ТРАПЕЦИЕВИДНАЯ КРЕПЬ С КОНТРОЛЕМ РЕЖИМА РАБОТЫ
TRAPEZOID-SHAPED SUPPORT WITH CONTROL OF OPERATING MODE

Заявляется конструктивное решение трапециевидной металлической рамной крепи из спецпрофиля с контролем предельных значений ее вертикальной и горизонтальной податливости при бесшарнирном монтаже рам крепи, предназначенной для крепления выработок в угольной и горнорудной промышленности, а также в других отраслях, где предусмотрено сооружение и эксплуатация горизонтальных подземных выработок трапециевидной формы поперечного сечения.
В настоящее время в угольной промышленности, в основном при проходке нарезных выработок, достаточно широко используется трапециевидная форма сечения как наиболее рациональная для размещения оборудования при минимальном объеме выемки породы. Крепление таких форм выработок осуществляется преимущественно металлической рамной крепью из спецпрофиля. Конструктивно трапециевидные крепи состоят из прямолинейного верхняка, шарнирно опирающегося на стойки. Наиболее слабым звеном таких конструкций крепи является верхняк, воспринимающий изгибающий момент от воздействия вертикальной составляющей горного давления, которая, в большинстве условий сооружения выработок, существенно превышает горизонтальные нагрузки, воспринимаемые стойками. Вследствие шарнирного соединения стоек с верхняком горизонтальные нагрузки, действующие на них, передаются на верхняк как сжимающие, практически не влияя на величину действующего на верхняк изгибающего момента.
Применение узлов вертикальной податливости в трапециевидной крепи, при шарнирном соединении стоек с верхняком, позволяет несколько повысить срок службы и стабильность ее работы, но при этом никакого влияния на характер эпюры напряжений, действующих в элементах крепи, наличие узлов податливости не оказывает.
Таким образом, главным фактором, определяющим несущую способность рам трапециевидной крепи традиционных конструкций, является предельная величина действующего на верхняк изгибающего момента.
Известны конструкции трапециевидной крепи, позволяющие повысить несущую способность верхняка за счет установки специальных подкосов с опорами на стойки и верхняк. Такая конструкция крепи существенно усложняет как технологию изготовления, так и монтаж ее в выработке и при этом возникают концентрации напряжений в опорах подкосов. Уменьшение изгибающего момента на верхняк за счет применения дополнительных стоек ограничено требованиями ПБ об обеспечении минимально допустимых зазоров между элементами крепи и эксплуатируемом в выработке оборудовании.
Для повышения несущей способности верхняка институтом ДонУГИ разработана конструкция трапециевидной крепи с использованием уравновешивающих подкосов и внешних консолей верхняка при шарнирном соединении стоек с узлами податливости с верхняком. (Горное дело. Энциклопедический справочник. - Москва: Углетехиздат 1985, с. 125.) Данная конструкция обеспечивает уменьшение изгибающего момента на верхняк, но вследствие чрезвычайной сложности конструкции крепи, высокой стоимости и трудоемкости ее изготовления и возведения, а также оформления контура выработки под консоли, последняя не нашла применения в практике сооружения выработок в промышленном масштабе.
Известна конструкция трапециевидной крепи с применением верхняков со скругленными участками на их концах, обеспечивающими бесшарнирное соединение их со стойками (Авторское свидетельство SU 1081353 А, Бюл., №11 от 23.03.84, Стесин Е.А.), предназначенная для перекрепления двух сопрягаемых между собой выработок при помощи Т-образного элемента. В данной конструкции крепи главным фактором снижения изгибающих моментов на верхняках крепи является наличие средней стойки, а влияние скругленных частей верхняка и бесшарнирного их крепления к стойкам, в данной конструкции, существенного влияния на величину изгибающего момента не оказывает. Кроме того, использование такого вида конструкции крепи для крепления вновь сооружаемых выработок технически и экономически нецелесообразно.
Патентом RU 2065966 C1 (Московский государственный горный университет), 27.08.1996 предусмотрено крепление горных выработок арочной формы при использовании двух типов проката: коробчатого - для изготовления стоек и спецпрофиля - для верхняка с регулировкой усилий трения в узлах податливости.
Исключительная сложность конструкции узлов податливости по патенту RU 2065966 C1 и неопределенность установки усилий распада в них, что может привести либо к чрезмерной податливости, либо к переводу ее работы в жесткий режим, а также использование двух типов проката для ее изготовления не отвечает требованиям серийного производства и использования такой конструкции крепи. При этом характер напряжений действующих в элементах такой крепи аналогичен действующим на этих же участках крепи (при одинаковых значениях внешней нагрузки) при использовании типовых конструкций арочной крепи и полностью не соответствует характеру напряжений, действующих в элементах крепи трапециевидной формы.
