ЗАМОК УЗЛА ПОДАТЛИВОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ РАМНОЙ ПОДАТЛИВОЙ КРЕПИ ИЗ ШАХТНЫХ СПЕЦПРОФИЛЕЙ
FLEXIBILITY JOINT INTERLOCK OF METAL FRAME YIELDING SUPPORT MADE OF MINE SPECIAL PROFILES

Область техники, к которой относится изобретение.
Изобретение относится к горнорудной и угольной отрасли, в частности к зажимным устройствам для скользящих при максимальной нагрузке соединений арочных элементов податливых металлических рамных крепей, выполненных из шахтных спецпрофилей и используемых для крепления горных (подземных) выработок при шахтной добычи ископаемого.
Уровень техники
Известно, что для крепления и поддержания горных выработок угольных, рудниковых и сланцевых шахт применяются жесткие и податливые металлические рамные крепи. Жесткие крепи применяются главным образом в условиях с постоянным и небольшим горным давлением. Податливые рамные крепи наиболее универсальны, т.к. они находят применение в сложных горногеологических условиях при возможном значительном влиянии очистных работ на крепление выработки. Одним из основных преимуществ рамных податливых крепей является их способность работать в податливом режиме, т.е. воспринимать смещения горных пород при возрастании горного давления.
Рама податливой крепи образована из звеньев, выполненных из шахтных спецпрофилей, и ей может придаваться разнообразная форма в зависимости от назначения выработки и ожидаемых проявлений горного давления. Несущие элементы рамной податливой крепи выполнены в виде прямо- или криволинейных стержней, работающих на сжатие и изгиб. Они выполняют функцию восприятия и перераспределения давления со стороны массива на окружающие выработку породы, создают подпор на контуре и препятствуют развитию смещений пород внутрь выработки. Несущий элемент, воспринимающий нагрузку со стороны кровли, обычно называют верхняком. Он передает нагрузку на сочлененные с ним посредством различного типа соединений несущие элементы, называемые стойками. Последние, при незамкнутой конструкции крепи, опираются своими концами на почву горной выработки, а в замкнутой - на нижний несущий элемент (лежень).
Наиболее распространенными формами арок рамных крепей являются кольцевая (циркульная), подковообразная, овоидная, эллиптическая; значительно реже встречаются сводчатая и трапециевидная формы (см. В.Н.Каретников, Б.Клейменов, А.Г.Нуждихин. Крепление капитальных и подготовительных горных выработок. Справочник. - М.: Недра, 1989. - 571 с.: ил.).
Как правило, в сложных горногеологических условиях применяют многозвенные (трехзвенные, пятизвенные) металлические рамные податливые крепи (см. Б.А.Грядущий, Н.А.Алиев, В.Б.Грядущий. Критерии, определяющие возможности интенсификации отработки месторождений полезных ископаемых. В сборнике научных трудов: Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах. Часть 1; Государственный Макеевский научно-исследовательский институт по безопасности работ в горной промышленности МакНИИ. Макеевка-Донбасс, 2004, стр.106…118).
Трехзвенные металлические рамные податливые крепи рекомендуются для горных выработок с ожидаемым смещением пород кровли до 500 мм. Пятизвенные металлические рамные податливые крепи применяются в основном для горных выработок с ожидаемым смещением пород кровли более 500 мм.
Работоспособность крепи во многом зависит от принятой конструкции соединений (узлов) несущих звеньев. Среди них следует различать жесткие, шарнирные, податливые и комбинированные. Соединения грузонесущих элементов друг с другом не только должны воспринимать все усилия, возникающие в крепи, но и обеспечивать необходимую деформационную характеристику крепи. Жесткое соединение элементов является наиболее простым по конструкции и обеспечивает неподвижную фиксацию контактирующих элементов. Шарнирное соединение элементов дает возможность их взаимного поворота в плоскости рамы с заданным изгибающим моментом, равным в обычных соединениях моменту сил трения в шарнире. Если соседние элементы крепи соединены податливо, то в зависимости от конструкции такого соединения («узла» или «замка» податливости) один из них или оба могут перемещаться в продольном направлении, если продольная сила превышает сопротивление податливости. От характеристики замка податливости зависит работоспособность крепи в целом. Количество и место расположения того или иного соединения должно определяться особенностями взаимодействия крепи с массивом. Наибольшее распространение получили податливые и шарнирные соединения. Жесткие соединения преобладали главным образом в устаревших конструкциях и почти вышли из употребления.
