Рамная усиленная крепь Советский патент 1992 года по МПК E21D11/14 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано, при креплении горных выработок в процессе их сооружения и эксплуатации.

Известны конструкции рамной крепи горных выработок, состоящие из верхняка, соединенного с боковыми стойками в виде арки. Рамы устанавливают в горных выработках на расстоянии 0,5-1.2 м одна от другой и перекрывают затяжкой.

Недостатком известных конструкций рамной крепи является значительная их неравнопрочность при работе в условиях неравномерных нагрузок со стороны массива горных пород. Это обусловлено . что элементы конструкции крепи выполнены с одинаковым поперечным сечением, а при действии неравномерных нагрузок грузонесущая способность крепи исчерпывается на одном участке с наибольшими действующими напряжениями, тогда как остальная большая часть конструкции оказывается недогруженной. Следовательно, грузонесущая способность крепи предопределена работоспособностью ЛИШЬ одмрго участка, что приводит к нерациональному расходу материала крепи на малозагруженнь х элементах крепи.

Известна рамная крепь, включающая верхняк из прямолинейного элемента и арматурных стержней в виде шпренгелей. За счет натяжения шпренгелей создают предварительное натяжение верхняка.

Недостатки этой крепи - еложиость создания и дозировки предварительного напряжения верхняка, что требует проведения этих работ на поверхности, невозможность установки шг ренгеяей со стержнями и их натяжения на уже установленной в выработке крепи, неравномерность натяжения различных ветвей напрягающих элементов. Этр снижает эффективность усиления, приводит к повышению расхода материалов.

Известна также рамная арочная крепь из сгтецТ1рофиля, верхняк которой усилен напрягающей стяжкой, состоящей из двух ветвей и закрепленной с помощью скоб по обе стороны верхняка.

Недостатками этой конструкции являются сложность монтажа и осуществления предварительного напряжения крепи, загромождение поперечного сечения выработки, невозможность применения в выработках с электровозной контактной откаткой, высокая трудоемкостью недостаточна я эффективность усиления крепи, ненадежность работы стяжки в условиях агрессивной и влажной среды.

Наиболее близкой к предлагаемой является рамная крепь из спецпрофиля, которая снабжена элементом усиления, выполненным из отрезка желобчатого профиля, прикрепленного к верхняку винтовыми струбцинами, причем для создания предварительного напряжения на заданном участке крепи элемент усиления выполнен с кривизной, отличной от кривизны усиливаемого участка.

Недостатками такой конструкции крепи являются техническая сложность точного придания необходимой кривизны усиливающему элементу для обеспечения предварйтельного напряжения крепи, причем оказывается, что даже незначительная деформация верхняка в процессе его монтажа или эксплуатации крепи делает ггринципиально невозможным предугадать т ебуемую кривизну элемента усилия. Это значительно снижает эффективность усиления крепи и увеличивает тем самым ее материалоемкость. Кроме того, такое усилие крепи Сложно по конструкции из-за большого числа деталей, входящих в элемент усилия, и трудоемко при монтаже.

Целью изобретения является снижение материалоемкости и трудоемкости возведения крепи за счет повышения ее равнопрочности и упрощения элемента усиления.

Указанная цель достигается тем, что известная конструкция рамной усиленной крепи, содержа11|ая стойки и верхняк с прикрепленным к нему скобами предварительно напряженным элементом усиления, снабжена двумя опорными вставками, установленными между верхняком и элементом усиления, концы которого совмещены с участками нулевых изгибающих моментов крепи. Элемент усиления разделен по длине опорными вставками на равные части и подвергнут предварительному напряжению после монтажа рамы крепи, а его центр смещен от оси крепи на угол, равный углу

падения пород. Кроме того, с целью контроля предварительного напряжения крепи скобы, прикрепляющие элемент усиления к верхняку. снабжены разрезными пружинными шайбами, установленными под натяжНЫ6 гайки на скобах м оттарированными на усилие предварительного напряжения крепи, которое определяют по формуле

N 3WRr

55

где W - осевой момент сопротивления еерхняка.см ;

R - расчетное сопротивление материала верхняка на изгиб, кг/см ;

