CC BY
5Недропользование
УДК 622.28 EDN: YSWGKU
Литвинский Г. Г.
Донбасский государственный технический университет E-mail: Ligag@ya. ru
ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА НОВОЙ КОНСТРУКЦИИ КРЕПИ С РАСПОРНО-ПОДАТЛИВОЙ ТРУБОБЕТОННОЙ СТОЙКОЙ
Приведен ретроспективный анализ векторов и временной последовательности развития конструкций крепи горных выработок. Показано, что стальные рамные арочные крепи стали тормозом развития горной технологии и должны быть заменены стоечно-рамными конструкциями. Рассмотрены особенности работы шахтных стоек и сформулированы требования к ним, выполнено сопоставление показателей стоечной и анкерной крепи. Предложены нормированные критерии технической эффективности крепи и даны оценки коэффициентов конструктивного качества крепежных материалов. Показано, что лучшими по своим критериям технической эффективности являются анкера и стойки. Критически рассмотрены существующие конструкции стоек и выявлены их основные недостатки. Разработаны новые конструкции узлов податливости и предварительного распора стоек на основе использования гидроцилиндров для создания соответствующих усилий в конструкции. Новым в узле податливости является радиальное равномерное обжатие трубобетонной стойки, создаваемое в соосной со стойкой обойме с использованием трибоматериала с высоким коэффициентом трения. Узел предварительного распора крепи выполнен в виде нижней опоры стойки, где размещен цилиндр распора с вакуумной резиной. Определены основные параметры новой конструкции стойки и приведен пример ее расчета. Показано, что распорно-податливая стойка может стать основой для разработки шахтной сто-ечно-рамной крепи нового технического уровня.
Ключевые слова: шахтная крепь, рамная крепь, шахтная стойка, анкер, нормированные критерии технического уровня, крепежные материалы, конструкция шахтной стойки, узел податливости, узел предварительного распора, трубобетон, расчет стойки.
1 Актуальность проблемы и цель исследований
Одним из основных производственных процессов при подземном строительстве и добыче твердых полезных ископаемых подземным способом следует по праву считать крепление горных выработок, которое оказывается самым трудо- и материалоем-ким. С усложнением горно-геологических условий, что связано с неизбежным увеличением глубины ведения работ и исчерпанием легкодоступных месторождений сырьевых ресурсов, наблюдается постоянная тенденция повышения трудовых и материальных затрат на крепление [1-6], где показано, что они прошли длительный и разветвленный путь развития от простейших деревянных стоек до сложных комбинированных рамных и сплошных конструкций
из разных материалов, главным образом из стали, бетона и железобетона [4, 6].
Крепи горных выработок постоянно совершенствовались, изменялись их конструкции и основные материалы.
Доступные природные материалы (дерево, камень), начиная с конца 19-го и начала 20-го веков, стали постепенно замещаться металлическим прокатом, бетоном и железобетоном, которые, наряду со значительным увеличением грузонесущей способности крепи, одновременно привели и возрастанию ее стоимости. Это отражало диалектический закон единства и борьбы противоположностей. Смена номенклатуры крепежных материалов дала толчок к разработке новых конструкций крепи, а достижения в экспериментально-теоретических исследованиях горной геомеханики позволили обосновать и оптимизировать
Недропользование
параметры деформационно-силового взаимодействия крепи и массива горных пород.
Как показано в [4, 6], вектор эволюционного развития неоднократно менял свое направление, и в настоящее время можно считать наиболее прогрессивными анкерные и набрызг-бетонные крепи.
Если представить исторические этапы развития горной крепи в виде линейной цепочки, то в предельно упрощенном виде она выглядит как линейный граф (рис. 1), который можно условно назвать основным вектором развития («мейнстримом эволюции») конструкций крепи. Попутно отметим, что именно в такой исторически обусловленной последовательности появления конструкций целесообразно изучать крепи в вузах горного профиля. От простейшей исходной крепи в виде стойки шло постоянное усложнение конструкций при увеличении многообразия их типов вплоть до анкера.
Однако до настоящего времени самой распространенной в Донбассе (80-90 %
протяженности всех подготовительных выработок) была стальная податливая крепь арочной и, много реже, трапецеидальной формы, выполненная из стального корытообразного спецпрофиля СВП [5, 6].
Широкому распространению стальной рамной арочной крепи способствовало образование в Донбассе своеобразного симбиоза «уголь-сталь», когда металлургия, потребляя коксующийся уголь, снабжала шахты спецпрофилем для изготовления крепи. Произошло «короткое замыкание» торгово-промышленных цепочек друг на друга, мало связанное с интересами народного хозяйства в целом.
Столь длительное применение стальной арочной крепи в угольной промышленности было во многом обусловлено ее основными преимуществами — конструктивной податливостью, простотой изготовления, установки и ремонта. Однако эффективность применения этой крепи, несмотря на многочисленные частные усовершенствования, во многих случаях оставалась довольно низкой.
Рисунок 1 — Векторы эволюционного развития конструкций крепи
Недропользование
Чтобы оценивать эффективность инженерных решений по применению крепи с позиций успешности выполнения их основного назначения — устойчивости выработок, — введем их градацию по конечным результатам принятых инженерных решений:
- правильное, т. е. крепь удовлетворительно соответствует горно-геологическим условиям и нормам эксплуатации выработки;
- ошибка проектирования I рода — когда устойчивость выработки не обеспечена из-за недопустимо деформированной крепи;
- ошибка проектирования II рода —когда крепь принята с излишним запасом прочности, что привело к необоснованному перерасходу трудовых и материальных ресурсов.