Согласно приведенному описанию конструкции рамная крепь состоит из большого числа элементов различного функционального назначения, которые должны, взаимодействуя друг с другом и массивом горных пород, обеспечить эксплуатационную устойчивость выработки в различных горногеологических условиях.
Работоспособность и деформационно-силовые характеристики стальных рамных крепей, область их эффективного применения во многом зависит от числа, месторасположения и конструктивной эффективности соединений их звеньев.
Наиболее распространенным видом силового замыкания звеньев рам из спецпрофилей в узлах податливости, соединяемых внахлестку, являются замки различного конструктивного исполнения.
Замки, обычно, состоят из скоб П-образной формы с резьбовыми концами, планок с отверстиями и гаек, соединенных таким образом, что при смещении массива горных пород происходит их взаимное скольжение с одновременным изменением поперечного сечения рамы. Скольжение звеньев (спецпрофилей) податливой крепи в узлах податливости зависит от рабочей характеристики желобчатых спецпрофилей и обусловлено формой их поперечного сечения и материалом. Спецпрофили на участках сочленения фиксируются замками с определенным усилием, граничная величина которого зависит от конструктивных особенностей самих замков.
Работа податливой крепи во многом зависит от параметров рабочей характеристики замка, основное назначение которого состоит в том, чтобы при его затяжке создать стабильные усилия трения между сопряженными в узлах податливости поверхностями шахтных спецпрофилей. Отсюда и требования к такой крепи: взаимное скольжение спецпрофилей в податливом режиме должно осуществляться с обеспечением стабильного рабочего сопротивления крепи. Таким образом, величина и стабильность сопротивления рамы податливой крепи наряду с формой поперечного сечения и материалом спецпрофилей существенно зависит и от конструкции замков узлов податливости и их функциональной возможности осуществлять силовое замыкание.
В горнодобывающей и угольной промышленности нашли применение в основном два типа замков узлов податливости - болтового и клинового типов (см. Б.А.Маркович Шахтная металлическая крепь и способы ее массового производства. - М.: Недра, 1974. с.7, рис.3, с.8, рис.4, с.5, рис.5). Наиболее широкое распространение получили замки узлов податливости болтового типа трех известных видов АПЗ. ОЗО, ЗСД и ОЗШ-1 (см. «Рамные крепи горных выработок». Обзорная информация и справочные материалы. Донецк: ЦБНТИ, ДонУГИ Госуглепрома Украины, 1992, с.3-4, рис.3-а, рис.3-б, рис.3-в, см.также Г.Г.Литвинский, Г.И.Гайко, Н.И.Кулдыркаев Стальные рамные крепи горных выработок. - К.: Техника, - 1999, с.87, рис.3.9, с.91, рис.3.12, с.92, рис.3.13).
Замок АПЗ. ОЗО узла податливости металлической рамной податливой крепи из шахтных спецпрофилей включает два хомута, каждый из которых содержит плоскую планку с отверстиями и крепежную скобу П-образной формы с резьбовыми концами, пропущенными через отверстия планки, расположенные между ними внахлестку внутренний и внешний спецпрофили и гайки (см.«Рамные крепи горных выработок», обзорная информация и справочные материалы». Донецк: ЦБНТИ, ДонУГИ Госуглепрома Украины, 1992, с.3-4, рис.3-а, аналог).
Этот замок универсален, прост конструктивно и технологичен при производстве. Однако он, при прочих равных условиях, имеет низкую надежность при эксплуатации. Усилия, возникающие от трения скоб и планок относительно перемещающихся спецпрофилей и вызывающие перекос скоб, достаточно велики, чтобы растянуть скобы и даже вызвать их разрыв, который происходит на самом нагруженном участке - в резьбовых соединениях в районе планки. Кроме того, при работе крепи в податливом режиме, при возникновении перекоса замков недостаточно жесткая планка изгибается, крепежная скоба вытягивается, происходит резкий сброс сопротивления крепи, что и приводит к разрыву крепежных скоб на резьбовых концах, динамическому срыву гаек и разрушению замка. Таким образом, этот замок не только не обеспечивает заданное рабочее сопротивление крепи в податливом режиме, но даже не гарантирует целостность его конструкции (15-50% замков разрушаются).
