способ крепления горных выработок (варианты)

Формула изобретения

1. Способ крепления горных выработок преимущественно с большим пролетом, включающий установку и прижатие к кровле выработки верхняка арочной формы с упорным элементом и соединительными скобами, распор верхняка в бока выработки посредством упорного элемента для включения в работу рамы крепи по принципу арочной системы с образованием вертикальных составляющих опорных реакций и их горизонтальных составляющих, отличающийся тем, что арочную форму верхняку придают в процессе его установки, для чего верхняк прямолинейной формы с упорным элементом и соединительными скобами на одном из его краев свободным концом упирают в боковую стенку выработки, затем поджимают распорным устройством к кровле с усилием, достаточным для образования стрелы подъема, упорный элемент передвигают по верхняку до упора в боковую стенку выработки и фиксируют его на верхняке путем затягивания гаек соединительных скоб, после чего устанавливают стойки под верхняк и снимают усилие с распорного устройства.

2. Способ крепления горных выработок преимущественно с большим пролетом, включающий установку и прижатие в кровле выработки верхняка арочной формы с соединительными скобами, распор верхняка в бока выработки для включения в работу по принципу арочной системы с образованием вертикальных составляющих опорных реакций и их горизонтальных составляющих, отличающийся тем, что арочную форму верхняку придают в процессе его установки, для чего верхняк составляют из двух криволинейных элементов с нахлестом их краев и образованием стрелы подъема и навешивают соединительные скобы в месте нахлеста указанных элементов, затем элементы верхняка раздвигают друг относительно друга в противоположные стороны до упора их торцов в боковые стенки выработки и фиксируют их путем затягивания гаек соединительных скоб, после чего устанавливают стойки под верхняк.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для крепления горных выработок со сводчатой формой в поперечном сечении преимущественно с большим пролетом, например, при проведении и креплении монтажных камер большой ширины.

Известен способ крепления горных выработок, включающий возведение рамной крепи, состоящей из верхняка арочной формы и стоек, соединяемых между собой хомутами с планками, и последующую установку шахтной затяжки в два слоя по всему периметру крепи (а. с. СССР 1830416, кл. Е 21 D 11/00, 1991).

Известный способ предполагает проведение выработки с минимальными переборами сечения. Однако при проведении горной выработки известными способами, например, комбайновым, с помощью БВР и др. из-за слоистости и неустойчивости вмещающих боковых пород происходят значительные вывалы, превосходящие допустимые величины переборов сечения выработки. В таких условиях невозможно установить крепь с обеспечением ее контакта с боковыми породами, в результате чего верхняк крепи работает по принципу балочной системы. Как известно, на верхняк крепи, работающий по указанному принципу, действуют значительные изгибающие моменты, которые снижают его сопротивляемость силам горного давления, что приводит к его деформации и, соответственно, уменьшению несущей способности рамы крепи.

Известен также способ крепления горных выработок (а. с. СССР 1763669, кл. Е 21 D 11/14, 1989), включающий подъем к кровле выработки криволинейного верхняка с распорными элементами, установку его на опорных уступах в боках выработки и последующий распор верхняка с помощью распорного клина между кровлей выработки и опорными уступами. При данном способе обеспечивается распор верхняка в бока выработки, однако в опорных уступах под действием сил горного давления будут возникать значительные напряжения, что в конечном итоге приведет к их разрушению, а затем к мгновенному падению верхняка и возникновению аварийной ситуации.

Кроме того, практически невозможно образовать опорные уступы в условиях угольных шахт, где вмещающие породы имеют слоистый характер и весьма неустойчивы.

Таким образом, такое решение применительно к условиям шахты носит чисто теоретический характер и практически не реализуемо ни с точки зрения технико-технологической, ни с точки зрения обеспечения эксплуатационной устойчивости и безопасности горной выработки.

Из изложенного следует, что использование этого способа не в состоянии повысить несущую способность крепи и, соответственно, эксплуатационную надежность горной выработки.

Наиболее близким из известных является способ крепления горных выработок, включающий установку рамы крепи, состоящей из верхняка арочной формы и стоек, соединяемых между собой хомутами с помощью скоб с планками и гайками, причем промежутки рам перекрывают межрамным ограждением.

(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. 14-17, рис. 2.1).