На основании широкомасштабных обследований состояния подземных выработок и проведенных шахтных экспериментальных наблюдений в Донбассе было установлено [5], что только 35-45 % всей протяженности подготовительных выработок отвечают условиям нормальной эксплуатации, около 20-30 % находятся в неудовлетворительном состоянии и нуждаются в ремонте и перекреплении (ошибка I рода), а остальные 30-40 % закреплены с излишними расходами и могут охраняться менее мощными конструкциями крепи (ошибка II рода). Следует иметь в виду, что часто труднее всего идентифицировать ошибку проектирования II рода, поскольку ее легко игнорируют и выработку просто отождествляют с правильным выбором крепи. В этом и состоит основа самоуспокоенности проектировщиков и производственников. Тем более, что материальный ущерб от риска допустить ошибку проектирования I рода намного меньше (в 2...3 и более раз), чем ущерб от ошибки II рода.
Такой относительно низкий уровень надежности инженерных решений в области крепления обусловлен неудовлетворительным объемом и низким качеством исходных данных при проектировании, а также высокой изменчивостью и большим разнообразием горно-геологических условий. Создавшееся в горной отрасли положение с
эффективностью поддержания горных выработок нельзя признать удовлетворительным. До сих пор не решены задачи по созданию легкой конструкции индивидуальной крепи, которая позволяла бы обеспечить усиление постоянной крепи на отдельных неустойчивых ее участках контура или протяженности, простое регулирование ее плотности установки с высокой грузонесу-щей способностью, предварительным распором и податливостью.
Шахтные стойки как исторически исходная конструкция могут быть использованы не только в рамной крепи подготовительных горных выработок, но и как индивидуальная крепь очистных забоев [5, 6], а также как крепь усиления для поддержания, охраны подготовительных горных выработок в зонах временного и неустановившегося опорного давления вблизи лавы. Предложенная для этих целей конструкция податливой стойки [7], в которой узел податливости выполнен на основе использования зажатия подвижного элемента болтами и создания сил трения в паре «сталь по стали», не вполне обеспечивает необходимое сопротивление податливости и поэтому нуждается в существенной доработке.
Целью исследования является совершенствование ранее разработанной новой конструкции шахтной стойки универсального применения, обладающей высоким сопротивлением и регулируемым предварительным распором при установке.
Идея работы состоит в использовании для нового узла податливости и узла предварительного распора с использованием гидроцилиндров.
Исходя из этого, задачами исследования являются:
1) разработка новой конструкции узла податливости с гидрораспором для создания между контактными поверхностями сил сопротивления податливости;
2) использование гидрораспорного узла податливости для создания предварительного распора стойки при ее установке;
Недропользование
3) обоснование методики расчета нового узла податливости и распорного устройства для шахтной стойки.
2 Особенности работы шахтной стойки и анкера как элементов крепи
Поучительно проследить сходство и отличия функциональных и конструктивных признаков таких, на первый взгляд, мало похожих типов крепи — рамной и анкерной.
Стойка являет собой первую крепь простейшей конструкции, тогда как анкер в определенном смысле замыкает современный этап развития технологии крепления (см. рис. 1).
Исторически необходимость ограждения породного контура выработки от обрушений, падения вывалов и породных обломков обусловила появление вначале стойки, а затем рамных и сплошных конструкций крепи.
Анкерная крепь занимает особое место в обеспечении устойчивости выработки и является как бы антиподом шахтной стойки. Анкер, в отличие от стойки, оказался на завершающем этапе эволюции крепи, и в нем получили применение новые горные технологии и материалы (бурение, химические
растворы, высокопрочные стали и пр.). Тем не менее обе сравниваемые конструкции, несмотря на принципиальные различия, имеют много общего.
С этой целью выделим общие признаки, присущие стойке и анкеру (табл. 1):
1. У них одинаковое силовое воздействие на массив в виде сосредоточенной силы, точечно приложенной к породному контуру непосредственно или через дополнительные элементы.
2. Обе конструкции предназначены для работы под действием осевой (направленной вдоль продольной оси) нормальной силы, возникновение изгибающих моментов или поперечных сил является крайне нежелательным.
3. Эффективность крепи существенно повышается при создании предварительного распора в момент установки.
4. При образовании зоны запредельных деформаций вокруг выработки в условиях больших смещений породного контура необходим податливый режим работы.
5. Для предотвращения вывалов породы на соседних с крепью участках обе конструкции нуждаются в ограждении породного контура (затяжке).
Таблица 1
Сравнение особенностей взаимодействия стоечной и анкерной крепи с массивом пород
Признаки СТОИКА АНКЕР
о 1 Вид нагружения Осевая нагрузка
со н 2 Контакт с породами контура Точечный, локальный
и 3 Изгибающие моменты Недопустимы
© и 4 Предварительный распор Необходим узел распора
5 Податливость Необходим узел податливости
1 Направление нагрузки сжатие растяжение
и а 2 Эксцентриситет нагрузки вреден отсутствует
V 5 Ч 3 Особенности установки внутри сечения горной выработки в массиве пород
м ^ рц 4 Устойчивость по Эйлеру возможна потеря продольной устойчивости всегда устойчив
5 Взаимодействие с контуром в двух оппозитных точках контура только в одной точке контура
Недропользование
Следует отметить и существенные отличия стойки и анкера:
1. Если стойка предназначена для восприятия сжимающей нормальной силы («работает на сжатие»), то анкер является единственной конструкцией крепи, которая работает на «чистое» растяжение.
2. Стойка всегда располагается внутри горной выработки и имеет два противостоящих контакта на породном контуре, а анкер, напротив, размещен вне выработки в окружающем массиве горных пород с одним контактным участком на ее контуре; поэтому условно можно считать, что по воздействию на породный контур одна стойка конструктивно равна двум анкерам.
