Способ крепления горной выработки Советский патент 1993 года по МПК E21D11/14 

Изобретение относится к горной промышленности, а именно к креплению горных выработок в сложных условиях большого всестороннего горного давления при различных значениях коэффициента бокового распора пород.

Цель изобретения состоит в увеличении несущей способности возводимой крепи в условиях большого неравномерного горного давления.

На фиг. 1 показана расчетная схема крепи; на фиг. 2 - поперечное сечение рамы крепи; на фиг. 3 - сечение А-А на фиг. 2; на фиг. 4 - узел I на фиг. 2 (закрепления элемента вехняка на стойке); на фиг, 5 - узел II на фиг. 2 (закрепления стойки в почве).

Способ осуществляется следующим образом.

Вначале из непосредственного определения нагрузки на крепь выработки в шахтных условиях, или косвенно, например, по деформированному состоянию крепи с пересчетом на нагрузку, или ультразвуковым способом, или аналитически определяют коэффициент бокового распора пород Я(фиг.1). Этот коэффициент является определяющим для нахождения оптимального очертания крепи. Под оптимальным понимается такое очертание, когда в поперечных сечениях крепи при заданной нагрузки (фиг.1) не возникает изгибающих моментов. Это очертание оптимальное с точки зрения несущей способности крепи.

Общее выражение оптимального коиту- ра крепи в декартовой системе координат с началом координат у левой опоры (фиг.1) имеет вид

+

-f))

где у(х) ,х - координаты точек оптимального контура крепи, м;

а - половина ширины рамы крепи на уровне головки рельсов, м;

h - высота рамы крепи от уровня головки рельсов, м;

А - коэффициент бокового распора пород.

Практически сделать рамную крепь такого очертания трудно, но стремиться к

нему необходимо, т.к. это значительно повысит ее несущую способность.

В соответствии с изложенным, крепление выработки осуществляют прибли5 женным к очертанию по выражению (1). посредством вписывания в него очертания крепи (фиг.1). Оптимальное очертание показано пунктиром,

Верхняк 1 и стойки 2 изготавливают из

Ю Сдвоенных спецпрофилей 3, обращенных друг к другу и объединенных между собой фланцами 4, Соединение фланцев 4 выполняется в заводских условиях, например, сваркой в отдельных местах по длине спец15 профилей (фиг.2,3). Стойки 2 делают прямолинейными, а верхняк 1 изготовляют из двух одинаковых прямолинейных элементов, соединенных, например, сваркой в замковой части 5. Выполнение верхняка 1 и

20 стоек 2 прямолинейными позволяет делать рамы значительно усиленными вторым спецпрофилем 3 без их гнутья в разных плоскостях, что в настоящее время сложно и не обеспечивает достаточной точности.

25 Монтаж рамы производят в забое выработки посредством закрепления верхняка 1 на стойках 2 (фиг.4) и стоек 2 в почве (фиг.5). Закрепление верхняка 1 настойках 2 осуществляют неразъемным соединением, напри30 мер, на болтах 6 через фланцы 7. Фланцы 7 приваривают к верхняку 1 и стойкам 2 в процессе их изготовления под соответствующими углами. Болтовое соединение рассчитывают на срез и отрыв в зависимости от

35 действующей нагрузки на возникающие в соединении поперечную, продольную силу и изгибающий момент..

Расчетные формулы получены следующим образом. . .

40 Размеры конструкции крепи (фиг. 1,2) показаны на срединной линии от уровня головки рельсов. При проектировании для перехода к сечению вчерне и в свету необходимо выполнить соответствующий пере45 счет с учетом высоты спецпрофилей, рельсов, толщины балластного слоя.

Считаем заданными высоту рамы крепи h и ее ширину по высоте 1,8 м от уровня головки рельсов - 2 Ь. Данная ширина на50 значается в Соответствии с правилами ТБ по зазорам.