Замок ЗСД узла податливости металлической рамной податливой крепи из шахтных спецпрофилей представляет собой двойной хомут, который содержит фигурную планку с отверстиями и две сблокированные с помощью подкладки и расположенные под углом друг к другу крепежные скобы П-образной формы с резьбовыми концами, пропущенными через отверстия фигурной планки, расположенные между ними внахлестку внутренний и внешний спецпрофили и гайки. Фигурная планка изготавливается из специального профильного проката ПЗС-20. («Рамные крепи горных выработок». Обзорная информация и справочные материалы. Донецк: ЦБНТИ, ДонУГИ Госуглепрома Украины, 1992, с.3-4, рис.3-б, см. также Г.Г.Литвинский, Г.И.Гайко, Н.И.Кулдыркаев. Стальные рамные крепи горных выработок. - К.: Техника, - 1999, с.91, рис.3.12, аналог).
Замок ЗСД универсален, имеет достаточную прочность и высокую надежность. Однако он обладает относительно повышенной податливостью, что в рабочем режиме приводит к ослаблению конструкцию крепи и требует периодического подтягивания гаек, а необходимость применения специального профильного проката ПЗС-20 вызывает увеличение номенклатуры деталей, снижение технологичности и повышение себестоимости. В узле податливости серийной крепи предусмотрена установка одного такого замка. Поскольку один такой замок обеспечивает очень узкий участок зажатия спецпрофилей, узел податливости во время действия изгибающего момента часто приобретает функцию шарнирного узла и начинает функционировать по принципу шарнирного соединения, что сопровождается разрывной деформацией одного из сопряженных спецпрофилей. В связи с этим и в случаях, когда необходима повышенная величина рабочего сопротивления крепи, возникает необходимость установки в узле податливости двух таких замков, что увеличивает стоимость крепи, а в традиционных арочных крепях типа АП-3, АП-5 (см. В.Н.Каретников, Б.Клейменов, А.Г.Нуждихин. Крепление капитальных и подготовительных горных выработок. Справочник. - М.: Недра, 1989. с.52, с.54, рис.3.4) становится невозможным, так как повышение рабочего сопротивления крепи приводит к уменьшению ее запаса прочности и надежности.
Замок ОЗШ-1 узла податливости металлической рамной податливой крепи из шахтных спецпрофилей включает два хомута, каждый из которых содержит фигурную планку с отверстиями и крепежную скобу П-образной формы с резьбовыми концами, пропущенными через отверстия фигурной планки, расположенные между ними внахлестку внутренний и внешний спецпрофили и гайки («Рамные крепи горных выработок», обзорная информация и справочные материалы, ЦБНТИ ДонУГИ Госуглепрома Украины, Донецк, 1992, с.3-4, рис.3-в, аналог).
Этот замок обеспечивает более высокую надежность работы крепи в податливом режиме, но не технологичен в изготовлении и сложен при монтаже. Однако конструктивно этот замок менее универсален, так как фигурная планка должна иметь конфигурацию охватываемого спецпрофиля, что в связи с большой номенклатурой спецпрофилей требует расширения типоразмерного ряда фигурных планок. Кроме того, для этого замка свойственна упруго-пластичная податливость концов фигурной планки, поворот концевых частей ее относительно оси крепежной скобы в пределах монтажного зазора, что приводит к эксцентричному нагружению резьбовых соединений крепежной скобы с гайками. При затягивании резьбовых соединений торцы гаек располагаются под углом к опорным плоскостям, а сами резьбовые соединения нагружаются как осевым усилием, так и дополнительно изгибающим моментом. В результате, в резьбовых соединениях крепежной скобы и гаек возникает сложное напряженное состояние-растяжение с изгибом, что приводит к разрыву одного из резьбовых концов крепежной скобы по внутреннему диаметру резьбы, снижению нагрузочной способности, а также к снижению уровня стабильности рабочего сопротивления крепи в целом.