3. Одним из самых опасных для стойки состояний является появление эксцентриситета у продольной сжимающей силы, что приводит к ее изгибу и последующей потере устойчивости, тогда как у анкера этот эксцентриситет почти всегда отсутствует, при увеличении нагрузки уменьшается и не опасен.
4. У стойки необходимо обеспечить шарнирный распор обеих ее концов на породу для исключения эксцентриситета нагружения, что для анкера необязательно и его концы взаимодействуют с породой в жестко защемленном состоянии.
5. Критическим предельным состоянием для стойки является потеря продольной устойчивости (по Эйлеру), тогда как анкер разрушается при наступлении первого предельного состояния путем разрыва штанги с образованием «шейки».
3 Разработка и обоснование основных требований к горной крепи и ее параметров
Особенности силового взаимодействия стойки с массивом горных пород позволяют сформулировать следующие требования к стоечной крепи:
- рабочее сопротивление конструкции в податливом режиме должно быть близким к предельной несущей способности крепи, а с учетом запаса прочности — не ниже 80 %;
- с целью обеспечения быстрого включения стойки в работу и максимального со-
хранения устойчивости породного контура необходимо создать предварительный распор, равный или близкий по величине сопротивлению податливости;
- минимизировать концентрацию напряжений на участке контакта крепи с породным контуром с целью снижения вероятности выколов породы под концами стойки;
- простая и быстрая разгрузка стойки от давления породного контура при её извлечении или перестановке;
- непрерывный контроль усилий на контакте «крепь — массив» и управления ими.
Деформационное взаимодействие стойки с массивом горных пород должно удовлетворять нескольким необходимым требованиям:
- раздвижность стойки должна быть не менее ожидаемых смещений породного контура выработки (как правило, с запасом 20...30 %), чтобы обеспечить нужный запас податливости;
- иметь плавную, без рывков и ударов податливость под действием нагрузки, равной рабочему сопротивлению крепи;
- при исчерпании запаса податливости перейти в жёсткий режим работы с предельным усилием отпора;
- сохранять продольную устойчивость сжатых элементов (стоек, стен) под нагрузкой;
- не деформировать (сминать или раздавливать) породы на контакте с опорами, не вдавливаться в слабые породы кровли или почвы.
При выборе материала крепи следует ориентироваться на коэффициент его конструктивного качества, который был нами предложен ранее в виде отношения несущей способности условного куба данного материала с ребром 1 м к его массе:
M F- = ША = Ы (1)
ЫЛ
Г-V
г
где [ст] — предел прочности материала крепи на один из видов нормативных нагрузок (одноосное сжатие или растяжение, изгиб и др.), действующих на крепь, кПа;
Недропользование
у — плотность материала крепи, кг/м3;
= 1 — площадь грани условного единичного куба, м2;
VI = 1 — объем того же единичного куба, м3.
Таким образом, коэффициент конструктивного качества материала kм имеет размерность кН/кг и учитывает соотношение прочностных свойств материала и его плотности, тем самым показывая, какую прочность может обеспечить его масса, сосредоточенная в единице объема (табл. 2).
Сравнительные расчеты показали, что на сжатие наилучшими материалами являются сосна и дуб (позиции 2 и 3 в табл. 2), пропустив впереди себя на первое место только высокопрочную легированную сталь 30ХГС с коэффициентом качества kм = 14 кН/кг, равным для растяжения и сжатия. Обычные стали Ст3 и Ст5 (позиции 4 и 5 в табл. 2) с kм=4,8 и 6,4 кН/кг уступили по конструктивному качеству дубу и сосне с коэффициентами соответственно kм = 6,5 и 6,7 кН/кг.
Худший ранг по сжатию имеют набрызг-бетон и бетон (позиции 6 и 7 в табл. 2) с соответствующими коэффициентами kм=2,3 и 1,4 кН/кг, т. е. на порядок меньше, чем дерево.
Таблица 2
Коэффициенты конструктивного качества kм для разных материалов крепи
Материал Объемная масса, кг/м3 Врем сопроти М енное [вление, Па kм, кН/кг
растяжению сжатию растяжению сжатию
1 Сталь30ХГС 7850 1100 1100 14,0 14,0
2 Сосна 600 120 40 20,0 6,7
3 Дуб 800 145 52 18,1 6,5
4 Сталь Ст5 7850 600 500 7,6 6,4
5 Сталь Ст3 7850 380 380 4,8 4,8
6 Набр.-бетон 2200 4 50 0,2 2,3
7 Бетон 2200 2 30 0,1 1,4
Заметно упростить решение задачи по выбору крепления горных выработок способны нормированные критерии технической эффективности крепи (НКТЭ). Такие критерии могут наиболее полно отражать силовые F(t) и деформационные результативные показатели крепи.
Для отражения адаптивных свойств крепи при работе в условиях больших смещений можно ввести деформационный критерий эффективности Кп в виде отношения
и
Кп = к— • 100%.
(2)
где и — конструктивная податливость крепи в заданном направлении смещений г = 1, 2 ...п (вертикальном, наклонном, горизонтальном и т. д.), м;
Ь — линейный размер крепи до реализации податливости в направлении смещений породного контура, м;
^ — нормирующий множитель, который для телескопических конструкций принимает значение ^ = 2.
Очевидно, для жестких конструкций крепи, у которых конструктивная податливость, если пренебречь упругими их деформациями, равна иг = 0, деформационный критерий принимает, согласно (2), минимальное значение Кп = 0. Максимальным значением деформационного НКТЭ будут обладать податливые крепи типа стоек трения или гидростоек, у которых он доходит до Кп = 80 % и более.
