Профиль шахтной крепи из стальной полосы

Полезная модель относится к горной промышленности и сооружению тоннелей, а именно к креплению горных выработок рамными арочными крепями в сложных горно-геологических условиях большого горного давления и значительных смещений породного массива, а также к креплению тоннелей временными арочными крепями при их проходке комбайновым способом.
Известен профиль шахтной металлической крепи, содержащий наклонные боковые стенки, фланцы и прямолинейное днище, выполненное толщиной, равной высоте фланцев, и шириной, равной суммарной толщине фланцев. Днище сопрягается с наклонными стенками с внутренней и внешней сторон с образованием внутренней и внешней цилиндрических поверхностей, причем толщина днища и высота фланцев составляют 3,1-3,8 толщины боковых стенок профиля, а радиус кривизны внутренней цилиндрической поверхности сопряжения боковых стенок и днища профиля составляет 1,2-1,5 радиуса кривизны внешней цилиндрической поверхности, при этом внешняя боковая стенка фланцев наклонена к оси симметрии профиля под углом 4-10° [SU 1659669, E21D 11/11, 1991]. Недостатком этого профиля является повышенный расход металла, обусловленный увеличением массы металла на формирование днища и фланцев с размерами, необходимыми для сохранения геометрических характеристик при изготовлении из этого профиля элементов рам шахтной крепи.
Кроме того, в процессе работы профилей, когда они соединены концами внахлестку и сжаты замковым соединением, не обеспечивается соприкосновение фланцев между собой, что снижает надежность сцепления профилей, т.к. нарушается контакт по стенкам профилей, и соответственно снижается работоспособность профиля в целом.
Известна конструкция желобчатого профиля, содержащего днище и наклонные стенки с фланцами на концах, имеющими плоские поверхности, верхние и нижние поверхности фланцев параллельны и расположены перпендикулярно к оси симметрии профиля, причем на нижних поверхностях фланцев выполнены выступы с опорными гранями, а к верхним поверхностям фланцев примыкают наклонные поверхности, расположенные параллельно опорным граням, при этом ширина верхних поверхностей больше, чем ширина нижних поверхностей, а угол наклона опорных граней к оси симметрии профиля не превышает 45° [SU 1701828, E21D 11/14, 1991]. Однако данная конструкция профиля, решая вопрос замыкания фланцев между собой при сборе профилей, не позволяет снизить расход металла на изготовление одного погонного метра профиля, так как масса формируемых принятой геометрии фланцев остается значительной величины.
Известен наиболее близкий к заявляемому профиль шахтной крепи, изготовленный из стальной полосы [патент RU 2055988, E21D 11/14, 1996], состоящий из днища, стенок и фланцев с криволинейными верхней и нижней поверхностями, внутренняя поверхность профиля расположена эквидистантно его внешней поверхности. На внутренней криволинейной поверхности днища по оси симметрии профиля выполнен выступ, а на внешней поверхности - желоб, обращенный внутрь сечения профиля. Причем выступ выполнен высотой, равной глубине желоба, при этом место сопряжения каждой боковой стенки профиля с внешней поверхностью днища имеет больший радиус кривизны на толщину профиля или радиус кривизны места сопряжения каждой боковой стенки профиля с внутренней поверхностью днища, а криволинейные поверхности каждого фланца со стороны внутренней поверхности профиля имеют радиус кривизны, равный соответственно 1,5 и 2,5 толщинам профиля, при этом к криволинейным поверхностям фланца примыкают прямолинейные поверхности, ориентированные в сторону, противоположную от внешней поверхности профиля с образованием на конце каждого торца с острыми кромками, причем прямолинейные поверхности каждого фланца выполнены наклонными и угол их наклона к вертикальной оси профиля составляет не более 5°.
Недостатком известного технического решения является то, что практически невозможно при сборке профилей между собой обеспечить одновременный контакт боковых стенок профилей и фланцев с обеспечением контакта наружной криволинейной части фланца одного профиля с острой кромкой фланца другого профиля.
Задачей настоящего технического решения является повышение нагрузочной способности шахтной крепи при одновременном снижении ее металлоемкости.
Выполнение указанной задачи достигается тем, что у профиля шахтной крепи из стальной полосы корытообразной формы, включающего днище, наклонные боковые стенки и криволинейные фланцы желобчатой формы на свободных концах, симметрично расположенных относительно вертикальной оси, концевые части фланцев выполнены наклонными на угол, равный углу наклона боковых стенок, и концевая часть одного фланца выполнена параллельной боковой стенке, примыкающей к другому фланцу, а концевая часть другого фланца выполнена параллельной боковой стенке, примыкающей к первому фланцу, при этом высота фланцев соответствует формуле: H=K×[R×(1-sinβ)+S/sinβ], где K=1,0-1,1 (коэффициент пропорциональности); R - наружный радиус криволинейных фланцев и днища, S - толщина профиля, β - угол наклона боковых стенок и концевых частей фланцев относительно вертикальной оси, Н - высота фланцев.