Наиболее близкий аналог нашего предложения, получивший широкое распространение в практике сооружения выработок трапециевидной формы сечения с использованием спецпрофиля СВП, выполнен в соответствие с требованиями ГОСТ Ρ 53960-2010.
В связи с этим в качестве прототипа принята конструкция трапециевидной крепи (ГОСТ Ρ 53960-2010. Крепи металлические податливые рамные. Крепь трапециевидная. Общие технические условия. - Москва: Стандартинформ, 2011, стр. 7, рисунок 1) без применения дополнительных стоек под верхняк.
Конструктивное исполнение прототипа приведено на чертеже (см. фиг. 1).
Главным недостатком конструкции трапециевидной крепи по прототипу является шарнирное соединение стоек с верхняком, при котором не обеспечивается использование горизонтальной составляющей горного давления, действующего на стойки крепи для снижения изгибающего момента, воспринимаемого верхняком от действия вертикальной составляющей горного давления.
Анализ известных конструкций аналогов и прототипа трапециевидной крепи показывает, что только в конструкции по a.c. S.U. 1081353 A в незначительной степени обеспечивается влияние боковой составляющей горного давления как активного фактора снижения изгибающего момента на верхняк крепи. В других конструкциях трапециевидной крепи, включая прототип, взаимодействие горизонтальной составляющей с вертикальной не обеспечивается.
Целью изобретения является повышение несущей способности рам трапециевидной крепи из спецпрофиля путем снижения изгибающего момента в верхняке за счет воздействия на него боковых нагрузок, передающих на верхняк изгибающий момент противоположного направления при обеспечении предельного значения (предусмотренного проектом) величин вертикальной и горизонтальной податливости.
Данные результаты по предложению достигаются за счет бесшарнирного соединения прямолинейных стоек и верхняка в раму посредством скругленных элементов с прямолинейными участками на их концах узлами вертикальной и горизонтальной податливости крепи с устройствами для ограничения смещения их элементов от проектного положения, обеспечивающими стабильность работы крепи в податливом режиме и плавный перевод ее в жесткий режим при исчерпании вертикальной и горизонтальной проектной податливости крепи за счет роста усилий трения и смятия материала на контакте начал изгибов скругленных участков с элементами узлов податливости.
К заявленному предложению прилагается следующий графический материал с элементами узлов податливости: 1 - конструкция трапециевидной крепи по прототипу (ГОСТ Р 53960-2010) (см. фиг. 1); 2 - конструкция трапециевидной крепи из спецпрофиля с контролем податливости и режима ее работы по заявке. Конструкция предлагаемого варианта трапециевидной крепи из спецпрофиля представлена на фиг. 2. Крепь состоит из двух прямолинейных стоек 1 и верхняка 2, равных габаритным размерам выработки с учетом размеров скругленных элементов 3 крепи. Скругленные элементы 3 радиусом не более 0,5-0,7 м имеют на своих концах прямолинейные участки, равные вертикальной 4 и горизонтальной 5 проектной податливости крепи и величине нахлестки в узлах податливости. Верхняк и стойки крепи соединяются в раму посредством типовых узлов податливости при расположении их торцов от начала скруглений элементов 3, равном проектной податливости крепи. Удержание элементов податливости (хомутов) в проектном положении относительно торцов стоек и верхняка обеспечивается вставными ограничителями 6, с опорами 7 и 8 соответственно в торцы и полки стоек и верхняка без их крепления.
Предложенная конструкция трапециевидной крепи обеспечивает ее эксплуатацию в начальный период в податливом режиме работы и плавный перевод ее в жесткий режим, когда скругленные участки элементов 3, контактируя с соответствующими деталями узлов податливости, начинают испытывать неупругие деформации, что приводит к существенному снижению податливости крепи и обуславливает ее перевод в жесткий режим.
Данное взаимоположение элементов крепи является объективной информацией о необходимости ее усиления для исключения аварийных ситуаций и обеспечения минимально допустимых по ПБ зазоров между крепью и подвижным составом и оборудованием.
Ограничители 6 препятствуют смещению элементов узлов податливости от их проектного положения и удерживают на месте в процессе контакта их со скругленными участками элементов 3, способствуют стабилизации работы крепи в податливом режиме и плавному переводу ее в жесткий режим.
Бесшарнирный монтаж рам крепи с использованием скругленных элементов 3 обеспечивает взаимодействие боковых нагрузок с вертикальной. На основании оценки параметров напряженного состояния в элементах крепи установлено, что в предложенной конструкции обеспечивается значительное уменьшение величины изгибающего момента в верхняке и появление изгибающих моментов в районах контура элементов 3 и узлов податливости рам крепи. При этом векторы изгибающих моментов в этих зонах направлены в сторону массива, в результате чего их величина будет уменьшаться под действием отпоров породы, вектор которых направлен в противоположную сторону.
