CC BY
42
[ЙЙ
ПОДЗЕМНАЯ РАЗРАБОТКА МЕСТОРОЖДЕ-
С
ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
; ; „ © Ю.П. Золотарев, 2000 :
УДК 622.272
Ю.П. Золотарев
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНТАКТНЫХ ДАВЛЕНИЙ НА ПОЧВУ ПЛАСТА ПРИ РАБОТЕ
вают все влияющие факторы, а методики расчета давлений от исполнительных органов стругов - отсутствуют.
В сущности основания мехкрепей и подконвейерные плиты (направляющие) струговых установок представляют собой балки и плиты, расположенные на упругом основании, что позволяет предложить методику расчета контактных давлений на почву пласта на основе решений, полученных в строительной механике, теориях упругости и пластичности.
Для расчетов балок и плит на упругом полупространстве приходится применять либо численные методы конечных или граничных элементов, либо приближенные аналитические методы. Из наиболее часто используемых аналитических методов для решения поставленной задачи использован метод Симвулиди И.А. [1], предложенный для определения реакции почвы - а по ним и уравнениям статики - величин перерезывающих сил и изгибающих моментов в любом сечении нагруженной полосы, лежащей на линейно деформированном пространстве.
Метод Симвулиди И.А. широко опробован, результаты расчета по нему надежны и имеют хорошую сходимость с экспериментальными данными.
Реакция основания на балку Р(х) п ринимается в виде целой алгебраической функции третьей степени, включающей четыре параметра аi [1]:
труговая выемка угля является одним из перспективных направления развития угледобычи. Она обладает рядом известных преимуществ перед комбайновой выемкой, главными из которых следует признать возможность работы без постоянного присутствия людей в очистном забое, минимальные энергозатраты, высокая сортность добываемого угля, возможность существенного снижения или исключения при-сечек боковых пород при выемке тонких пластов.
В то же время одним из существенных ограничений возможностей применения струговой выемки является требование иметь почву с сопротивлением вдавливанию не менее 2 МПа. Эффективность струговой выемки при работе на пластах с более слабыми почвами снижается за счет «зарывания» в почву секций механизированной крепи и струга, что приводит к аварийным ситуациям.
Опыт эксплуатации струговых установок показал, что контактные давления на почву, передаваемые основаниями секций крепи и исполнительными органами стругов отрывного или комбинированного типов, распределяются по их длине и ширине неравномерно. Это обстоятельство требует отказа от распространенного мнения о возможности выбора оборудования по величине среднего давления на почву.
Существующие методики расчета контактных давлений на почву основаниями крепей не полностью учиты-
_ 2йи . L . 4а2 , Ь .2 8аз 4L .2
Р(х) = ао + (х-—) + —2“ (х +_Х (х
Ь 2 Ь 2 Ь 2
где L - длина балки; Х - расстояние от точки, где определяется значение Р(х> до забойного конца основания крепи; ао, а1, а2, а3 - параметры эпюры давлений, в случае симметрии нагрузок а1 = а3 = 0.
Методика определения контактных давлений на почву основаниями крепей предусматривает следующую последовательность работы:
1. Изображение конструктивной схемы основания крепи с показанными на ней силами, действующими от гидростоек, и их координатами.
2. Определение по техдокументации максимальных значений усилий, передаваемых крепью на непосредственную почву пласта (Р1, Р2, Рз), конструктивных размеров основания (длины L и ширины в), моментов инерции продольного JПpoД и поперечного Jпоп сечений балки основания, модуля Юнга материала основания крепи Ео.
3. Определение по документации или экспериментально значений коэффициента Пуассона Ц,о и модуля Юнга Е непосредственной почвы пласта.
4. Преобразование реальной конструктивной схемы основания крепи в эквивалентную ей схему с сосредоточенными силами вдоль продольной оси и изгибающими моментами в поперечной плоскости (для оснований, состоящих из одной плиты).
5. Определение значения показателей гибкости [1].
6. Определение значений параметров аi [1].