Полезная модель поясняется чертежами, где изображено:
Фиг. 1 - профиль шахтной крепи из стальной полосы;
Фиг. 2 - узел сборки профилей с соединением внахлестку в арочной крепи.
10
11
2
3
2
3
10
11
4(5)
Профиль шахтной крепи из стальной полосы корытообразной формы (Фиг. 1) включает днище 1, наклонные боковые стенки 2, 3 и криволинейные фланцы 4, 5 желобчатой формы на свободных краях 6, 7 профиля, симметрично расположенные относительно вертикальной оси Y-Y, при этом внутренние поверхности 8 профиля расположены эквидистантно относительно наружных поверхностей 9, то есть днище 1, наклонные стенки 2, 3 и фланцы 3, 4 имеют одинаковую толщину S. Концевые части 10, 11 фланцев 4, 5 выполнены наклонными на углы β и β, равные по величине углам β и β наклона боковых стенок 2 и 3, и концевая часть 10 фланца 4 выполнена параллельной боковой стенке 3, примыкающей к фланцу 5, а концевая часть 11 фланца 5 выполнена параллельной боковой стенке 2, примыкающей к фланцу 4. Высота фланцев 4, 5 соответствует формуле: H =K×[R×(1-sinβ)+S/sinβ], где K=1,0-1,1 (коэффициент пропорциональности); R - наружный радиус криволинейных фланцев 4, 5 и днища 1; S - толщина профиля, β, β = β - углы наклона боковых стенок 2, 3; β, β = β - углы наклона концевых частей 10 и 11 фланцев 4, 5 относительно вертикальной оси Y-Y, Н = Н - высота фланцев 4 и 5.
На фиг. 2 изображен узел сборки профилей 12 и 13 по заявляемому техническому решению с соединением их между собой внахлестку. Профили 12 и 13 соединены между собой с помощью скобы 14, охватывающей наружные части 15, 16 фланцев 17, 18 профиля 12, планки 19, прилегающей к наружной части 20 днища 21 профиля 13, и гаек 22, 23. Боковые стенки 24, 25 профиля 13 прижимаются к боковым стенкам 26, 27 профиля 12 и образуют совместно с днищем 28 профиля 12 и днищем 21 профиля 13 жесткую замкнутую трубчатую поверхность 29, а фланцы 17, 18 профиля 12 охватывают соответствующие фланцы 30, 31 профиля 13 с образованием жестких замкнутых трубчатых поверхностей 32, 33. При этом соответствующие поверхности профилей 12 и 13 сдвинуты относительно друг друга по вертикальной оси Y-Y на величину Δ= S×(1/sinβ-1).
Анализ заявленного технического решения показывает, что выполнение высоты Н фланцев 17, 18 и 30, 31 профилей 12,13 менее величины 1,0×[R×(1-sinβ)+S/sinβ] не позволяет образовать замкнутые трубчатые поверхности 32, 33, что приводит к снижению жесткости соединения профилей между собой; выполнение высоты Н фланцев на величину более 1,1×[R×(1-sin β)+S/sin β] не рационально, так как приводит к увеличению металлоемкости профилей, смещению нейтральной линии профилей и, соответственно, к неравномерности технических характеристик профилей при работе на сжатие и растяжение.
Выполнение шахтных профилей из стальной полосы в соответствии с заявленным техническим решением позволяет создать шахтную крепь высокой нагрузочной способности повышенной жесткости и низкой металлоемкости. Проведенные расчеты показывают возможность снижения металлоемкости профилей и крепи в целом на 15-30% по сравнению с крепью, изготовленной из стандартных горячекатаных шахтных профилей СВП по ГОСТ 18662-83 при сравнимой несущей способности и повышенной устойчивости. Изготовление шахтной крепи из профилей по заявленному техническому решению приводит к снижению затрат на крепление горных выработок и снижению трудоемкости на их возведение.
В таблицах 1, 2 сведены примеры габаритов и технических характеристик шахтных профилей из стальной полосы по заявленному техническому решению. В таблице 3 приведены сравнительные технические характеристики стандартных горячекатаных шахтных профилей по ГОСТ 18662-83 (СВП-22 и СВП-27 - наименование профилей).
