Трехзвенная металлическая арочная податливая крепь "кмп-азрз"

Полезная модель относится к горному делу, в частности, к многозвенным металлическим арочным податливым крепям типа «КМП-А3Р3» и может быть использована для крепления горных выработок в различных, в том числе сложных, горно-геологических условиях. Трехзвенная металлическая арочная податливая крепь содержит связанные между собой рамы (1), каждая из которых содержит верхняк (2), выполненный с криволинейными средней и концевыми частями, и две стойки (3), выполненные с криволинейными верхними и средними частями, а также с прямолинейными нижними частями, у которых (3) криволинейные верхние части соединены внахлест с криволинейными концевыми частями верхняка (2) в узлах податливости (4) и скреплены замками (5). Согласно полезной модели, длина (Lвс) криволинейной средней части верхняка (2), радиус (Rвк) изгиба криволинейные концевые части верхняка (2) которых выбраны из условия обеспечения соотношений (1, 2). Радиус изгиба (Rсв) верхних частей стоек (3), длина (Lсв) криволинейных верхних частей стоек (3), радиус (Rcc) изгиба криволинейных средних частей стоек (3), длина (Lcc) изгиба криволинейных средних частей стоек (3), длина (Lсн) прямолинейных нижних частей стоек (3) и угол (сн) наклона прямолинейных нижних частей стоек (3) к вертикали выбраны из условия обеспечения соотношений (3-7) и выражения (8). Технический результат: обеспечивается оптимальное соотношение ее основных технических характеристик таких как: предельная несущая способность, величина конструктивной податливости, стабильность величины рабочего сопротивления крепи в интервале конструктивной податливости, достаточно большое поперечное сечение крепи для нормальной и безопасной работы персонала и размещения оборудования внутри крепи при обеспечении минимальной металлоемкости, а также снижении себестоимости изготовления и монтажа. 1 н.п. ф-лы. 1 ил.

Полезная модель относится к горному делу, в частности, к многозвенным металлическим арочным податливым крепям типа «КМП-А3Р3» и может быть использована для крепления горных выработок в различных, в том числе сложных, горно-геологических условиях.

Известно, что в сложных горно-геологических условиях для поддержания горных выработок угольных, рудниковых и сланцевых шахт, как правило, используют многозвенные, преимущественно трехзвенные, четырехзвенные и пятизвенные, металлические арочные податливые крепи.

Трехзвенные металлические арочные податливые крепи используют в горных выработках с ожидаемым смещением пород кровли до 300-400 мм.

Четырехзвенные и пятизвенные металлические арочные податливые крепи используют в горных выработках с ожидаемым смещением пород кровли от 400 мм до 1000 мм и более.

Многозвенная металлическая арочная податливая крепь (в дальнейшем металлическая арочная податливая крепь или крепь), обычно, содержит связанные между собой межрамными связями рамы, каждая из которых содержит верхняк, выполненный криволинейным, и две стойки, выполненные с криволинейными верхними и средними частями, а также с криволинейными или прямолинейными нижними частями, у которых криволинейные верхние части соединены внахлест с криволинейными концевыми частями верхняка в узлах податливости и скреплены замками так, что верхняк расположен с внешней или внутренней стороны стоек.

В первом случае верхняк охватывает стойки. Эта схема установки верхняка является несущей, наиболее надежной и распространенной. Во втором случае верхняк закреплен по подвесной схеме, то есть стойки охватывают верхняк.

Смещение массива горных пород со стороны кровли горной выработки сопровождается воздействием на рамы крепи нагружающих усилий (нагрузки), под действием которых в узлах податливости происходит взаимное скольжение сопрягаемых звеньев с одновременным изменением сечения рамы.

В процессе эксплуатации крепи в податливом режиме под воздействием возрастающей нагрузки и достижении значения, превосходящего силу трения скольжения между сопрягаемыми звеньями в узлах податливости, верхняк рамы, преодолевая рабочее сопротивление крепи, смещается вниз относительно стоек.

При этом в процессе проседания верхняка рамы под нагрузкой увеличивается длина нахлестки в узлах податливости и пропорционально нарастает рабочее сопротивление крепи.

Однако в соответствии с требованиями к податливой крепи взаимное скольжение звеньев рамы в податливом режиме должно осуществляться предпочтительно с обеспечением стабильного (постоянного) рабочего сопротивления крепи в интервале конструктивной податливости.