Главными отличиями предлагаемой конструкции трапециевидной крепи от известных аналогов и прототипа является то, что соединение элементов крепи в рамы производится бесшарнирно узлами податливости к скругленным элементам с прямолинейными участками на их концах, равными суммарным значениям податливости крепи и нахлестке в узлах податливости, при обеспечении размеров от начал скруглений до торцевых частей узлов податливости, равных соответственно вертикальной и горизонтальной проектным податливостям крепи. Для обеспечения стабильности работы крепи в податливом режиме и плавного перевода ее в жесткий режим элементы узлов податливости обеспечены ограничителями, удерживающими их в проектном положении.
В предложенной конструкции трапециевидной крепи плавный перевод ее работы в жесткий режим обеспечивается за счет роста усилий прижатия элементов крепи узлами податливости на контакте со скругленными зонами и возрастания усилий трения и смятия материала этих участков крепи.
Бесшарнирный монтаж рам крепи при использовании скругленных элементов и узлов податливости обеспечивает снижение изгибающего момента на верхняк за счет воздействия на него горизонтальной составляющей давления массива, воспринимаемого и передаваемого стойками на верхняк изгибающего момента противоположного направления.
Предложенная конструкция трапециевидной крепи с элементами контроля режима ее работы обеспечивает получение информации о возрастании нагрузки на крепь до предельного уровня и необходимости ее усиления без применения специальных датчиков или сложных устройств для регулировки узлов податливости.
Экспериментальными исследованиями параметров горного давления установлено, что при наклонном и крутом залегании пород и их высокой слоистости и неоднородности, характерной для пород угольной формации, горизонтальные нагрузки на крепь могут быть значительными и в ряде условий соизмеримыми с вертикальной нагрузкой, а при наличии дизъюнктивных нарушений и превосходить ее в несколько раз. В этих условиях снижение изгибающего момента на верхняк крепи, за счет горизонтального давления, может быть существенным, что позволит значительно повысить несущую способность рам трапециевидной крепи. На основании количественной оценки усилий в рамах крепи предложенной конструкции установлено, что она позволяет повысить несущую способность рам в 1,1-1,5 раза при отношении вертикальной нагрузки к горизонтальной в пределах от 3.0 до 1.0.
Заявленная конструкция крепи может изготавливаться на предприятиях, имеющих оборудование для производства металлических рамных крепей из спецпрофиля как трапециевидной, так и арочной форм сечения. Поскольку радиус скругленного элемента крепи постоянен для всех типоразмеров крепи, предусмотренных ГОСТ Ρ 53960-2010, то для повышения производительности, точности изготовления и исключения пластических деформаций формы поперечного сечения спецпрофиля гибку скругленного элемента рекомендуется производить в специальных формах. Скругленные элементы одного типоразмера могут в большинстве условий использоваться для крепления выработок различных сечений, что, в конечном итоге, позволяет снизить стоимость их производства.
Экономический эффект предлагаемого изобретения, по сравнению с прототипом и известными конструкциями трапециевидных крепей, достигается, главным образом, за счет повышения несущей способности крепи, что позволит, в большинстве условий сооружения выработок, увеличить шаг установки крепи в 1,2-1,5 раза или расширить область применения трапециевидной крепи без установки промежуточной стойки или уменьшить их количество. Это позволит снизить металлоемкость крепи и удельные трудозатраты на ее возведение. Стоимость изготовления крепи предлагаемой конструкции не будет существенно превышать стоимость изготовления крепи по прототипу, поскольку дополнительные затраты на изготовление скругленных элементов, узлов податливости и ограничителей частично перекрываются затратами на изготовление пяти прямолинейных (вместо трех) элементов крепи и узлов шарнирных соединений стоек с верхняком. Некоторое повышение стоимости изготовления крепи существенно меньше экономического эффекта от ее применения за счет снижения удельной трудоемкости ее возведения и эксплуатационных расходов при более высокой надежности работы крепи.
Отбойка породы в районе сопряжения стоек с верхняком по прототипу происходит в зажатой среде, поэтому весьма энергоемка и при любых способах проходки сопряжена со значительными переборами породы в этих зонах. Это приводит к снижению устойчивости выработок вследствие высокой шероховатости поверхности, оконтуривающей выработку на этих участках. При этом трудоемкость расклинивания узлов сопряжений стоек с верхняком существенно возрастает. Наличие скруглений на сопряжении верхняка со стойками позволяет повысить качество оконтуривания выработки, повысить ее устойчивость и снизить переборы породы.
Визуальный контроль взаимоположения элементов ограничителей и узлов податливости крепи позволяет получить информацию о состоянии крепи и возрастании нагрузки до предельного уровня при исчерпании податливости.