Недостатком данного способа является низкая эксплуатационная надежность горной выработки вследствие снижения несущей способности крепи в случае потери контакта ее с боковыми стенками выработки, а это происходит при наличии переборов (пустот) за рамой крепи, приводящих к изменению системы работы крепи в целом, а именно: под действием на раму крепи сил горного давления в ее верхняке появляются только вертикальные составляющие опорных реакций при полном отсутствии горизонтальных их составляющих, т. е. распора, являющегося основным признаком арочной системы. В результате верхняк крепи работает как балка и подвергается значительным изгибающим моментам, что приводит к необходимости увеличения плотности установки крепи, повышению металлоемкости выработки и трудоемкости проходческих работ.

Задачей изобретения является ликвидация указанного выше недостатка, т. е. создание способа крепления горных выработок, который позволил бы повысить эксплуатационную надежность горной выработки за счет увеличения несущей способности крепи путем исключения возможности изменения системы работы крепи в целом, обуславливающий сохранение ее работы по принципу арочной системы независимо от наличия переборов по сечению выработки, с одновременным уменьшением максимальных изгибающих моментов, действующих на верхняк, за счет этого снизить плотность установки крепи, и соответственно, ее металлоемкость и трудоемкость проходческих работ, а также за счет этого расширить область применения, распространив ее на выработки с большим пролетом.

Для решения поставленной задачи по первому варианту в способе крепления горных выработок преимущественно с большим пролетом, включающем установку и прижатие к кровле выработки верхняка арочной формы с упорным элементом и соединительными скобами, распор верхняка в бока выработки посредством упорного элемента для включения в работу рамы крепи по принципу арочной системы с образованием вертикальных составляющих опорных реакций и их горизонтальных составляющих, арочную форму верхняку придают в процессе его установки, для чего верхняк прямолинейной формы с упорным элементом и соединительными скобами на одном из его краев свободным концом упирают в боковую стенку выработки, затем поджимают распорным устройством к кровле с усилием, достаточным для образования стрелы подъема, упорный элемент передвигают по верхняку до упора в боковую стенку выработки и фиксируют его на верхняке путем затягивания гаек соединительных скоб, после чего устанавливают стойки под верхняк и снимают усилие с распорного устройства.

Для достижения поставленной задачи по второму варианту в способе крепления горных выработок преимущественно с большим пролетом, включающем установку и прижатие к кровле выработки верхняка арочной формы с соединительными скобами, распор верхняка в бока выработки для включения в работу по принципу арочной системы с образованием вертикальных составляющих опорных реакций и их горизонтальных составляющих, арочную форму верхняку придают в процессе его установки, для чего верхняк составляют из двух криволинейных элементов с нахлестом их краев и образованием стрелы подъема и навешивают соединительные скобы в месте нахлеста указанных элементов, затем элементы верхняка раздвигают друг относительно друга в противоположные стороны до упора их торцов в боковые стенки выработки и фиксируют их путем затягивания гаек соединительных скоб, после чего устанавливают стойки под верхняк.

По сравнению с известным уровнем техники заявляемое изобретение обладает конструктивной и технологической простотой, повышает эксплуатационную надежность выработки за счет увеличения несущей способности крепи при одновременном улучшении ее нагрузочных характеристик, что, соответственно, позволяет снизить плотность установки рам крепи, металлоемкость выработки и трудоемкость проходческих работ, а также расширить область его применения, распространяющуюся на горные выработки с большим пролетом независимо от наличия переборов по периметру выработки.

За счет использования вначале верхняка прямолинейной формы, оснащенного с одного его конца упорным элементом, и последующего его поджатия к кровле выработки с образованием стрелы подъема заданной величины, придающей верхняку арочную форму, в этом верхняке создают напряженное состояние, которое обеспечивает наиболее благоприятные условия для восприятия сил горного давления рамами крепи.

Распирание верхняка, которому придана арочная форма, между боковыми стенками выработки с помощью упорного элемента способствует возникновению в верхняке после установки стоек под действием сил горного давления, кроме вертикальных составляющих опорных реакций, горизонтальных их составляющих, т. е. распора, обуславливающего работу крепи в режиме арочной системы независимо от состояния вмещающих пород за рамами крепи.

Работа рамы крепи в упомянутом режиме позволит значительно уменьшить изгибающие моменты по длине верхняка, а это, в свою очередь, обеспечит повышение несущей способности крепи в десять раз по сравнению с прототипом, и, соответственно, расширить область применения заявляемого способа, а именно для крепления горных выработок с большим пролетом.

