Металлическая арочная податливая крепь
Полезная модель относится к горной промышленности и может быть использована для крепления горных выработок в различных и особенно сложных горно-геологических условиях. Металлическая арочная податливая крепь выполнена в виде арочной рамы (1), состоящей из криволинейных верхняка (2) и стоек (3), изготовленных из металлического шахтного спецпрофиля и соединенных между собой узлами (4) податливости, образованными сопряженными внахлестку концевыми частями верхняка (2) и стоек (3) и скрепленными между собой замками (5). Согласно полезной модели, стойки (3) и сопряженные с ними концевые части верхняка (2) рамы (1) очерчены дугами (L1, L2 ) одинаковой кривизны, у которых радиусы (R1) кривизны равны 0,8-1,2 ширины (А) рамы (1) у подошвы, а их центры (O 1) расположены в плоскости подошвы рамы (1). Средняя часть верхняка (2) очерчена дугой (L3), радиус (R2 ) кривизны которой выбран меньше, чем радиусы (R1) кривизны дуг (L2) его концевых частей и определен из математического выражения, а его (R2) центр (O 2) расположен в плоскости симметрии рамы (1). Технический результат: повышается несущая способность крепи от действия вертикальных и косо направленных нагрузок, в частности, - сосредоточенных, увеличение рабочего сопротивления (до 400-550 кН), конструктивной податливости (до 1000 мм и более) и их стабильности под действием высоких нагрузок со стороны окружающего горного массива, что повышает эксплуатационные характеристики крепи. 1 н.п. ф-лы. 3 ил.
Полезная модель относится к горной промышленности и может быть использована для крепления горных выработок в различных и особенно сложных горно-геологических условиях.
Известна металлическая арочная податливая крепь, выполненная в виде арочной рамы, состоящей из криволинейных верхняка и стоек, изготовленных из металлического шахтного спецпрофиля и соединенных между собой узлами податливости, образованными сопряженными внахлестку концевыми частями верхняка и стоек и скрепленными между собой замками [«Металлическая арочная податливая крепь» SU1537819 (А1) (Гришин Н.П., Поляк Ю.Д.), МПК: Е210 11/14, 23.01.1990, аналог] [1].
Криволинейные верхние части стоек и сопряженный с ними верхняк очерчены дугами одинаковой кривизны, у которых радиусы кривизны равны половине ширины рамы, а их центры расположены выше плоскости подошвы рамы и находятся в одной точке по оси рамы.
Прямолинейные нижние части стоек расположены вертикально.
Недостатком известной крепи [1] является низкая несущая способность и устойчивость относительно действия косо направленных нагрузок.
Вызвано это тем, что нижние части стоек выполнены прямолинейными и расположены вертикально, а радиус кривизны дуги, которой очерчен верхняк, слишком большой. В связи с этим верхняк не может воспринимать высокие и, в частности, - сосредоточенные нагрузки горных пород со стороны кровли.
Известна металлическая арочная податливая крепь, выполненная в виде арочной рамы, состоящей из криволинейных верхняка и стоек, изготовленных из металлического шахтного спецпрофиля и соединенных между собой узлами податливости, образованными сопряженными внахлестку концевыми частями верхняка и стоек и скрепленными между собой замками [«Арочная податливая крепь горной выработки» UA 18737 (С1), (Шмиголь А.В., Кириченко В.Я.) МПК: E21D 11/14, 25.12.1997, аналог] [2].
Радиус кривизны верхняка выбран меньше радиуса кривизны верхних частей стоек, а угол наклона прямолинейных нижних частей стоек к вертикальной оси крепи равен 7-11°.
Радиус кривизны верхних частей стоек составляет 1,272 (0,9-1,1) радиуса кривизны верхняка.
Эта крепь [2] имеет более высокие показатели несущей способности и устойчивости, чем предыдущая [1], за счет того, что радиус кривизны верхняка выполнен немного меньше радиуса кривизны верхних частей стоек, а наклонные нижние части стоек расположены под углом 7-11° к вертикальной оси.
Однако и эта крепь не обладает достаточной несущей способностью и устойчивостью относительно действия косо направленных нагрузок.