Известен замок узла податливости металлической рамной податливой крепи из шахтных спецпрофилей, включающий скобу и фигурную планку со скосом и выступом, контактирующим со стенкой фланца спецпрофиля («Замок податливости для крепи из спецпрофиля», Авторское свидетельство SU №1263872 A1, МПК 4: E21D 11/22, авторы В.П.Макаров, И.Б.Ильина, Ю.А.Белоглазов, В.Я.Мининберг, заявл. 02.01.1985, опубл. 15.10.1986, бюл. №38, аналог). Этот замок близок по конструкции к замку ОЗШ-1, но частично избавлен от вышеназванных недостатков. Для повышения стабильности рабочего сопротивления замка скос планки выполнен с приливом, а планка установлена с возможностью взаимодействия поверхности прилива с фланцем одного из соединяемых спецпрофилей.
Недостатками этого замка являются низкая технологичность, громоздкость, большая металлоемкость и сложность сборки, что повышает его себестоимость. Вызвано это тем, что фигурная планка замка, которая осуществляет силовое замыкание конструкции, может быть изготовлена только из специального проката сложного профиля. Кроме того, фигурная планка замка не обеспечивает стабильную работу узла податливости при изменении нагрузки на крепь. Объясняется это тем, что фигурная планка замка имеет сложную пространственную конфигурацию и технологическую неаутентичность взаимообратных сторон, что приводит к ее деформации, потере работоспособности при высоких нагрузках и снижению надежности узла податливости.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по назначению, числу общих признаков и достигаемому результату является замок узла податливости металлической рамной податливой крепи из шахтных спецпрофилей, содержащий планку с отверстиями и крепежную скобу П-образной формы с резьбовыми концами, пропущенными через отверстия планки, расположенные между ними внахлестку внутренний и внешний спецпрофили, гайки и упорные скобы С-образной формы, выполненные с отверстиями в полках, через которые пропущены резьбовые концы крепежной скобы и установленные между планкой и фланцами внутреннего спецпрофиля боковыми стенками внутрь, отличающийся тем, что усилители-стабилизаторы образованы из элементов, выполненных в виде двух пар равновеликих или двух пар пространственных неравнобоких трапециевидных фигур, расположенных в узле с разворотом одной пары относительно другой на прямой угол, а внешняя сторона элементов, образующих усилители-стабилизаторы, является распорным узлом, обеспечивающим жесткость системы. При этом параллельные полки элементов, образующих усилители-стабилизаторы, упираются в фланец спецпрофилей и планку замка, что позволяет осуществлять силовое замыкание узла податливости с обеспечением стабильного рабочего сопротивления крепи.
Такая компоновка узла податливости образует пространственную, замкнутую со всех сторон упругодеформируемую систему, так как усилитель-стабилизатор формируется из четырех трапециевидных элементов, ориентированных по квадрантам окружности ("Замок вузла податливостi металевого рамного податливого крiпления is шахтних спецпрофiлiв. Патент UA №68553 A, МПК 7 E21D 11/22, E21D 11/14, заявл. 18.07.2003 г., опубл. 16.08. 2004 г. Бюллетень №8, авторы Рисухiн В.В., Алiэв П.Н., Яненко A.П., Ченський О.А., Семенов О.В., Дубров В.Г., прототип).
Этот замок характеризуется более высокой надежностью и меньшей себестоимостью изготовления по сравнению с предыдущей конструкцией. В нем реализовано силовое замыкание конструкции в целом, исключена возможность изгиба планки и соответственно эксцентричное нагружение болтового соединения, приводящего к разрушению резьбового конца скобы и часто вызывающего тяжелые травмы и обрушение крепи.
Достигается это за счет установки в замок замкнутой пространственной конструкции усилителя-стабилизатора, контактирующего двугранным углом одной из пар с боковыми стенками шахтного спецпрофиля, а параллельными сторонами упирающегося во фланец внешнего спецпрофиля и в планку замка, что повышает жесткость системы и позволяет осуществить силовое замыкание конструкции. Таким образом, в указанном патенте решена задача обеспечения жесткости с одновременным обеспечением упруго-деформируемости конструкции замка узла податливости при стабильности их работы в составе крепи.
Однако предложенное решение конструктивно сложно, для создания замкнутой пространственной системы усилителя-стабилизатора в нем используется как минимум четыре элемента, для всего замка - восемь элементов (при полной идентичности их между собой), затруднены сборка и ориентация элементов замка.