Это целесообразно, как в начальный период работы крепи после возведения в горной выработке, так и в период ее длительной эксплуатации в податливом режиме.

Только в этом случае металлическая арочная податливая крепь может быть использована с максимальной эффективностью, так как будут полностью реализованы ее прочностные характеристики на всем интервале конструктивной податливости.

Наибольшее распространение в горном деле нашли применение трехзвенные металлические арочные податливые крепи, которые характеризуются минимальным количеством звеньев, низкой металлоемкостью, трудоемкостью и стоимостью изготовления и монтажа, а также обладают достаточной несущей способностью, необходимой величиной рабочего сопротивления под нагрузкой и удовлетворительной площадью поперечного сечения, что обеспечивает необходимое внутреннее пространство для размещения персонала и оборудования внутри крепи.

Из уровня техники известны трехзвенные металлические арочные податливые крепи, которые нашли применение в горной промышленности, к которым относятся следующие крепи.

Известна трехзвенная металлическая арочная податливая крепь, содержащая связанные между собой рамы, каждая из которых содержит верхняк, выполненный криволинейным, и две стойки, выполненные с криволинейными верхними частями, а также с прямолинейными нижними частями, у которых криволинейные верхние части соединены внахлест с криволинейными концевыми частями верхняка в узлах податливости и скреплены замками [«Арочне податливе крiплення гiрничоï виробки» UA 18737 (С2) (Шмиголь А.В., Кириченко В.Я.) E21D 11/14, E21D 11/18, 25.12.1997, аналог] [1].

В этой крепи радиус криволинейных верхних частей стоек равен: R=К·Q·R_B, где К - коэффициент пропорциональности, К=0,9-1,1; Q - коэффициент кривизны стойки, Q=1,272; R_B - радиус верхняка, мм, угол наклона прямолинейных нижних частей стоек к вертикальной оси крепи равен: =7-11º, а длина прямолинейных нижних частей стоек равна: L=К·L₀, где К - коэффициент, учитывающий сложность условий эксплуатации крепи; K=1,2-1,5; L₀ - расчетная номинальная длина прямолинейной нижней части стойки типовой крепи, мм.

Однако известная крепь [1] не обладает высокой несущей способностью, в связи с тем, что прямолинейные нижние части стоек имеют значительную длину, что снижает их продольную устойчивость при действии осевых нагрузок, а также снижает прочность удлиненных прямолинейных нижних частей при действии боковых и косонаправленных нагрузок.

Известна трехзвенная металлически арочная податливая крепь, содержащая связанные между собой рамы, каждая из которых содержит верхняк, выполненный криволинейным, и две стойки, выполненные с криволинейными верхними и нижними частями, у которых криволинейные верхние части соединены внахлест с криволинейными концевыми частями верхняка в узлах податливости и скреплены замками [«Арочне податливе металеве крiплення гiрничоï виробки» UA 41843 (А) (Халимендiк Ю.М.) E21D 11/14, 17.09.2001, аналог] [2].

В этой крепи [2] стойки и верхняк выполнены с выгибом специального профиля в сторону горного массива, с наклоном расположения касательной в месте сопряжения стойки с подошвой выработки в направлении выработки.

К недостаткам известной крепи следует отнести укороченную длину криволинейного верхняка, что снижает величину конструктивной податливости и ограничивает ее применение в горных выработках с существенным смещением горных пород со стороны кровли.

Известна трехзвенная металлическая арочная податливая крепь, содержащая связанные между собой рамы, каждая из которых содержит верхняк, выполненный криволинейным, и две стойки, выполненные с криволинейными верхними частями, а также с прямолинейными наклонными нижними частями, у которых криволинейные верхние части соединены внахлест с криволинейными концевыми частями верхняка в узлах податливости и скреплены замками [«Триланкове металеве рамне податливе крiплення» UA 529162 (U) (ВАТ «Донецький експериментальний ремонтно-механiчний завод») E21D 11/14, E21D 11/18, 10.01.2008, аналог] [3].

В этой крепи верхняк выполнен с радиусом кривизны, обусловленным соотношением R₁=k₁·R ₂, где k₁ - коэффициент оптимизации радиуса кривизны соединенных участков верхняка и стоек, что равняется 0,76-1,0 при внешней установке стоек, 1,0-1,3 - при внутренней установке стоек; R₁ - радиус криволинейного верхняка, мм; R₂ - радиус верхнего криволинейного концевого участка стойки, мм.

