Крепь горных выработок Советский патент 1986 года по МПК E21D11/14 

1

Изобретение относится к горной промьшшенности и предназначается для крепления .горных выработок под- держиваемьпс в неустойчивых породах.

Цель изобретения - снижение затрат на изготовление крепи и улучшение режима ее работы путем повышения сопротивляемости боковым нагрузкам.

На фиГо1 изображена, крепь горной выработки, поперечное сечение; на фиг.2 - узел I на фиг,1; на фиг.З - разрез А--А на фиг.1; на фиг,4 - расчетная схема взаимодействия стопорной стенки известной опорной плиты при ее внедрении в почву до скола породной призмы; на фиг,5 то же, после скола породной призмы; на фиг,6 - зависимость глубины внедрения стопорных стенок от прочности породы на сжатие в известном изобретении (кривая 1 - 0 100 кН, кривая 2 - Q, 200 кН,, кривая 3 - Q 300 кН); на фиг.7 - известный механизм деформирования стопорной стенки опорной плиты при воздействии вертикальной и боковой нагрузок первая стадия; на фиг.8 - то же, вторая стадия; на фиг,9 - то же, третья стадия; на фиг.10 - то же, четвертая стадия; на фиг.11 - расчетная схема взаимодействия предлагаемой опорной плиты с породами почвы выработки до скола породной призмы; на фиг.12 - то же, после скола породной призмы.

Крепь имеет рамы из спецпрофиля, состоящие из стоек 1, верхняка 2, узлов 3 податливости, съемных опорных плит 4 и затяжек 5.

Съемная опорная плита содержит упор 6, ограничитель 7 и стопорную стенку 8, выполненную в виде дуги.

Рамную крепь устанавливают следующим образом.

На почве выработки укладывают опорные плиты 4, повернутые стопорной стенкой 8 вниз и к центру выработки. На плитах устанавливают стойки 1 крепи с последующим закреплением верхняка 2 посредством уз-. ла 3 податливости. Положение стойки на опорной плите фиксирует упор 6 и ограничитель 7. Затем укладывают по контуру крепи затяжки 5 и забучивают закрепное пространство,, При погашении выработки крепь совмест098852

но с опорными плитами извлекается для повторного использования.

Предлагаемая крепь работает следующим образом.

J Стойки 1 совместно с опорными плитами 4 псд воздействием смещающихся во внутрь выработки породных стенок нагружаются, сопротивляясь этим смещениям посредством

10 стопорных стенок, внедренных в породы почвы и, когда боковая нагрузка превьшает сопротивление породной призмы сколу, происходит ее скол с одновременным осуществлением боко 5 вой податливости стойки и.снижением действующей на нее боковой нагрузки. При этом реакция стойки рамы с опорной плитой ограничивает интенсивность смещения пород в выработку,

20 предотвращая их расслоение и обрушение. В такой последовательности происходит противодействие рамы боковым нагрузкам до полного затухания смещений боковых пород. При

25 этом устойчивость крепи и выработки в целом повьшается.

Аналитическое обоснование эффективности, режимов работы опорных плит по известному и предлагаемому тех30

ническим решениям с разработкой

метода расчета оптимальных значении параметров стопорной стенки.

Одним из главных требований, предъявляемых к крепи горных выработок в целом и к отдельным ее элементам, является равнопрочность конструкции, что обуславливает минимальную материалоемкость при максимальной несущей способности в конкретных горно-геологических условиях.

С этой точки зрения необходимо провести сравнение предлагаемого и известного конструктивных решений опорной плиты, как существенного элемента крепи, эксплуатируемой в условиях неустойчивых пород.

Рассмотрим известный механизм взаимодействия варианта опорной плиты с породами почвы выработки. Под действием силы Q (фиг.4), характеризующей вертикальную составляющую нагрузки на стойку рамной крепи, стопорная стенка (вследствие симметрии конструкции известной опорной плиты рассматривается работа одной стопорной стенки) опорной плиты стремится внедриться в породы почвы и тем самым сопротивляется с силой Q боковым нагрузкам. Внед

рению стопорной стенки препятствуют также нормальная сила Р, действующая на ее торце, и касательные напряжения трения от действия нормальных напряжений 6 , появляющихся при деформировании породы в процессе внедрения в нее стопорной стенки Максимальная величина напряжений б гло.х. определяется условием скола породной призмы ABC (фиг,4),

ern cosQ -c+6 siu&:K, (1)

где с - сцепление породы;

Y - угол внутреннего трения

породы;

- угол скола породной призмы. При этом возможны два случая внерения стопорной стенки: без скола призмы и со сколом призмы в верхней части.