Кроме того, неконтролируемая затяжка гаек замкового соединения из-за большой жесткости усилителя-стабилизатора по этому патенту может создать условия перехода податливой крепи в жесткий режим работы и вызвать полное ее разрушение. Немаловажное значение имеет тот факт, что при сбросе нагрузки из-за невозможности абсолютно равного приложения момента затяжки к каждому из резьбовых концов замки перекашиваются и соответственно скоба вытягивается, что приводит к ее разрушению. Во всех типах замков имеет место указанный вид конструктивного несовершенства и типичный случай нарушения работы крепи как несущего сооружения.
Сведения, раскрывающие сущность изобретения
В основу изобретения поставлена задача усовершенствования замка с конструкцией усилителя-стабилизатора, улучшения его технологии изготовления, введения в конструкцию податливых элементов в виде двух полых равновеликих призматоидов, боковые стороны которых сформированы прямоугольными или равнобочными трапециями, и формирования усилителя-стабилизатора в виде пространственной упругодеформируемой системы, с сохранением надежности и стабильности работы силового замка в режиме податливости, исключающей возможность перехода арочной крепи в жесткий режим работы.
Поставленная задача решается тем, что в замке узла податливости металлической рамной крепи из шахтных спецпрофилей, содержащем планку с отверстиями и крепежную скобу П-образной формы с резьбовыми концами, пропущенными через отверстия планки, расположенные между ними внахлестку внутренний и внешний спецпрофили, гайки, усилители-стабилизаторы согласно изобретению выполнены в виде двух полых равновеликих призматоидов, боковые стороны которых сформированы прямоугольными или равнобочными трапециями, контактирующими между собой контурами большего из оснований, в верхних основаниях которых сформированы отверстия, через которые пропущена П-образная скоба, а боковая поверхность одного из призматоидов контактирует с наклонной боковой стенкой спецпрофиля, одновременно при этом плоскость основания второго призматоида опирается в планку замка, а с диаметрально противоположной стороны плоскость основания другого призматоида введена в распор с фланцем шахтного спецпрофиля.
Такое техническое решение усилителя-стабилизатора замка позволяет формировать его из двух элементов, технологичных при изготовлении, собираемых без сварочных операций, а упругоподатливая характеристика его, переменная в зависимости от толщины и угла наклона боковых сторон, способствует подпружиниванию и стопорению резьбового соединения, исключению изгиба планки и вероятного перехода работы крепи в жесткий режим, одновременно осуществляя выборку зазоров и технологических несовершенств спецпрофилей с силовым замыканием системы.
В режиме податливости, при возможном перемещении элементов рамы относительно друг друга, боковые поверхности могут изменять угол относительно меридиональной оси призматоида, тем самым выполнять роль амортизатора, способствуя перераспределению нагрузок, действующих на узел податливости, компенсируя и сглаживая их в режиме сброса, и исключить возможность перекоса замка.
При необходимости, для поддержания выработок со сложными геомеханическими условиями, изменение жесткостных параметров крепи в целом или непосредственно замков узла податливости может быть осуществлено изменением угла раствора боковых поверхностей призматоидов, а также вариацией толщин формообразующих поверхностей и углов наклона боковых сторон призматоида.
Увеличение упругоподатливых свойств и рабочего сопротивления в узлах податливости также может быть достигнуто заполнением внутреннего пространства призматоидов эластичным наполнителем, например высокопрочной резиной или иным материалом, обладающим эластичной характеристикой и устойчивостью к возгоранию (для выполнения правил безопасности работ в горной промышленности).
Данное техническое решение позволяет стабилизировать процесс работы замкового соединения в узлах податливости, в режиме сброса нагрузки, исключает условия работы системы, приводящие к перекосу замков и соответственно предопределяет возможность увеличения зажимного усилия на 35-40%. Возможность перекоса замка при таком решении исключается из-за того, что контакт боковой поверхности призматоида с боковой стенкой спецпрофиля происходит по плоскости, что переориентирует контактные нагрузки в зоне сопряжения деталей, сглаживает неравномерность их распределения, стабилизирует процесс работы замкового соединения. То есть применение в замках такого элемента позволяет осуществить замену высшей кинематической пары на низшую (И.И.Артоболевский. Теория машин и механизмов. Изд. 3. - М.: Наука, 1975. 10, с.45), создает условия для распределения нагрузки в зоне контакта и относительного скольжения элементов сопряжения в узле силового замыкания конструкции без поворота ее вокруг П-образной скобы, вследствие чего исключается перекос замка с заклиниванием при сбросе нагрузки.