Кроме того, длина нахлестки L в узлах податливости определяется по формуле: L=l₁ +l₂, где: l₁ - постоянная часть напуска, мм; l₂ - свободная часть нахлестки, мм; при этом нижние прямолинейные участки стоек установлены под углом 3-7º к оси симметрии, которая находится в вертикальной плоскости.

Эта крепь [3] обладает большим поперечным сечением для удобного размещения персонала и оборудования внутри крепи и высокой величиной конструктивной податливости, однако характеризуется недостаточной несущей способность в связи с удлиненными прямолинейными наклонными нижними частями стоек.

Известна трехзвенная металлическая арочная податливая крепь, содержащая связанные между собой рамы, каждая из которых содержит верхняк, выполненный криволинейным, и две стойки, выполненные с криволинейными верхними частями, а также с прямолинейными вертикальными нижними частями, у которых криволинейные верхние части соединены внахлест с криволинейными концевыми частями верхняка в узлах податливости и скреплены замками [«Металеве арочне податливе крiплення» UA 10268 (U) (Державний науково-дослiдний iнститут органiзацiï i механiзацiï шахтного будiвництва) Е21D 11/14, 15.11.2005, аналог] [4].

В этой крепи стойки выполнены с вертикальными нижними частями с возможностью смыкания их торцов после оседания, при этом длина участка верхней части каждой стояки между его верхним торцом и соответствующим ему замком определяется соотношением:

где: L - длина участка верхней части стойки между ее торцом и соответствующим ему замком;

r - внутренний радиус верхняка;

В - ширина арочного крепления около основания стойки;

h_c - высота прямолинейной нижней части стойки;

R - внутренний радиус криволинейной верхней части стойки;

- центральный угол криволинейной верхней части стойки;

h_Ф - высота фланца спецпрофиля верхняка и стояков;

- задан угол наклона прямолинейной нижней части стойки к вертикальной оси крепления после ее оседания;

- угол между прямолинейной нижней частью стойки и хордой, которая соединяет верхний и нижний концы стойки;

=3,14.

Эта крепь [4] также как и известная крепь [3] обладает большим поперечным сечением, что необходимо для работы персонала и размещения оборудования внутри крепи и высокой величиной конструктивной податливости, однако характеризуется недостаточной несущей способность в связи с удлиненными прямолинейными вертикальными нижними частями стоек.

Известна трехзвенная металлическая арочная податливая крепь, содержащая связанные между собой рамы, каждая из которых содержит верхняк, выполненный криволинейным, и две стойки, выполненные с криволинейными верхними и нижними частями, у которых криволинейные верхние части соединены внахлест с криволинейными концевыми частями верхняка в узлах податливости и скреплены замками [«Металеве арочне податливе крiплення» UA 52340 С2 (Сугаренко Г.Г., Кириченко В.Я., Куликович О.М., Гураль В.В., Мазур В.Д.) E21D 11/14, E21D 11/18, 17.01.2005, аналог] [5].

В этой крепи [5] стойки и связанные с ними концевые части верхняка каждой рамы выполнены в виде дуг L₁, L₂ одинаковой кривизны, радиусы R₁ кривизны которых равны ширине А рамы около подошвы, а их центры O₁ расположены в плоскости подошвы рамы, причем средняя часть верхняка выполнена в виде дуги L₃, радиус R₂ кривизны которой выбран меньше, чем радиусы R₁ кривизны дуг L₂ его конечных частей, и равняется: R₂=А-0,5·A·tg, где А - ширина рамы около подошвы, м; - угол между плоскостью подошвы рамы и прямой, которая проходит через центр O₁ радиуса R₁ кривизны стойки или связанной с ним конечной части верхняка, и точкой соединения дуг разных радиусов R₁, R₂ кривизны верхняка; =20-50º, а его центр O₂ расположен в плоскости симметрии рамы.

Эта крепь [5] обладает достаточно высокой несущей способностью и величиной конструктивной податливости, однако характеризуется малым поперечным сечением, что сокращает внутреннее пространство и ограничивает условия размещения персонала и оборудования внутри крепи в связи с недостаточным расстоянием между основаниями стоек у подошвы выработки.

Известна наиболее близкая к заявляемой по количеству общих признаков и достигаемому результату трехзвенная металлическая арочная податливая крепь, содержащая связанные между собой рамы, каждая из которых содержит верхняк, выполненный с криволинейными средней и концевыми частями, и две стойки, выполненные с криволинейными верхними и средними частями, а также с прямолинейными нижними частями, у которых криволинейные верхние части соединены внахлест с криволинейными концевыми частями верхняка в узлах податливости и скреплены замками [«Металлическая арочная податливая крепь» RU 2029871 (С1) (Макаров В.П.) E21D 11/14, 27.02.1995, наиболее близкий аналог-прототип] [6].