I - длина элемента усиления, см. На фиг. 1 показана рамная усиленная крепь, общий вид; на фиг. 2 - узел 1на фиг. 1; на фиг. 3 - сечение А-А на фиг. 2; на фиг. - эпюра моментов от внешней нагрузки на крепь; на фиг. & - эпюра разгружающих моментов в крепи от предварительного напряжения элемента усиления; на фиг. 6 суммарная результирующая эпюра моментов при эксплуатации крепи. Рамная усиленная крепь содержит стойки 1 и верхняк 2,прикрепленный к ним соединительным узлом 3. К верхияку 2 п эицреппем элемент 4 усиления, выполненный в виде отрезка спецпрофиля с помощью скоб 5, планок 6 и натяжных гаек 7. Между последними установлены разрезнь1е пружинные шайбы 8. Верхняк 2 и элемент 4 усиления взаимодействуют друг с другом через размещенные между ними две опорные вставки 9, например, из стальной полосы, которые разделяют элемент 4 усиления по длине на три равные части. С помощью элемента 4 усиления рама крепи после ее установки в выработке предварительно напряжена усилием, приложенным к скобам 5 и определяемым по формуле N 3WRr где W - осевой момент сопротивления сечения верхняка 2; R - расчетное сопротивление материала верхняка 2 на изгиб; I - длина элемента 4 усиления. Длина элемента 4 усиления равна расстояниюмежду участками крепи с нулевыми изгибающими моментами, где он и устанрвлен. В штреках центр элемента 4 усиления смещен от оси крепи на угол, равный углу падения « пород (при их пологом залегании). Рамная усиленная крепь работает следующим образом. В горной выработке устанавливают раму крепи, состоящую от стоек 1 и верхняка 2. На основании прогнозируемых параметров проявлений горного Давления (интенсивйость и направление действия внешней нагрузки q на крепь) определяют эпюру моментов, возникающих в раме крепи от давления горных пород, по ,которой определяют расположение протяженности и степень загруженности наиболее напряженных элементов и участков крепи. В конструкции крепи имеется наиболее .нагруженный участок крепи с максимальным моментом MI и менее нагруженные участки с экстремумами моментов М2 и Мз другого знака. Несущая способность крепи зависит от действующих изгибающих мрментов, так как роль нормальных и поперечных сил не превыщает5-10%. Поэтому усиление рамной крепи преследует цель снижения изгибающих моментов и увеличение осевого момента сопротивления сечения элементов во всей или на части конструкции. Из эпюры моментов (фиг. 4) определяют место установки и требуемую длину элемента 4 усиления, равную расстоянию между участками крепи с нулевыми изгибающими моментами, возникающими при смене знака эпюры моментов вдоль крепи. Элемент 4 усиления требуемой длины с помощью скоб 5, планок 6 и гаек 7 прикрепляют к верхняку 2, разместив между ними две опорные вставки 9 так, чтобы элемент 4 усиления был разделен по длине на три равные части. С помощью натяжных гаек 7 и размещенных под ними разрезных пружинных шайб 8 создают предварительное напряжение во всей конструкции крепи. Пружинные шайбы оттарированы на усилие предварительного напряжения, определяемое по формуле N 3WRr, где W - осевой момент сопротивления сечения верхняка 2; R - расчетное сопротивление г 1атериала верхняка 2 на изгибе; I - длина элемента усиления. Затяжку гаек 7 производят до полного сжатия разрезных пружиннь1х шайб 8. Усилия напряжения N (фиг. 5) передаются на верхняк 2 через скобы 5 и опорные вставки 9. Это приводит из-за статической неопределенности конструкции крепи к образованию эпюры разгружающих моментов по всему ее периметру. Разгружающие моменты противоположны по знаку моментам от внешней нагрузки, возникающим при эксплуатации крепи. В результате наложения этих эпюр результирующие моменты значительно уменьшены, что позволяет увеличить несущую способность конструкции крепи и снизить ее материалоемкость. Благодаря установке между верхняком . 2 и элементом 4 усиления опорных вставок 9 появляется возможность усиливать крепь в процессе ее эксплуатации, даже в случае некоторой деформации верхняка 2, обеспечивая заданную величину и распределение напрягающих усилий N и формируя строго определенную эпюру разгружающих моментов предварительного напряжения. Две опорные вставки 9 позволяют добиться наиболее оптимальной компенсации эпюры эксплуатационных моментов на участке установки элемента 4 усиления. Если устанавливать тодько одну вставку 9 между верхняком 2 и элементом 4 усилений, то эпюра разгружающих моментов формируется на этом участке в виде треугольника, что не соответствует близкой к параболической форме эпюре эксплуатационных моментов, а это снижает эффективность их компенсации, т.е. степень усиления крепи. Если установить больше двух опорных вставок 9 {три, четыре и т.д.), то распределение напрягающих усилий между опорными вставками 9 вдоль элемента 4 усиления становится неуправляемым из-за статической неопределимости такой системы взаимодействия элемента 4 с верхняком 2 и оказывается зависимой от случайных факторов (различие & толщине опорных ставок 9, местных деформаций и искривлений верхняка 2 и усиливающего элемента 4 и т.д.). Поэтому некоторые опорные вставки9 будут пережаты, а некоторое разгружены, что может совершенно исказить эпюру разгружающих моментов на участке усиления, а это снизит эффективность усилия крепи.