Для случая внедрения стопорной стенки без скола призмы

2с

COS P-7 fgЧ TcOS f-sTn fJ

Величина складывается из двух составляющих: напряжений от деформирования породы при внедрении стопорной стенки и от действия бокового усилия Q, Первую составляющую можно принять равной пределу прочности породы на сжатие ос , поскольку деформации при внедрении развиваются весьма значительные; при этом около стопорной стенки образуется некоторый слой разрушенной породы. Вторая составляющая равна

5 2ah

(3)

где h - глубина внедрения стопор ной стенки в породу; бт - напряжение от действия бокового усилия Qi; а - ширина опорной плиты. Из вьфажений (2) и (3) определяется максимально допустимое значение бокового усилия, которое способна выдержать породная призма без скола:

л

fQl)ax 2 h ------j - ------j--y -е.ж .(4)

Анализ выражения (4) показывает, что внедрение стопорной стенки без скола породной призмы возможно толь2098854

ко для весьма ограниченной группы пород, характеризующейся большим сцеплением и малой прочностью на сжатие. В подавляющем же болыпинст- 5 ве случаев происходит скол призмы. . Но по мере развития этого процесса увеличивается длина АВ плоскости наименьшего сопротивления (фиг,4) и, следовательно, увеличивается JO сопротивление породы сколу. Поэтому максимальная допустимая сопротивляемость породной призмы сколу возрастает и определяется по формуле

15 QA

r-2ah -5 h + h

cos f - /2 t f (cosy- л (т ч)

-ли /J J

(5).

где hp - высота начального разрушения породной призмы. 20 Глубина внедрения h стопорной стенки в породу рассчитывается по формуле

)

-siv nlt-).

где S - толщина стопорной стенки;

ftp - коэффициент трения металла о породу,

30 Как видно из расчетов, глубина внедрения h зависит от ряда параметров и прежде всего от вертикальной нагрузки на крепь Q и прочности пород почвы на сжатие. На фиг.6 при35 ведены графики зависимости h от. Q и сж. для варианта известной опорной плиты шириной а 0,2 м и толщиной стенки 5 0,8v10 м, из которых видно, что в породах с коэффициен40 том крепости 1 (по шкале проф. М.М.Протодьяконова) глубина внедрения h не превьш1ает нескольких сантиметров (для упрощения расчетов в известном изобретении принято вер45 тикальное положение стопорной стенки) ,

Поэтому за исключением весьма слабых пород стопорные стенки внедряются в породу не на полную их

50 длину и горизонтальная часть плиты не контактирует с породой и не сопротивляется боковым нагрузкам посредством сил ее трения о породу, а вся нагрузка передается на стопор-

стенки (фиг.5). Тогда максимальное сопротивление Q стопорной стенки изгибу от действия боковой нагрузки определяется по формуле

г (7)

6, аб 3(TphT

где 1 - высота известной стопорной стенки, и изменяется при 1 я 0, м в пределах 5-20 кН„

Однако в условиях большого бокового давления (100-200 кН) этого сопротивления явно недостаточно,, Поэтому в таком случае происходит изгиб стопорной стенки, который ускоряет также вертикальная нагрузка Q;, .

На фиг,7-10 показаны отдельные стадии деформирования стопорной стенки: под действием нагрузок Q/i и Qi стопорная стенка изгибаясь, повторяет профиль породного уступа .выходит из защемления и, в конечном итоге,, занимает положение параллельно горизонтальной части опорной плиты. При этом сопротивление Q определяется силами трения и для рамной крепи-из спецпрофиля с несущей способностью 300-350 кН при коэффициенте трения пород Западного Донбасса по металлу ftp 0, составляет порядка 60 кН.

Таким образом, если породный уступ обладает значительным сопротивлением боковым нагрузкам (100- 200 кН и более) при большой глубине заглубления в соответствии с форму

simxrQ.iSih(c.-ahcsih

2 ft

8.

в несколько раз больше чем в варианте известной опорной плиты.

Сопротивление опорной плиты боковому давлению, как и в известном случаеJ рассчитывается по цвум условиям: по сколу породной призмы и , по изгибу стопорной стенки.