Однако и эта крепь [6] не обладает наилучшим сочетанием геометрических характеристик верхняка и стоек, в результате чего не обеспечивается оптимальное соотношение ее основных характеристик таких как: несущая способность, величина конструктивной податливости, стабильность величины рабочего сопротивления крепи в интервале конструктивной податливости, поперечное сечение внутренней полости крепи при сохранении минимальной металлоемкости, а также себестоимости изготовления и монтажа.

При разработке конструкций современных крепей основной предпосылкой повышения работоспособности металлической арочной податливой крепи является повышение ее предельной несущей способности, как необходимого условия для соответствующего повышения рабочего сопротивления, определяющего момент наступления конечного равновесия системы «крепь-массив», и тем самым, эффективность крепи в целом.

Одним из путей является повышение предельной несущей способности экстенсивным способом, то есть за счет увеличения массы материала, плотности и металлоемкости крепления.

Наиболее рациональным является интенсивный способ усовершенствования крепи, направленный на изменение формы сечения, без существенного изменения ее металлоемкости, но обеспечивающее увеличение работоспособности, в том числе увеличение конструктивной податливости, которая для трехзвенных крепей обычно ограничивается величиной 300-400 мм.

За счет оптимизации радиусов концевых участков сопрягаемых сегментов - верхняка и стоек крепи может быть увеличена податливость крепи на 150-250 мм, а также повышена ее устойчивость по отношению, как к осевым нагрузкам, так и к боковым и к косонаправленным нагрузкам.

Технической задачей, на решение которой направлена полезная модель, является усовершенствование основных геометрических параметров крепи путем выбора оптимального сочетания длины (Lвс) криволинейной средней части верхняка и радиуса (Rвк) изгиба криволинейной концевой части верхняка, а также выбора наилучшего сочетания радиуса (Rсв) изгиба криволинейной верхней части стойки, длины (Lсв) криволинейной верхней части стойки, радиуса (Rcc) изгиба криволинейной средней части стойки, длины (Lcc) изгиба криволинейной средней части стойки, длины (Lсн) прямолинейной нижней части стойки и угла (сн) наклона прямолинейной нижней части стойки к вертикали.

Усовершенствование крепи в основном направлено на усовершенствование формы поперечного сечения в целом и формы образующих сегментов - верхняка и стоек в направлении максимального приближения их формы к кривой давления и уменьшения радиусов изгиба на критических участках приложения внешних усилий нагружения.

Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи и использовании усовершенствованной крепи, является обеспечение оптимального и сбалансированного соотношения ее основных характеристик таких как: предельная несущая способность, величина конструктивной податливости, стабильность величины рабочего сопротивления крепи в интервале конструктивной податливости, достаточно большое поперечное сечение крепи для нормальной и безопасной работы персонала и размещения оборудования внутри крепи при обеспечении минимальной металлоемкости, а также снижении себестоимости изготовления и монтажа.

Поставленная техническая задача решается, а ожидаемый технический результат достигается тем, что в трехзвенной металлической арочной податливой крепи, содержащей связанные между собой рамы, каждая из которых содержит верхняк, выполненный с криволинейными средней и концевыми частями, и две стойки, выполненные с криволинейными верхними и средними частями, а также с прямолинейными нижними частями, у которых криволинейные верхние части соединены внахлест с криволинейными концевыми частями верхняка в узлах податливости и скреплены замками, согласно полезной модели, длина (Lвс) криволинейной средней части верхняка выбрана из условия обеспечения следующего соотношения:

где: Lвс - длина криволинейной средней части верхняка, мм;

Lв - длина развертки верхняка, мм;

k₁ - коэффициент пропорциональности; k₁=0,4-0,6;

радиус (Rвк) изгиба криволинейной концевой части верхняка выбран из условия обеспечения следующего соотношения:

где: Rвк - радиус изгиба криволинейной концевой части верхняка, мм;

Rвс - радиус изгиба криволинейной средней части верхняка, мм;

k ₂ - коэффициент пропорциональности; k₂=1,5-1,7;

радиус (Rсв) изгиба криволинейной верхней части стойки выбран из условия обеспечения следующего соотношения:

где: Rсв - радиус изгиба криволинейной верхней части стойки, мм;

Rвк - радиус изгиба криволинейной концевой части верхняка, мм;

k ₃ - коэффициент пропорциональности; k₃=0,9-1,0;

длина (Lсв) криволинейной верхней части стойки выбрана из условия обеспечения следующего соотношения:

где: Lсв - длина криволинейной верхней части стойки, мм;

Lc - длина развертки стойки, мм;

k₄ - коэффициент пропорциональности; k₄=0,3-0,4;

радиус (Rcc) изгиба криволинейной средней части стойки выбран из условия обеспечения следующего соотношения:

где: Rcc - радиус изгиба криволинейной средней части стойки, мм;

Rсв - радиус изгиба криволинейной верхней части стойки, мм;

k ₅ - коэффициент пропорциональности; k₅=1,1-1,3;

длина (Lcc) изгиба криволинейной средней части стойки выбрана из условия обеспечения следующего соотношения:

где: Lcc - длина изгиба криволинейной средней части стойки, мм;

Lc - длина развертки стойки (3), мм;

k₆ - коэффициент пропорциональности; k₆=0,2-0,35;

длина (Lсн) прямолинейной нижней части стойки выбрана из условия обеспечения следующего соотношения:

где: Lсн - длина прямолинейной нижней части стойки, мм;

Lc - длина развертки стойки, мм;

К₇ - коэффициент пропорциональности; k ₇=0,1-0,3;

а угол (сн) наклона прямолинейной нижней части стойки к вертикали выбран из условия обеспечения следующего выражения:

где: сн - угол наклона прямолинейной нижней части стойки к вертикали, град, º.

Выбранные соотношения (1-7) и выражение (8), а также коэффициенты пропорциональности (k₁-k ₇) определены опытным путем, являются оптимальными и формируют наилучшее сбалансированное сочетание основных геометрических параметров и наилучшую форму крепи.

Это обеспечивает наиболее рациональные соотношения ее основных характеристик таких как: несущая способность, величина конструктивной податливости, стабильность величины рабочего сопротивления крепи в интервале конструктивной податливости, достаточно большое поперечное сечение крепи для нормальной работы персонала и размещения оборудования внутри крепи при обеспечении минимальной металлоемкости, а также себестоимости изготовления и монтажа.

За счет оптимизации геометрических параметров крепи, в том числе радиусов концевых участков, сопрягаемых сегментов (верхняка и стоек) увеличивается податливость на 150-250 мм, а также повышается устойчивость крепи по отношению, как к осевым нагрузкам, так и к боковым и к косонаправленным нагрузкам.

Выбор коэффициентов пропорциональности (k₁-k₇) за пределами указанных минимальных и максимальных значений нарушает такое оптимальное соотношение основных геометрических параметров крепи и приводит к нарушению сбалансированного соотношения прочностных показателей, характеристики податливости и рабочего сопротивления, а также площади ее сечения.

Так выбор значений коэффициентов пропорциональности (k₁-k₇), при которых увеличиваются несущая способность, величина конструктивной податливости, стабильность величины рабочего сопротивления приводит к уменьшению сечения крепи, что ухудшает условия и безопасность труда персонала, а также ограничивает размещение горного оборудования внутри крепи.

И наоборот, выбор значений коэффициентов пропорциональности (k₁-k₇), при которых увеличиваются габариты и площадь сечения крепи приводит к снижению прочностных показателей и характеристики величины конструктивной податливости и стабильности рабочего сопротивления.

В дальнейшем полезная модель поясняется чертежом, на котором изображена трехзвенная металлическая арочная податливая крепь, и примером ее осуществления со ссылками на упомянутый чертеж.

Трехзвенная металлическая арочная податливая крепь (см. чертеж) содержит связанные между собой рамы 1, каждая из которых содержит верхняк 2, выполненный с криволинейными средней и концевыми частями, и две стойки 3, выполненные с криволинейными верхними и средними частями, а также с прямолинейными нижними частями, у которых (3) криволинейные верхние части соединены внахлест с криволинейными концевыми частями верхняка 2 в узлах податливости 4 и скреплены замками 5.

Особенностью крепи являются следующие усовершенствования ее геометрических характеристик.

Длина (Lвс) криволинейной средней части верхняка (2) выбрана из условия обеспечения следующего соотношения:

где: Lвс - длина криволинейной средней части верхняка (2), мм;

Lв - длина развертки верхняка (2), мм;

k₁ - коэффициент пропорциональности; k₁=0,4-0,6.

