Новая концепция динамического взаимодействия системы «Кровля шахтная крепь» Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Ю.Г. Шеин, к.т.н.,

ННЦ ГП-ИГД им. А.А. Скочинского

НОВАЯ КОНЦЕПЦИЯ ДИНАМИЧЕСКОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СИСТЕМЫ «КРОВЛЯ - ШАХТНАЯ КРЕПЬ»

При отработке лавами пластов полезных ископаемых с прочными и мощными слоями кровли, происходит обнажение больших площадей, которые сохраняются до потери устойчивой кровли. Как известно, неустойчивое равновесие замкнутой системы возникает, когда ее потенциальная энергия имеет максимум.

При выходе из неустойчивого равновесия, т.е. при обрушении кровли, высвобождаемую энергию 2 А можно представить в виде

2 А = ДАк + ДAs

где Д Аь _ энергия, воспринима-

маемая крепью; Д Аs _ рассеиваемая энергия при разрушении кровли и краевой части пласта.

Когда энергия Д Аь велика и высвобождается за короткое время, это приводит к разрушению шахтной крепи.

Такие явления наблюдались в России, Чехии, Польше, на Украине, в Германии и других угледобывающих странах.

Рассмотрим систему «кровля-шахтная крепь». Механизм взаимодействия кровли и крепи в период динамической нагрузки характеризуется следующим:

1. до начала разрушения кровли давление рабочей жидкости в гидростойке крепи близко к номинальному;

2. при хрупком разрушении кровли возникает внезапно приложенная внешняя нагрузка на крепь, которая зависит от массы обрушенных пород;

3. масса обрушенных пород кровли _ G может иметь величину:

а) меньшую несущей способности крепи;

б) равную несущей способности крепи;

124

в) превосходящую несущую способность крепи.

В случаях 3 а и 3 б, когда вся энергия А Ак поглощается крепью, движение системы «кровля-крепь» прекращается. В случае 3 в, когда А Ак превышает динамическую энергоемкость крепи возможны два варианта:

♦ гидростойки крепи полностью теряют гидравлическую раздвиж-ность (секция крепи становится жесткой);

♦ гидростойки разрушаются.

4. высота «падения» кровли на крепь близка к нулю, а ускорение не превышает g.

5. в период «падения» кровли при ее разрушении образуется замкнутая динамическая система «кровля-крепь», параметры которой определяются массой пород кровли G, жесткостью стойки крепи (как пружины) - С и гидравлической характеристикой предохранительного клапана.

Польша, Чехия и Германия располагают материалами по разрушению крепей от динамического воздействия кровли.

ННЦ ГП-ИГД им. А.А. Ско-чинского также располагает подобными материалами. Чтобы оценить в лабораторных условиях способность крепей воспринимать динамические нагрузки, известны различные методы их испытаний, применяемые в разных странах:

1. Свободно падающая масса (Польша, Германия, Венгрия).

2. Взрывное устройство в специальной камере (Россия, Польша, США) или взрыв специального заряда ВВ в подземных условиях (Польша).

3. Импульсное воздействие на стойку вдоль ее продольной оси, которое осуществляется поршнем, соединенным с газовым или жид-

костным аккумулятором (Россия, Германия, ЮАР).

По нашему мнению, каждый из указанных выше методов не обеспечивает адекватного реальным условиям взаимодействия, ввиду того, что не учитывает физическую природу системы «кровля-шахтная крепь» и характер их взаимодействия, как консервативной колебательной системы.

Основными недостатками указанных методов испытаний являются следующие:

♦ ускорение поршня стойки всегда превышает величину g;

♦ активная масса, воздействующая на стойку при испытаниях, всегда меньше массы пород кровли, поэтому характеристики колебательной системы во время испытаний неадекватны шахтным условиям;

♦ высота падения массы не равна 0;

♦ удар массы по стойке является упругим.

Определим коэффициент динамичности системы «кровля-шахтная крепь».

Если представить стойку как не демпфированную пружину жесткостью С, то работа свободно падающего тела (кровли) должна быть равна работе пружины по известной зависимости.

О0 х (И + Дх) = F х Дх / 2

где F = С х Дх = 00 / Х0 х Дх

И _ высота падения кровли, G 0 _ величина статической нагрузки,

Д х _ просадка пружины под воздействием инерционных масс, Х0 - просадка пружины при статической нагрузке. Решение уравнения дает классическую зависимость деформации упругой системы под воздействием падающего груза х = ^И).

ДХ = Х0(1 + л/Т + 2 х И/Х0)

ГИАБ

Примечание: 1+2хУХ0 - есть подкоренное выражение. Величина, взятая в скобки представляет собой коэффициент динамичности системы %.

В условиях шахты, где И=0 решение данной зависимости имеет фициент динамичности X ^ 2

Другой вариант, для консервативной системы

х=1+а^ где а - ускорение груза.

При условии а = g, х ^ 2. Очевидно, что в случае динамического воздействия кровли гидростойки шахтной крепи с предохранительными клапанами будут работать как демпфированные пружины, но

это не влияет на величину коэффициента

динамичности. На основании изложенной концепции нами предложены основные принципы испытаний гидростоек и предохранительных клапанов шахтных крепей на динамические нагрузки, главными из которых являются:

♦ воздействующая масса должна быть равна несущей способности крепи,

♦ начальная скорость воздействующей массы должна быть близка 0;

♦ удар по стойке должен быть неупругим.

Указанные принципы экспериментально проверены и отработана методика испытаний. Резуль-

таты стендовых испытаний гидростойки шахтной крепи показали, что ее реакция (скорость опускания, изменение давления и величина опускания) близка по качественным и количественным показателям той, что зарегистрирована в механизированной крепи при резких осадках кровли в шахтных условиях.

ННЦ ГП-ИГД им. А.А. Ско-чинского может провести динамические испытания гидростоек и предохранительных клапанов по новой методике с выдачей официального протокола.

© Ю.Г. Шеин

195