7. Определение по формуле (1) значений контакных давлений на почву пласта Рх по всей длине основания и по его ширине (для оснований из одной балки).
8. Определение суммарных значений контактных давлений по площади основания.
Данная методика позволяет определить не средние, а фактические реальные значения контактных давлений оснований крепи на почву пласта. Аналогично определяются контактные давления от исполнительных органов стругов отрывного (подконвей-ерная плита) и комбинированного (специальная направляющая) дейст-
ІШШШ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Симвулиди И.А.. Расчет инженерных конструкций на упругом основании. - М., Высшая школа, 1987 г., 579 с.
НИЙ і
ПОДЗЕМНАЯ РАЗРАБОТКА МЕСТОРОЖДЕ-
ПОЛЕЗНЫХнИСКОПАЕМЫХш
УДК 622.272
Ю.П. Золотарев
ИССЛЕДОВАНИЕ КОНТАКТНЫХ ДАВЛЕНИЙ НА ПОЧВУ ПЛАСТА ОСНОВАНИЯМИ
И
сследование контактных давлений на почву пласта выполнялось по разработанной нами методике [1], позволяющей установить влияние физических характеристик почвы, силовых и конструктивных параметров крепи на величину и характер распределения напряжений.
Результаты таких исследований имеют важное значение, так как позволяют при проектировании крепей выбирать такие конструктивные и силовые параметры, которые при выполнении основной функции поддержания кровли обеспечивают минимизацию давления на почву, уменьшить концентрацию напряжения в почве и выбрать наиболее рациональное для конкретных условий оборудование.
Ограничимся в данной статье исследованием контактных давлений, передаваемых основанием двухрядных механизированных крепей типа КД90.
Расчетная схема крепи показана на рис. 1. В качестве исходных данных принято:
Р1 = 820 кН, Р2 = 0, Рз = 820 кН, 1з1 = 0,55 м, L = 2,5 м, 1з2 = =1,0 м, 1зз
= 1,45 м, в = 0,5 м, Ео = 5,91 х 107 кН/м2, Ц = =0,25, Е = 21 х 107 кН/м2, J = = 0,998 х 10-4 м2. Эти данные характерны для крепи КД90 и средних значений характеристик почв пластов шахт России.
На рис. 2 представлены графики изменений контактных давлений по длине балки основания при изменении модуля Юнга почвы на два порядка. Анализ этих данных показывает, что при изменении Ео в 100 раз средние значения контактных давлений изменяются на 10-15 %, а контактные давления у забойной кромки основания - на 30 %. Если учесть, что в реальных условиях Ео меняется не более чем в 5-10 раз, то можно сделать вывод о том, что в имеющем место диапазоне изменения модуля упругости распределение контактных давлений практически не зависит от модуля упругости пород почвы.
Так как Ео влияет на распределение контактных давлений лишь через коэффициент К, прямо пропорциональный модулю упругости почвы Ео и обратно пропорциональный модулю упругости материала основания Е и его моменту инерции J, то сделанный нами вывод можно распространить на параметры Е и J.
Контактные давления, передаваемые основаниями крепей на почву пласта, прямо пропорциональны усилиям, развиваемым их гидростойками. Роль основания заключается в распределении на почву сосредоточенных сил, передающихся стойками крепей таким образом, чтобы контактные напряжения не превосходили предельно допустимых для данной почвы. При более высоких концентрациях напряжений появляются местные зоны разрушения и просадки основания.
Проиллюстрируем изменение величины контактных давлений на почву пласта при различных вариантах расположения стоек двухрядных четырехстоечных крепей, основания которых состоят из двух балок.
Наибольший интерес представляют два варианта:
а) расстояние между стойками постоянно, изменяется расстояние стойки первого ряда от забойной кромки балки основания;
б) расстояние стойки первого ряда от забойной кромки постоянно, изменяется расстояние между стойками первого и второго ряда.