Конкретно для податливой шахтной стойки одинарной раздвижности, у которой лишь одно направление податливости, совпадающее с ее продольной осью, получаем ^ = 2 и формула принимает следующий вид:
Кп = 2и-100%.
п Ь
(3)
Для критериальной оценки силовых показателей крепи при ее взаимодействии с массивом горных пород введем силовой критерий эффективности К^ по аналогии с
Недропользование
коэффициентом конструктивного качества материала kм, в виде
^ = К
л
мъ
(4)
где кп — нормирующий множитель, который вводится с той целью, чтобы значение критерия эффективности находилось в пределах 0 < Кл < 1;
Fk — грузонесущая способность (рабочее сопротивление) крепи, кН;
Mk —масса крепи (рамы или 1 м сплошной крепи), кг.
Следовательно, силовой критерий Кл показывает, насколько эффективно используются прочностные свойства материала, из которого изготовлена крепь. Деформационный критерий Кв отражает адаптивные возможности крепи при её смещениях по сравнению с идеальной податливостью. И, наконец, критерий работоспособности Кщ указывает на КПД (долю возможной работы) конструкции в процессе взаимодействия с породным массивом.
Наиболее эффективна по силовому критерию анкерная крепь Кл=63 %, т. к. она достигает более чем половины значения коэффициента конструктивного качества материала, из которого она изготовлена. Ни одна из существующих конструкций крепи не смогла хотя бы наполовину приблизиться к показателю анкера по силовому критерию Кл = 60-70 %, оставаясь в пределах 0.. .25 %. Худшими по силовому критерию Кл оказались рамные деревянная и стальная крепи, что обусловлено неравнопрочностью конструкции. Это объясняется низкой грузоне-сущей способностью самого ответственного элемента — верхняка, работающего на продольно-поперечный изгиб.
Деформационные свойства крепей, представленные критерием Кв, различаются столь же разительно: от 10 до 80 %. Лучшими деформационными критериями (до 80 %) обладают стойки трения и некоторые гидростойки, в которых практически до предела использован возможный запас
раздвижности. В разы хуже критерий Кв у крепей с малой конструктивной податливостью: это рамная деревянная крепь (10-15 %) и стальная крепь из спецпрофиля (в пределах 25-30 %).
Для оценки работоспособности крепи можно получить из равенств (2) и (4) путем «свертки» этих двух взаимно дополняющих друг друга критериев — силового Кл и деформационного Кв:
Кщ — Кл • Кв — 2
У' лк
М • Мк L
и • 100%. (5)
Какими нормированными коэффициентами технической эффективности (НКТЭ) обладают известные типы крепи, можно проследить по данным таблицы 3. Диапазон допустимого изменения каждого из критериев от 0 до 100 %. В таблице крепи ранжированы по степени возрастания результирующего критерия — НКТЭ работоспособности крепи Кщ .
Таблица 3 Критерии НКТЭ шахтных крепей
Название крепи НКТЭ %
КР Кв Кж
1 Рамная крепь из дерева 0,2 13 0,0
2 Стойка дерев. d = 24 см 3 13 0,3
3 Рамная стальная крепь 2 25 0,4
4 Посадочная стойка 0КУ06 14 14 2
5 Посадочная крепь «Спутник»-1У 4 57 3
6 Стойка стальная из СВП-27 5 67 3
7 Гидростойка 2ГСК-13 11 53 6
8 Гидростойка 2ГВС13 12 53 6
9 Гидростойка 2ГВТ4 25 38 9
10 Анкер d = 32 63 20 11
11 Стойка трубчато-желобчатая 9Т25Ж 15 71 11
12 Уголковая стойка трения 8Т20У 16 72 12
13 Стойка трения 6Т20 20 80 16
14 Гидростойка (ГСУМ1) 25 81 20
15 Уголковая стойка трения 1Т15У 28 71 20
Недропользование
Итоговый критерий технической эффективности Кш отражает работоспособность крепи, выраженную в процентах, и не превышает 20 % у стоек (табл. 2, п. 14 и 15). Минимальное значение (доли процента) работоспособности показали существующие рамные стальная и деревянная крепи.
Такие недопустимо низкие значения критериев работоспособности Кш и силовых показателей ^ показывают, что привычные конструктивные решения рамной крепи далеко не в полной мере реализуют деформационно-прочностные показатели материалов, из которых они изготовлены. Основную причину такого несоответствия показателей крепи и крепежного материала следует усматривать в его нерациональном конструктивном использовании, особенно когда элементы рамной крепи проектируют на изгибающие нагрузки.
Более наглядное сопоставление результативных показателей разных типов крепи дает гистограмма на рисунке 2.
В то же время, исходя из проведенного анализа, следует, что самыми эффективными конструкциями крепи являются податливая стойка трения, работающая на осевое сжатие, и анкер при осевом растяжении. Однако у стойки трения при высоком деформационном критерии (Ко = 70-80 %) оказался низким силовой критерий (^ = 15-20 %), как показал анализ, из-за несовершенства узлов податливости. У анкера критерии эффективности зеркально антисимметричны: самый высокий силовой критерий эффективности (^ = 60-70 %) при весьма низком деформационном критерии (Ко = 20%).
Направление модернизации этих крепей должно быть направлено на устранение присущих им и количественно оцененных техническими критериями недостатков. Для стоек — значительное повышение силового критерия путем создания новых узлов податливости с высоким сопротивлением, а для анкеров — изменение конструкции в направлении существенного повышения податливости.
