КРЕПЬ ДЛЯ ОХРАНЫ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК Российский патент 1998 года по МПК E21D11/00 E21D11/08 

Изобретение относится к горнодобывающей промышленности, а именно к крепям для охраны подготовительных выработок при бесцеликовой технологии обработки пологих угольных пластов.

Известна крепь для охраны подготовительных выработок, включающая железобетонные блоки с податливыми элементами, уложенные друг на друга с образованием вдоль выработки охранной полосы, причем каждый блок имеет в средней части выступ и выемки, а податливые элементы - форму ребер и расположены с двух сторон от выступа, при этом выступ выполнен на нижней грани блока, а выемки - на сопряжении верхней грани с двумя противоположными боковыми гранями и выполнены глубиной, большей высоты выступа на величину податливости ребер, причем блоки вдоль охранной полосы ориентированы выемками навстречу друг другу, а выступы размещены в смежных выемках [1].

Недостатком данной крепи является сложность конфигурации блоков, необходимость взаимоувязки соседних блоков и соседних рядов, что практически трудно осуществимо при невыдержанной мощности и волнистой почве пласта.

Известна крепь для охраны подготовительных выработок, выполненная в виде труб, состоящих из уложенных друг на друга отдельных железобетонных блоков и податливых элементов, причем рабочие стороны каждого блока имеют выемки в виде канавок, а податливые элементы выполнены в виде отдельных прокладок, высота которых больше глубины выемок на величину податливости прокладок, причем выемки смежных блоков в тумбах ориентированы во взаимно перпендикулярных плоскостях, а податливые прокладки установлены между выемками смежных блоков в тумбе и смежными блоками отдельных тумб [2].

Недостатком известной крепи являются значительные трудозатраты на возведение охранной полосы, обусловленные многооперационностью монтажных работ из-за сложности конструкции тумб, образующих охранную полосу. Так, кроме укладки блоков друг на друга с ориентированием их выемок во взаимно перпендикулярных плоскостях, необходимо размещать податливые элементы как между смежными блоками, так и между смежными тумбами охранной полосы.

Использование в качестве податливых элементов деревянных прокладок, являющихся дефицитным материалом, дополнительно требует увеличение трудовых затрат на их доставку в шахту, а затем к месту возведения охранной полосы.

Кроме того, выполнение тумб охранной полосы из разнородных материалов - блоков из железобетона, податливых элементов из дерева, имеющего не стабильное деформационные характеристики, не обеспечивает передачу действующих на них нагрузок по всей площади блоков, что приводит к неравномерному распору крепи. При повышении нагрузок на крепь, когда деревянные прокладки исчерпают податливость, происходит разрушение блоков из-за возрастания концентрации напряжений в местах сопряжения продольных и поперечных выступов смежных блоков. В конечном итоге реакция крепи при больших нагрузках снижается, что влечет к снижению несущей способности крепи, а следовательно, снижению эффективности поддержания охраняемой выработки.

В основу изобретения поставлена задача повысить эффективность работ по возведению крепи для охраны подготовительной выработки за счет упрощения монтажных операций и сокращения при этом трудовых и материальных затрат, а также повысить надежность поддержания охраняемой выработки при обеспечении требуемой податливости крепи для заданной мощности пласта.

Поставленная задача достигается тем, что в крепи для охраны подготовительных выработок, выполненной в виде охранной полосы, состоящей из отдельных блоков, уложенных друг на друга рабочими сторонами, согласно изобретению каждый блок выполнен составным из двух одинаковых элементов, одна из сторон каждого элемента блока, являясь рабочей, представляет собой плоскую поверхность, а другая сторона, противоположная этой рабочей стороне, выполнена в виде рельефной поверхности, имеющей выемки полукруглые в сечении, ориентированные перпендикулярно одной из пар боковых сторон элемента блока и отстоящие друг от друга на расстоянии, равном диаметру выемки, с образованием выступов между упомянутыми выемками, причем крайние выемки элемента блока выполнены сечением, равным половине сечения каждой из выемок, расположенных между этими крайними выемками, при этом элементы в блоке совмещены друг с другом сторонами, имеющими выемки и выступы так, что выемки одного элемента расположены соосно с выступами другого элемента с обеспечением возможности зацепления выемка - выступ при проявлении горного давления и последующего перемещения их в направлении, перпендикулярном плоской поверхности элементов блока, с образованием податливого соединения, воспринимающего нагрузку со стороны горного массива, причем число блоков h_б по высоте охранной полосы подбирают из соотношения:

где
K_под - коэффициент податливости крепи, доли единицы:
ε - относительная деформация упругого сжатия для материала блока, доли единицы;
m -мощность пласта, м;
π - математическая постоянная, равная 3,14;
K_p - коэффициент остаточного разрыхления материала блока, доли единицы;
R - радиус выемки в элементе блока, м;
с возможностью возведения охранной полосы требуемой податливости для заданной мощности пласта.