По варианту «а» принимаем, что расстояние между стойками равно 0,9 м, при этом обеспечивается необходимая ширина прохода (не менее 0,7 м). Расстояние первой стойки от забойной кромки основания изменяется от 0 до 0^, где L - длина основания, что охватывает все варианты конструктивного исполнения таких крепей.
Результаты расчета показаны в табл. 1.
Анализ показывает, что контактные давления на почву пласта весьма существенно зависят от расположения стоек на балке основания. Так, при остающемся постоянном расстоянии между стойками первого и второго ряда контактные давления в зоне за-
Рис. 1. Расчетная схема для определения контактных давлений на почву пласта балкой основания трехрядной крепи
бойной
Величина контактных давлений, МПа
Хі Расстояние передней строки от забойной кромки крепи,
L 0 0,04L 0,08L 0,124L 0,^ 0^ 0,24L 0,28L 0,35L
0 5,0 2,68 0,43 -1,72 6,44 4,53 2,74 1,05 -0,54
0,1 4,01 3,13 2,63 2,0 2,24 1,72 1,25 0,83 0,46
0,2 3,02 3,12 3,47 3,7 0,26 0,5 0,74 0,98 1,24
0,3 2,08 2,7 3,3 3,88 -0,07 0,43 0,91 1,37 1,79
0,4 1.24 1,86 2,45 3,0 0,64 1,08 1,48 1,82 2,13
0,5 0,53 0,92 1,28 1,58 1,82 2,01 2,14 2,21 2,24
0,6 0,01 0,08 0,11 0,1 2,88 2,77 2,6 2,39 2,13
0,7 -0,27 -0,48 -0,71 -0,97 3,23 2,98 2,57 2,2 1,79
0,8 -0,28 -0,56 -0,84 -1,12 2,28 2,01 1,75 1,49 1,24
0,9 0,04 0,03 0,06 0,13 -0,56 0,38 -0,15 0,13 0,46
1,0 0,74 1,49 2,33 3,26 -5,88 -4,71 -3,42 -2,04 -0,54
Величина контактных давлений, МПа
Хі Расстояние передней строки от забойной кромки крепи,
L 0,28L 0,32L 0,36L 0^ 0,44L 0,48L 0,52L 0,56L 0^
0 -0,181 -0,64 -1,052 -1,414 -1,742 -2,041 -2,311 -2,612 -2,872
0,1 -0,39 0,351 0,341 0,352 0,391 0,421 0,471 0,53 0,581
0,2 1,042 1,181 1,323 1,461 1,612 1,752 1,91 2,041 2,23
0,3 1,691 1,812 1,932 2,033 2,121 2,212 2,292 2,371 2,449
0,4 2,233 2,241 2,221 2,181 2,123 2,063 1,993 1,912 1,830
0,5 2,571 2,413 2,244 2,032 1,812 1,581 1,341 1,091 0,831
0,6 2,612 2,332 2,032 1,713 1,381 1,032 0,684 0,323 -0,042
0,7 2,240 1,963 1,661 1,344 1,022 0,691 0,362 0,032 -0,310
0,8 1,381 1,261 1,151 1,041 0,952 0,834 0,721 0,011 0,519
0,9 -0,011 0,232 0,582 0,942 1,323 1,712 2,102 2,514 2,922
1 0 2 323 1 161 0 023 1 15 1 2 371 3 603 4 863 6 12 1 7 4 1
Рис. 2 Графики контактных давлений на почву пласта при различных вариантах расположения распорной стойки: 1 - стойка расположена на забойной кромке балки основания; 2 -стойка расположена на расстоянии 0,2Ь от забойной кромки основания; 3 - стойка расположена на расстоянии 0,8Ь от забойной кромки основания. По варианту «б» примем, что передняя стойка расположена на расстоянии L/4 от забойной кромки основания (0,83 м), а расстояние между осями первого и второго ряда стоек изменяются в широком
кромки основания существенно низированных крепей необходимо
последнем случае стойка второго ряда
снижаются при отдалении первой проводить расчеты контактных дав-
расположена практически у завальной
стойки от кромки на расстояние до лений, отдавая предпочтение тому ва-
кромки основания.
