Применение податливых крепей, усиленных сдвоенными арочными элементами

УДК 622.831

Ю.М. Халимендик, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой,

ПРИМЕНЕНИЕ ПОДАТЛИВЫХ КРЕПЕЙ, УСИЛЕННЫХ СДВОЕННЫМИ АРОЧНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

Показаны преимущества применения рамных арочных крепей с усиленными верхняками в условиях неравномерного проявления горного давления. Описан опыт поддержания подготовительной выработки на ООО Шахта «Интер-инвест уголь» с применением усиленной крепи КПДВ.

Ключевые слова: рамная арочная крепь, сдвоенный участок верхняка, предельная несущая способность рамы, коэффициент бокового отпора, производственный эксперимент, поддержание конвейерного штрека.

При анализе существующих на Украине проблемных выработок со значительными деформациями элементов крепи было замечено, что широко применяемые конструкции трёхзвенных рамных крепей достаточно надёжно работают при равномерных проявлениях горного давления с различных сторон горного массива. При неравномерной нагрузке на крепь, например при преобладающем давлении со стороны кровли выработки, особенно при зональных смещениях пород, как правило, наблюдаются преждевременные деформации элементов крепи и крепь теряет устойчивость ещё до момента окончания работы податливых элементов.

Для изучения устойчивого состояния крепей КМП-А3 при неравномерном нагружении было проанализировано изменение эпюр изгибающих моментов при изменении вертикальной и горизонтальной компоненты горного давления. Решение статически неопределимой двухшарнирной рамы осуществлялось методом сил с помощью интеграла Мора [1].

Известно, что изгибающие моменты в сечениях рамной арочной крепи распределены неравномерно. Как правило, наибольшие значения знакопеременных изгибающих моментов наблюдаются в верхняках и на криволинейных частях стоек, при этом наблюдается явление прогиба верхняка. Поэтому было решено определить динамику изменения максимальных значений изгибающих моментов в верхняке и на криволинейных частях крепи при изменении вертикальной и горизонтальной компонент напряжений. Для вертикальной нагрузки было выбрано фиксированное значение 100 кН/м, боковая нагрузка измененялась. Таким образом, изменялся коэффициент бокового отпора крепи. Динамика изменения максимальных изгибающих моментов в элементах крепи КМП-АЗ различных типоразмеров показана на рис. 1.

100 80 60 40 20 О -20 -40 -60 -80

80

60

40

£ * X 20 0

-9,2 11,2

13,8 15,5 « Е Е -20 -40

18,3 -60 -80

-100

'.-У

0,2 0,7 1 1,2

Коэф. бокового отпора

а

0,2 0,7 1

Коэф. бокового отпора

1,2

б

-9,2

----11,2

13,8 15,5 18,3

Рис. 1. Динамика изменения максимальных изгибающих моментов различных типоразмеров крепи КМП-А3: а - в боковых частях

Исходя из анализа рис 1, 2 можно сделать вывод, что крепь КМП-А3 имеет наибольшую несущую способность при соотношении горизонтальной составляющей горного давления к вертикальной, равном (коэффициент бокового отпора) 0,7. При больших значениях крепь будет сжата с боков, а при меньших - по вертикали.

Очевидно, что в случае соотношения нагрузок, значительно отличающихся от соотношения 0,7, необходимо применение мероприятий, направленных на усиление наиболее нагруженных элементов крепи.

Способ повышения предельной несущей способности крепи с помощью их усиления в наиболее нагруженных зонах изучен давно. Решение этой проблемы находило своё отражение в применении различного вида усиливающих вкладышей спецпрофиля [2], применении составных верх-няков [3] и. т.п. Логика таких решений сводится к одному из принципов эффективного использования материала металлоконструкции - нагрузить материал конструкции как можно больше и более равномерно, что способствует эффективному использованию всех участков (звеньев) конструкции в сопротивлении внешней нагрузке.

С целью создания крепи, эффективно сопротивляющейся повышенным проявлениям горного давления со стороны кровли, было принято решение об усилении верхняка крепи КМП-А3 путём замены верхнего элемента на составной, имеющий соединительный узел с увеличенной зоной нахлёста элементов [4].

Моделирование методом конечных элементов (пластическая задача) показало, что в результате сдвоенный участок верхняка позволяет значительно увеличить предельную несущую способность рамы (примерно на 30...50 % в зависимости от схемы нагружения и параметров крепи). Так,

например, моделирование методом конечных элементов по принятой для испытаний в ГОСТ Р 50910-96 схеме нагружения (нагрузка в 1/4 пролёта, пассивная боковая нагрузка) крепи со сдвоенным верхняком (КПДВ-А4) сечением в свету 11,2 м (СВП 22 Ст 5) показало предельную нагрузку 420 кН.

На шахте ООО «Интер-инвест уголь» (г. Первомайск Луганской области Украины) (бывшая шахта им. В.Р. Менжинского) был проведен производственный эксперимент по креплению повторно-используемого подготовительного штрека шестизвенной крепью КПДВ-А6, которая отличается наличием дополнительных прямолинейных элементов на стойках крепи (рис. 2) [5]. На рис. 2 обозначено: 1 - элементы верхняка; 2 -стойка; 3 - дополнительная прямолинейная стойка; 4 - замок ЗПКм; 5 -замок межрамной стяжки.