80 81
71 72
1 2 3 4 5 б 7 8 9 10 И 12 13 14 15
□ НКТЭ ^ ■ НКТЭ ^ □ НКТЭ ^
Рисунок 2 — Гистограмма НКТЭ (по оси абсцисс расположены номера типов крепи согласно табл. 2)
Таким образом, научно обосновывается прогноз эволюции развития конструкций горной крепи как сочетание наиболее удачных показателей стоечной и анкерной конструкции в направлении достижения их высоких деформационно-силовых критериев. Назовем условно такую новую конструкцию крепи стоечно-анкерной; при этом в ней следует избегать элементов, работающих на изгиб, у которых недопустимо низкие критерии технической эффективности.
Отметим и важные выводы, которые следует сделать относительно формы пластовых подготовительных выработок, особенно в зоне вредного влияния очистных работ. Новый тип стоечно-анкерной крепи потребует, во-первых, отказа от рамных крепей с применением спецпрофиля и, во-вторых, повсеместного перехода от арочной формы выработок к прямоугольной, что резко снизит производственные затраты и повысит безопасность горных работ.
4 Разработка конструкции и параметров распорно-податливых стоек
Базируясь на результатах проведенного анализа работы различных конструкций шахтной крепи в предыдущем разделе, рассмотрим конструктивные особенности распорно-податливых стоек нового технического уровня.
Недропользование
Ранее [7] была разработана конструкция стойки КСТ, которая по своему типу относится к раздвижным податливым стойкам с узлом податливости на основе трения, а по рабочей характеристике — к стойкам постоянного сопротивления.
Стойка трения постоянного сопротивления СТБ (рис. 3) состоит из корпуса 1, штока (выдвижной части) 2 и узла податливости (замка).
Рисунок 3 — Конструкция трубобетонной стойки трения постоянного сопротивления (СТБ)
Корпус 1 стойки изготовлен из трубного профиля. Верхняя часть корпуса 1 снабжена продольными прорезями 2, на которые установлен замок (узел податливости) в виде обоймы 3 с резьбовыми отверстиями, куда ввинчены силовые болты 4. Нижняя часть корпуса снабжена внутренней резьбой 5, на которую ввинчена трубная втулка 6, приваренная к нижней опоре 7. На ней предусмотрены отверстия 8 для создания предварительного распора стойки между кровлей и почвой при установке путём вращения опоры 7 посредством рычага (не показан). В корпус 1 вставлен шток 9 как выдвижная часть стойки в виде трубы. Труба штока снабжена приваренным днищем 10 и заполнена бетоном 11.
Таким образом, используется не пустая труба, а шток в виде трубобетона, что даёт значительные преимущества при обеспечении жёсткости и несущей способности конструкции. На верхний конец штока 9 установлена опора 12.
Принцип работы стойки следующий. Стойку доставляют в подготовительную выработку в полностью собранном виде с узлом податливости, силовые болты 4 которого с заданным усилием расперты между обоймой 3 и верхней частью корпуса с прорезями 2. Тем самым создаются радиальные силы, зажимающие шток 9 в верхней части корпуса 1. Стойку устанавливают по нормали между кровлей и почвой, затем производят её предварительный распор путём вращения нижней опоры 7 с помощью рычага, вставленного в отверстия 8.
При нагрузке на стойку со стороны пород шток 9 удерживается силами трения, возникающими в результате зажатия верхней части трубы корпуса 1 симметрично размещёнными силовыми болтами 4, взаимодействующими с обоймой 3. Пока нагрузка на стойку не превышает её рабочее сопротивление, заданное силовыми болтами 4, стойка работает в упругом режиме. Как только нагрузка окажется равной рабочему сопротивлению стойки, начинается её работа в податливом режиме
Недропользование
путём проскальзывания штока 9 относительно верхней части корпуса 1 в узле податливости с преодолением сил сопротивления трения. Деформирование стойки происходит при постоянном рабочем сопротивлении на всём пути запаса податливости, длина которого может достигать почти половины высоты стойки.
К достоинствам конструкции можно отнести использование трубного проката как наиболее распространенного и экономически выгодного, а также применение трубобетона, который в настоящее время ввиду ряда преимуществ является одним из самых перспективных в строительной индустрии. Кроме того, в данной стойке используется минимальное число деталей, которые требуют изготовления с использованием станочного парка, что заметно снижает ее стоимость.
Однако имеется и ряд недостатков, в первую очередь это сложность изготовления распорного узла 6, 7, неудобство создания и недостаточность распорного усилия при установке стойки, возможность заклинивания узла податливости.
Поэтому была разработана модификация стойки трения, где ряд упомянутых недостатков был устранен. Новая стойка получила название СПТБ (стойка податливая трубобетонная), и ее основные отличия в том, что узел податливости был модернизирован и заменен распорный узел на нижней опоре стойки (рис. 4). Последний был выполнен в виде двух плит — верхней и нижней, — которые раздвигаются вертикально установленными винтовыми парами.
Однако достигнуть повышения распорного усилия и здесь достаточно сложно ввиду необходимости совместного вращения гаек, при этом заметно увеличивается масса стойки и сложность ее изготовления.
Надо отметить и главный недостаток рассмотренных конструкций стоек — использование для создания сопротивления
податливости эффекта сухого трения между парами «сталь по стали», коэффициент трения f между которыми составляет от f= 0,2.. .0,3, что оказалось явно недостаточным для обеспечения доставочного сопротивления податливости в пределах 25-40 тс на установленную стойку трения.
I
Рисунок 4 — Модернизация трубобетонной стойки трения постоянного сопротивления с новым распорным узлом1
1 Автор благодарит горных инженеров Пунтуса В. Ф. и Кладко В. И. за полезное обсуждение конструкции стойки и участие в ее испытаниях.
Недропользование
С этой целью необходимо разработать новый узел податливости, который позволит использовать иную пару трения вместо «сталь по стали» со значительно большим коэффициентом трения. Фрикционные материалы (ФМ) работают в тормозных устройствах, которые предназначены для поглощения кинетической энергии движущейся массы и перевода ее в тепловую энергию. Однако для особых условий использования в конструкции узла податливости стойки трения необходимо обеспечить как можно более высокий коэффициент трения.
