Рамная металлическая крепь для горных выработок

 

Изобретение относится к горному делу и представляет рамную металлическую крепь для горных выработок. Она включает верхняк, стойки и узлы соединения их между собой, каждый из которых выполнен в виде опоры с неподвижным защемлением конца верхняка. Опора образована из упора, выполненного в виде отрезка металлического стержня, который вставлен в шпур в кровле выработки через отверстие в краевой части верхняка и верхнего торца стойки. Верхняк, краевые части которого подвержены максимальным изгибающим моментам, имеет переменное сечение оснащением упомянутых его частей усиливающими элементами. Использование изобретения позволит значительно расширить область применения рамной крепи, т.е. оно может быть использовано в выработках с большой шириной пролета с одновременным снижением их металлоемкости, а также трудоемкости проходческих работ. 1 табл., 3 ил.

Изобретение относится к горному делу, в частности к металлическим крепям, и может быть использовано для крепления горных выработок.

Известна конструкция рамной металлической крепи из спецпрофиля, включающая две стойки, на которые опирается верхняк, усиленный приваренными пластинами в его средней части [1, с.23-25].

Недостатком указанной конструкции является невысокая несущая способность крепи, поскольку ее верхняк работает по принципу балки, опертой на двух опорах. Приваренные к верхняку пластинки увеличивают момент сопротивления его сечения, но незначительно. Пропорционально этому увеличению незначительно повышается и несущая способность крепи, что далеко недостаточно для выработок, эксплуатирующихся на больших глубинах в условиях повышенного горного давления.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является рамная металлическая крепь для горных выработок, включающая стойки и верхняк, соединенные между собой узлами податливости, и башмаки, каждый из которых выполнен в виде отрезка спецпрофиля со сферическими выступами [2].

Недостатком известной конструкции крепи является также ее невысокая несущая способность. Установленные же в краевых частях верхняка башмаки не повышают несущую способность крепи, поскольку в этих краевых частях изгибающие моменты минимальны, а имеют своей целью обеспечение эффекта шарнирности соединения верхняка со стойками.

Вследствие указанного недостатка возникает необходимость увеличения плотности установки крепи, что влечет за собой значительный рост металлоемкости выработки и трудоемкости работ.

Кроме того, область применения этой крепи ограничивается выработками шириной до 3 м, а при ширине выработок до 6 м и более, которую имеют, например, монтажные камеры для очистных механизированных комплексов, она не может быть использована без дополнительной установки в пределах ее сечения промежуточных стоек, а это значительно усложняет ведение монтажных работ. Причем в призабойной зоне при проходке таких выработок установка промежуточных стоек вообще невозможна из-за необходимости маневров проходческого комбайна.

В основу изобретения поставлена задача повысить несущую способность крепи за счет изменения принципа ее работы, выражающуюся в расширении функциональных возможностей верхняка, который работал бы, как балка с защемленными концами.

Технический результат, который может быть получен при реализации заявляемого изобретения, заключается в расширении области применения крепи для крепления выработок с значительной шириной пролета с одновременным снижением их металлоемкости, а также трудоемкости проходческих работ.

Поставленная задача решается за счет того, что в рамной металлической крепи для горных выработок, включающей верхняк, стойки и узлы соединения их между собой, согласно изобретению для обеспечения восприятия нагрузки верхняком как балкой с защемленными концами каждый узел соединения выполнен в виде опоры с неподвижным защемлением конца верхняка, образованной из упора в виде отрезка металлического стержня, вставленного в шпур в кровле выработки через отверстие в краевой части верхняка, и верхнего торца стойки, при этом верхняк, краевые части которого подвержены максимальным изгибающим моментам, имеет переменное сечение оснащением упомянутых его частей усиливающими элементами.

В сравнении с известным уровнем техники заявляемая крепь за счет изменения принципа работы верхняка как балки с защемленными концами позволяет повысить ее несущую способность в три раза по сравнению с прототипом [2] и, как следствие, может быть использована для крепления выработок большой ширины (до 6 м) при одновременном сокращении расхода металла и снижении трудоемкости проходческих работ.

Данный технический результат достигается совокупностью существенных признаков. Докажем существенность отличительных признаков.

Выполнение каждого узла соединения верхняка со стойкой в виде опоры с неподвижным защемлением конца верхняка, образованной из упора в виде отрезка металлического стержня, вставленного в шпур в кровле выработки через отверстие в краевой части верхняка, и верхнего торца стойки, позволит обеспечить восприятие нагрузки верхняком как балкой с защемленными концами. Это в свою очередь позволит повысить несущую способность крепи в 1,5 раза по сравнению с прототипом [2].

