CC BY
49
------------------------------- © А.Н. Воробьев, И.К. Шаймярдянов,
2004
УДК 622.281.8
А.Н. Воробьев, И.К. Шаймярдянов
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ РАМНЫХ КРЕПЕЙ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК ДЛЯ УСЛОВИЙ ШАХТ ДОНСКОГО ГОКА
Семинар №11
Конструкции рамных крепей горных выработок и определение их рациональных параметров осуществлено для условий шахт «Молодежная» и «Центральная» Донского горно-обогатительного комбината Казахстана, разрабатывающего подземным способом крупнейшие Южно-Кемпирсайские (Донские) месторождения хромовых руд при сложных горногеологических условиях. Сложность горногеологических условий добычи хромовых руд на Донском ГОКе проявляется в значительном воздействии горного давления на крепь горных выработок и большом смещении породного массива внутрь выработанного пространства. В зоне влияния очистных работ опорное давление доходит до 1 МПа [1]. В результате всего этого крепь сильно деформируется, а выработки приходят в неудовлетворительное эксплуатационное состояние и неоднократно перекрепляются.
Приведенные методы определения рациональных параметров рамных крепей горных выработок применимы для любых шахт, где требуется обеспечить безопасную и надежную эксплуатацию горных выработок за счет повышения несущей способности рам, включая узлы податливости, так как эти методы основаны на общих закономерностях строительной механики, механики подземных сооружений, на экспериментальных исследованиях в шахтных условиях напряженно-деформированного состояния рам крепи и их статистической обработки.
До настоящего времени на шахтах Донского ГОКа основным видом крепи горизонтальных капитальных и подготовительных выработок является рамная металлическая крепь из специального взаимозаменяемого профиля (СВП). Шаг установки рам в зависимости от сложности условий колеб-
лется от 0,5 до 1,0 м. Повсеместно применяется средний спецпрофиль - СВП-22.
Все выработки в процессе эксплуатации находятся в неудовлетворительном состоянии и зачастую требуют перекрепления. Особенно это касается подготовительных выработок: штреков скреперования (рис. 1) и откаточных ортов (рис. 2).
Значительные проявления горного давления в горизонтальных выработках шахт Донского ГОКа при небольшой глубине их расположения 500-600 м обусловлены физико-механическими свойствами породного массива и, прежде всего, его низкими прочностными (предел прочности на сжатие) и деформационными (модуль деформации) свойствами.
Низкая прочность породного массива вызвана его специфическими свойствами: интенсивной трещиноватостью на многих участках шахтных полей; слабым заполнителем трещин, выполняющим роль смазки между породными блоками; относительно низкой прочностью руд и пород в образце (3050МПа); интенсивной нарушенностью структурных блоков в виде микротрещиноватости.
Для продления возможности эксплуатации штреков скреперования их крепь делают усиленной в виде двойных рам, между которыми располагают бревна леса (рис. 3), выполняющие роль податливой прослойки между рамами крепи до их смыкания и дальнейшей деформации (рис. 1).
Выполнение такой конструкции крепи несколько продлевает срок ее службы, но не решает вопрос крепления, так как после осадки верхней рамы ее эксплуатировать также становится невозможным.
В связи с этим возникла потребность создания новых конструкций рамных крепей для обеспечения безопасности и надежно-
Рис. 1.Деформация крепей штреков скреперования шахты «Молодежная» Донского ГОКа
Рис. 2. Деформация крепей откаточных ортов шахты «Молодежная» Донского ГОКа
Рис. 3. Усиленная крепь штреков скреперования в виде двойных рам с податливой прослойкой из бревен леса
сти их эксплуатации на весь срок службы с минимальной материалоемкостью и затратами на их возведение.
Пути обеспечения безопасного поддержания штреков скреперования нужно искать за счет существенного увеличения несущей способности рам до 0,5 МН/м при шаге рам в 0,5 м. В этом случае нужно отказаться от узлов податливости, так как они являются в данном случае узлами ослабления конструкции крепи в условиях сплошного сводооб-разования [1].
Рис. 4. Расчетная схема рамной крепи повышенной несушей способности
Рис. 5. Конструкция рамы1 крепи повышенной несушей способности.
Другой путь состоит в создании менее мощнык конструкций рам с узлами податливости, сопоставимыми по несущей способности с рамами крепи и надежными в работе.
На рис.4 показана расчетная схема крепи, а на рис. 5 сама конструкция рамы по патенту РФ №1810562 [2].