Как известно, сила трения скольжения возникает между соприкасающимися телами при их относительном движении и зависит от силы давления N тел друг на друга (силы реакции опоры), от материалов трущихся поверхностей (коэффициента трения скольжения/ от скорости относительного движения, но не зависит от площади соприкосновения.
F = I • N . (6)
Наиболее перспективными фрикционными парами для узла податливости со стальной трубой можно считать алюминий (I= 0,5...0,6), шину 1= 0,5.. .0,7), тормозную накладку (/= 0,5. 0,6) и некоторые другие.
Для создания напорного усилия на пару скольжения можно использовать узел податливости с винтовым нагружением (см. рис. 3, 4), но более эффективной и технически привлекательной может быть конструкция узла податливости со всесторонним обжатием штока из трубобетона [8, 9] равномерным давлением газа или жидкости (рис. 5).
Трубобетонный шток 1 с концевыми заглушкам 2 входит внутрь трубы-основания 3, которая сверху ограничена кольцевым фланцем 4, а снизу опирается на опорный башмак (не показан). Податливый узел выполнен в виде кольцевой обоймы 5, которая опирается на фланец 4 и внутри содержит полость 6, с внутренней ее стороны размещены слой 7 трибоматериала (например, дюралюминий, шинная резина и пр.) и вакуумная резина 8 с полостью 6, соединенной с ниппелем 9.
Узел податливости надевают на конец трубобетонного штока 1, который вставляют в трубу-основание 3 вплоть до упора в кольцевой фланец 4. Для создания обжатия штока 1 в полость 6 кольцевой обоймы 5 подают через ниппель 9 из баллона (не показан) газ или жидкость под необходимым давлением (15.20 МПа). Вакуумная резина несжимаема, т. к. ее коэффициент Пуассона V = 0,5, поэтому ведет себя как жидкость и передает всестороннее давление по всей обойме 5, равномерно прижимая слой 7 трибоматериала к внешней поверхности штока 1 из трубобетона.
Сила прижатия слоя 7 к внешней поверхности штока 1 равна
N = р • А7 = р • ж • d• (7)
где р — давление в полости 6, МПа; Ау — площадь цилиндра обжатия, м2; d — диаметр штока, м; h7 — высота слоя 7 трибоматериала, м.
Рисунок 5 — Новый узел податливости для распорно-податливой трубобетонной стойки трения
Недропользование
Необходимую толщину t5 стенки кольцевой обоймы 5 с некоторым запасом, без учета упрочняющего эффекта от концевых фланцев обоймы, можно найти из формулы
Ц = р • D5/[GS ], (8)
где D5 — внешний диаметр обоймы 5, м;
[ст, ] — допустимое напряжение материала обоймы на разрыв, МПа.
Для создания предварительного распора трубобетонной податливой стойки в кровлю и почву выработки наиболее целесообразно также использовать давление газа или жидкости, создавая его в цилиндре нижней опоры основания 3 трубы (рис. 6).
Узел распора стойки состоит из корпуса цилиндра 1, в котором установлен плоский поршень 2, а для горизонтальной фиксации нижнего конца трубы-основания 3 стойки к нему сверху приварен кольцевой фланец 4. Внутри цилиндра по его периферии размещено кольцо 5 из вакуумной резины, которое служит герметизатором и распределителем давления. В поршень 2 вмонтирован ниппель 6, через который подают газ в цилиндр под необходимым (15.20 МПа) давлением из переносного баллона (не показан). На верхний обрез цилиндра 1 прикреплен (например, на резьбе) кольцевой ограничитель 7, в который упирается поршень 2 при выдвижении под действием давления в верхнее положение.
Рисунок 6 — Узел предварительного распора на нижней опоре шахтной стойки
Работает узел распора стойки следующим образом. Нижний конец трубы-основания 3 шахтной стойки устанавливают на поршень 2 внутрь кольцевого фланца 4 и выдвигают трубобетонный шток стойки (см. рис. 6) вверх до упора в породный контур, а затем производят его обжатие до проектной величины с помощью узла податливости путем подачи газа или жидкости (например, воздуха или воды) через ниппель под давлением. После этого начинают таким же образом выполнять пневмораспор стойки, подавая газ под давлением в камеру 8 через ниппель 6, при этом поршень 2, поднимаясь, передает усилие на стойку и тем самым осуществляет ее пневмораспор. Демонтаж стойки производят путем сброса давления в узлах податливости или распора через соответствующие ниппели.
Для определения силы F предварительного распора стойки можно использовать уравнение
F = рр • Лк = рк ^/4, (7)
где рр — давление в камере распора 8, МПа;
Ак — площадь камеры распора 8, м2;
Dk — диаметр камеры 8, м.
Пример расчета стойки
Определим параметры податливо-распорной стойки с сопротивлением податливости 300 кН и общей длиной 2,5 м. Примем из конструктивных соображений диаметр трубобе-тонного штока d = 80 мм, а внешний диаметр трубы-основания 3 D = 90 мм.
1. Расчетные параметры узла податливости (рис. 5).
Необходимую высоту кп слоя трибомате-риала 7 в узле податливости получим из (7), учитывая коэффициент его трения по штоку / = 0,5 и задаваясь давлением в камере 6 обоймы 5р = 20 МПа:
к7 = N • (/7 • р •%• D)"1 =
= 3-10"2 • (0,5• 20•%• 0,08)"1 = 0,12 м.
Недропользование
Согласно (8) находим толщину стенки обоймы 5:
ц = р • 05/[ст, ] = 20 • 0,11/240 = 0,01 м.
