ТЮБИНГОВАЯ КРЕПЬ ДЛЯ УГЛЕСПУСКОВ Российский патент 1996 года по МПК E21D5/10 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для крепления восстающих выработок при разработке мощных пластов крутого падения.

Известна металлическая сегментная шарнирно податливая крепь (МСШПК) конструкции Ленинградского горного института, предназначенная для крепления скважин диаметром 1300 мм (Проектирование и строительство угольных предприятий. "Недра", N 5, 1965, стр. 58 66). Недостатком крепи является несоответствие ее конструкции предъявляемым требованиям к такого рода крепям, которые сводятся к следующему:
простота монтажа и пригодность механизированного возведения;
простота демонтажа при погашении выработки очистными работами;
обеспечение необходимой несущей способности и податливости приконтурного массива при опорном горном давлении;
приемлемые размеры элементов крепи для свободного их транспортирования через проемы погрузочных пунктов и по конвейерам;
минимальные затраты на сооружение и поддержание выработок за счет низкой стоимости крепи или многократного ее использования.

Известны технические решения, в большей степени удовлетворяющие указанным требованиям, например пневмотюбинговая крепь по а.с. NN318700, 613109, 848651, кл. Е 21D 5/10 или тюбинг по а.с. N1229357, кл. Е21D 11/04. Однако известная пневмотюбинговая крепь, обладая значительной податливостью, конструктивно сложна, имеет большую стоимость, как и другие тюбинговые крепи требует ручной разборки перед ведением очистных работ, что снижает безопасность труда и ведет к увеличению трудоемкости и снижению темпов подготовки очистного фронта.

Применение в углеспусках тюбингов по а.с. N129357 нерационально ввиду значительного количества элементов их конструкции, что повышает трудоемкость монтажа. Кроме того, наличие кессонных полостей внутри колонны крепи увеличивает вероятность зависания транспортируемой по углеспуску горной массы, а разрушенные элементы крепи при погашении выработки разубоживают уголь. Частично указанным требованиям отвечает крепь из углепласта по а.с. N149374, кл. Е21D 5/08. Однако крепь имеет существенный недостаток недостаточную стойкость к истиранию, поэтому она малопригодна для сооружения углеспусков с пропускной способностью более 10 тыс. т угля, а при отработке мощных пластов щитовой системой со скреперованием угля на одну углеспускную печь приходится до 20 тыс. т угля.

Известна также металлическая тюбинговая крепь, принятая за прототип (а. с. N1305352, кл. Е21D 5/00, 1984 г.), включающая кольца из установленных в перевязку тюбингов, связанные посредством размещенных на одном торце тюбингов упоров, выступающих за пределы высоты тюбингов, которые имеют внутреннюю дуговую оболочку, дуговые и радиальные ребра, образующие с внешней стороны кессоны.

Недостатком известной конструкции является невозможность демонтажа крепи после смещения горных пород без ее деформации, вследствие этого низкий коэффициент повторного использования тюбингов, а также вероятность радиальных смещений крепи при деформации тюбингов, что приводит к понижению работоспособности крепи.

Целью изобретения является обеспечение многократного использования металлических тюбингов с минимальными затратами труда и времени на их демонтаж при погашении выработки, рационального расхода металла при одновременном повышении работоспособности крепи.

Указанная цель достигается тем, что в каждом кольце крепи устанавливается один или несколько хрупких тюбингов, имеющих малую ударную вязкость, причем хрупкие тюбинги ориентируются преимущественно со стороны устойчивого массива, а металлические тюбинги с внешними кессонами со стороны смещающегося массива, при этом ширина ребер, контактирующих с массивом, определяется, исходя из условия

где Р прочность тюбингов при радиальной нагрузке, Н,
σ_c предел прочности смещающегося массива на смятие, Па,
L величина периметра ребер, контактирующих с массивом, м,
а глубина кессонов отдельного тюбинга принимается достаточной для вмещения приконтурного массива при опорном горном давлении и определяется по формуле

где смещение массива на контуре выработки, м, (Методические указания по расчету и совершенствованию крепей для восстающих выработок на мощных крутых пластах. ИГД СО АН СССР, г. Новосибирск, 1982, с.44),
Q прогнозируемое максимальное опорное горное давление, Па,
R несущая способность крепи, Па,
D диаметр скважины, м,
m мощность пласта, м,
U_n возможная конвергенция боковых пород при опорном горном давлении, м, а также тем, что кольцевые ребра жесткости выполнены в виде полусферических выступов и впадин в поперечном сечении, обеспечивающих фиксацию тюбингов от радиальных перемещений и свободное смещение по окружности. Проведенные патентные исследования показывают, что ни в патентной, ни в научно-технической литературе не имеется сведений о тюбинговых крепях, характеризующихся той же совокупностью существенных признаков, что и заявляемая тюбинговая крепь, т. е. она отвечает критерию патентоспособности "новизна".