Приведенные признаки, характеризующие изобретение, являются существенными, так как в совокупности достаточны для обеспечения работоспособности и достижения решаемой технической задачи, а каждый в отдельности необходим для идентификации и отличия заявляемого замка от известных в технике аналогичных решений.
Таким образом, новая совокупность общих (известных) и отличительных (новых) от прототипа существенных признаков, которыми характеризуется новый замок, является достаточной во всех случаях, на которые распространяется объем правовой защиты, так как решает поставленную задачу.
Обозначенные признаки, характеризующие изобретение, не являются обязательными, но, по мнению заявителя, являются лучшими и не исключают возможности иного конкретного эквивалентного выполнения замка в пределах указанной сущности изобретения.
Причинно-следственная связь отличительных (новых) признаков при их взаимодействии с известными (общими) признаками в обеспечении новых свойств объекта изобретения, обусловленных поставленной технической задачей, заключается в следующем.
В связи с тем, что замок содержит упругоподатливые элементы усилители-стабилизаторы в виде двух равновеликих призматоидов, контактирующих между собой по контуру большего из оснований, а в противоположных основаниях призматоидов сформированы отверстия для П-образной скобы, посредством которой осуществляется силовой замыкание стабилизаторов с планкой замка и фланцем спецпрофиля, обеспечивается работа по восприятию нагрузки консольными частями планки и значительное увеличение стабильности и надежности замка при сохранении режима податливости узла.
Кроме того, такая компоновка усилителя-стабилизатора создает возможность подпружинивания и стопорения резьбового соединения, выборку зазоров и технологических несовершенств профилей, увеличивает надежность и стабильность фиксации замкового соединения, исключает перекос замка.
Поэтому при одном и том же усилии затяжки замка относительно известных увеличивается и стабилизируется сила трения между наклонной боковой стенкой внутреннего спецпрофиля и боковой поверхностью призматоида, формирующего в паре усилитель-стабилизатор, между поверхностями внутреннего и внешнего спецпрофилей, а также между П-образной скобой и фланцами спецпрофиля, что также повышает стабильность и надежность работы замка. В режиме сброса нагрузки контактирующие боковые поверхности стабилизатора с боковыми поверхностями спецпрофиля за счет упругоподатливой системы осуществляют относительное проскальзывание при сохранении зажимного усилия в узле податливости без перекоса и заклинивания замка.
В дальнейшем изобретение поясняется подробным описанием примера конкретного выполнения его лучшего варианта со ссылками на прилагаемые чертежи.
Перечень рисунков и чертежей изобретения
На фиг.1 изображен замок узла податливости металлической рамной податливой крепи из шахтных спецпрофилей, общий вид, поперечный разрез; элементы усилителя-стабилизатора выполнены в виде двух полых равновеликих призматоидов, боковые стороны которых сформированы прямоугольными трапециями, контактирующими между собой контурами большого из оснований, в верхних основаниях которых сформированы отверстия, через которые пропущена П-образная скоба, а боковая поверхность одного из призматоидов, контактирует с наклонной боковой стенкой спецпрофиля, одновременно при этом плоскость основания призматоида опирается в планку замка, а с диаметрально противоположной стороны плоскость основания другого призматоида введена в распор с фланцем шахтного спецпрофиля, чем обеспечивается упругоподатливое силовое замыкание узла.
На фиг.2 изображен замок узла податливости с усилителями- стабилизаторами, выполненными в виде двух полых призматоидов, боковые стороны которых сформированы равнобочными трапециями, контактирующими между собой контурами большого из оснований, в аксонометрической проекции.
На фиг.3 изображен в аксонометрической проекции элемент замка узла податливости рамной металлической крепи усилитель-стабилизатор, выполненный в виде двух полых призматоидов, боковые стороны которых сформированы равнобочными трапециями, а внутренняя полость призматоидов заполнена эластичным наполнителем, например высокопрочной резиной.