Второй вариант заявляемого способа отличается от первого тем, что за счет составления верхняка из двух криволинейных элементов с нахлестом их краев с последующим перемещением этих элементов относительно друг друга в противоположные стороны при установке рамы крепи до упора их торцов в боковые стенки выработки и фиксацией их в этом положении, придают верхняку арочную форму, а рама крепи включается в работу по принципу арочной системы, как и в первом варианте. Из изложенного следует, что второй вариант позволяет полностью осуществить технологический процесс крепления выработки и решить поставленную задачу - повысить несущую способность крепи и, соответственно, эксплуатационную надежность выработки.

Отличием первого варианта от второго является то, что за счет придания верхняку арочной формы и как следствие напряженного состояния после его установки повышается его сопротивляемость силам горного давления.

При втором варианте достигается простота конструкции крепи и технологичность установки верхняка арочной формы, образованного из двух криволинейных элементов, при достижении поставленной задачи - повышение эксплуатационной надежности выработки за счет увеличения несущей способности крепи.

На фиг. 1-3 представлен описываемый способ, первый вариант, а именно: на фиг. 1 изображено положение верхняка крепи с упорным элементом в начальный момент его установки в выработке по описываемому способу; на фиг. 2 - рама крепи в момент ее возведения, у которой верхняк поджат к кровле и расперт в боковые стенки выработки; на фиг. 3 - рама крепи, приведенная в эксплуатационное состояние; на фиг. 4 - описываемый способ, второй вариант, рама крепи после распора элементов верхняка в боковые стенки выработки; на фиг. 5 - узел I фиг. 4; на фиг. 6 - схема верхняка с эпюрой изгибающих моментов для известного способа, принятого в качестве прототипа; на фиг. 7 - схема верхняка с эпюрой изгибающих моментов для обоих вариантов.

Способ крепления горных выработок по первому варианту реализуется следующим образом.

По мере проведения горной выработки с параметрами, заданными паспортом крепления, осуществляют установку рам крепи из верхняка 1 прямолинейной формы с упорным элементом 2, стоек 3 и соединительных скоб 4 с планками 5 и гайками 6.

Установку верхняка 1 прямолинейной формы с последующим приданием ему арочной формы осуществляют с возможностью контакта его торцов с боковыми стенками выработки, причем арочную форму верхняку 1 придают в процессе его установки следующим путем.

Вначале один из краев верхняка 1 прямолинейной формы оснащают упорным элементом 2 и навешивают на него соединительные скобы 4. Затем верхняк 1 с упорным элементом 2 устанавливают средней его частью на распорное устройство 7 так, что свободный его конец упирается в боковую стенку выработки (фиг. 1). Далее с помощью устройства 7 поджимают верхняк 1 к кровле выработки с усилием, достаточным для образования стрелы подъема f, величина которой предусматривается паспортом крепления выработки. После этого упорный элемент 2 передвигают по верхняку 1 в сторону боковой стенки выработки, упирают в нее и фиксируют на верхняке 1 путем затягивания гаек 6 соединительных скоб 4. После распора верхняка 1, принявшего арочную форму, устанавливают под него стойки 3 (фиг. 2). Затем снимают усилие с распорного устройства 7 и убирают его с места возведения рамы крепи. После выполнения описанных операций рама крепи приведена в эксплуатационное состояние (фиг. 3).

Отличительной особенностью второго варианта способа крепления горных выработок является то, что вначале верхняк 8 рамы крепи, изображенной на фиг. 4, составляют из двух криволинейных элементов 9 и 10 с нахлестом их краев и образованием стрелы подъема f, придающей верхняку 8 арочную форму. Затем навешивают соединительные скобы 11 планками 12 и 13 на составной верхняк 8 в месте нахлеста элементов 9 и 10. Причем длину криволинейных элементов 9 и 10 принимают в зависимости от технологии проведения горной выработки. После составления верхняка 8 из элементов 9 и 10 и придания ему арочной формы его с "наживленными" на нем скобами 11 поднимают к кровле выработки и раздвигают друг относительно друга в противоположные стороны до упора торцов каждого элемента в боковые стенки выработки. Затем элементы 9 и 10 фиксируют путем затягивания гаек 13 соединительных скоб 11. Далее устанавливают стойки 3 под верхняк 8, который упирается своими торцами в боковые стенки выработки.