Объем жидкости V6, которую следует закачать под давлением в камеру 6 шириной 4 = 1 см и высотой h = 12 см определим с учетом заполнения камеры слоем трибома-териала и двумя кольцами вакуумной резины на 90 %:
У6 = ж^ d • И • г6 • 0,1 = = ж • 8-12•Ь0,1 = 30 см3.
2. Расчетные параметры узла предварительного распора (рис. 6).
Требуемый для распора стойки силой 300 кН диаметр цилиндра 8 равен
08 = /ж• рр)0,5 = (30/ж• 20•103)0'5 = 0,12м.
Ход движения поршня 2 до ограничителя 7 принимаем И2 = 40 мм, высота стенки цилиндра 8 тогда составит
И = 40 + 20 = 60 мм.
Толщина t8 стенки цилиндра 8 из условия разрыва давлением р = 20 МПа, без учета днища и толщины ограничителя 7, что идет в запас прочности, составит
Ц = р • 08/[ст, ] = 20 • 0,12/240 = 0,01 м.
Определяем высоту Иу резьбы ограничителя 7, установленного на внутренней поверхности цилиндра 8, из условий прочности ее на срез [г,, ]= 120 МПа от усилия распора F7 = 300 кН:
Иу = F7/(ж• 08 • [г,]) = = 300Л0~Ъ /(ж• 0,12• 120) = 7мм.
Сделанная оценка массы распорно-податливой стойки длиной 2,5 м показывает, что она слагается из суммы масс трубобе-тона 1 длиной 0,8 м т1 = 16,8 кг, трубы основания 3 длиной 1,8 м т3 = 19,8 кг, узла податливости туп = 6,5 кг, узла распора тур = 6,2 кг и верхней опоры тво = 4 кг, что в итоге дает
3\0,5
тс = Ът1 = т1 + т3 + туП + тур + тво = = 16,8 +19,8 + 6,5 + 6,2 + 4 = 53,3 кг.
Таким образом при массе стойки менее 54 кг ее расчетная несущая способность равна сопротивлению податливости и предварительному распору 300 кН, а запас податливости принят равным 700 мм. Следует отметить, что запас податливости стойки длиной 2,5 м можно увеличить до 1200 мм за счет увеличения длины трубобетонного штока.
Если выполнить сравнение по нормированным коэффициентам технической эффективности новой стойки с традиционной конструкцией из спецпрофиля СВП-27, то получим следующие числовые данные (табл. 4).
Таблица 4
Сравнение параметрических показателей старой и новой стоечной крепи
Параметр крепи Стойки Соотношение
СВП-27 Новая
Длина, м 2,5 2,5 1,0
Отпор, кН 100 300 3,0
Податливость, мм 700 700 1,0
Предварит. распор, кН нет 300 -
Масса, кг 75,5 53,3 0,7
Критерий Ко 0,56 0,56 1,0
Критерий ^ 1,32 5,62 4,2
Критерий Кш 0,74 3,15 4,3
Как следует из сравнения показателей, новая распорно-податливая стойка значительно превосходит существующие конструкции по важнейшим показателям: по несущей способности — в 3 раза, по силовому коэффициенту и работоспособности — в 4,2 раза, вдобавок способна обеспечить высокий предварительный распор.
У предложенной новой шахтной стойки есть дополнительные преимущества:
- малая масса и размеры, что заметно снижает трудоёмкость и длительность процесса крепления;
- простота конструкции, изготовление из стандартных деталей и труб, отказ от
Недропользование
применения дорогого и тяжелого спецпрофиля СВП;
- трубобетон, из которого выполнен шток, позволяет придать высокую жёсткость для сопротивления продольному изгибу;
- круглая форма стоек имеет низкое аэродинамическое сопротивление вентиляционной струе в горной выработке, что заметно снижает затраты на проветривание;
- узел предварительного распора повышает эффективность стойки, которая выходит на податливый режим с предельным постоянным рабочим сопротивлением;
- удобная технология монтажа и демонтажа, многократное повторное использование с заранее предустановленным узлом податливости и его рабочим сопротивлением;
- сменные конструкции верхней и нижней опор стойки учитывают различные горно-геологические условия её работы (прочность пород, угол падения, контактные неровности, различные комбинации с другими типами крепи и т. д.);
- широкая область применения для крепления, поддержания и охраны подготовительных горных выработок, пройденных по простиранию или падению пластов.
Список источников
Выводы:
- стальная рамная крепь из спецпрофиля по своим конструкторско-технологическим и стоимостным параметрам устарела и должна быть заменена на анкерно-стоеч-ные крепи;
- анкерная и стоечная крепи обладают наилучшими нормированными коэффициентами технической эффективности и взаимно дополняют друг друга даже в сложных горно-геологических условиях;
- анализ различных конструкций шахтных стоек и особенностей их взаимодействия с массивом позволил сформулировать основные требования к их конструкции;
- разработана конструкция и обоснованы параметры и новой распорно-податливой трубобетонной стойки, у которой заметно выше технико-экономические показатели, что позволяет перейти к созданию нового типа крепления подготовительных горных выработок и отказу от стальных рамных крепей.
1. Каретников В. Н., Клейменов В. П., Нуждихин А. Г. Крепление капитальных и подготовительных горных выработок : справочник. М. : Недра, 1989. 571 с.
2. Rulka K. Stalove obudovy odrzwiowe. Nove rozwiazanie konstrukcyjne i metode proektowania. Praca zbiorowa. Katovice : GIG, 2008. 263 p.
3. Jovanovic P. Projektovanje i proracun podgrade horizontalnih podzemnih prostorija / Rudarsko-geoloski fakultet Univerziteta u Beogradu. Rudarstvo, 1994. Kn. 1-3. 518 s.