0,12L, затем при удалении на 0,16L рианту, при котором давления на поч- _
Результаты расчетов контактных (0,4 м) давления значительно воз- ву у забойной кромки основания бу- „ ^ - А
давлений приведены в табл. 2. Анализ
растают, а при еще больше М уда- дут минимальны
результатов расчета показывает, что
лении опять снижаются.
при заданных исходных параметрах с
Из этого следует важный вывод о ми при выполнении других требова-
увеличением расстояния между осями
том, что при конструировании меха- ний к конструкции крепи.
стоек первого и второго ряда крепи
контактные давления у забойной кромки основания снижаются, а у завальной стойки - растут. При расстоянии между осями стоек до 0ДЬ они не превышают 1,15 МПа, ЧТО позволяет работать крепи на достаточно слабых почвах. При дальнейшем увеличении расстояния между
осями стоек контактные давления у завальной кромки основания растут, а при расстоянии около 0^ они достигают - 6,0 - 7,14 МПа, что соответствует весьма прочным почвам. Полученные результаты следует учитывать при конструировании двухрядных механизированных крепей.
Полученные результаты полностью подтвердились при промышленных испытаниях опытного образца механизированного комплекса на базе крепи КД90С и струговой установки комбинированного типа ЗСКП на шахте им. 50-летия Октября ОАО «Гуковуголь» при отработке пласта 12 со слабой почвой.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Золотарев Ю.П. Методика определения контактных давлений на почву пласта при работе струговых комплексов. - М., ГИАБ, 2000 г.,
№ 3.
[ЗЕМНАЯ РАЗРАБОТКА МЕСТОРОЖДЕ
нПОЛЕЗНЫХ! I !ЙСКОПАЕМЫХ| ! ШШШШШШШШШНШ
© Ю.Г Золотарев, 2000 |
УДК 622.272
Ю.П. Золотарев
ИССЛЕДОВАНИЯ ВЕЛИЧИНЫ И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ КОНТАКТНЫХ ДАВЛЕНИЙ НА ПОЧВУ ПЛАСТА ОТ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ ОРГАНОВ
В
ажность исследования величины и распределения контактных давлений на почву пласта исполнительными органами струговых установок определяется несколькими факторами, главными из которых являются следующие:
а) установление возможности эффективного применения струговых установок различной конструкции на угольных пластах с непосредственной почвой, отличающейся по прочности;
б) определение зон наибольшего функционального износа элементов исполнительного органа.
Известно, что в случаях, когда прочность почвы соизмерима с прочностью угольного пласта или меньше последней, наблюдается ее разрушение исполнительным органом даже тогда, когда линия резания нижнего резца струга была выше уровня почвы. Почва разрушалась базовыми элементами исполнительного органа вследствие высоких контактных давлений, установка «зары-валась» в почву.
Из всех типов струговых установок непосредственно на почву пласта воздействуют исполнительные органы только отрывных струговых установок. Их подконвейерные плиты контактируют с почвой и передают на нее усилия и моменты, формируемые режущей частью, весовыми составляющими, системами подачи и управления струговой установки.
Исполнительные органы струговых установок комбинированного типа передают усилия на почву пласта через специальную направляющую, расположенную на почве.
Автором разработана впервые методика расчета контактных давлений на почву исполнительными органами струговых установок, позволяющая определять их в любой точке возникновения контактных давлений.
На исполнительный орган струговой установки отрывного типа со стороны угольного забоя в вертикальной плоскости действуют усилия отжима Ру, боковые составляющие сил резания Рх и усилия на ограничитель стружки Rв. Со сторонні системні подачи на исполнительный орган через опоры струга на конвейер действуют
усилия Ra и Rc. Помимо этих сил в поперечной плоскости действуют также весовые составляющие корпуса исполнительного органа Стс, распределенная нагрузка q,1п веса подконвейер-ной плитні (qп п = Gп п / Sп п ) и сила тяжести расположенного на подконвей-ерной плите части рештачного става конвейера с транспортируемым грузом Стк.