Перечень обозначений и наименований элементов изобретения
1 - Планка
2 - Отверстие в планке
3 - Крепежная скоба П-образной формы
4 - Резьбовой конец крепежной скобы
5 - Внутренний шахтный спецпрофиль рамной податливой крепи
6 - Наружный шахтный спецпрофиль рамной податливой крепи
7 - Гайка
8 - Призматоид верхний
9 - Призматоид нижний
10 - Отверстие в призматоиде
11 - Плоскость контактирования верхнего и нижнего призматоидов
12 - Боковая сторона верхнего призматоида
13 - Боковая стенка наружного спецпрофиля рамной податливой крепи
14 - Торцевая плоскость верхнего призматоида
15 - Фланец наружного спецпрофиля рамной податливой крепи
16 - Фланец внутреннего спецпрофиля рамной податливой крепи
17 - Торцевая плоскость нижнего призматоида
18 - Эластичный наполнитель внутренней полости призматоида
Сведения, которые подтверждают возможность осуществления изобретения
Описанное выше техническое решение замка позволяет сформировать замкнутую силовую конструкцию, выполняющую в замке узла податливости роль усилителя-стабилизатора, который создает жесткое силовое замыкание замка с одновременным подпружиниванием и стопорением резьбового соединения, что обеспечивает повышение стабильности и надежности его работы в режиме податливости.
Замок узла податливости металлической рамной податливой крепи из шахтных спецпрофилей (фиг.1, 2), содержит планку 1 с отверстиями 2,
П-образную крепежную скобу 3 с резьбовыми концами 4, пропущенными через отверстия 2 планки 1, расположенные между ними внахлестку, внутренний и внешний спецпрофили 5, 6, гайки 7, а также усилители-стабилизаторы, выполненные в виде двух полых равновеликих призматоидов - верхнего 8 и нижнего 9, в плоскостях оснований которых сформированы отверстия 10 для монтажа их на скобу, а боковые стороны сформированы прямоугольными трапециями.
Монтаж призматоидов на стержень П-образной скобы 3 производится так, что оба призматоида контактируют между собой контурами большего из оснований 11, а боковой стороной 12 верхнего призматоида усилитель-стабилизатор контактирует с боковой стенкой 13 наружного шахтного спецпрофиля 6. Одновременно при этом торцевая плоскость 14 основания верхнего призматоида 8, с одной стороны, введена в распор с фланцем 15 наружного спецпрофиля 6, а диаметрально противоположная торцевая плоскость основания 17 нижнего призматоида 9 контактирует с планкой 1 замка узла податливости.
Для увеличения упругоподатливой характеристики и функционирования усилителей-стабилизаторов в режиме сброса и выравнивания закрепной нагрузки на раму боковые поверхности, образующие призматоида наклонены к оси П-образной стяжки под углом α и приведены в контакт друг с другом. Причем такое конструктивное исполнение контактирования боковых поверхностей 12 призматоидов, в отличие от известных усилителей-стабилизаторов, позволяет компенсировать нагрузку на раму как в поперечном, так и продольном направлении (вдоль рамы). И вследствие этого создаются условия для увеличения зажимного усилия замка в узле податливости. Кроме того, при выполнении всех боковых поверхностей призматоида под углом α, равным углу наклона боковой поверхности шахтных спецпрофилей, усилитель-стабилизатор приобретает многопрофильность, универсальность и независимость от ориентации его в замке, а также равенство сил и их проекций, действующих в элементах узла.
На фиг.3 приведен вышеописанный замок узла податливости в аксонометрической проекции, где показаны наружный 6 и внутренний 5 спецпрофили, П-образная скоба 3, призматоиды 8 и 9, образованные равнобочными трапециями, установленные в распор торцевыми плоскостями 14 и 17 оснований на фланцы 15 наружного спецпрофиля и планку 1 замка, с одновременным контактом боковой поверхности 12 верхнего призматоида 8 и боковой стенкой 13 наружного спецпрофиля 6.
На фиг.4 изображен в аксонометрической проекции элемент замка узла податливости рамной металлической крепи - усилитель-стабилизатор, выполненный в виде двух полых призматоидов верхнего 8 и нижнего 9, боковые стороны которых сформированы равнобочными трапециями, а внутренняя полость призматоидов заполнена эластичным наполнителем 18, например высокопрочной резиной.
Такое техническое решение замка позволяет сформировать замкнутую силовую конструкцию, выполняющую в замке узла податливости роль усилителя-стабилизатора, который создает жесткое силовое замыкание замка с одновременным подпружиниванием и стопорением резьбового соединения, что обеспечивает повышение стабильности и надежности его работы в режиме податливости.