Рис. 2. Внешний вид используемой крепи КПДВ

Угольный пласт 18н мощностью 0,75...0,8 м углом падения пласта 10...16° отрабатывался сплошной системой разработки по простиранию с поддержанием конвейерных штреков за лавой. Глубина ведения работ 900 м. Ранее применялась крепь КМП-А5 площадью сечения в свету 16,2 м2 с соединительными замками ЗПКм, которая устанавливалась с шагом 0,8 м.

В лаве на сопряжении с выработкой укладывали бутовые полосы и устанавливали деревянную органную крепь, а впоследствии применяли железобетонные блоки. Однако указанная система крепления не полностью способствовала решению поставленной задачи. Так, на расстоянии 100 м от лавы смещения кровли достигали 1,5 м, элементы рамной крепи

находились в аварийном состоянии, что сопровождалось значительным прогибом верхняков крепи внутрь выработки. На стойках (в зоне их податливого соединения с верхняком) наблюдалось нарушение целостности спецпрофиля в виде разрывных продольных трещин (рис. 3).

Рис. 3. Состояние повторно используемого вентиляционного штрека

горизонта 917м с крепью КМП-А5

В эксперементальной крепи КПДВ-А6 элементы верхняка 1 (рис. 3) длиной 3,8 м соединяли с увеличенным нахлестом, равным 3,1м. Учитывая несимметричность конструкции, приняли схему установки крепи с чередованием размещения элементов верхняка на каждой раме (сначала правый элемент сверху, потом левый и т. д.).

В конвейерном штреке оборудовали наблюдательную станцию, на которой выполняли инструментальные замеры параметров конвергенции. Зафиксировано, что вертикальная конвергенция крепи в выработке, закрепленной крепью КПДВ, через два месяца после проведения очистных работ не превышала 0,6 м. Усредненные значения смещений в замках крепи, соединяющих стойку с верхняком, составили 48 и 345 мм, причём, большие значения отмечены со стороны лавы. На расстоянии более 300 м от лавы выработка находится в удовлетворительном состоянии. Применение крепи КПДВ позволило отказаться от необходимости перекрепления выработки. Общие затраты на поддержание конвейерного штрека были снижены на 50...60 %.

За 18 месяцев с помощью крепи КПДВ пройдено более 400 м выработки, что позволило добиться безремонтного поддержания выработки.

Наблюдения за деформациями элементов крепи КПДВ на шахте ООО «Интер-инвест уголь» показали необходимость дальнейшей модер-

низации крепи. Для повышения стабильности её работы и податливости были приняты следующие технические решения:

- расположение прямолинейных участков стоек под углом к вертикали;

- размещение податливых замковых соединений под углом 50.60 град к вертикали, что обеспечивает эффективную работу крепи при преобладающих вертикальных смещениях;

- увеличении нахлёста элементов податливого узла с целью увеличения сопротивления узла возросшим нагрузкам от изгибающих моментов.

Всё это привело к созданию нового варианта крепи (рис. 4) [6].

Рис. 4. Усовершенствованный вариант крепи КПДВ

Предварительный расчёт с учётом пластических деформаций методом МКЭ показал, что такой подход увеличивает предельную несущую способность рамы более чем на 70 % по сравнению с крепью КМП-АЗ. Так, например, при сечении выработки в свету 12,2 м2, спецпрофиле СВП 22 несущая расчётная предельная способность трёхзвенной рамы составляет 680 кН.

По результатам исследований сделаны следующие выводы.

1. Применение крепи КПДВ в условиях шахты ООО «Интер-инвест уголь» позволило избежать затрат на перекрепление выемочных выработок.

2. Целесообразно рассмотрение вопроса дальнейшего совершенствования геометрических параметров крепей с усиленным верхняком и применения их на угольных шахтах со сложными горно-геологическими условиями.

Список литературы

1. Беляев Н.М. Сопротивление материалов. М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1962. 856 с.

2. А. с. 1567784 СССР, МПК E21D 11/14. Способ крепления выемочных выработок, используемых повторно / Макаров В.П., Белоглазов Ю.А., Ильина И.Б. 4403990/23; заявл. 05.04.; опубл. 30.05.90, Бюл. № 20. 3с.

3. А. с. 1714148 СССР, МПК E21D 11/14. Крепь выемочных выработок / Миллер В.Б., Евграфов Г.Г., Френкель А.А. 4732573/03; заявл. 10.07.89 ; опубл. 23.02.92, Бюл. № 7. 4 с.

4. Металеве аркове кршлення зi спец профшю : пат. на полезную модель 43536 Украина: МПК E21D 11/14 / Халимендик Ю.М., Вишневец-кий В.В., Халимендик В.Ю. №200901553; заявл. 23.02.09; опубл. 25.08.09, Бюл. № 16. 2 с.

5. Новая податливая креп с усиленным верхняком / М.И. Бугара [и др.] Уголь украины. 2012. Февраль. С. 18-20.

6. Металеве аркове кршлення зi спец профшю : пат. на полезную модель 54271 Украина: МПК E21D 11/14 / Халимендик В.Ю. №201001043; заявл. 01.02.10; опубл. 10.11.10, Бюл. № 21. 3 с.

Y.M. Khalymendyk

USING YIELDING SUPPORTS WITH FORCED DOUBLE ARCHED ELEMENTS

The advantages of framed arched supports with enforced heads were presented in conditions of non-uniform rock pressure. There was description of the experience by development working support at the "Inter Invest Ugol" Company mine with the help of KPDV, enforced supports.

Key words: framed arched support, the place of dual head, the ultimate bearing stress of frame, the coefficient of side-bearing reaction, the working experiment, belt heading supporting.

Получено 12.11.12