Радиус (Rвк) изгиба криволинейной концевой части верхняка (2) выбран из условия обеспечения следующего соотношения:

где: Rвк - радиус изгиба криволинейной концевой части верхняка (2), мм;

Rвс - радиус изгиба криволинейной средней части верхняка (2), мм;

k₂ - коэффициент пропорциональности; k₂ =1,5-1,7.

Радиус (Rсв) изгиба криволинейной верхней части стойки (3) выбран из условия обеспечения следующего соотношения:

где: Rсв - радиус изгиба криволинейной верхней части стойки (3), мм;

Rвк - радиус изгиба криволинейной концевой части верхняка (2), мм;

k₃ - коэффициент пропорциональности; k₃ =0,9-1,0.

Длина (Lсв) криволинейной верхней части стойки (3) выбрана из условия обеспечения следующего соотношения:

где: Lсв - длина криволинейной верхней части стойки (3), мм;

Lc - длина развертки стойки (3), мм;

k₄ - коэффициент пропорциональности; k₄=0,3-0,4.

Радиус (Rcc) изгиба криволинейной средней части стойки (3) выбран из условия обеспечения следующего соотношения:

где: Rcc - радиус изгиба криволинейной средней части стойки (3), мм;

Rсв - радиус изгиба криволинейной верхней части стойки (3), мм;

k ₅ - коэффициент пропорциональности; k₅=1,1-1,3.

Длина (Lcc) изгиба криволинейной средней части стойки (3) выбрана из условия обеспечения следующего соотношения:

где: Lcc - длина изгиба криволинейной средней части стойки (3), мм;

Lc - длина развертки стойки (3), мм;

k₆ - коэффициент пропорциональности; k₆=0,2-0,35.

Длина (Lсн) прямолинейной нижней части стойки (3) выбрана из условия обеспечения следующего соотношения:

где: Lсн - длина прямолинейной нижней части стойки (3), мм;

Lc - длина развертки стойки (3), мм;

k₇ - коэффициент пропорциональности; k₇=0,1-0,3.

Угол (сн) наклона прямолинейной нижней части стойки (3) к вертикали выбран из условия обеспечения следующего выражения:

где: сн - угол наклона прямолинейной нижней части стойки (3) к вертикали, град, º.

Трехзвенная металлическая арочная податливая крепь возводится следующим образом.

При возведении крепи сначала монтируют рамы 1.

Для этого верхняки 2 каждой рамы 1, у которого длина (Lвс) криволинейной средней части выбрана из выражения (1), своими криволинейными концевыми частями, радиус (Rвк) изгиба которых выбран из выражения (2), сочленяют снаружи внахлест с криволинейными верхними частями стоек 3, у которых радиус изгиба (Rсв) верхних частей выбран из соотношения (3), длина (Lсв) криволинейных верхних частей выбрана из соотношения (4), радиус (Rcc) изгиба криволинейных средних частей выбран из соотношения (5), длина (Lcc) изгиба криволинейных средних частей выбран из соотношения (6), длина (Lсн) прямолинейных нижних частей выбрана из соотношения (7), а угол (сн) наклона прямолинейных нижних частей к вертикали выбран из выражения (8).

Криволинейные концевые части верхняков 2 соединяют внахлест с криволинейными верхними частями стоек 3 в узлы податливости 4 и скрепляют замками 5.

Смонтированные рамы 1 скрепляют вдоль горной выработки межрамными связями (на чертеже не показаны) в трехзвенную металлическую арочную податливую крепь.

Криволинейные концевые части верхняков 2, соединенные внахлест с криволинейными верхними частями стоек 3 в узлах податливости 4, сжимают замками 5 с определенным усилием, предельная величина которого зависит от конструктивных особенностей и возможности самих замков.

Трехзвенная металлическая арочная податливая крепь работает следующим образом.

В процессе образования вокруг контура выработки со стороны горного массива зоны неупругих деформаций происходит всестороннее внешнее обжатие крепи нарушенными породами горного массива.

При всестороннем обжатии металлической арочной податливой крепи в замках 5 узлов податливости 4 происходит взаимное скольжение криволинейных концевых частей верхняков 2, относительно соединенных внахлест криволинейных верхних частей стоек 3 в узлах податливости 4 с одновременным изменением поперечного сечения рам 1.