Таблица 1
№ п/п
S, мм
H<sub>0</sub>, мм
H<sub>4(5)</sub>, мм
B<sub>0</sub>, мм
R, мм
Y<sub>0</sub>, см
1
5,0
130
45,0
208,8
20,0
3,873
2
5,5
130
45,0
207,4
20,0
3,793
3
6,0
130
45,0
206,4
20,0
3,721
4
5,0
140
45,0
212,9
20.0
4,324
5
5,5
140
45,0
211,7
20,0
4,238
6
6,0
140
45,0
210,6
20,0
4,162
7
5,0
150
45,0
216,9
20,0
4,739
8
5,5
150
45,0
215,9
20,0
4,749
9
6,0
150
45,0
214,9
20,0
4,568
0
4(5)
0
0
Обозначения: S - толщина стенки профиля, мм; Н - высота профиля, мм; Н - высота фланца, мм; В - ширина профиля, мм; R - радиус гибки, мм; Y - высота до центра тяжести сечения, см.
Таблица 2
№ п/п
F, см<sup>2</sup>
M, кг/м
J<sub>x</sub>, см<sup>4</sup>
W<sub>x</sub> min, см<sup>3</sup>
W<sub>x</sub> max, см<sup>3</sup>
I<sub>x</sub>, см
J<sub>y</sub>, см<sup>4</sup>
W<sub>y</sub>, см<sup>3</sup>
I<sub>y</sub>, см
1
22,321
17,522
439,21
63,77
71,85
4,436
870,15
83,35
6,244
2
24,476
19,214
478,30
69,53
78,15
4,421
936,89
90,35
6,187
3
26,614
29,892
517,37
75,29
84,43
4,409
1004,04
97,30
6,142
4
23,292
18,284
532,46
71,64
81,07
4,781
933,80
87,82
6,332
5
25,544
20,052
580,20
78,15
88,23
4,766
1009,74
95,41
6,287
6
27,779
21,807
627,21
84,67
95,37
4,752
1082,63
102,80
6,243
7
24,260
19,044
636,61
79,84
90,61
5,123
1003,97
92,56
6,433
8
26,612
20,890
694,21
87,16
98,68
5,107
1092,19
101,17
6,406
9
28,945
22,722
754,58
94,84
107,14
5,106
1165,17
108,45
6,345
2
4
3
4
3
x
x
x
y
y
y
Обозначения (табл. 2, 3): F - площадь сечения профиля, см; М - масса погонного метра профиля, кг/м; J - момент инерции сечения относительно оси X, см; W min (max) - момент сопротивления минимальный (максимальный) относительно оси X, см; I - радиус инерции сечения относительно оси X, см; J - момент инерции сечения относительно оси Y, см; W - момент сопротивления относительно оси Y, см; I - радиус инерции сечения относительно оси Y, см.
Таблица 3
№ п/п
F, см<sup>2</sup>
M, кг/м
J<sub>x</sub>, см<sup>4</sup>
W<sub>x</sub> min, см<sup>3</sup>
W<sub>x</sub> max, см<sup>3</sup>
I<sub>x</sub>, см
J<sub>y</sub>, см<sup>4</sup>
W<sub>y</sub>, см<sup>3</sup>
I<sub>y</sub>, см
СВП-22
27,91
21,9
428,6
74,8
81,5
3,919
586,3
77,8
4,583
СВП-27
34,87
27,0
646,1
100,2
110,5
4,405
731,5
97,8
4,580
x
y
Анализ технических характеристик, приведенных в таблицах 2-3, показывает, что профили по заявляемому техническому решению при характеристиках сечения при работе на изгиб (W, W), сравнимых с характеристиками стандартных профилей по ГОСТ 18662, имеют меньшую площадь сечения и меньшую массу погонного метра. При этом профили значительно лучше работают на устойчивость по сравнению со стандартными в обеих плоскостях, так как имеют большие значения радиусов сечения на 12-35%.
Изготовление шахтной крепи из профилей по заявленному техническому решению приводит к снижению металлоемкости арочной крепи и стоимости на ее изготовление затрат, снижению на крепление горных выработок и трудоемкости на их возведение. Выполнение шахтных профилей из стальной полосы в соответствии с заявленным техническим решением позволяет создать шахтную крепь высокой нагрузочной способности повышенной жесткости и низкой металлоемкости. Проведенные расчеты показывают возможность снижения металлоемкости профилей и крепи в целом на 15-30% по сравнению с крепью, изготовленной из стандартных горячекатаных шахтных профилей СВП по ГОСТ 18662-83 при сравнимой несущей способности и повышенной устойчивости.