Бетонная рама горной крепи с дренажом
CONCRETE FRAME OF MINE SUPPORT WITH DRAINAGE

Изобретение относится к горному делу и подземному строительству и может быть использовано при устройстве рамных крепей с системой дренажа в обводненных, а также горизонтальных или наклонных горных выработках.
Известна конструкция дренажа трапециевидной формы, состоящего из железобетона (см. Картозия Б.А., Федумец Б.И., Шуплик М.Н. Шахтное подземное строительство. Москва. Академия горных наук, 2001, с. 32).
Недостатком технического решения является необходимость постоянной очистки дренажной системы от мусора и шлака, а также наличие постоянного уклона.
В качестве ближайшего аналога принята бетонная рама горной крепи с дренажом, содержащая армированную раму и дренажные канавки, выполненные с возможностью отвода воды (см. ГОСТ 5218-75 Сечения водоотливных и дренажных канавок в горизонтальных горных выработках. Основные размеры, таблица 1).
Недостатками ближайшего аналога являются:
- размещение дренажных канавок в проходной зоне и как следствие – необходимость их перекрытия трапами;
- наличие постоянного уклона у всех дренажных канавок, в результате чего повышается сложность и трудоемкость их создания и содержания;
- отсутствие возможности управления водным потоком и контроля его скорости.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является разработка конструкции рамной крепи с системой дренажа.
Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в следующем:
- повышение пропускной способности дренажа, в том числе при малом объеме воды или малом уклоне;
- возможность управления водным потоком и контроля его скорости;
- универсальность конструкции за счет возможности применения как в горизонтальных, так и в наклонных горных выработках;
- повышение пространственной жесткости и долговечности горной крепи;
- организация единой системы вывода воды из шахтного поля на поверхность;
- отсутствие необходимости создания полости в подошве выработки под наклоном к горизонту.
Поставленная задача решается тем, что в бетонной раме горной крепи с дренажом, содержащей армированную раму и дренажные канавки, выполненные с возможностью отвода воды, в качестве продольной арматуры рамы используют полые трубы, сообщенные друг с другом, стойки рамы жестко соединены с дренажными канавками, на дне каждой из которых размещен нагревательный элемент, выполненный с возможностью нагрева до точки Лейденфроста, кроме того, свободные концы труб стоек сообщены с концами соответствующих нагревательных элементов, для чего в боковых поверхностях каждой стойки и ее трубы выполнен соответствующий общий паз, внешняя поверхность каждого нагревательного элемента между стойками выполнена ребристой, причем ребра расположены перпендикулярно продольной оси дренажной канавки и их поперечное сечение выполнено в форме равнобедренного прямоугольного треугольника, один из катетов которого перпендикулярен дну дренажной канавки, а гипотенуза ориентирована с подъемом в сторону общего паза, кроме того, труба перекладины рамы выполнена с возможностью сообщения по меньшей мере с одной ортогональной полой трубой, которая выполнена с возможностью подключения к устройству для отвода воды и/или пара.
Сопоставительный анализ совокупности существенных признаков предлагаемого технического решения и совокупности существенных признаков прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
При этом отличительные признаки формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признаки «на дне каждой из [дренажных канавок] размещен нагревательный элемент, выполненный с возможностью нагрева до точки Лейденфроста,… внешняя поверхность каждого нагревательного элемента между стойками выполнена ребристой, причем ребра расположены перпендикулярно продольной оси дренажной канавки и их поперечное сечение выполнено в форме равнобедренного прямоугольного треугольника, один из катетов которого перпендикулярен дну дренажной канавки, а гипотенуза ориентирована с подъемом в сторону общего паза» и «свободные концы труб стоек сообщены с концами соответствующих нагревательных элементов, для чего в боковых поверхностях каждой стойки и ее трубы выполнен соответствующий общий паз» позволяют контролировать скорость водного потока и направлять его из дренажной канавки через паз в трубу стойки как в горизонтальных, так и в наклонных горных выработках.