Скольжение криволинейных концевых частей верхняков 2, относительно соединенных внахлест криволинейных верхних частей стоек 3 в узлах податливости 4 зависит от рабочей характеристики желобчатых спецпрофилей и обусловлено формой их поперечного сечения и материалом.

При этом замки 5 узлов податливости 4 крепи обеспечивают их плотное прилегание по всей длине нахлестки и создание стабильных усилий трения между ними, что обеспечивает стабилизацию параметров рабочего сопротивления узлов податливости в интервале конструктивной податливости крепи в связи с тем, что радиус (Rсв) изгиба криволинейных верхних частей стоек (3) выбран из условия обеспечения следующего соотношения:

где: Rсв - радиус изгиба криволинейной верхней части стойки (3), мм;

Rвк - радиус изгиба криволинейной концевой части верхняка (2), мм;

k₃ - коэффициент пропорциональности; k₃ =0,9-1,0;

За счет этого в узлах податливости 4 каждой рамы 1 в период нагружения крепи силы трения между криволинейными концевыми частями верхняков 2 и криволинейными верхними частями стоек 3 создают не пилообразную, а плавно нарастающую характеристику рабочего сопротивления, а при достижении геомеханического равновесия системы «крепь - массив» обеспечивают стабильную проектную величину рабочего сопротивления.

При этом отклонения величины рабочего сопротивления крепи от проектной величины не превышают допустимые ±10-12%.

При горном давлении, превышающем сопротивление податливости крепи криволинейные концевые части верхняков 2 и криволинейные верхние части стоек 3, скрепленные замками 5 в узлах податливости 4, под действием смещения массива горных пород, скользят друг относительно друга, в результате чего изменяется геометрия и поперечное сечение рам 1.

Установившееся геомеханическое равновесие системы «крепь-массив» обеспечивается силами трения контактных поверхностей криволинейных концевых частей верхняков 2 и криволинейных верхних частей стоек 3, то есть силами сопротивления в узлах податливости 4, создаваемыми замками 5.

В период нагружения крепи взаимное скольжение криволинейных концевых частей верхняков 2 и криволинейных верхних частей стоек 3 в податливом режиме осуществляется с обеспечением стабильной величины рабочего сопротивления, которое требуется для нормальной работы податливой крепи.

В последующий период работы крепи в податливом режиме при горном давлении, превышающем сопротивление податливости крепи при промежуточном геомеханическом равновесии системы «крепь-массив», под действием дальнейшего смещения массива горных пород процесс плавного скольжения криволинейных концевых частей верхняка 2 относительно криволинейных верхних частей стоек 3, скрепленных замками 5 в узлах податливости 4, постоянно повторяется.

Это происходит до тех пор, пока не установится конечное геомеханическое равновесие системы «крепь-массив» в новом состоянии, вплоть до исчерпания всей величины конструктивной податливости крепи.

После исчерпания всей величины конструктивной податливости крепи ее поперечное сечение достигает минимальной величины и крепь переходит в жесткий режим работы.

Но металлическую арочную податливую крепь до такого состояния, обычно, не доводят

Выбранные соотношения (1-7) и выражение (8), а также коэффициенты пропорциональности (k ₁-k₇) формируют оптимальное сочетание основных геометрических параметров и наилучшую форму крепи, обеспечивающих наиболее рациональное соотношения ее основных характеристик таких как: несущая способность, величина конструктивной податливости, стабильность величины рабочего сопротивления крепи в интервале конструктивной податливости, достаточно большое поперечное сечение рам крепи для нормальной и безопасной работы персонала и размещения оборудования внутри крепи при обеспечении минимальной металлоемкости, а также себестоимости изготовления и монтажа.

За счет оптимизации геометрических параметров крепи, в том числе радиусов концевых участков сопрягаемых сегментов (верхняка и стоек), увеличивается податливость крепи на 150-250 мм, а также повышается ее устойчивость по отношению, как к осевым нагрузкам, так и к боковым и к косонаправленным нагрузкам.

Приведенные сведения подтверждают возможность промышленной применимости заявляемой трехзвенной металлической арочной податливой крепи, которая может быть изготовлена на любом предприятии горного машиностроения и может найти широкое использование в горной промышленности для крепления горных выработок в различных, в том числе сложных, горно-геологических условиях.