Но, как известно, в балке с защемленными концами максимальный изгибающий момент находится в самом защемлении и уменьшается до величины, соответствующей моменту в средней части пролета балки (верхняка). Поэтому эти краевые части балки (верхняка), испытывающие повышенные напряжения, оснащены усиливающими элементами, обеспечивающими совместно с самой балкой (верхняком) увеличение момента сопротивления сечения, пропорциональное повышенному напряжению на указанных частях верхняка, т.е. получен верхняк переменного сечения, несущая способность которого по сравнению с прототипом [2], повысилась уже в три раза. Это обстоятельство позволит уменьшить плотность установки крепи и соответственно снизить металлоемкость горных выработок.

В результате заявляемая крепь может быть использована для крепления горных выработок большой ширины (например, монтажных камер) при одновременном сокращении расхода металла и снижении трудоемкости проходческих работ.

Таким образом, заявляемая крепь позволяет достигнуть технический результат, который явным образом не следует из сведений об известном уровне техники, а поэтому изобретение имеет "изобретательский уровень".

На фиг. 1 изображены известная рамная металлическая крепь, принятая в качестве прототипа, где 1 - верхняк, 2 - стойки, 3 - узлы соединения верхняка 1 со стойками 2, а также схема нагружения верхняка в виде балки на двух опорах и эпюра изгибающих моментов.

При действии на рамную крепь распределенной нагрузки q со стороны кровли верхняк 1 изгибается моментом M, максимальная величина которого, равная ql²/8, находится в середине его полета, несущая способность крепи P₁ при этом составляет P₁= 8[M] /l, где [M] - допускаемый изгибающий момент для конкретного верхняка, кН/м; l - длина верхняка, м. Несущая способность такой крепи очень мала. Так, например, при изготовлении ее из профиля СВП-27 и при l=6 м она составит где [M] = W_x [σ_т ], W_x - момент сопротивления для СВП-27, равный 110 см³; [σ_т] предел текучести, для Ст.5 [σ_т] = 2900 кг/см², в то время как нагрузка на крепь при такой ширине выработки достигает 300-400 кН/м, т.е. необходимо устанавливать 7-10 рам на метр, что практически невозможно. Следовательно, известная рамная крепь по прототипу неприменима для крепления выработок с большой шириной пролета.

На фиг. 2 изображены предлагаемая рамная металлическая крепь, конструктивная схема верхняка как балки с защемленными концами, схема ее нагружения и эпюра изгибающих моментов; на фиг. 3 - узел соединения верхняка со стойкой, в аксонометрии (в увеличенном виде).

Рамная металлическая крепь для горных выработок включает верхняк 1, стойки 2 и узлы соединения 3 их между собой, каждый из которых выполнен в виде опоры с неподвижным защемлением конца верхняка 1. В свою очередь, упомянутая опора образована из упора 4 и верхнего торца 5 стойки 2. Упор 4 выполнен в виде отрезка металлического стержня, который вставлен в шпур 6 в кровле выработки через отверстие 7 в краевой части верхняка 1. При этом верхняк 1 имеет переменное сечение за счет оснащения его краевых частей, подверженных максимальным изгибающим моментам в диапазоне ql² /12 - ql²/24, где q - распределенная нагрузка, воспринимаемая верхняком, кН/м; l - длина верхняка, м (как это следует из эпюры на фиг. 2), усиливающими элементами 8, которые, например, могут быть присоединены к верхняку 1 (его краевым частям) с помощью сварки.

На фиг. 3 показан узел соединения 3 верхняка 1 со стойкой 2, где для наглядности изображения в боковых стенках верхняка 1 и усиливающего элемента 8 выполнен вырыв. При этом место расположения упора 4 в пределах узла соединения (опоры) 3 ничем не регламентируется и определяется только паспортом крепления выработки в зависимости от принятой на шахте технологии возведения крепи, причем тип стоек 2 выбирается в зависимости от горно-геологических и горно-технических условий эксплуатации выработок и срока их службы. Так, при небольшом сроке службы (как например, монтажные камеры) и постоянной величине горного давления стойки 2 могут быть жесткого типа, а в выработках, эксплуатирующихся в условиях постоянно повышающейся величины горного давления (как например, в зоне влияния очистных работ), должны быть установлены стойки 2, работающие в податливом режиме. При этом для эффективной работе крепи сопротивление стойки 2 в податливом режиме должно соответствовать прочностным характеристикам верхняка 1, рассчитанным по допускаемому изгибающему моменту [M] . В этом случае в элементах крепи не будут возникать избыточные напряжения, способные привести к деформациям и разрушению крепи в целом.

Крепь работает следующим образом.

Под действием на верхняк 1 распределенной нагрузки о в опорах (узлах соединения 3) возникают реактивные силы R_x и R_y и реактивный момент m, которые не допускают ни поступательных перемещений, ни поворота крепи. В результате этого важного обстоятельства верхняк 1 воспринимает распределенную нагрузку q как балка с защемленными обоими концами.