Признаки «в качестве продольной арматуры рамы используют полые трубы, сообщенные друг с другом» и «труба перекладины рамы выполнена с возможностью сообщения по меньшей мере с одной ортогональной полой трубой, которая выполнена с возможностью подключения к устройству для отвода воды и/или пара» организуют единую систему вывода воды из шахтного поля на поверхность.
Также признаки «труба перекладины рамы выполнена с возможностью сообщения по меньшей мере с одной ортогональной полой трубой, которая выполнена с возможностью подключения к устройству для отвода воды и/или пара» позволяют выводить воду и/или пар равномерно из обеих стоек каждой рамы и регулировать скорость перемещения этих воды и/или пара в ортогональных полых трубах.
Признак «стойки рамы жестко соединены с дренажными канавками» позволяют минимизировать количество швов и стыков в узлах и тем самым упростить процесс ремонта.
Также признаки «в качестве продольной арматуры рамы используют полые трубы», «труба перекладины рамы выполнена с возможностью сообщения по меньшей мере с одной ортогональной полой трубой» и «стойки рамы жестко соединены с дренажными канавками» позволяют повысить пространственную жесткость и долговечность горной крепи.
На фиг.1 изображен продольный разрез устройства при горизонтальной горной выработке.
На фиг.2 изображен продольный разрез устройства при восходящей горной выработке.
На фиг.3 изображен продольный разрез устройства при нисходящей горной выработке.
На фиг.4 изображен вид устройства со стороны дренажных канавок.
Чтобы изображения были более наглядными, на чертежах обозначены условные границы между конструктивными элементами и ребра нагревательных элементов показаны в увеличенном размере.
На чертежах показаны рама 1, дренажные канавки 2, продольная арматура рамы 1 в виде полых труб 3 и 4 стоек 5 и перекладины 6 соответственно, нагревательные элементы 7, общие пазы 8 в боковых поверхностях стоек 5 и их труб 3, ребра 9 нагревательных элементов 7, ортогональные полые трубы 10.
Рама 1 состоит из стоек 5 и перекладины 6, в качестве продольной арматуры которых используют полые трубы 3 и 4, сообщенные друг с другом.
Труба 4 перекладины 6 выполнена с возможностью сообщения по меньшей мере с одной ортогональной полой трубой 10, которая выполнена с возможностью подключения к устройству для отвода воды и/или пара (на чертежах не показано).
На дне каждой из дренажных канавок 2 размещен нагревательный элемент 7, выполненный с возможностью нагрева до точки Лейденфроста, при этом внешняя поверхность нагревательного элемента 7 между стойками 5 выполнена ребристой, ребра 9 расположены перпендикулярно продольной оси дренажной канавки 2 и их поперечное сечение выполнено в форме равнобедренного прямоугольного треугольника, один из катетов которого перпендикулярен дну дренажной канавки 2.
Каждая стойка 5 жестко соединена с соответствующей дренажной канавкой 2, причем свободный конец трубы 3 этой стойки 5 сообщен с концом нагревательного элемента 7, для чего в боковых поверхностях стойки 5 и ее трубы 3 выполнен соответствующий общий паз 8, при этом гипотенуза ребер 9 нагревательного элемента 7 ориентирована с подъемом в сторону общего паза 8.
Заявляемое устройство можно возводить по известным технологиям с применением стандартного оборудования.
Монтаж секциями параллельно с проходкой горной выработки состоит из следующих этапов:
- в грунте делают траншеи для дренажных канавок 2 и углубления для стоек 5 рамы;
- монтируют опалубку;
- заливают бетон и формируют дренажные канавки 2 и низ стоек 5;
- на дне дренажных канавок 2 проводят электрическую сеть, поверх которой размещают нагревательные элементы 7;
- на конце каждого нагревательного элемента 7 устанавливают трубу 3 стойки 5;
- монтируют опалубку для стоек 5;
- заливают бетон и формируют стойки 5 бетонной рамы 1;
- между стойками 5 устанавливают трубу 4 перекладины 6, формируя из сообщенных труб 3 и 4 продольную арматуру бетонной рамы 1;
- монтируют опалубку для перекладины 6;
- заливают бетон и формируют бетонную раму 1;
- соединяют трубу 4 перекладины 6 рамы 1 с ортогональной полой трубой 10;
- подключают ортогональную полую трубу 10 к устройству для отвода воды и/или пара;
- бетонируют ортогональные полые трубы 10.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
На этапе проектирования горной крепи определяют с помощью расчетов и численного моделирования геометрические параметры элементов устройства.