В сравнении с известным уровнем техники заявляемое изобретение за счет передачи функции податливости непосредственно блокам исключает необходимость применения податливых элементов, упрощает в связи с этим выполнение монтажных работ, снижает расход материалов и трудоемкость работ по сооружению крепи в виде охранной полосы, что в свою очередь позволяет повысить эффективность работ по возведению охранной полосы при обеспечении требуемой податливости для заданной мощности пласта.

При этом собственно процесс возведения крепи в виде охранной полосы состоит в укладке друг на друга блоков рабочими сторонами, каждый из которых выполнен из двух одинаковых элементов, т.е. процесс укладки более технологичен и прост из-за уменьшения количества элементов в заявляемой крепи.

Благодаря выполнению каждого элемента блока предлагаемой конструкции, а именно, одной стороны, являющейся рабочей, в виде плоской поверхности, а другой противоположной стороны в виде рельефной поверхности, состоящей из выемок полукруглых в сечении и расположенных между ними выступов, обеспечивается возможность образования блока со свойствами податливости. Причем податливость блока такой конструкции достигается за счет того, что соединение элементов в блок осуществляют сторонами, имеющими выступы и выемки, и выполняют таким образом, чтобы выемки одного элемента были расположены соосно выступам другого элемента, тогда при проявлении горного давления происходит внедрение выступов в выемки вследствие их полукруглого сечения по принципу нарастающего сопротивления с образованием зацепления в виде "выступ - выемка" и таким образом податливого соединения, воспринимающего нагрузку со стороны окружающих пород.

Несмотря на то, что выполнение выемок полукруглых в сечении известно из прототипа [2], но в заявляемом изобретении этот признак способствует обеспечению податливости блока, а в прототипе блоки вообще не податливы. Податливость крепи по прототипу достигается за счет размещения деревянных прокладок между выемками смежных блоков. По мере исчерпания податливости этих прокладок блоки продолжают сжиматься за счет их разрушения между выемками, переходя в конечном итоге на жесткий режим работы.

Чтобы обеспечить требуемую податливость заявляемой крепи для конкретных горногеологических условий, число блоков n_б подбирают из соотношения

где
K_под - коэффициент податливости крепи, доли единицы;
ε - относительная деформация упругого сжатия для материала блока, доли единицы;
m - мощность пласта, м;
π - математическая постоянная, равная 3,14;
K_p -коэффициент остаточного разрыхления материала блока, доли единицы;
R - радиус выемки в элементе блока, м.

Подбор числа податливых блоков из вышеприведенного соотношения позволит улучшить характеристику крепи, а значит и надежность поддержания выработки.

Выполнение выемок и одинаково с ними направленных выступов перпендикулярно одной из пар боковых сторон элемента блока позволяет ориентировать блоки на месте их установки выступами (выемками) либо вдоль выработки, либо поперек ее в зависимости от типа вмещающих пород, угла падения и мощности пласта, что расширяет диапазон применимости крепи.

Наличие по краям каждого элемента выемок сечением, равным половине сечения выемок, размещенных между крайними выемками, позволяет взаимоувязать блоки вдоль выработки в сплошную охранную полосу путем стыковки смежных блоков в каждом ряду, крайними выемками. Такое соединение блоков увеличивает устойчивость охранной полосы и соответственно эффективность поддержания выработки.

Из сказанного следует, что блоки предлагаемой конструкции имеют новые свойства, описанные выше, которые не присущи прототипу [2]. Охранная полоса, возведенная из блоков предлагаемой конструкции, надежно охраняет подготовительную выработку от обрушения вмещающих пород за счет равномерного сжатия блоков в местах их разъема во всех слоях блоков охранной полосы.

Таким образом, уменьшение количества элементов в конструкции крепи за счет исключения податливых элементов (деревянных прокладок), передача функции податливости крепи непосредственно блокам, упрощение монтажных работ при возведении охранной полосы позволили сократить трудовые и материальные затраты в целом на возведении крепи, а обеспечение требуемой податливости крепи для заданной мощности пласта выработки, т.е. достигнут технический результат, который явным образом не следует из сведений об известном уровне техники и поэтому изобретение имеет изобретательский уровень.

На фиг. 1 показан блок, вид в изометрии; на фиг. 2 - элемент блока, вид в изометрии; на фиг. 3 - охранная полоса из блоков, выемки и выступы которых ориентированы вдоль полосы; на фиг. 4 - по стрелке A фиг. 3; на фиг. 5 - участок охранной полосы, выемки и выступы блоков которой ориентированы по ширине охраняемой выработки.