Благодаря тому, что опорные вставки 9 делят элемент 4 усиления на три разные части, достигают наиболее полной компен-. сации на этом участке эпюры эксплуатационных моментов, имеющей форму, близкую к квадратичной параболе: Образующаяся эпюра разгружающих моментов в виде правильной трапеции с соотношением оснований 1:3 наиболее полно способна компенсировать параболическую эпюру эксплуатационных моментов {см. фиг. 4 и 5). Это значительно увеличивает эффективность усиления крепи. Любое другое размещение опорных вставок 9 менее благоприятно для компенсации эксплуатационных моментов и приводит к увеличению результирующей эпюры моментов.

То, что концы Элемента 4 усиления совмещены с ненагруженмыми участками Эпюры эксплуатац1 онных моментов, позволяет наиболее полно совместить с ней эпюру разгружающих моментов от предварительного напряжения. Это способствует более эффективному повышению несущей способности крепи, исключает появление участков крепи, где эксплуатационные мо менты будут усилены разгружающими, т.е. возникновение опасности перенапряжения и разрушения элементов крепи. Поскольку нагружение крепи в штре-кообразных выработках происходит по нормали к напластованию пород, т.е. задано направление внешней нагрузки q в условиях отсутствия данных по прогнозируемым параметрам горного давления, при установке элемента 4 усиления его центр следует сместитьот вертикальной оси крепи Иа угол, равный углу падения пород. Длину элемента усиления в этом случае следует принять равной половине длины верхняка 2. Тем самым достигается усиление наиболее нагруженного участка рамной крепи, что способствует повышению ее несущей способности. Усилие N предварительного напряжения определяется из условия создания в верхняке2 предельного разгружающего момента на участке между опорными вставками 9, что дает верхнюю границу допустимого предварительного напряжения, исходя из прочности верхняка 2. Тем самыми на остальных участках крепи возникают максимальные разгружающие моменты, что способствует достижению максимальной эффективности усиления

0 конструкции крепи в целом. В процессе загружения крепи горным давлениемв элементе 4 усиления возникают пластические шарниры на участках установки опорных вставок 9, поэтому разгружающие моменты,

5 достигая своего предельного значения, в дальнейшем при работе крепи остаются постоянными, а сам элемент 4, несмотря на наличг51е пластических шарниров, сохраняет устойчивость благодаря тому, что нагруже0 ние со стороны скоб 5 силами N происходит в режиме, близком к жесткому, а сам элемент усиления закреплен в четырех точках. Если усилие предварительного напряжения создать в верхняке меньше N, то снизятся величины разгружающих моментов в крепи и не будет достигнута необходимая эффективность усиления.