Замок узла податливости металлической рамной податливой крепи из шахтных спецпрофилей работает следующим образом. При возведении крепи ее звенья - спецпрофили 5, 6 рамы сочленяют внахлестку и соединяют замками в узлах податливости.
Спецпрофили 5, 6 в узлах податливости сжимают замками с определенным усилием, граничная величина которого зависит от конструктивных особенностей и возможности самих замков.
В процессе образования вокруг контура выработки зоны не упругих деформаций происходит всестороннее внешнее обжатие крепи нарушенными породами. При горном давлении, превышающем сопротивление податливости крепи, спецпрофили 5, 6, скрепленные замками в узлах податливости, под действием смещения массива горных пород скользят относительно друг друга, в результате чего изменяются геометрия и поперечное сечение рамы. При этом устанавливается требуемое геомеханическое равновесие системы «крепь-массив», которое обеспечивается силами трения, то есть силами сопротивления замков в узлах податливости крепи. В процессе работы крепи в податливом режиме этот процесс постоянно повторяется до тех пор, пока не установится геомеханическое равновесие системы «крепь-массив» в новом состоянии. Работа податливой крепи во многом зависит от параметров рабочей характеристики замка, основное назначение которого состоит в том, чтобы при его затяжке создать стабильные усилия трения между сопряженными в узлах податливости поверхностями спецпрофилей 5, 6. При этом взаимное скольжение спецпрофилей 5, 6 в податливом режиме должно осуществляться с обеспечением стабильного рабочего сопротивления, которое требуется от податливой крепи, но не превышающего несущую способность рамы.
Новая конструкция усилителя-стабилизатора, состоящая из призматоидов 8 и 9, сборка и установка их в распор с упором в боковую стенку 13 спецпрофиля 6 с возможностью произвольной их ориентации и взаимозаменяемости позволяет создать технологичную замкнутую конструкцию, выполняющую в замке узла податливости роль усилителя-стабилизатора, который обеспечивает силовое замыкание замка, осуществляет подпружинивание и стопорение резьбового соединения с одновременной выборкой зазоров и технологических несовершенств спецпрофилей, повышает стабильность работы и увеличивает срок службы и эксплуатационную надежность замка.
Таким образом, на основе предложенного усовершенствования замка достигается получение силовой геометрически неизменной конструкции и полного блокирования перекоса планки 1 и крепежной П-образной скобы 3 в процессе осадки крепи под действием горного давления с одновременным улучшением технологии изготовления элементов замка, сборки и его эксплуатации.
Такое техническое решение значительно повышает надежность работы узлов податливости, обеспечивает заданное усилие затяжки замка, стабильность рабочего сопротивления крепи на всем интервале ее конструктивной податливости. При этом замок имеет несложную для массового изготовления конструкцию, которая характеризуется малой себестоимостью изготовления. В технологическом процессе изготовления элементов усилителя-стабилизатора не требуется использовать широкой гаммы оснастки и штампов, так как во всех случаях усилитель-стабилизатор замка формируется из одной унифицированной детали-призматоида, выполненного из листовой стали штамповкой при отсутствии сварочных работ, не требуется организация ориентации элементов при сборке замка. При минимальных затратах на модернизацию общая себестоимость замка возрастает незначительно и компенсируется повышением надежности, долговечности и безопасности работ с увеличением нагрузки на лаву. Кроме того, создаются условия для обоснованного уменьшения шага расстановки рам крепи (шпации), что значительно снижает ее металлоемкость при сохранении высокой надежности.
Изобретение не ограничивается описанными и показанными на чертежах вариантами реализации, но может быть изменено, модифицировано и дополнено в рамках объема, определенного формулой изобретения.
Изобретение проверено в процессе стендовых испытаний, а также в шахтных условиях. Результаты испытаний полностью подтвердили его техническую и экономическую эффективность и целесообразность широкого использования. Замок податливости металлической рамной податливой крепи из шахтных спецпрофилей может быть изготовлен в условиях промышленного производства на любом рудоремонтном или другом заводе и найти широкое применение на угольных, рудниковых, сланцевых шахтах для повышения надежности крепи и безопасности ведения горных работ.