В соответствии с (1) можно найти минимальную ширину крепи на уровне головки рельсов - 2 а, отвечающую рациональному

55 сечению. Из (1) при х (а - Ь) у(х) -1,8

Откуда

1,,8

(2)

1 -

1,8

Из (2) видно, что при Л О

- 1 1l8 1 --г-h

(3)

1,34 -VA-(h-1,8) Выражение (3) справедливо при отсутствии. Считая известным на основании (2) найбоковой нагрузки (А 0). Значение а по (2) и1Б Дем значение h .

(3) соответствует h 1,8 м, где h - высотаДанныи паРаметР также найДем из вырасположения узлов соединения верхнякаРвения рациональной оси выработки (1), а

со стойками от уровня головки рельсов, мименно при х h а 0 у(х) h ,

(Фиг.1).-1-8

Если мы хотим с целью повышения удобств монтажа уменьшить длину верхняка, то необходимо увеличить значение а. В этом случае h и длина стоек также увеличит- ся, а длина верхняка уменьшится.

Формула (2) имеет смысл, если подкоренное выражение больше нуля, т.е. Ь2+ 1,82 -Я-1,8 h .

Это условие легко преобразуется в сле- дующее:

,8-A(h-1,8)

1,34 -VA-(h-1,8) (4)

Считая известным на основании (2) най

Использование: в горной промышленности, а именно к креплению горных выработок в сложных условиях большого всестороннего горного давления при различных коэффициентах бокового распора пород. Сущность изобретения: крепь возводят из прямолинейных стоек и верхняка шатрового типа, состоящего из прямолинейных элементов, соединенных в замковой части. Очертание возводимой крепи приближают к рациональному очертанию, которое определяют по формуле в соответствии с геометрическими параметрами крепи и коэффициентом бокового распора пород, Геометрические параметры крепи определяют из следующих Выражений: а г 1,8 +-Sj--1,8h 1 1,8 при b 1,34V A (h-1,8) h b + f+A; Ib - 2V(h.-h yz+(a-h 4j -)z hi arctg Ob arctg h-h1 a -h a -b 1,8 где а - половина ширины рамы крепи на уровне головки рельсов, м; b - половина ширины рамы крепи на уровне 1,8 м от головки рельсов, м; Я - коэффициент бокового распора пород; h - высота рамы крепи от уровня головки рельсов, м; lc, Ib длина стоек и верхняка, м; h1 - высота расположения узлов соединения верхняка со стойками от уровня головки рельсов, м; Л- часть стойки от уровня головки рельсов, закрепляемая в почве, м; %, оь - углы наклона стоек и элементов верхняка к горизонтальной плоскости при их закреплении, рад. Для повышения работоспособности возводимой крепи закрепление стоек в почве производят с возможностью податливости в вертикальном направлении.2 п.ф. 5 ил. (Л С 00 о ел о ю

h

h I . if a h 2 , 1 rfr) 0., . a -b ч .12 . r a -b ч2-| ® --yj + i ( +-T(2ah (

Решая уравнение (5) относительно h , 25А - часть стойки от уровня головки найдем рельсов, закрепляемая в почве, м;

2 а (а -Ь ) / а2 ..

h

1,8

A-h

а - b 2

«с, #ь - углы наклона стоек и элементов верхняка к горизонтальной плоскости при / а- о их закреплении, рад. ( + 30 Пример расчета Остальные параметры устанавливав- Исходные данные: мых рам крепи получены геометрически h 3,5м; Ь 1,7м; А 0,2; Д 0,5 м (фиг.1,2): По формуле (2) найдем а, при этом проверим условие (4): 35 .

V

1 +

/a-bV

Гтп

+ Д

. - v()2H.().)2

arct9 -ГнГ:

h -h1

a-h

a -b 1,8

где Ic, Ib - длина стоек и верхняка, м;

h 2-2.16(2.16 -1,7) (2,16: 1,8 а.й)

1,8+0,2

В этом случае геометрические параметры

рамы крепи следующие:1с 1,78 / Г2 16 - 17 У 2,34м;

1 +-л- -г-н-1- -+0,5

а 2,16м;Ь 1,78.м;

1,8

40

U4 V 0,2 (3,5 -1,8) 0,781 м

b 1,7 м 0,781 м условие (4) выполняется.

a 0,2V 1i82+ 1JL 1i8.3i5

2,16м

1 1,8

45 3,5

При а 2,16м h 1,8м Это утверждение можно проверить в соответствии с (6):

50

)

-

г-н-

1,8

2,16 - 1,7 ч2 1,8

b-2 (3,5- 1,78 ) + (2,16 - 1,78

-4,19 м

1 R Ос arctg 2 16-1 7 75-66° 132 РаД

«b arctg. -3.5-- -----

-f

2,16-1,78

2П6-V T$

45,24° 0,790 рад.

