рамная металлическая крепь для горных выработок

Формула изобретения

Рамная металлическая крепь для горных выработок, включающая верхняк, стойки и узлы соединения их между собой, отличающаяся тем, что для обеспечения восприятия нагрузки верхняком как балкой с защемленными концами каждый узел соединения выполнен в виде опоры с неподвижным защемлением конца верхняка, образованной из упора в виде отрезка металлического стержня, вставленного в шпур в кровле выработки через отверстие в краевой части верхняка, и верхнего торца стойки, при этом верхняк, краевые части которого подвержены максимальным изгибающим моментам, имеет переменное сечение оснащением упомянутых его частей усиливающими элементами.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горному делу, в частности к металлическим крепям, и может быть использовано для крепления горных выработок.

Известна конструкция рамной металлической крепи из спецпрофиля, включающая две стойки, на которые опирается верхняк, усиленный приваренными пластинами в его средней части [1, с.23-25].

Недостатком указанной конструкции является невысокая несущая способность крепи, поскольку ее верхняк работает по принципу балки, опертой на двух опорах. Приваренные к верхняку пластинки увеличивают момент сопротивления его сечения, но незначительно. Пропорционально этому увеличению незначительно повышается и несущая способность крепи, что далеко недостаточно для выработок, эксплуатирующихся на больших глубинах в условиях повышенного горного давления.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является рамная металлическая крепь для горных выработок, включающая стойки и верхняк, соединенные между собой узлами податливости, и башмаки, каждый из которых выполнен в виде отрезка спецпрофиля со сферическими выступами [2].

Недостатком известной конструкции крепи является также ее невысокая несущая способность. Установленные же в краевых частях верхняка башмаки не повышают несущую способность крепи, поскольку в этих краевых частях изгибающие моменты минимальны, а имеют своей целью обеспечение эффекта шарнирности соединения верхняка со стойками.

Вследствие указанного недостатка возникает необходимость увеличения плотности установки крепи, что влечет за собой значительный рост металлоемкости выработки и трудоемкости работ.

Кроме того, область применения этой крепи ограничивается выработками шириной до 3 м, а при ширине выработок до 6 м и более, которую имеют, например, монтажные камеры для очистных механизированных комплексов, она не может быть использована без дополнительной установки в пределах ее сечения промежуточных стоек, а это значительно усложняет ведение монтажных работ. Причем в призабойной зоне при проходке таких выработок установка промежуточных стоек вообще невозможна из-за необходимости маневров проходческого комбайна.

В основу изобретения поставлена задача повысить несущую способность крепи за счет изменения принципа ее работы, выражающуюся в расширении функциональных возможностей верхняка, который работал бы, как балка с защемленными концами.

Технический результат, который может быть получен при реализации заявляемого изобретения, заключается в расширении области применения крепи для крепления выработок с значительной шириной пролета с одновременным снижением их металлоемкости, а также трудоемкости проходческих работ.

Поставленная задача решается за счет того, что в рамной металлической крепи для горных выработок, включающей верхняк, стойки и узлы соединения их между собой, согласно изобретению для обеспечения восприятия нагрузки верхняком как балкой с защемленными концами каждый узел соединения выполнен в виде опоры с неподвижным защемлением конца верхняка, образованной из упора в виде отрезка металлического стержня, вставленного в шпур в кровле выработки через отверстие в краевой части верхняка, и верхнего торца стойки, при этом верхняк, краевые части которого подвержены максимальным изгибающим моментам, имеет переменное сечение оснащением упомянутых его частей усиливающими элементами.

В сравнении с известным уровнем техники заявляемая крепь за счет изменения принципа работы верхняка как балки с защемленными концами позволяет повысить ее несущую способность в три раза по сравнению с прототипом [2] и, как следствие, может быть использована для крепления выработок большой ширины (до 6 м) при одновременном сокращении расхода металла и снижении трудоемкости проходческих работ.

Данный технический результат достигается совокупностью существенных признаков. Докажем существенность отличительных признаков.

Выполнение каждого узла соединения верхняка со стойкой в виде опоры с неподвижным защемлением конца верхняка, образованной из упора в виде отрезка металлического стержня, вставленного в шпур в кровле выработки через отверстие в краевой части верхняка, и верхнего торца стойки, позволит обеспечить восприятие нагрузки верхняком как балкой с защемленными концами. Это в свою очередь позволит повысить несущую способность крепи в 1,5 раза по сравнению с прототипом [2].