Особенностью данной конструкции крепи является, во первых, ее рациональное очертание в зависимости от коэффициента бокового распора X [1]. При преимущест-
Рис. 6. Расчетная схема крепи в соответствии с программой АРМ ШіпЗіисіигєЗО
Рис. 7. Расчетная карта напряжений и деформаций для рамной крепи шатрового типа повышенной несушей способности
Рис. 8. Рамная крепь со стойками из коробчатого профиля
венном действии вертикального давления на штреки скреперования (рис. 4) такое очертание соответствует параболе второго порядка [1]. Выполнить точное очертание из
рассмотренных элементов невозможно, поэтому раму наиболее близко вписывают в заданное очертание с выполнением необходимых требований по техники безопасности [3]. Как было отмечено в [1], основным недостатком спецпрофилей (СВП) является открытость их поперечных сечений, поэтому при значительном горном давлении они испытывают кроме деформации изгиба также деформации кручения (рис. 2), поперечные сечения депланируют [3]. За счет соединения спецпрофилей своими фланцами с образованием замкнутого поперечного сечения (рис. 5, сеч. А-А) в четыре раза возрастает несущая способность поперечных сечений на изгиб и в десять раз на кручение.
По программе АРМ ШтБ1:ис1:иге30 был выполнен расчет данной конструкции крепи в соответствии с расчетной схемой по рис.4 при вертикальной интенсивности нагрузки q = 0,5 МН/м, что соответствует горному давлению в 1МПа при шаге рам в 0,5м, сечение рамы выполнено из двух СВП-22 (рис. 5, сеч. А-А).
Расчетная схема крепи, заданная в редакторе программы изображена на рис 6. Расчетная карта напряжений и деформаций рамы крепи изображена на рис. 7.
Из эпюры напряжений видно, что наибольшие эквивалентные напряжения возникают в месте соединения верхняка со стойками и в заделках рам в почве выработки, при этом эти напряжения меньше предела прочности материала на изгиб (Йиз = 210 МПа), что обеспечивает прочность и надежность работы конструкции крепи на максимально возможное давление в условиях шахт Донского ГОКа. Максимальные перемещения точек крепи равны около 3 мм и соответствуют замковой точки поперечного сечения крепи (рис. 7). При шарнирном закреплении опор в почве выработок максимальные напряжения возрастают на 10%, что при полученном запасе прочности также обеспечивает устойчивое состояние выработок.
В данных расчетах поперечное сечение рамы принималось состоящее из двух спецпрофилей №22, так как они повсеместно используются при креплении горных выработок на шахтах Донского ГОКа. Для обеспечения
У
Рис. 9. Холодно гнутый замкнутый сва рной квадратный профиль по ГОСТ 8639-82
ГЗ Я В «9 Вв 1.ИО 4- • й™»» В» -1*1 я л(1 чп«.р. ч
17
% г
■ч ... V \| 11111/1П.
Л
п
Г /г *
э -
А V
■
<*» г
Ч
* ?
2 *
ЧГ
та П«». •у. аммиа
ат^> ///«I ц.р>
Рис. 10. Расчетная схема крепи со стойками из коробчатого профиля по программе WinStuc-ШгеЗО
- Г„. Г—вяфттт [-• !-•»- Си»■ ..11 "А
□ Я В 41 « о «а :|,в» 4* • л у
____!4 ___________________________________
гм* ф> м<«ет>лг«г.*« ищч.тчл
• 10 > ^|*|||/ .ц .
Рис. 11. Расчетная карта напряжений и деформаций для рамной крепи повышенной не-сушей способности со стойками из коробчатого профиля
прочности выработок достаточно применения и более легких профилей (№17), что снизит материалоемкость крепи и упростит ее возведение.
Рис. 12. Крепь горной выработки по АС СССР № 1506128
Данные профили обладают значительной несущей способностью на изгиб, одинаковой в двух направлениях, замкнутые поперечные сечения, что обеспечивает хорошую работу на кручение, легкие относительно своей несущей способности.
В рассматриваемой конструкции крепи из них выполнены стойки, поэтому в силу статической неопределимости системы они будут нести основную нагрузку, разгружая тем самым верхняк, что очень важно для его облегчения при преимущественном действии вертикальной нагрузки и упрощения его монтажа.
На рис. 10 показана расчетная схема рамы крепи при действии вертикальной нагрузки q = 0,5 МН/м.
В результате статического расчета получена карта напряжений и деформаций, приведенная на рис. 11.
Расчет выполнен при работе рамы крепи в жестком режиме после срабатывания узлов податливости, расположенных в стойках рамы (рис. 8).
