепи при 50 данных условиях и типовых сечениях дали бы значительно большую толщину крепи изза работы оболочки на изгиб. Таким образом, описанное техническое 55 решение по сравнению с прототипом позволяет повысить несущую способность крепи при меньшей материалоемкости. -у(0) = 0; у(2,25) = 3 м; у(4,5) = 0 0 Я 3 1- - О 5 + +— .6 — Е 115 16 Ьз= 1 (т +0,5)=0,0708м= 08 3,1,5 =7,08 см 2 18 4 Этим исходным данным соответствует сечение крепи по фиг. 3 2. Исходные данные: Ширина крепи выработки 4,5 м; Высота крепи выработки 3 м; q=0,8МПа; Л =3; Ясж=18МПа Решение Принимая а = 4,5 м, Ь = 3 м, получим k= a/Ь =1,5 2 /Л =243 = 3,45Ж< 2 /Л Условие (3) не выполняется, поэтому очертание крепи строим в повернутых на 90 системах координат В этомслучаеа=2b=бм; Ь=а/2= 2,25 м k= 6/2,25 = 2,66 2/ /Л = 2 f3 = 1,15 k> 2/Й условие (8) выполняется, В соответствии с (7) г 2,667 3 у = 2,25 (- — -0,5)+ Г 8 В 22б67Х Х * (2 26 2262) Р6 6 + Z,25 4,697+3,556õ-0,5926х У(0) = 0; У(5) = 2,25м; У(6) = 0 ч 677 1 а ОД 2 26 2 6 7 .2,667 16 218 Я k ,b 1-8+ х 2 еж г1 я 2 2) + (1 Я) 21 а/О = k > 2 "2 — очертание крепи принимают в виде повернутых на 90 пересекающихся усеченных на уровне почвы эллипсов в повернутых на 90 системах координат с началом координат в замковом сечении крепи; 11, 6.2 К 2 пп gR 4 у kz 261 g> P2 16 где у, х — координаты точек контура крепи, м; а, Ь вЂ” ширина и высота крепи в системе координат с началом координат у левой пяты крепи, удвоенная высота и половина ширины крепи в повернутых на 90 системах координат с началом координат в замковом сечении крепи,м; < — коэффициент пропорциональности (k=a/Ь); 1786272 Фиг. I Л вЂ” коэффициент бокового распора пород (= Р2/Рв) i q — величина вертикального горного давления, МПа; Я,ж — предел прочности материала крепи на сжатие, МПа; h<, йз — толщина крепи в пятах и замке сечения выработки, м. 1786272 Фиг. 3 Составитель А.Воробьев Техред M,Ìîðãåíòàë Корректор M.Màêcèìèøèíåö Редактор Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 Заказ 237 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5