Qi.Glif,,

H..t,Y)cos(..-a.csi.,- f-)-K-f- )---4f-)

показывают, что с уменьшением h при постоянном углео(, т,е, при постепенном сколе верхних слоев призмы,

лой (5), стопорные стенки ввиду описанного процесса их внедрения, связанного с их конструктивным не- совершенством, не выдерживают высоких боковых нагрузок, т.е. имеет место неравнопрочность системы опорная плита - порода и как следствие, низкая эффективность работы

опорной плиты.

Устранить этот недостаток можно двумя путями: либо увеличить толщину стопорных стенок, что приводит к повьшению металлоемкости опорной

плиты, либо изменить их форму. Более целесообразным является второй ггутъ, заключающийся в тоМр что стопорной стенке (одной в предлагаемом варианте вместо двух в известном)

придана форма дуги (фиг,11), центральный угол оС и радиус г которой определяются по условию равнопроч- ности системы опорная плита - порода. Внедряясь в почву, стопорнаястенка скалывает определенной высоты призму и заглубляется на величину h в породу. При этом следует отметить, что процессу заглубления стопорной стенки способствует .не только вертикальная (как в известном случае), но и боковая нагрузка, в связи с. чем максимальная глубина внедрения, рассчитывается по формуле

(г, cos(c.-afcsiH )

if,nffi

..,

(8)

На величину сопротивления Q по условию скола породной призмы оказывает влияние ряд факторов, к числу которых относится и величина заглубления h. Расчеты по формуле пре- дельного состояния породной призNtbl ,

C(1-COSO(.)

сж5-т(-)

сопротивление Q. увеличивается. Это обусловлено тем, что уменьшается площадь контакта породы со стопорной стенкой, по которой действуют сдвигающие усилия б. . Максимальное

,f™P +

Hj-f)--(f-)(±)

сопротивление Q породной призмы

((-COSOC)

Сопротивление Qi по условию изгиба стопорной стенки определяется по следующей формуле:

а,--АА 5±.

brC-l-coso)

S a

1

Ui- -rsinut I г(1-со5С)

Ъ sih -aL

.

.

(10

Эти зависимости имеют противоположный характер изменения по отношени к с( „Если по условию скола породной примы (имеются ввиду породные призмы небольшой толщины, показанные штриховой линией на фиг.12) с увеличением 0 возрастает Q,j, -то по условию изгиба стопорной стенки имеет место обратная зависимость. Максимальное сопротивление Q, определяется совместным решением формул (9) и (10), в результате чего получается уравнение, оптимизирующее параметры сто .порной стенки:

с (1 - cosoc)

На-)--(-1)И ЧтЧ)

1Г.

бУс

6И (l-coso(.)

.4

Q Sih сС Г sihoL., 1

.

Q, (O.,) 5(-coSot)

По такому принципу проведены расчеты оптимальных с точки зрения максимального сопротивления Ог /значений угла о(. для различных, радиусов г изгиба стопорной стенки применительно к наиболее характерным породам Западного Донбасса крепостью 1-4,

(f-)(±)

сопротивление Q при полном сколе породной призмы (фиг,12) равно

((-COSOC)

(9)

Анализ результатов показал еле дующее.

С увеличением радиуса изгиба стопорной стенки при постоянном 0 увеличивается сопротивление Qj. Од нако это увеличение незначительно. Например, при изменении радиуса от 5 до 15 см при коэффициенте крепости пород f 1 сопротивление возрастает всего на 24,8%, а металлоемкость стопорной стенки увеличивается на 113,5%. Для пород с другой крепостью наблюдается аналогичная картина. Поэтому для уменьшения металлоемкости стопорного элемента целесообразно радиус его закругления принять равным 5 см, а значение центрального угла ot оптимизировать для разных пород.

Полученные оптимальные значения стопорной стенки приведены в таблице.

f оС.град Qt, кН

(11)

Из таблицы видно, что величина сопротивления боковым нагрузкам предлагаемой опорной плиты гораздо вьшзе (в 1,7-3 раза), чем в известной конструкции, что предопределяет ее высокую эффективность в работе.

Y/y /// /// // : // / /////////// Фиг. /

Фиг. г

Фиг.:

6,т

/7777/

фиг.9

Фиг.8

QZ

г

/// / /// /7////

Фиг. W

S,

k

/

at

фиг. ff

-4-

QI

Qfrp

чХЧЧХХХУчХХХЧЧЧХХХХХХХХХЧУу:

ГГП Н I М и М ГМ t

г

IpHt fZ

ВНИШШ Заказ 482/43 Тираж 470 Подписное Филиал ШП Патент, г.Ужгород, ул.Проектная, 4