В этом случае в соответствии с теорией сопротивления материалов (3.с. 285-287) эпюра изгибающих моментов такой балки представляет собой параболу, построенную по уравнению моментов M = qlx/2 - ql²/12 - qx²/2, при этом максимальный момент ql²/12 (точка A эпюры на фиг. 2) находится в защемлении (точка A' балки). Как известно, при расчете балки по допустимым напряжениям во внимание принимается максимальное значение момента, тогда [M] = ql²/12, откуда, заменив ql = P₂, нагрузка на балку, т.е. несущая способность крепи составит P₂ = 12 [M]/1, а для верхняка в прототипе [2], у которого допускаемый изгибающий момент [M] = ql²/8, несущая способность крепи равна P₁ = 8[M]/l.

Из этого следует, что заявляемое изобретение по вышеописанному отличительному признаку позволит повысить несущую способность крепи в P₂/P₁ = 12 [M]l/8[M]l = 1,5 раза.

Далее, проанализировав эпюру моментов (фиг. 2), можно заметить, что основная часть верхняка, за исключением его краевых частей, где изгибающий момент возрастает от ql²/24 в точке B до gl²/12 в самом защемлении в точке A, изгибается моментом не более ql²/24, т.е. момент в краевых частях верхняка 1 от точки A' до точки B' в два раза больше, чем на остальном его пролете.

Но допускаемый изгибающий момент [M] определяется из выражения [M] = W_x · [σ_т], где W_x - момент сопротивления сечения верхняка 1, [σ_т] - предел текучести материала верхняка 1, откуда видно, что его величина прямопропорциональна моменту сопротивления _x. Отсюда следует, что поскольку краевые части верхняка 1 являются наиболее опасными его сечениями с точки зрения возникающих в них напряжений, момент сопротивления их должен быть соответственно в два раза больше, чем на всем остальном пролете верхняка 1, где величина момента составляет не более ql²/24, т.е. в два раза меньше, чем на его краевых частях.

Эта задача решается за счет применения верхняка 1 переменного сечения, который и был получен оснащением краевых частей обычного верхняка 1 усиливающими элементами 8 на участках от максимального момента ql²/12 в защемлении в точке A' верхняка 1, соответствующей точке A эпюры на фиг. 2, до точки B', соответствующей точке B эпюры на фиг. 2, где момент становится равным ql²/24, т. е. максимальным для остального преобладающего пролета верхняка 1. Усилив краевые части верхняка 1, т.е. его опасные сечения, где возникают повышенные напряжения, усиливающими элементами 8 допускаемый изгибающий момент для такого верхняка составит [M] = ql²/24, откуда, заменив ql = P₃, несущая способность крепи составит P₃ = 24[M]/l, т.е. повысится по отношению к прототипу [2] совместно с вышеназванным признаком уже в P₃/P₁ = 24[M]l/8[M]l = 3 раза.

Длина c усиливающих элементов 8 определяется расчетным путем в соответствии с уравнением моментов для балки с защемленными концами, приведенным выше.

Подставляя в это уравнение значение момента в точке B эпюры на фиг. 2, равное - ql²/24, т.е. такое же, как и в середине пролета верхняка 1 (балки) только с противоположным знаком, находим длину a, соответствующую значению x в уравнении моментов. Тогда с учетом участка верхняка 1 в = 0,2 м, необходимого для установки стойки 2, общая длина усиливающего элемента 8 составит c = a + в.

Ниже приведена сравнительная таблица расчетных величин заявляемой и известной по прототипу [2] крепей для различных длин верхняка 1.

Как следует из таблицы, заявляемая крепь имеет несущую способность, в три раза большую, чем известная крепь по прототипу [2], что значительно расширяет область ее применения, т.е. эта крепь может быть использована для крепления горных выработок, эксплуатирующихся на больших глубинах в условиях повышенного проявления сил горного давления, а также в выработках с большой шириной пролета.

Таким образом, использование заявляемого изобретения позволит повысить несущую способность крепи за счет изменения принципа работы верхняка путем расширения его функциональных возможностей, а также снизить материальные и трудовые затраты при введении проходческих работ.

Источники информации, принятые во внимание 1. Отраслевая инструкция по применению рамных и анкерных крепей в подготовительных выработках угольных и сланцевых шахт: Утв. М-вом угольной промышленности СССР 14.07.84. -М. : ИГД им. А.А. Скочинского, 1985, с.23-25, рис. 2.7 (а).

2. Авторское свидетельство СССР N 383835, кл. E 21 D 11/14, 1971.

3. Кинасошвили С.Р. Сопротивление материалов, М., 1975, с.285-287.

Формула изобретения

Рамная металлическая крепь для горных выработок, включающая верхняк, стойки и узлы соединения их между собой, отличающаяся тем, что для обеспечения восприятия нагрузки верхняком как балкой с защемленными концами каждый узел соединения выполнен в виде опоры с неподвижным защемлением конца верхняка, образованной из упора в виде отрезка металлического стержня, вставленного в шпур в кровле выработки через отверстие в краевой части верхняка, и верхнего торца стойки, при этом верхняк, краевые части которого подвержены максимальным изгибающим моментам, имеет переменное сечение оснащением упомянутых его частей усиливающими элементами.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4