В продольной плоскости (параллельной забою) на исполнительный орган действуют усилия резания Р2 и тяговые усилия Т.
На рис. 1а представлена схема исполнительного органа струговой установки отрывного типа и усилия, действующие в поперечной плоскости. Усилия, действующие в продольной плоскости, показаны на рис. 1б.
Эквивалентная схеме рис. 1а схема балки на упругом основании, нагруженная сосредоточенными силами Рх, Ру, Ра, Рв, Рс, GTк и распределенными ^п.п) силами и сосредоточенным моментом Мпр, равным
Мпр = Рв ' х1 + Ру ' хз — Рх ' 1о —
- (ЯА + Яс )х2,
и представлена на рис. 2.
Значения усилий, сил тяжести и точек их приложения определяются из [1,2] и нормативно-технической документации.
Эквивалентная схема для расчета контактных сил, действующих в продольной плоскости, показана на рис. 3.
Аналогично рассматривались расчетные и эквивалентные схемы для определения контактных давлений и для струговых установок комбинированного типа.
Исследование влияния силовых и конструктивных параметров струговых установок на величину и распределение контактных давлений на почву проводилось численным методом на ПЭВМ.
В качестве базового был принят исполнительный орган струговой установки ЗСКП, выполненный по схеме отрывного струга с ограничителями толщины стружки. Исходные данные для расчета соответствуют тех-
Рис. 1. а - схема сил, действующих на исполнительный орган струговой установки отрывного типа в поперечной плоскости; б -схема сил, действующих на исполнительный орган струговой установки отрывного типа в продольной плоскости
Рис. 2. Эквивалентная схема исполнительного органа струговой установки отрывного типа для расчета контактных давлений на почву пласта от усилий и сосредоточенного момента в поперечной плоскости
Рис. 3. Эквивалентная схема исполнительного органа струговой установки отрывного типа для расчета контактных давлений на почву пласта продольной плоскости
нической документации базовой установки.
Анализ результатов исследования показал, что контактные давления, передаваемые на почву пласта исполнительными органами струговых установок отрывного и комбинированного типов, распределены по площади подконвейерной плиты и специальной направляющей неравномерно. У отрывного струга наибольшие давления передаются в зоне забойной кромки и шарнирных соединений подконвейер-ной плиты, у комбинированного струга - по забойной кромке специальной направляющей и в зоне соединений секций направляющих. Контактные давления в зоне забойных кромок превосходят средние в 2,5 - 2,8 раза; в зоне шарниров подконвейерной плиты и соединения секций специальной направляющей - в 9,7 - 10,8 раза. Максимальные значения контактных давлений должны
учитываться при выборе типа струговой установки, особенно при работе на пластах со слабыми почвами.
При увеличении толщины снимаемой стружки или сопротивляемости пласта резанию средние значения контактных давлений возрастают как по подконвейерной плите (специальной направляющей) в целом, так и в наиболее нагруженных ее зонах. Увеличение толщины стружки с 30 до 45 мм при Ар = 250 кН/м вызывает рост контактных давлений в 1,35 раза. При увеличении сопротивляемости пласта резанию средние контактные давления растут пропорционально росту сопротивляемости.
Средние значения контактных давлений, передаваемых на почву пласта комбинированной струговой установкой, ниже чем у отрывной на
12.0 - 16,8 %. Контактные давления на почву по забойной кромке специальной направляющей и в зоне соединения секций у комбинированного струга меньше, чем у отрывного, соответственно на 12,2 - 15,5 % и 17,0 -
24.0 %.
При отработке пластов со слабой почвой по струговой технологии комбинированные установки являются предпочтительными.
!!і!Р^''^ї-ї-ї-ї-ї-ї-ї-ї-ї-ї-ї-'.'-ї-ї-ї-ї-ї-ї-ї-ї-. \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \
Золотарев Юрий Петрович іорні.ій инженер, ОАО «Гуковуїо.п,».