Вызвано это тем, что нижние части стоек выполнены, хотя и наклонными, но прямолинейными, а радиус кривизны дуги, которой очерчен верхняк, еще слишком большой, в связи с чем он не может воспринимать высокие и, в частности, - сосредоточенные нагрузки горных пород со стороны кровли.
Кроме того, в связи с тем, что радиусы кривизны верхних частей стоек и верхняка в узлах податливости не одинаковы в конструкции крепи не обеспечиваются необходимые значения рабочего сопротивления, конструктивной податливости и их стабильность под действием высоких нагрузок.
Известна металлическая арочная податливая крепь, выполненная в виде арочной рамы, состоящей из криволинейных верхняка и стоек, изготовленных из металлического шахтного спецпрофиля и соединенных между собой узлами податливости, образованными сопряженными внахлестку концевыми частями верхняка и стоек и скрепленными между собой замками [«Металлическая арочная податливая крепь» RU 2029871 (С1) (Макаров В.П., Белоглазов Ю.А.), МПК: E21D 11/14, 27.02.1995, аналог] [3].
Стойки и верхняк очерчены дугами разной кривизны.
Радиус кривизны верхняка выбран меньше радиусов кривизны стоек. Стойки очерчены радиусом кривизны, который выбран меньше ширины рамы у подошвы, а его центр расположен выше плоскости подошвы рамы.
Центр радиуса кривизны верхняка расположен по оси рамы.
В узлах податливости концевые части стоек и верхняка выполнены прямолинейными и одинаковой длины, но меньшей, чем длина нахлестки звеньев в узлах податливости.
Эта крепь [3] имеет более высокие показатели несущей способности и устойчивости, чем предыдущая [2] за счет того, что стойки выполнены изогнутыми, а радиус кривизны верхняка выполнен значительно меньше радиусов кривизны стоек.
Однако и эта крепь не обладает необходимой несущей способностью и устойчивостью относительно действия косо направленных нагрузок.
Вызвано это тем, что радиусы кривизны стоек и верхняка имеют не оптимальные значения.
Поэтому эта крепь, хотя и имеет улучшенные показатели несущей способности и устойчивости, но в сложных горно-геологических условиях не может противостоять высоким вертикальным и косо направленным нагрузкам, действующим со стороны окружающего горного массива.
Кроме того, в связи с тем, что в узлах податливости концевые части стоек и верхняка выполнены прямолинейными, в конструкции крепи не обеспечиваются достаточные значения рабочего сопротивления, величины конструктивной податливости и их стабильность под действием высоких нагрузок.
Объясняется это тем, что при работе крепи в податливом режиме происходит значительная осадка верхняка.
При этом торцы стоек при перемещении верхняка вниз упираются в криволинейный верхняк с внутренней стороны, а торцы верхняка также выходят за пределы внешнего контура стоек и упираются в окружающий горный массив, что приводит к потере податливости крепи.
В результате крепь становится жесткой и быстро разрушается под действием высоких нагрузок.
Наиболее близкой к полезной модели по числу общих признаков и достигаемому результату является известная металлическая арочная податливая крепь, выполненная в виде арочной рамы, состоящей из криволинейных верхняка и стоек, изготовленных из металлического шахтного спецпрофиля и соединенных между собой узлами податливости, образованными сопряженными внахлестку концевыми частями верхняка и стоек и скрепленными между собой замками [«Металлическая податливая крепь» SU 1627711 (А1) (Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт по добыче полезных ископаемых открытым способом), МПК: E21D 11/14, 15.02.1991, наиболее близкий аналог-прототип] [4].
Стойки и верхняк очерчены дугами разной кривизны.
Радиус кривизны верхняка выбран меньше радиуса кривизны стоек.
Верхняк имеет постоянную и одинаковую кривизну, как концевых его частей, так и его средней части.
Стойки очерчены дугами, радиус кривизны, которых выбран меньше ширины рамы у подошвы, а их центры расположены выше плоскости подошвы рамы.
Центр радиуса кривизны верхняка расположен по оси рамы, а его место расположения четко не определено, так как не взаимосвязано с другими геометрическими параметрами звеньев крепи.
В узлах податливости радиусы кривизны верхних частей стоек и верхняка не одинаковы.