4. Баклашов И. В., Картозия Б. А. Механика подземных сооружений и конструкции крепей : учебник для вузов. 3-е изд., стер. М. : Студент, 2012. 543 с.
5. Литвинский Г. Г. Стальная крепь горных выработок. Киев : Техника, 1999. 216 с.
6. Hoek E. Practical Rock Engineering. 2010. 237 p. URL: www.rockscience.com/educatinal/ hoekscorner.
7. Литвинский Г. Г. Шахтная трубобетонная стойка // Сборник научных трудов ДонГТУ. 2019. № 17 (60). С. 5-16. EDNXXXJJJ
8. M. H. Lai, J. C.M. Ho. Behaviour of uni-axially loaded concrete-filled-steel-tube columns confined by external rings. 2020. DOI: 10.1002/tal.1046
9. Zhimin Huang, Lei Zhang, Zhanguo Ma. Study on the Mechanical Relationship among the Backfilling Mining Support, Roof Rock Beam, and Gangue Filling Body in Comprehensive Mechanized Filling Mining Process // Advances in Civil Engineering. 2020. DOI: 10.1155/2020/8824735
© Литвинский Г. Г.
Недропользование
Рекомендована к печати д.т.н., г.н.с., директором РАНИМИДНРДрибаном В. А.
д.т.н., проф. каф. ГЭСДонГТУКорнеевым С. В.
Статья поступила в редакцию 03.06.2024. Сведения об авторе
Литвинский Г. Г., д-р техн. наук, профессор каф. геотехнологии и безопасности производств Донбасский государственный технический университет, г. Алчевск, Луганская Народная Республика, Россия, e-mail: [email protected]
Litvinsky G. G. (Donbass State Technical University, Alchevsk, Lugansk People's Republic, Russia, e-mail: ligag@ya. ru)
JUSTIFICATION AND DEVELOPMENT OF A NEW SUPPORT CONSTRUCTION WITH STRUT-SUPPORTING TUBE-CONCRETE RACK
Retrospective analysis of vectors and timing of mine support structure development is given. It is shown that steel frame arch supports have become a brake on the development of mining technology and should be replaced by rack-and-frame structures. The features of the work of mine racks are considered and the requirements for them are formed, the comparison of indicators of the rack and anchor supports is performed. Standardized criteria for the technical efficiency of the fastener are proposed and assessments of coefficients for the structural quality offasteners are given. It is shown that anchors and racks are the best in terms of their criteria of technical efficiency. The existing rack designs are critically reviewed and their main disadvantages are identified. New designs of joints mobility and preliminary split of racks have been developed based on using the hydraulic cylinders to create appropriate forces in the structure. Radial uniform compression of the tube-concrete rack is a new feature in the joint mobility of the developed shaft rack construction, created in a cage coaxial with the rack, using a tribomaterial with a high friction coefficient. The pre-strut assembly of the mine support is made in the form of a lower support of the rack, where the strut cylinder with vacuum rubber is arranged. The main parameters of the new rack design are determined and an example of its calculation is given. It is shown that a strut-supporting rack can become the basis for the development of a shaft rack-frame support of a new technical level.
Key words: shaft support, frame support, shaft rack, anchor, standardized criteria of technical level, fastening materials, shaft rack construction, joint mobility, pre-strut assembly, tube-concrete, rack calculation.
References
1. Karetnikov V. N., Klejmenov V. P., Nuzhdihin A. G. Fastening of capital and preparatory mine workings:handbook [Kreplenie kapital 'nyh i podgotovitel 'nyh gornyh vyrabotok: spravochnik]. M. : Nedra, 1989. 571 p. (rus)
2. K. Stalove obudovy odrzwiowe. Nove rozwiazanie konstrukcyjne i metode proektowania. Praca zbiorowa. Katovice : GIG, 2008. 263 p.
3. Jovanovic P. Projektovanje i proracun podgrade horizontalnih podzemnih prostorija. Rudarsko-geoloski fakultet Univerziteta u Beogradu. Rudarstvo, 1994. Kn. 1-3. 518 s.
4. Baklashov I. V., Kartoziya B. A. Mechanics of underground structures and casing design : textbook. 3rd ed. stereotype edition [Mekhanika podzemnyh sooruzhenij i konstrukcii krepej : uchebnik dlya vuzov. 3-e izd., ster]. M. : Student, 2012. 543p. (rus)
5. Litvinsky G. G. Steel joint of mining workings [Stal 'naya krep gornyh vyrabotok]. K. : Tekhnika, 1999. 216p. (rus)
6. Hoek E. Practical Rock Engineering. 2010. 237 p. URL: www.rockscience.com/educatinal/ hoeks corner.
Недропользование
7. Litvinsky G. G. Mine pipe-concrete column [Shahtnaya trubobetonnaya stojka]. Scientific works collection of DonSTU. 2019. No. 17 (60). Pp. 5-16. (rus)
8. M. H. Lai, J.C.M. Ho. Behaviour of uni-axially loaded concrete-filled-steel-tube columns confined by external rings. 2020. DOI: 10.1002/tal.1046
9. Zhimin Huang, Lei Zhang, Zhanguo Ma. Study on the Mechanical Relationship among the Backfilling Mining Support, Roof Rock Beam, and Gangue Filling Body in Comprehensive Mechanized Filling Mining Process. Advances in Civil Engineering. 2020. DOI: 10.1155/2020/8824735
Information about the author
Litvinsky Garry Grigorievich, Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of
Geotechnology and Industrial Safety
Donbas State Technical University,
Alchevsk, Lugansk People's Republic, Russia,
e-mail: [email protected]