Но, как известно, в балке с защемленными концами максимальный изгибающий момент находится в самом защемлении и уменьшается до величины, соответствующей моменту в средней части пролета балки (верхняка). Поэтому эти краевые части балки (верхняка), испытывающие повышенные напряжения, оснащены усиливающими элементами, обеспечивающими совместно с самой балкой (верхняком) увеличение момента сопротивления сечения, пропорциональное повышенному напряжению на указанных частях верхняка, т.е. получен верхняк переменного сечения, несущая способность которого по сравнению с прототипом [2], повысилась уже в три раза. Это обстоятельство позволит уменьшить плотность установки крепи и соответственно снизить металлоемкость горных выработок.

В результате заявляемая крепь может быть использована для крепления горных выработок большой ширины (например, монтажных камер) при одновременном сокращении расхода металла и снижении трудоемкости проходческих работ.

Таким образом, заявляемая крепь позволяет достигнуть технический результат, который явным образом не следует из сведений об известном уровне техники, а поэтому изобретение имеет "изобретательский уровень".

На фиг. 1 изображены известная рамная металлическая крепь, принятая в качестве прототипа, где 1 - верхняк, 2 - стойки, 3 - узлы соединения верхняка 1 со стойками 2, а также схема нагружения верхняка в виде балки на двух опорах и эпюра изгибающих моментов.

При действии на рамную крепь распределенной нагрузки q со стороны кровли верхняк 1 изгибается моментом M, максимальная величина которого, равная ql²/8, находится в середине его полета, несущая способность крепи P₁ при этом составляет P₁= 8[M] /l, где [M] - допускаемый изгибающий момент для конкретного верхняка, кН/м; l - длина верхняка, м. Несущая способность такой крепи очень мала. Так, например, при изготовлении ее из профиля СВП-27 и при l=6 м она составит



где [M] = W_x [_т ], W_x - момент сопротивления для СВП-27, равный 110 см³; [_т] предел текучести, для Ст.5 [_т] = 2900 кг/см², в то время как нагрузка на крепь при такой ширине выработки достигает 300-400 кН/м, т.е. необходимо устанавливать 7-10 рам на метр, что практически невозможно. Следовательно, известная рамная крепь по прототипу неприменима для крепления выработок с большой шириной пролета.

На фиг. 2 изображены предлагаемая рамная металлическая крепь, конструктивная схема верхняка как балки с защемленными концами, схема ее нагружения и эпюра изгибающих моментов; на фиг. 3 - узел соединения верхняка со стойкой, в аксонометрии (в увеличенном виде).

Рамная металлическая крепь для горных выработок включает верхняк 1, стойки 2 и узлы соединения 3 их между собой, каждый из которых выполнен в виде опоры с неподвижным защемлением конца верхняка 1. В свою очередь, упомянутая опора образована из упора 4 и верхнего торца 5 стойки 2. Упор 4 выполнен в виде отрезка металлического стержня, который вставлен в шпур 6 в кровле выработки через отверстие 7 в краевой части верхняка 1. При этом верхняк 1 имеет переменное сечение за счет оснащения его краевых частей, подверженных максимальным изгибающим моментам в диапазоне ql² /12 - ql²/24, где q - распределенная нагрузка, воспринимаемая верхняком, кН/м; l - длина верхняка, м (как это следует из эпюры на фиг. 2), усиливающими элементами 8, которые, например, могут быть присоединены к верхняку 1 (его краевым частям) с помощью сварки.

На фиг. 3 показан узел соединения 3 верхняка 1 со стойкой 2, где для наглядности изображения в боковых стенках верхняка 1 и усиливающего элемента 8 выполнен вырыв. При этом место расположения упора 4 в пределах узла соединения (опоры) 3 ничем не регламентируется и определяется только паспортом крепления выработки в зависимости от принятой на шахте технологии возведения крепи, причем тип стоек 2 выбирается в зависимости от горно-геологических и горно-технических условий эксплуатации выработок и срока их службы. Так, при небольшом сроке службы (как например, монтажные камеры) и постоянной величине горного давления стойки 2 могут быть жесткого типа, а в выработках, эксплуатирующихся в условиях постоянно повышающейся величины горного давления (как например, в зоне влияния очистных работ), должны быть установлены стойки 2, работающие в податливом режиме. При этом для эффективной работе крепи сопротивление стойки 2 в податливом режиме должно соответствовать прочностным характеристикам верхняка 1, рассчитанным по допускаемому изгибающему моменту [M] . В этом случае в элементах крепи не будут возникать избыточные напряжения, способные привести к деформациям и разрушению крепи в целом.

Крепь работает следующим образом.

Под действием на верхняк 1 распределенной нагрузки о в опорах (узлах соединения 3) возникают реактивные силы R_x и R_y и реактивный момент m, которые не допускают ни поступательных перемещений, ни поворота крепи. В результате этого важного обстоятельства верхняк 1 воспринимает распределенную нагрузку q как балка с защемленными обоими концами.