Эта крепь [4], также как и предыдущая [3], имеет более высокие показатели несущей способности и устойчивости относительно вертикальных или горизонтальных нагрузок за счет того, что стойки выполнены изогнутыми, а радиус кривизны верхняка выполнен значительно меньше, чем радиусы кривизны стоек.
Однако и эта крепь также не обладает необходимой несущей способностью и устойчивостью относительно действия косо направленных нагрузок.
Вызвано это тем, что радиусы кривизны стоек и верхняка выбраны не оптимальными.
Поэтому эта крепь, хотя и имеет улучшенные показатели несущей способности и устойчивости, но в сложных горно-геологических условиях не может противостоять высоким косо направленным нагрузкам /комбинации вертикальных и горизонтальных нагрузок/, действующим со стороны окружающего горного массива.
Кроме того, в связи с тем, что радиусы кривизны верхних частей стоек и верхняка в узлах податливости не одинаковы, то не происходит полное прилегание в них сопрягаемых поверхностей звеньев (верхняка и стоек) крепи.
В результате, в узлах податливости крепи не достигаются необходимые значения сил трения сопрягаемых звеньев.
В связи с этим в узлах податливости крепи не обеспечиваются высокое рабочее сопротивление, конструктивная податливость и их стабильность под действием высоких нагрузок со стороны окружающего горного массива, что снижает эксплуатационные характеристики крепи.
В основу полезной модели поставлена задача в металлической арочной податливой крепи путем выбора оптимальных значений радиусов кривизны дуг обвода стоек и концевых частей верхняка, а также дуги обвода средней части верхняка обеспечить оптимальную форму рамы крепи.
Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи и использовании полезной модели состоит в повышении несущей способности крепи от действия вертикальных и косо направленных нагрузок, в частности, - сосредоточенных, увеличение рабочего сопротивления, конструктивной податливости и их стабильности под действием высоких нагрузок со стороны окружающего горного массива, что повышает эксплуатационные характеристики крепи.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в металлической арочной податливой крепи, выполненной в виде арочной рамы, состоящей из криволинейных верхняка и стоек, изготовленных из металлического шахтного спецпрофиля и соединенных между собой узлами податливости, образованными сопряженными внахлестку концевыми частями верхняка и стоек и скрепленными между собой замками, согласно полезной модели, стойки и сопряженные с ними концевые части верхняка рамы очерчены дугами (L1, L2) одинаковой кривизны, у которых радиусы (R1) кривизны равны 0,8-1,2 ширины (А) рамы у подошвы, а их центры (O1) расположены в плоскости подошвы рамы, причем средняя часть верхняка очерчена дугой (L 3), радиус (R2) кривизны которой выбран меньше, чем радиусы (R1) кривизны дуг (L2) его концевых частей и равен:
R2=A-0,5·A·tg
,
где: А - ширина рамы (1) у подошвы, м;
- угол между плоскостью подошвы рамы и прямой, проходящей через центр (O1) радиуса (R1) кривизны стойки/или сопряженной с ним концевой части верхняка/ и точкой сопряжения дуг разных радиусов (R1, R2) кривизны верхняка; =35-55°,
а его (R2) центр (O2) расположен в плоскости симметрии рамы.
Выполнение стоек и сопряженных с ними концевых частей верхняка рамы очерченными дугами одинаковой кривизны, у которых радиусы (R1) кривизны равны 0,8-1,2 ширины (А) рамы у подошвы, а их центры (O1) расположены в плоскости подошвы рамы, обосновано экспериментальным путем.
Экспериментально установлено, что такое выполнение обеспечивает необходимую оптимальную несущую способность стоек и концевых частей верхняка, рамы и крепи в целом от действия косо направленных нагрузок, то есть от комбинации характерных вертикальных и, в частности, - сосредоточенных нагрузок, действующих со стороны кровли, и характерных горизонтальных нагрузок, действующих со стороны боков крепи.
При этом обеспечивается стабильность рабочего сопротивления крепи в узлах податливости за счет равенства радиусов кривизны сопрягаемых концевых частей верхняка и стоек.
Кроме того, выполнение средней части верхняка очерченной дугой, радиус кривизны (R2) которой выбран меньше, чем радиусы кривизны дуг его концевых частей и определен по приведенной математической зависимости, а также расположение его (R2) центра (О2) в плоскости симметрии рамы, обеспечивают повышенную кривизну и, тем самым, повышенную несущую способность верхняка, рамы и крепи в целом.