Если усилие предварительного напряжения превышает N, то в верхняке материал

0 переходит в пластическую стадию деформирования, что затрудняет его дальнейшую эксплуатацию и повторное использование. Снабжение скоб 5 разрезными пружинными шайбами 8, оттарироаанными на

5 заранее заданное усилие, исключает ошибки при предварительном напряжении крепи и заметно упрощает его контроль в процессе эксплуатации. Кроме того, разрезные пружинные Шайбы 8 компенсируют неизбежные деформации ползучести скоб 5, постоянно растянутых усилиями N, что гарантирует постоянство предварительного напряжения во времени. Этому же способствует упругая деформация консоли элемента усиления на длине 1/3 от скобь 5 до опорной вставки 9. Таким образом, предлагаемая крепь характеризуется надежностью сохранения заданного предварительного напряжения, простотой его конструктивного исполнения, монтажа и эксплуатации элемента усиления, что способствует высокой эффективности повышения работоспособности крепи.

Предложенная конструкция рамной усиленной крепи проста в изготовлении и при установке, требует низких трудозатрат, характеризуется низкой материалоемкостью. Усиление крепи может производиться не только при ее возеедении, ко и в процессе ее эксплуатации, причем для усиления пригодны и рамы крепи с деформированным верхняком. Грузонесущая способность крепи при этом повышается в 2-2,5 раза, а материалоемкость снижается в 1,5-2 раза, значительно повышается надежность и работосгюсобность крепи; Экономическая эффекшвиость достигается за счет экономии дефицитного металла, сокращениячисла рам на единицу длины выработки в 1.5-2 раза, уменьшения трудозатрат на возведение крепм в 2-2,5 раза и стоимости крепления выработки в 1.3-1.5 раза, снижения расходов на ремоАт W перекрепления горных выработок, что в целом способствует улучшению технико-экономических показателей в шахтном и подземном строительстве.

Форму л а и 3 о бретени я 1. Рамная усиленная крепь, включающая стойки и верхняк, к которому скобами

присоединены элементы усиления из отрезков профиля, а также узлы соединения, о т л ича ющаяся тем, что, с целью снижения материалоемкости и трудоемкости возведения крепи за счет повышения ее равнопрочности и упрощения элемента усиления, последний снабжен двумя опорными вставками, размещенными между верхняком и отрезком спёцпрофиля, кромки которого совмещены с участками нулевых изгибающих моментов, возникающих в верхняке, при этом опорные вставки делят отрезок спецпрофиля на равные по длине части, а элемент усиления подвергнут предварительному напряжению, определяемому по формуле

N 3WRr

где W - осевой момент сопротивления сечения верхняка,

0

R - расчетное сопротивление на изгиб материала верхняка, кг/см ;

} - длина отрезка спецпрофиля, см.

2. Крепь по п. 1, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что скобы снабжены разрезными пружинными шайбами, установленными под натяжнь1ми гайками и оттарированными на усилие N предварительного напряжения крепи. Фаз

Изобретение относится к горному делу и мбжет быть использовано при креплении горных выработок в гтроцессе их сооружения и эксплуатации. Цель изобретения - снижение материалоемкости и трудоемко- стии возведения крепи за счет повышения ее равнопрбчности и упрощения элемента усиления. Для этого оснащают элемент двумя опорными вставками 9, которые устанав- лива^от между прикрепленным посредствомсоединительных узлов к боковым стойкам верхняком 2 и отрезк'ом спецпрофиля (СП) 4. Вставки 9 делят СП 4 на равные по длине части. К верхняку 2 СП 4 прикреплен с помощью скоб 5, планок 6 и натяжных гаек 1. Кромки СП 4 совмещены с участками нулевых изгибающих моментов в крепи. Между гайками 1 и планками 6 размещены от- тарированные на усилие N предварительного напряжения крепи разрезные пружинные шайбы 8. В процессе монтажа с помощью элемента усиления'путем затяжки гаек 7 и сжатия пружинных шайб 8 в раме крепи создается предварительное напряжение N ,= 3WRr\ где W - осевой момент сопротивления сечения верхняка 2, см ; R - расчетное сопротивление на изгиб материала верхняка, кг/см^; I - длина отрезка СП, см, которое приводит к образованию по всему периметру крепи разгружающих моментов и повышению ее несущей способности. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.слсФиг. 28^^сл о

М

Л2

ае 6