В этом случае в соответствии с теорией сопротивления материалов (3.с. 285-287) эпюра изгибающих моментов такой балки представляет собой параболу, построенную по уравнению моментов M = qlx/2 - ql²/12 - qx²/2, при этом максимальный момент ql²/12 (точка A эпюры на фиг. 2) находится в защемлении (точка A" балки). Как известно, при расчете балки по допустимым напряжениям во внимание принимается максимальное значение момента, тогда [M] = ql²/12, откуда, заменив ql = P₂, нагрузка на балку, т.е. несущая способность крепи составит P₂ = 12 [M]/1, а для верхняка в прототипе [2], у которого допускаемый изгибающий момент [M] = ql²/8, несущая способность крепи равна P₁ = 8[M]/l.

Из этого следует, что заявляемое изобретение по вышеописанному отличительному признаку позволит повысить несущую способность крепи в P₂/P₁ = 12 [M]l/8[M]l = 1,5 раза.

Далее, проанализировав эпюру моментов (фиг. 2), можно заметить, что основная часть верхняка, за исключением его краевых частей, где изгибающий момент возрастает от ql²/24 в точке B до gl²/12 в самом защемлении в точке A, изгибается моментом не более ql²/24, т.е. момент в краевых частях верхняка 1 от точки A" до точки B" в два раза больше, чем на остальном его пролете.

Но допускаемый изгибающий момент [M] определяется из выражения [M] = W_x [_т], где W_x - момент сопротивления сечения верхняка 1, [_т] - предел текучести материала верхняка 1, откуда видно, что его величина прямопропорциональна моменту сопротивления _x. Отсюда следует, что поскольку краевые части верхняка 1 являются наиболее опасными его сечениями с точки зрения возникающих в них напряжений, момент сопротивления их должен быть соответственно в два раза больше, чем на всем остальном пролете верхняка 1, где величина момента составляет не более ql²/24, т.е. в два раза меньше, чем на его краевых частях.

Эта задача решается за счет применения верхняка 1 переменного сечения, который и был получен оснащением краевых частей обычного верхняка 1 усиливающими элементами 8 на участках от максимального момента ql²/12 в защемлении в точке A" верхняка 1, соответствующей точке A эпюры на фиг. 2, до точки B", соответствующей точке B эпюры на фиг. 2, где момент становится равным ql²/24, т. е. максимальным для остального преобладающего пролета верхняка 1. Усилив краевые части верхняка 1, т.е. его опасные сечения, где возникают повышенные напряжения, усиливающими элементами 8 допускаемый изгибающий момент для такого верхняка составит [M] = ql²/24, откуда, заменив ql = P₃, несущая способность крепи составит P₃ = 24[M]/l, т.е. повысится по отношению к прототипу [2] совместно с вышеназванным признаком уже в P₃/P₁ = 24[M]l/8[M]l = 3 раза.

Длина c усиливающих элементов 8 определяется расчетным путем в соответствии с уравнением моментов для балки с защемленными концами, приведенным выше.

Подставляя в это уравнение значение момента в точке B эпюры на фиг. 2, равное - ql²/24, т.е. такое же, как и в середине пролета верхняка 1 (балки) только с противоположным знаком, находим длину a, соответствующую значению x в уравнении моментов. Тогда с учетом участка верхняка 1 в = 0,2 м, необходимого для установки стойки 2, общая длина усиливающего элемента 8 составит c = a + в.

Ниже приведена сравнительная таблица расчетных величин заявляемой и известной по прототипу [2] крепей для различных длин верхняка 1.

Как следует из таблицы, заявляемая крепь имеет несущую способность, в три раза большую, чем известная крепь по прототипу [2], что значительно расширяет область ее применения, т.е. эта крепь может быть использована для крепления горных выработок, эксплуатирующихся на больших глубинах в условиях повышенного проявления сил горного давления, а также в выработках с большой шириной пролета.

Таким образом, использование заявляемого изобретения позволит повысить несущую способность крепи за счет изменения принципа работы верхняка путем расширения его функциональных возможностей, а также снизить материальные и трудовые затраты при введении проходческих работ.

Источники информации, принятые во внимание

1. Отраслевая инструкция по применению рамных и анкерных крепей в подготовительных выработках угольных и сланцевых шахт: Утв. М-вом угольной промышленности СССР 14.07.84. -М. : ИГД им. А.А. Скочинского, 1985, с.23-25, рис. 2.7 (а).

2. Авторское свидетельство СССР N 383835, кл. E 21 D 11/14, 1971.

3. Кинасошвили С.Р. Сопротивление материалов, М., 1975, с.285-287.