'~т Я а. Х.*вУ. ШМ?.ЖИ- ----- --КЮК
ПП.> • в -
Рис. 13. Расчетная схема рамы крепи по АС СССР № 1506128
3 Хам Ы»чач» |*а мшшш в«ч» йс*в • « С«а«Ч1 Г»ч»>И1 Она £>•»• .181 «1 ВС1В. + ' лп щ.:. ■*
ч *
■ —
-
«'•
г
■
«■ г *
ц —
-
т -
• ш - с
. .’(рот > ,’// - 1 л> . «с *
Рис. 14. Расчетная карта напряжений и деформаций для рамной крепи по АС СССР № 1506128
Ъ (мм) 8 (мм) Р(см2) 1х=1у Wx=Wy •х Масса 1м
120 5 23,00 507,9 84,6 4,69 18,06
6 27,36 594,2 99,0 4,06 21,48
5 27,00 821,2 117,3 5,51 21,19
140 6 32,16 964,3 137,7 5,48 25,24
7 37,24 1100,9 157,2 5,44 29,33
8 42,24 1231,1 175,8 5,38 33,16
5 31,00 1242,5 153,3 6,33 24,33
160 6 36,96 1463,1 182,8 6,29 29,01
7 42,84 1674,9 209,3 6,25 33,63
8 48,64 1878,1 234,7 6,21 38,18
5 35,00 1987,9 198,6 7,15 27,47
180 6 41,76 2109,7 234,4 7,11 32,78
7 48,44 2420,2 268,9 7,67 38,82
8 55,04 2719,7 302,1 7,80 43,21
Как видно из рис. 11 наибольшее эквивалентное напряжение, равное 190,92 МПа, расположено в стойках в месте заделки их в почву выработки. Это достигается благодаря перераспределению напряжений за счет значительно большей жесткости стоек по сравнению с верхняком и заделкой их в почву выработки. Максимальные перемещения соответствуют замковой части верх-няка и составляют 4 мм.
Для обеспечения более надежной, безопасной и долговечной работы крепи подготовительных выработок рекомендуется также конструкция крепи по АС СССР №1506128 [5]. На рис. 12 показаны рама данной крепи и поперечные сечения А-А верхняка в режиме податливости и в жестком режиме.
Крепь горной выработки состоит из рамы 1, выполненной арочного очертания из
целого отрезка спецпрофиля. Сечение в свету рамы соответствует Бсв выработки. Сечение выработки вчерне определяется с учетом назначаемой податливости А и высотой спецпрофиля усиливающего дугообразного элемента 2, выполненного с радиусом кривизны, равным радиусу кривизны рамы 1 крепи. Узел податливости образован из дугообразного усиливающего элемента, взаимодействующего через упругопластичные податливые вкладыши 3 с рамой крепи 1 (рис. 12). Работа данной конструкции крепи напоминает работу применяемой крепи с двойными рамами по рис. 3, однако рассматриваемая конструкции намного надежнее, безопаснее и менее материалоемка.
Интересен выполненный расчет данной конструкции крепи по программе
АРМ ШтБ1:ис1:иге30. Обычными методами строительной механики он невозможен из-за сложности конструкции. Применение метода конечных элементов в данной программе позволило точно, быстро, наглядно и многовариантно рассчитать раму крепи. Наихудший вариант рассмотренных нагружений конструкции соответствует вертикальной нагрузке q = 0,5МН/м и радиальным смещениям узлов усиливающего элемента 2, равным 100 мм. Расчетная схема крепи в соответствии с программой АРМ ШтБ1:ис1:иге30 показана на рис. 13.
Рама крепи и дугообразный усиливающий элемент выполнены из СВП-22. В расчетной схеме в соответствии с принятыми паспортами крепления выработок
Донского ГОКа стойки приняты вертикальными, а верхняк круговым. Элементы податливости крепи имитировались стержнями с пониженным модулем упругости. В расчете он был принят равным 2000 МПа, тогда как для стали он равен 200000 МПа. Результаты расчета в виде карты эквивалентных напряжений и деформаций показаны на рис. 14.
Как видно из карты напряжений, наибольшее значение эквивалентного напряжения равно 177,25 МПа, что значительно меньше предела прочности ст.3, равного Яиз = 210 МПа. Как и следовало ожидать, наибольшие напряжения возникают на сопряжении верх-няка со стойками.
1. Воробьев А.Н. Обоснование и разработка методов расчета и совершенствования конструкций крепей горных выработок на основе теорий арочных систем и тонких оболочек. Дисс. докт. техн. наук., М., 1993.
2. Патент РФ № 1810562. Способ крепления горной выработки. Авторы: А.Н. Воробьев, В.Н. Шашкин, В.С. Болкисев и др. Бюл. №15, 1993.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Правила безопасности при разработке рудных, нерудных и россыпных месторождений. М,
1996.
4. Патент РФ № 2065966. Крепь горной выработки. Авторы: А.Н. Воробьев, Б.И. Федунец, К.Ё. Тихомиров. Бюл. № 24, 1996.
5. аС СССР № 1506128. Крепь горной выработки. Авторы: А.Н. Воробьев, И.В. Нестеренко, А.Г. Жеманов и др. Бюл. № 33, 1989.
— Коротко об авторах
Воробьев А.Н. - доктор технических наук, профессор, Шаймярдянов И.К. - инженер,
Московский государственный горный университет.
---------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ «ГИНЦВЕТМЕТ»
ЗИМИН Алексей Владимирович Исследование, разработка и внедрение новой флотационной техники и технологии обогащения медноцинковых руд Учалинского месторождения 25.00. 13 к.т.н.