Перед эксплуатацией включают нагревательные элементы 7, выполненные с возможностью нагрева до точки Лейденфроста (200°С для воды), и устройство для отвода воды и/или пара, например насос Углесос 900-320.
Стекая в дренажную канавку 2, вода попадает на поверхность нагревательного элемента 7, в результате в зоне контакта за счет эффекта Лейденфроста между ними образуется паровая прослойка.
Однако из-за наличия у нагревательных элементов 7 ребер 9 течение пара становится анизотропным, и появляется определенное направление, которое позволяет двигаться каплям воды не только в вертикальном направлении (угол=0°), но и под наклоном вверх (угол более 0°).
За счет ориентации гипотенузы ребер 9 нагревательного элемента 7 с подъемом в сторону общего паза 8, водный поток с помощью паровой прослойки передвигается по нагревательному элементу 7 из дренажной канавки 2 через общий паз 8 в трубу 3 стойки 5, откуда воду и/или пар отводят из шахтного поля на поверхность по трубе 4 перекладины 6 и далее по ортогональным полым трубам 10 с помощью устройства для отвода воды и/или пара.
В наклонных горных выработках направление гипотенуз ребер нагревательных элементов ориентировано на увеличение уровня общего паза относительно дренажной канавки, а угол наклона дренажной канавки доходит до 57° и выше при силе тяжести капли, не превышающей ее скорости движения.
3
Толщина слоя воды в дренажной канавке должна быть следующей: минимальная – 6 мм, рекомендуемая – 3 см, максимальная – 9 см, рекомендуемый объем дренируемой воды составляет 0,3 м/час.
При толщине слоя менее 6 мм устройство будет работать, но энергетические затраты будут нецелесообразными с экономической точки зрения.
3
Полые трубы должны поддерживать пропускную способность пара при объеме в 0,27 м/час в стойке рамы и в n*0,27*2 в ортогональной полой трубе, где n – количество стоек.
Скорость потока воды напрямую зависит от температуры нагревательных элементов и размеров поперечного сечения ребер нагревательных элементов.
При этом размер поперечного сечения ребер нагревательных элементов обусловлен толщиной паровой прослойки и длина катетов не должна превышать 1,689 мм.
Заявляемое устройство обладает следующими преимуществами:
- за счет принудительного и направленного движения воды, постоянной температуры и одинакового поперечного сечения ребер нагревательных элементов решена проблема с застоем воды и необходимостью создания полости в подошве выработки под наклоном к горизонту;
- дренажные канавки расположены непосредственно между стойками рам, поэтому они не занимают эксплуатационную площадь выработки, кроме того, нагревательные элементы с высокой температурой находятся за пределами проходной зоны, тем самым повышая общую безопасность;
- полученный пар можно использовать в качестве источника энергии при помещении его в паровой котел, тем самым компенсируя около 20-25% энергозатрат;
- монтаж устройства секциями позволяет упростить ремонт и сократить время его проведения без остановки всей дренажной системы;
- уклоны и скорости водных потоков могут быть разными в дренажных канавках или отдельных секциях;
- заявляемое устройство можно использовать в условиях, при которых прочность горных пород требует возведения железобетонной или аналогичной крепи, а также в условиях обводненности, т.к. в сравнении с временной рамной крепью при примерно равной цене на материалы отсутствует необходимость в использовании насосов и создании трубопровода для перемещения откачанной воды.