Способ предварительного напряжения рамной крепи Советский патент 1992 года по МПК E21D11/14 

У,М МГМ.Г

Изобретение относится к горной промышленности им.б. использовано при креплении капитальных и подготовительных горных выработок. Цель изобретения - повышение несущей способности и снижение материалоемкости крепи. Перед монтажом крепи методом прогнозирования проявления горного давления в выработках определяют внешнюю нагрузку на крепь. В зависимости от ее величины и направления выбирают верхняк (В) 2 определенного радиуса кривизны. При этом радиусы кривизны В 2 определяются по формуле, приведенной в описании. Затем путем установки боковых стоек 1 крепления к ним при помощи соединительных узлов 3 В 2 определенного радиуса кривизны производят монтаж крепи. При этом под действием приложенных в соединительных узлах 3 пар сил N в В 2 создаются предварительные напряжения. При взаимодействии с окружающим массивом в крепи под действием внешней нагрузки возникают изгибающие моменты, которые компенсируются изгибающими моментами предварительно напряженной крепи. Это позволяет значительно увеличить несущую способность крепи, не увеличивая ее массу. 2 ил. (Л с

ч

00

со

4

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при креплении капитальных и подготовительных выработок шахт.

Известен способ усиления сборной же- .лезобетонной крепи для капитальных горных выработок, верхняк которых усилен установкой металлической шпренгельной стяжки.

Недостатком этого способа является громоздкость и сложность конструкции, воздействие шпренгельной стяжки только на один элемент крепи (верхняк), возможность изготовления верхняка только в заводских условиях, невозможность управлять напряженным состоянием остальных элементов крепи (стоек), что оставляет их грузонесущую способность неизменной и тем самым ограничивает грузонесущую способность крепи в целом.

Известен способ усиления стальной арочной крепи установкой стяжки, на которую монтируют узлы податливости, разделяющими каждую ветвь на две тяги, а между тягами устанавливают распорку.

Однако данный способ усиления рамной крепи, как показывает опыт его внедрения на шахтах, предполагает сложный монтаж стяжки на крепь, напряжение стяжки требует постоянного возобновления в процессе ее эксплуатации, усиление стяжкой не может быть применено в выработках с контактным проводом, а повышение гру- зонесущей способности не достаточно эффективно из-за падения натяжения в стяжке.

Наиболее близким по технической сущности является способ управления усилиями в стальной арочной крепи, согласно которому на раме крепи монтируют элемент усиления в виде отрезков желобчатого спецпрофиля, причем с целью создания предварительного напряжения в крепи со знаком, противоположным знаку напряжений, вызванных нагрузкой, элементу усиле- ния придают кривизну, отличную от кривизны усиливаемого участка.

Недостатками такого способа усиления рамной крепи является значительная материалоемкость из-за расхода стального проката на изготовление элемента усиления, недостаточное повышение грузонесущей способности из-за ограничения на длину усиливающего элемента, что обусловлено необходимостью обеспечить требуемый запас податливости крепи.

Целью изобретения является повышение несущей способности и снижение материалоемкости крепи.

Указанная цель достигается тем, что согласно способу предварительного напряжения рамной крепи, включающему монтаж крепи в выработке путем установки стоек,

закрепление на них верхняка с помощью соединительных узлов и создание в крепи предварительного напряжения, предварительное напряжение создают при монтаже крепи в процессе закрепления верхняка на

стойках путем приложения в соединительных узлах разгружающих моментов, для чего верхняк и стойки изготавливают с разными радиусами кривизны и при закреплении верхняка на стойках эту разницу в

радиусах кривизны выбирают в процессе установки и натяжения соединительных узлов, придавая им тем самым функции напря- гающего устройства, причем радиус кривизны верхняка выполняют отличающимся от радиуса кривизны стойки на величину, определяемую по формуле

гв гс(1 ±kMMrcE 1r1)1,

где гв, гс - радиусы кривизны соответственно верхняка и стойки, м;

М - момент предварительного напряжения крепи, Н -м;

км - коэффициент перерасределения

разгружающего момента между верхняком и стойкой;

Е - модуль упругости материала крепи, Н/м2;

I - момент инерции профиля, м ,

а знак - в формуле берут для случая загру- жения крепи преобладающей нагрузкой сверху, тогда как знак + - при нагружении крепи с боков выработки.

Указанные соотношения радиусов кривизны верхняка и стоек крепи и процесса создания предварительного напряжения при монтаже крепи путем затягивания соединительных узлов, которые одновременно выполняют функции напрягающего устройства, позволяющего выбрать разницу в радиусах кривизны верхняка и стоек, обеспечивают предварительное напряжение во всех элементах крепи, что компенсирует напряжения от нагрузки на крепь со

стороны пород.