Перечень обозначений

1. рама

2. верхняк

3. стойка

4. узел податливости

5. замок

Lвс - длина криволинейной средней части верхняка (2), мм;

Lв - длина развертки верхняка (2), мм;

k₁ - коэффициент пропорциональности; k₁=0,4-0,6;

Rвк - радиус изгиба криволинейной концевой части верхняка (2), мм;

Rвс - радиус изгиба криволинейной средней части верхняка (2), мм;

k₂ - коэффициент пропорциональности; k₂ =1,5-1,7;

Rсв - радиус изгиба криволинейной верхней части стойки (3), мм;

Rвк - радиус изгиба криволинейной концевой части верхняка (2), мм;

k₃ - коэффициент пропорциональности; k₃=0,9-1,0;

Lсв - длина криволинейной верхней части стойки (3), мм;

Lc - длина развертки стойки (3), мм;

k₄ - коэффициент пропорциональности; k₄ =0,3-0,4;

Rcc - радиус изгиба криволинейной средней части стойки (3), мм;

Rсв - радиус изгиба криволинейной верхней части стойки (3), мм;

K₅- коэффициент пропорциональности; k₅=1,1-1,3;

Lcc - длина изгиба криволинейной средней части стойки (3), мм;

Lc - длина развертки стойки (3), мм;

k₆ - коэффициент пропорциональности; k₆ =0,2-0,35;

Lсн - длина прямолинейной нижней части стойки (3), мм;

Lc - длина развертки стойки (3), мм;

К₇ - коэффициент пропорциональности; k₇=0,1-0,3;

сн - угол наклона прямолинейной нижней части стойки (3) к вертикали, град, º.

сн=4-7º.

Трехзвенная металлическая арочная податливая крепь, содержащая связанные между собой рамы (1), каждая из которых содержит верхняк (2), выполненный с криволинейными средней и концевыми частями, и две стойки (3), выполненные с криволинейными верхними и средними частями, а также с прямолинейными нижними частями, у которых (3) криволинейные верхние части соединены внахлест с криволинейными концевыми частями верхняка (2) в узлах податливости (4) и скреплены замками (5), отличающаяся тем, что длина (Lвс) криволинейной средней части верхняка (2) выбрана из условия обеспечения следующего соотношения:

где Lвс - длина криволинейной средней части верхняка (2), мм;

Lв - длина развертки верхняка (2), мм;

k ₁ - коэффициент пропорциональности, k₁=0,4-0,6;

радиус (Rвк) изгиба криволинейной концевой части верхняка (2) выбран из условия обеспечения следующего соотношения:

где Rвк - радиус изгиба криволинейной концевой части верхняка (2), мм;

Rвс - радиус изгиба криволинейной средней части верхняка (2), мм;

k₂ - коэффициент пропорциональности, k₂=1,5-1,7;

радиус (Rсв) изгиба криволинейной верхней части стойки (3) выбран из условия обеспечения следующего соотношения:

где Rсв - радиус изгиба криволинейной верхней части стойки (3), мм;

Rвк - радиус изгиба криволинейной концевой части верхняка (2), мм;

k₃ - коэффициент пропорциональности, k₃=0,9-1,0;

длина (Lсв) криволинейной верхней части стойки (3) выбрана из условия обеспечения следующего соотношения:

где Lсв - длина криволинейной верхней части стойки (3), мм;

Lc - длина развертки стойки (3), мм;

k ₄ - коэффициент пропорциональности, k₄=0,3-0,4;

радиус (Rcc) изгиба криволинейной средней части стойки (3) выбран из условия обеспечения следующего соотношения:

где Rcc - радиус изгиба криволинейной средней части стойки (3), мм;

Rсв - радиус изгиба криволинейной верхней части стойки (3), мм;

К₅ - коэффициент пропорциональности, k₅=1,1-1,3;

длина (Lcc) изгиба криволинейной средней части стойки (3) выбрана из условия обеспечения следующего соотношения:

где Lcc - длина изгиба криволинейной средней части стойки (3), мм;

Lc - длина развертки стойки (3), мм;

k₆ - коэффициент пропорциональности, k₆ =0,2-0,35;

длина (Lсн) прямолинейной нижней части стойки (3) выбрана из условия обеспечения следующего соотношения:

где Lсн - длина прямолинейной нижней части стойки (3), мм;

Lc - длина развертки стойки (3), мм;

К ₇ - коэффициент пропорциональности, k₇=0,1-0,3;

а угол (сн) наклона прямолинейной нижней части стойки (3) к вертикали выбран из условия обеспечения следующего выражения:

где сн - угол наклона прямолинейной нижней части стойки (3) к вертикали, град.