Анализ заявляемой тюбинговой крепи показывает, что для специалиста она явным образом не вытекает из современного уровня техники, а требует проведения больших научно-исследовательских работ, т.е. она соответствует критерию патентоспособности "изобретательский уровень".

На фиг. 1 представлен общий вид участка колонны крепи, на фиг.2 то же, вид сверху, на фиг.3 поперечный разрез металлического тюбинга с полусферическими выступами и впадинами на кольцевых ребрах жесткости.

Тюбинговая крепь включает в себя металлические тюбинги 1 с внешними кессонами, расположенные со стороны смещающегося массива, и тюбинги 2, имеющие хрупкий характер разрушения (углепласт, бетон и др.). Металлические тюбинги 1 состоят из обечайки 3, радиальных 4 и кольцевых 5 ребер жесткости, образующих с внешней стороны кессоны.

При монтаже крепи кольцевые ребра жесткости (кессонов) 5 служат в качестве направляющих при смещении по кругу верхнего кольца тюбингов относительно нижнего без изменения радиуса крепи, что является необходимым условием при креплении скважин, пройденных в неустойчивом массиве.

Сочетание износостойких металлических тюбингов 1 с тюбингами 2, выполненными из хрупкого материала (углепласт, бетон и др.), обеспечивает сохранность последних на весь срок эксплуатации выработки. Надежность крепи обеспечивается эффектом податливости, т.е. возможностью смещения массива в наружные полости (кессоны) металлических тюбингов 1 на величину В, которая принимается достаточной для вмещения приконтурного массива при опорном горном давлении. Величина сопротивления крепи опорному давлению определяется толщиной S_ср ребер жесткости (или площади их контакта), принятой по условию внедрения их в массив без нарушения целостности крепи.

Промышленное использование тюбинговой крепи предлагаемой конструкции обеспечит надежное поддержание восстающих выработок (углеспусков) на глубоких горизонтах шахт и создаст предпосылки для повышения производительности очистных забоев.

Изобретение может быть использовано для крепления восстающих выработок при разработке мощных пластов крутого падения. Сущность изобретения заключается в том, что крепь выполнена в виде отдельных колец, состоящих из металлических тюбингов с кессонами, и по крайней мере один тюбинг в кольце выполнен из прочного материала, имеющего хрупкий характер разрушения, при этом параметры ребер кессона каждого металлического тюбинга определяются из выражений:
;
где S - ширина ребер кессона, м; В - высота кессона (глубина кессона), м; Р - прочность тюбингов при радиальной нагрузке, Н; σ_c - предел прочности смещающегося массива на смятие, Па; L - величина параметра ребер, контактирующих с массивом, м; Q - прогнозируемое опорное горное давление, Па; R - несущая способность крепи, Па; - смещение массива на контуре выработки, м; D - диаметр скважины, м; m - мощность пласта, м; U_п - возможная конвергенция боковых пород при опорном горном давлении, м. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Тюбинговая крепь для углеспусков, выполненная в виде отдельных колец, состоящих из металлических тюбингов с кессонами, ребра которых расположены с наружной (выгнутой) стороны крепи, отличающаяся тем, что она снабжена по крайней мере одним дополнительным тюбингом, выполненным из прочного материала, имеющего хрупкий характер разрушения, а параметры ребер кессонов каждого металлического тюбинга определяются из выражений


где S ширина ребер кессона, м;
B высота ребер кессона (глубина кессона), м;
P прочность тюбингов при радиальной нагрузке, Н;
σ_с предел прочности смещающегося массива на смятие, Па;
L величина периметра ребер, контактирующих с массивом, м;
Q прогнозируемое опорное горное давление, Па;
R несущая способность крепи, Па;
смещение массива на контуре выработки, м;
D диаметр скважины, м;
m мощность пласта, м;
U_п возможная конвергенция боковых пород при опорном горном давлении, м. 2. Тюбинговая крепь для углеспусков по п.1, отличающаяся тем, что кольцевые ребра жесткости металлических тюбингов выполнены в виде полусферических выступов и впадин в поперечном сечении с возможностью обеспечения фиксации тюбингов от радиальных перемещений и свободного смещения по окружности.