На фиг. 1 представлена стальная рамная податливая крепь для двух случаев за- гружения: слева от осевой линии вертикальной нагрузкой, а справа - горизонтальной нагрузкой; на фиг. 2 - расчетная схема крепи с эпюрами моментов от предварительного напряжения и от внешней нагрузки для тех же случаев загруже- ния крепи.

Стальная рамная податливая арочная крепь состоит из двух стоек 1 и закрепленного на них верхняка 2 с помощью соедини- тельных узлов 3. Для создания предварительного напряжения верхняк 2 выполняют с радиусом кривизны, отличающимся от радиуса кривизны стоек 1 на величину, определяемую в зависимости от ожидаемого распределения внешней нагрузки на крепь по указанной формуле.

Возможные случаи загружения крепи вертикальной 4 и горизонтальной 5 нагрузки (представлены на фиг. 1 и 2 соответственно слева и справа от осевой линии крепи) требуют выполнения верхняка 2 с радиуса- ми кривизны гв больше или меньше радиуса гс стойки 1. При этом верхняк 2 имеет форму для первого случая 6, а для второго - 7. В процессе монтажа крепи верхняк 2 устанавливают на стойки 1 и закрепляют с помощью соединительных узлов 3. При натяжении последних выбирают разницу в радиусах кривизны стоек 1 и верхняка 2, придавая верхняку проектное положение 2, в процессе чего верхняк переходит из исходного по- ложения 6 или 7 в проектное 2 под действием приложенных в узлах соединений пары сил N, дающих момент М предварительного напряжения.

Таким образом, в процессе монтажа крепи с помощью соединительных узлов 3 во всей конструкции создают предварительное напряжение. Эпюра разгружающих моментов (показана штриховой линией на фиг. 2) в зависимости от радиуса кривизны верх- няка для случая преобладания вертикальной нагрузки 4 распределяется по закону 8, а для случая горизонтальной нагрузки 5 - по линии 9. В обоих случаях эпюры разгружающих моментов претерпевают скачок на ве- личину М на участке соединительных узлов 3. Таким образом, стойки 1. и верхняк 2 оказываются под действием разгружающих моментов разных знаков.

Когда в процессе взаимодействия кре- пи с окружающим массивом пород начинает действовать внешняя нагрузка, в крепи воз- никнут изгибающие моменты (показаны на фиг. 2 сплошной линией): от вертикальной нагрузки эпюра 10, а от горизонтальной 5 г эпюра 11. При этом моменты от внешней нагрузки оказываются компенсированы разгружающими моментами, что позволяет резко увеличить грузонесущую способность крепи без дополнительных затрат спецпро- филя.

Предлагаемый способ предварительного напряжения рамной крепи обеспечивает минимизацию максимумов изгибающих моментов за счет взаимной компенсации разгружающих и грузовых моментов. Тем самым удается достигнуть повышения гру- зонесущей способности крепи на 60-70% без дополнительного расхода стального проката. Поэтому удельная материалоемкость конструкции крепи, под которой понимается расход материала на единицу ее грузонесущей способности, также снизится на 30 - 40%. В целом без усложнения конструкции крепи за счет управления распределением в ней изгибающих моментов появляется возможность заметно повысить устойчивость горных выработок, .сократить расходы на их ремонт и перекрепление, снизить стоимость и материалоемкость крепления., повысить безопасность работ. Формула изобретения Способ предварительного напряжения рамной крепи, включающий монтаж крепи в выработке путем установки стоек, подъема и закрепления на них верхняка с помощью соединительных узлов и создания предварительного напряжения в крепи, отличающийся тем, что, с целью повышения несущей способности и снижения материалоемкости крепи, перед ее монтажем определяют направление преобладающего давления на крепь, после чего создают предварительное напряжение в крепи путем натяжения соединительных узлов и ликвидации зазора между радиусами кривизны боковых стоек и верхняком, при этом верхняк выполняют с радиусом кривизны, определяемым по формуле

гв-гс(1 ±kM- rc-M-E 4 V.

где гс - радиус кривизны боковой стойки, м;

М - момент предварительного напряжения крепи, Н -м;

км - коэффцициент перераспределения разгружающего момента между верхняком и стойкой, изменяющийся в пределах 0 км 1;

Е - модуль упругости материала крепи, Н/м2;

I - момент инерции профиля, м , причем знак - принимают для крепи, установленной в выработке с преобладающим горным давлением со стороны кровли, а знак + - со стороны боковых пород выработки.

fqp m и i

4

5

A/

////7 7777

«r

&/z.f

77Я77Г