Стойки 3 по первому и второму вариантам рамы крепи могут быть как жесткого, так и податливого типов, каждый из которых выбирают в зависимости от паспорта крепления выработки и условий ее эксплуатации.

Причем рама крепи в обоих вариантах работает по принципу арочной системы, в которой, кроме вертикальных составляющих реакций R_A и R_Б, имеются горизонтальные их составляющие Н.

Принцип работы рамы крепи для первого варианта показан на фиг. 7, где схематично изображен верхняк 1, на который действует суммарная вертикальная нагрузка Р, распределенная симметрично по длине верхняка 1 в двух точках В и Г величиной в каждой из них по P/2, т. е. рассмотрен типичный случай приложения вертикальной нагрузки на крепь горных выработок и легко реализуемый на практике при их креплении.

Как следует из теории строительной механики (Бурчаков Ю. И. , Гнедин В. Е. , Денисов В. М. Строительная механика: Учеб. пособие для студентов вузов. - М. : Высшая школа, 1983, с. 68), изгибающий момент М в арке меньше изгибающего момента ⁰ в заменяющей балке (в балке того же пролета и нагруженный той же нагрузкой) на величину момента М^H, вызываемого распором Н, т. е. М= М⁰ - М^H, в чем и состоит преимущество арочных систем по сравнению с балочными. Результирующая эпюра моментов М изображена на криволинейной оси верхняка 1 (фиг. 7).

Принцип работы рамы крепи для второго варианта аналогичен принципу работы рамы крепи для первого варианта.

На фиг. 6 представлен верхняк по прототипу с такой же величиной стрелы подъема f, как и на фиг. 7, но работающий по принципу балочной системы, в которой под действием суммарной вертикальной нагрузки Р возникают только вертикальные составляющие опорных реакций R_A и R_Б.

Эпюра изгибающих моментов М⁰ представлена на криволинейной оси верхняка рамы крепи по прототипу.

Для наглядности приведем конкретный пример: величина пролета верхняка l= 6 м, стрела подъема верхняка f= 0,5 м, верхняк выполнен из спецпрофиля СВП-27 из Ст. 5.

Как было указано выше, изгибающий момент в арке М= М⁰ - М^H. Изгибающий момент в заменяющей балке М⁰ составит:

на участке А-В M⁰ _А-В = P x/2,

на участке В-Г

на участке Г-Б

Величина момента, вызываемого распором, составит М^Н= Ну= -2Ру. Тогда изгибающие моменты в арке определятся из следующих выражений:

на участке А-В M⁰ _А-В = P x/2 - 2Py,

на участке В-Г

на участке Г-Б M⁰ _Г-Б = P x/2 - P(x - 3) - 2Py.

Построив эпюры изгибающих моментов, можно заметить, что максимальный изгибающий момент М для верхняка, работающего по принципу арочной системы (фиг. 7), составляет 0,1 Р, в то время как для верхняка, работающего по принципу балочной системы (фиг. 6), величина максимального изгибающего момента в десять раз больше и составляет 1P.

Определим несущую способность верхняка. Допускаемый изгибающий момент [М] на верхняк составит [М] = 0,1 Р_Н, откуда Р_Н = [М] /0,1,

где Р_Н - допускаемая нагрузка на верхняк или его несущая способность.

Но величина [M] = W_x[],

где:

W_x - момент сопротивления профиля СВП-27, W_x= 110 см³,

[] - предел текучести для Ст. 5, [] = 290 МПа,

тогда несущая способность верхняка, работающего по принципу арочной системы, составит , в то время как для верхняка, работающего по принципу балочной системы, несущая способность составит кН, т. е. в десять раз меньше.

В приведенном примере вертикальная нагрузка распределена в двух точках по длине верхняка, в случае же обеспечения работы верхняка в режиме приложения к нему вертикальной равномерно распределенной нагрузки условия его эксплуатации еще более улучшаются, так как величина изгибающего момента, действующего на верхняк рамы крепи, работающей по принципу арочной системы, стремится к нулю.

Таким образом, заявляемый способ крепления горных выработок позволит за счет повышения несущей способности крепи значительно повысить их эксплуатационную надежность при снижении металлоемкости и материальных затрат.