В целом в усовершенствованной металлической арочной податливой крепи обеспечивается увеличение рабочего сопротивления рамы и конструктивной податливости, достигается стабильность параметров рабочего сопротивления на всей величине конструктивной податливости и повышение общей устойчивости конструкции крепи, в том числе и от действия косо направленных нагрузок со стороны горного массива без увеличения ее массы.
В дальнейшем полезная модель поясняется примером ее осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг.1 изображена металлическая арочная податливая крепь, модификация 1, общий вид.
На фиг.2 изображена металлическая арочная податливая крепь, модификация 2, общий вид.
На фиг.3 изображена металлическая арочная податливая крепь, модификация 3, общий вид.
Металлическая арочная податливая крепь (модификации 1-3) (фиг.1-3) выполнена в виде арочной рамы 1, состоящей из криволинейных верхняка 2 и стоек 3, изготовленных из металлического шахтного спецпрофиля и соединенных между собой узлами 4 податливости, образованными сопряженными внахлестку концевыми частями верхняка 2 и стоек 3 и скрепленными между собой замками 5.
Стойки 3 и сопряженные с ними концевые части верхняка 2 рамы 1 очерчены дугами L1, L 2 одинаковой кривизны, у которых радиусы R1 кривизны равны 0,8-1,2 ширины А рамы 1 у подошвы, а их центры O1 расположены в плоскости подошвы рамы 1, причем средняя часть верхняка 2 очерчена дугой L3, радиус R2 кривизны которой выбран меньше, чем радиусы R 1 кривизны дуг L2 его R2 концевых частей и равен:
R2=А-0,5·А·tg,
где: А - ширина рамы 1 у подошвы, м;
- угол между плоскостью подошвы рамы 1 и прямой, проходящей через центр О1 радиуса R1 кривизны стойки 3 /или сопряженной с ним концевой части верхняка 2/ и точкой сопряжения дуг разных радиусов R1, R2 кривизны верхняка 2; =35-55°,
а его R2 центр О2 расположен в плоскости симметрии рамы 1.
Металлическая арочная податливая крепь (модификация 1) (фиг.1) характеризуется тем, что стойки 3 и сопряженные с ними концевые части верхняка 2 рамы 1 очерчены дугами L1, L 2 одинаковой кривизны, у которых радиусы R1 кривизны выбраны из соотношения 0,8А
R11,0 А, где - А ширина рамы 1 у подошвы.
Металлическая арочная податливая крепь (модификация 2) (фиг.2) характеризуется тем, что стойки 3 и сопряженные с ними концевые части верхняка 2 рамы 1 очерчены дугами L1, L 2 одинаковой кривизны, у которых радиусы R1 кривизны выбраны из соотношения R1=1,0 А, где А - ширина рамы 1 у подошвы.
Металлическая арочная податливая крепь (модификация 3) (фиг.3) характеризуется тем, что стойки 3 и сопряженные с ними концевые части верхняка 2 рамы 1 очерчены дугами L1, L2 одинаковой кривизны, у которых радиусы R1 кривизны выбраны из соотношения 1,0 АR11,2 А, где А - ширина рамы 1 у подошвы.
Металлическую арочную податливую крепь (модификации 1-3) (фиг.1-3) возводят следующим образом.
После осмотра забоя и уборки породы по периметру горной выработки производят расчистку мест для установки стоек 3.
Стойки 3 устанавливают поочередно в лунки, или на опорные плиты (на чертеже не показано) на расстоянии «А» друг от друга, равном 4100 мм или 4300 мм.
Затем стойки 3 скрепляют с аналогичными стойками 3 ранее установленной предыдущей смежной рамы 1 с помощью межрамных стяжек (на чертеже не показано).
Положение стоек 3 на опорной плите фиксируют в проектном положении с помощью упоров (не чертеже не показано).
Затем производят монтаж верхняка 2.
Для этого концевые части верхняка 2 соединяют внахлестку (примерно 400 мм) с концевыми частями стоек 3 и соединяют замками 5, которые затягивают усилием, обеспечивающим проектную величину трения скольжения в образованных узлах 4 податливости рамы 1 крепи при осадке верхняка 2 под нагрузкой, действующей со стороны окружающего горного массива.