Крепь для охраны подготовительных выработок в виде сплошной охранной полосы 1 выполнена из отдельных блоков 2, укладываемых друг на друга. Блок 2 выполнен составным из двух одинаковых элементов 3 (фиг. 1, 2). Одна из сторон 4 каждого элемента 3 является рабочей и представляет собой плоскую поверхность, а другая сторона 5, противоположная рабочей стороне 4, выполнена в виде рельефной поверхности, имеющей выемки 6 полукруглые в сечении. Выемки 6 элемента 3 ориентированы перпендикулярно одной из его пар боковых сторон 7 и отстоят друг от друга на равном расстоянии, которое соответствует диаметру d_в выемки 6.

Между выемками 6 расположены одинаково с ними направленные выступы 8. Причем по краям элемента 3 выполнены выемки 9, сечение которых равно половине сечения выемки 6.

При сборке двух элементов 3 в блок 2 их совмещают друг с другом рельефными сторонами 5, имеющими выемки 6 и выступы 8, таким образом, чтобы выемки 6 одного элемента были расположены соосно выступам 8 другого смежного элемента 3 с обеспечением возможности образования "выемка-выступ". При этом после состыковки двух элементов 3 в блок 2 их боковые стороны 7, имеющие крайние выемки 9, не совпадают, а смещены относительно друг друга на величину, равную диаметру d_в выемки 6.

Для обеспечения крепи требуемой податливости в зависимости от мощности пласта подбирают число блоков n_б по высоте охранной полосы 1 из соотношения

где
K_под - коэффициент податливости крепи (доли единицы), величину которого в зависимости от горно-геологических условий принимают в соответствии с рекомендациями Указаний по рациональному расположению, охране и поддержанию горных выработок на угольных шахтах СССР (Л, ВНИМИ, 1986 г.);
ε - относительная деформация упругого сжатия для материала блока (доли единицы), определяется экспериментальным путем, в лабораторных условиях;
m - мощность пласта, м;
π - математическая постоянная, равная 3,14;
K_p - коэффициент остаточного разрыхления материала блока (доли единицы), определяется экспериментальным путем в лабораторных условиях;
R - радиус выемки элемента блока, м.

При этом блоки могут быть изготовлены из любого твердого материала, обеспечивающего малый их вес, небольшой расход цемента и требуемую податливость. Таким требованиям отвечает материал, например, золобетон.

При возведении крепи для создания охранной полосы 1 вдоль выработки блоки 2 могут быть установлены с ориентированием выступов 6 и выемок 8 элементов 3 либо вдоль выработки, как показано на фиг. 3 и 4, либо с поворотом их на 90^o, т.е. по ширине охраняемой выработки, как показано на фиг. 5. Указанное ориентирование выемок и выступов блоков 2 относительно выработки зависит от конкретных горно-геологических условий, т.е. от типа вмещающих пород, мощности и угла наклона пласта. Исходя из этих условий количество блоков по высоте охранной полосы определяют из соотношения (I).

Так, в случае необходимости укладки блоков 2 в охранной полосе 1, как показано на фиг. 3 и 4, на почву пласта этой выработки со стороны выработанного пространства вначале укладывают элемент 3 плоской рабочей стороной 4, а затем сверху него помещают второй элемент 3 стороной 5, имеющей выемки 6 и выступы 8, так, чтобы выемки 6 уложенного на почву элемента 3 были соосны с выступами 8 укладываемого элемента 3. Аналогично собирают остальные блоки 2 из элементов 3 по всей высоте охранной полосы 1, а укладку их друг на друга осуществляют рабочими сторонами 4 этих элементов 3. Но поскольку боковые стороны 7 двух элементов 3 каждого блока 2 оказываются не совмещенными по высоте блока, это способствует самоуравновешиванию всех блоков 2 и увязки их по высоте охранной полосы 1.

Установку следующего расчетного количества блоков 2 по длине охранной полосы 1 осуществляют впритык к боковым сторонам 7 ранее уложенных блоков 2 с ориентированием выемок 6 и выступов 8 элементов 3 навстречу друг другу. В результате по мере возведения охранной полосы 1 вдоль нее образуются сквозные каналы из совмещенных по длине полосы 1 выемок 6, которые совместно с выступами 8 обеспечивают послойную и равномерную податливость крепи при проявлении горного давления.