С целью уменьшения длины верхняка для удобства его монтажа и уменьшения в нем изгибающих моментов увеличиваем ширину рамы крепи.

Принимаем а- 2.4 м. В этом случае:

2 2.4(2.4-1.7) Г JMJ-0,2.3.5)

(

3,5

(lil)2+o.

1,876 -0,946

- 2,62 м.

0,1512+0,2

Геометрические параметры рамы крепи следующие:

а 2.4м;п 2,62м

1 1,8

+ 0,5

3,31 м;

1Г2 У ( 3,5 - 2,62 f + ( 2,4 - 2,62 -Я 77мУ V 1-8

-3,27 м

1,8

«с arctg 24-17 6875 1 2 Рад 3,5-2,62

оь arctg

2,4-2,62

2,4 -1.7 1,8

32,5° 0,567 рад.

Как видно из расчета, во втором случае длина стоек увеличилась, а верхняка уменьшилась.

Окончательное значения параметров выбирают в процессе проектирования, считая основными показателями крепления на- дежность и экономичность.

Для обеспечения лучшей работоспособности крепи при возрастании горного давления во время закрепления стоек в почве производят с возможностью податливости в вертикальном направлении. На фиг.5 показан вариант закрепления стойки 2 в лунке ,8 с опиранием на размельченную породу 9. В конкретных условиях закрепления стоек в почве может быть осуществлено самым раз- личным образом в зависимости от необходимой податливости конструкции. Все остальные работы по креплению выработки, как то установка затяжки, забутовка и т,д.

ч2

f

ка 10 я в ем

15

пи

;

20

25

30

выполняются аналогично известным решениям.

Таким образом, заявленное техническое решение по сравнению с прототипом позволяет значительно упростить способ крепления за счет уменьшения трудоемкости изготовления элементов крепежной рамы и упрощения узлов их соединения, а также существенно повысить надежность крепления за счет приближения очертания к оптимальному посредством вписывания в него очертания крепи.

Формула изобретения 1. Способ крепления горной выработки, включающий установку металлических рам из верхняка и двух стоек в виде сдвоенных спецпрофилей, обращенных друг к другу и соединенных между собой фланцами, закрепление верхняка на стойки и стоек в почве, отличающийс я тем, что, с целью упрощения способа и повышения надежности крепления, п редварител ьно определяют коэффициент бокового распора пород и оптимальное очертание выработки, а рамы устанавливают с приближением к этому очертанию, при этом верхняк изготовляют из двух одинаковых соединений в замковой части прямолинейных элементов, а его закрепление на стойках осуществляют безразъемным соединением, причем геометрические параметры устанавливаемых рам крепи определяют из следующих выражений

Т

1,8 ,8h

1

1,8 h

,34VA(n-1,8)

c h1fl + (-) + Д,

Ib 2Y(h-h-)2 + ()r

-fi-Ah) lh Ah) .

2a(a-b) 1,8

a -b 1,8

+ Я

ofc arctg

h

a-h1

a -b 1,8

где a - половина ширины рамы крепи на уровне головки рельсов, м;

b - половина ширины рамы крепи на уровне 1,8 м от головки рельсов, м;

А - коэффициент бокового распора пород;

h - высота рамы крепи от уровня головки рельсов, м;

1с, 1.ь длина стоек и верхняка, м;

0

h1 - высота расположения узлов соединения верхняка со стойками от уровня головки рельсов, м;

Д- часть стойки от уровня головки рельсов, закрепляемая в почве, м;

Ос, аь угол наклона стоек и элементов верхняка к горизонтальной плоскости при их закреплении, рад.

Л