После этого верхняк 2 скрепляют с аналогичным верхняком 2 ранее установленной предыдущей смежной рамы 1 с помощью межрамных стяжек (на чертеже не показано).
Металлическая арочная податливая крепь работает следующим образом.
В процессе образования вокруг контура выработки зоны неупругих деформаций происходит всестороннее обжатие крепи нарушенными породами.
Давление пород с боков воспринимается стойками 3.
Давление пород со стороны кровли воспринимается верхняком 2.
За счет того, что стойки 3 и сопряженные с ними концевые части верхняка 2 рамы 1 очерчены дугами L1, L 2 одинаковой кривизны, у которых радиусы R1 кривизны равны 0,8-1,2 ширины А рамы 1 у подошвы, а их центры O1 расположены в плоскости подошвы рамы 1, а средняя часть верхняка 2 очерчена дугой L3, радиус R2 кривизны которой выбран меньше, чем радиусы R1 кривизны дуг L2 его концевых частей и определен по математической зависимости, сформированный оптимальный профиль контура рамы крепи, имеющий форму овальной части овоида, обеспечивает повышенную несущую способность крепи от действия вертикальных и косо направленных нагрузок.
При этом достигается требуемое геомеханическое равновесие системы «крепь-массив», которое обеспечивается силами сопротивления узлов 4 податливости, то есть повышенным рабочим сопротивлением, реализуемым на основе повышения несущей способности усовершенствованной конструкции крепи.
При превышении давления пород над силами трения в узлах 4 податливости рамы 1 крепи происходит проскальзывание концевых частей верхняка 2 относительно концевых частей стоек 3 в узлах 4 податливости до тех пор, пока не установится геомеханическое равновесие системы «крепь-массив» в новом состоянии.
В процессе работы крепи этот процесс постоянно повторяется.
За счет того, что стойки 3 и сопряженные с ними концевые части верхняка 2 рамы 1 очерчены дугами L1, L 2 одинаковой кривизны обеспечивается возможность значительного увеличения величины и стабильности податливости крепи.
В целом в усовершенствованной металлической арочной податливой крепи обеспечивается увеличение рабочего сопротивления рамы до 400-550 кН и конструктивной податливости до 1000 мм и более (то есть в 2-3 раза больше по сравнению с прототипом [4] и другими известными аналогичными крепями [1-3]), а также достигается стабильность параметров рабочего сопротивления на всей величине конструктивной податливости и повышение общей устойчивости конструкции крепи, в том числе и от действия косо направленных нагрузок без увеличения ее массы.
Предлагаемая металлическая арочная податливая крепь может быть изготовлена в условиях промышленного производства с использованием стандартного оборудования, современных спецпрофилей и технологии на любом предприятии горного машиностроения и может найти широкое применение на угольных шахтах, например, Западного Донбаса и Кузбасса для повышения безопасности ведения горных работ.
Металлическая арочная податливая крепь, выполненная в виде арочной рамы (1), состоящей из криволинейных верхняка (2) и стоек (3), изготовленных из металлического шахтного спецпрофиля и соединенных между собой узлами (4) податливости, образованными сопряженными внахлестку концевыми частями верхняка (2) и стоек (3) и скрепленными между собой замками (5), отличающаяся тем, что стойки (3) и сопряженные с ними концевые части верхняка (2) рамы (1) очерчены дугами (L 1, L2) одинаковой кривизны, у которых радиусы (R1) кривизны равны 0,8-1,2 ширины (А) рамы (1) у подошвы, а их центры (O1) расположены в плоскости подошвы рамы (1), причем средняя часть верхняка (2) очерчена дугой (L3), радиус (R2) кривизны которой выбран меньше, чем радиусы (R1) кривизны дуг (L 2) его концевых частей и равен:
R2=A-0,5·A·tg,
где А - ширина рамы (1) у подошвы, м;
- угол между плоскостью подошвы рамы (1) и прямой, проходящей через центр (O1) радиуса (R1) кривизны стойки (3) или сопряженной с ним концевой части верхняка (2) и точкой сопряжения дуг разных радиусов (R1, R 2) кривизны верхняка (2); =35-55°,
а его (R2) центр (O 2) расположен в плоскости симметрии рамы (1).