При возникновении необходимости установки блоков 2 с ориентированием выемок 6 и выступов 8 элементов 3 в охранной полосе 1 по ширине выработки (фиг. 5) принцип состыковки элементов 3 в блоки 2 по высоте полосы 1 с образованием соединения "выступ - выемка" аналогичен вышеописанному, но вдоль охранной полосы 1 в каждом слое блоков 2 укладываемые элементы 3 приставляют боковыми сторонами 7, имеющими крайние выемки 9, к ранее уложенным элементам 3 так, чтобы эти крайние выемки 9 образовали полную выемку 6, поскольку при формировании блоков 2 из элементов 3 предлагаемой конструкции не происходит совмещения их боковых боковых сторон 7. Таким образом производят послойную укладку блоков 2 из элементов 3 на всю мощность пласта со смещением блоков 2 относительно друг друга по высоте охранной полосы 1, что позволяет повысить устойчивость конструкции крепи, а значит и надежность поддержания охраняемой выработки, особенно если действие сил со стороны окружающих пород отклонено от нормали к плоской поверхности элементов 3.

Охрану выработки с помощью блоков предлагаемой конструкции осуществляют следующим образом.

По мере опускания пород кровли пласта охранная полоса, образованная из блоков 2, испытывает сжимающие вертикальные нагрузки. Так как выемки одного элемента расположены соосно с выступами 8 другого элемента 3, от действия сил сжатия происходит перемещение выемок 6 и выступов 8 относительно друг друга в направлении, перпендикулярном плоской поверхности элементов 3 блока 2. За счет этого происходит податливость крепи.

При дальнейшем увеличении нагрузок выступы 8 испытывают нарастающее сопротивление внедрению в местах их взаимодействия с выемками 6 вплоть до разрушения, а за счет этого блоки 2 продолжают сжиматься, обеспечивая таким образом отпор крепи действующим на нее вырастающим нагрузкам.

По мере разрушения выступов 8 происходит заполнение выемок 6 разрушаемым материалом, который в дальнейшем уплотняется, продолжая обеспечивать податливость крепи. Далее после окончательного уплотнения разрушенного материала реакция крепи на действующие нагрузки снижается и она постепенно переходит в жесткий режим работы.

Таким образом, при работе крепи в виде охранной сплошной полосы блоки предложенной конструкции, из которых сооружена охранная полоса, независимо от направления ориентирования выемок и выступов этих блоков относительно выработки, образуют податливую систему, способную воспринимать нагрузку со стороны окружающих выработку пород, а это позволяет отказаться от применения податливых элементов, а также обеспечить повышенную надежность поддержания охраняемой выработки при сохранении требуемой податливости крепи для заданной мощности пласта.

Источники информации
1. Авт.св. СССР N 1511408, кл. E 21 D 11/00, 1988.

2. Авт.св. СССР N 1262048, кл. E 21 D 11/08, 1985 (прототип).

Изобретение относится к горному делу и может использоваться при креплении выработок. Крепь в виде охранной полосы состоит из отдельных блоков, уложенных друг на друга рабочими сторонами. Каждый блок выполнен из двух одинаковых элементов, рабочие стороны которых имеют плоскую поверхность, а противоположные - рельефную, имеющую полукруглые в сечении выемки и выступы. Выемки одного элемента расположены соосно с выступами другого с обеспечением возможности зацепления с образованием податливого соединения. Изобретение позволит повысить эффективность работ по возведению крепи для охраны подготовительной выработки. 5 ил.

Крепь для охраны подготовительных выработок, выполненная в виде охранной полосы, состоящей из отдельных блоков, уложенных друг на друга рабочими сторонами, отличающаяся тем, что каждый блок выполнен составным из двух одинаковых элементов, одна из сторон каждого элемента, являясь рабочей, представляет собой плоскую поверхность, а другая сторона, противоположная этой рабочей стороне, выполнена в виде рельефной поверхности, имеющей выемки полукруглые в сечении, ориентированные перпендикулярно одной из пар боковых сторон элемента блока и отстоящие друг от друга на расстоянии, равном диаметру выемки, с образованием выступов между упомянутыми выемками, причем крайние выемки элемента блока выполнены сечением, равным половине сечения каждой из выемок, расположенных между этими крайними выемками, при этом элементы в блоке совмещены друг с другом сторонами, имеющими выемки и выступы, так, что выемки одного элемента расположены соосно с выступами другого элемента с обеспечением возможности зацепления выемка - выступ при проявлении горного давления и последующего перемещения их в направлении, перпендикулярном плоской поверхности элементов блока, с образованием податливого соединения, воспринимающего нагрузку со стороны горного массива, причем число блоков n_б по высоте охранной полосы подбирают из соотношения

где K_под - коэффициент податливости крепи, доли единицы;
ε - относительная деформация упругого сжатия для материала блока, доли единицы;
m - мощность пласта, м;
K_р - коэффициент остаточного разрыхления материала блока, доля единицы;
R - радиус выемки в элементе блока, м,
с возможностью возведения охранной полосы требуемой податливости для заданной мощности пласта.