CC BY
408
ГЕОТЕХНОЛОГИЯ
УДК 622.28
А.В. Ремезов, В.В. Егошин|, Д.Н. Макшанкин, В.П. Белов, В.А. Лидер
ПРЕИМУЩЕСТВА МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ШАХТНОГО ПРОФИЛЯ ШП НАД ПРОФИЛЕМ СВП, В ТОМ ЧИСЛЕ В СОЧЕТАНИИ С АНКЕРНЫМ КРЕПЛЕНИЕМ
За последние годы на шахтах Кузбасса наметился прогресс в области крепления подготовительных выработок. Все большее распространение получают металлические рамные и анкерные крепи, на долю кото-
рых приходится свыше 25 и 50% от общих объемов крепления выработок различного назначения и сроках службы. Металлическими рамными (арочными и трапециевидными) крепями ежегодно крепится 105-
110 км выработок, в том числе 85-90 км вскрывающих и подготавливающих выработок арочной формы сечением в свету 9-
19,2 м2. В настоящее время металлическими рамными крепями поддерживается свыше 65%
Таблица 1
Размеры поперечных сечений профилей ШП и СВП
Тип про- филя Номер профи- ля Р а з м е р ы, мм
высота профиля,^ высота фланцев,^ ширина профиля, в ширина днища, в і толщина днища,й? толщина стенок,^;
ШП 13 68,0 5,8 242,1 105,0 5,8 4,0
СВП 14 88,0 21,0 121,0 55,0 7,8 5,4
ШП 16 74,0 6,3 260,4 114,0 6,3 5,0
СВП 17 94,0 23,0 131,5 60,0 8,5 5,7
ШП 18 82,0 6,5 294,1 130,8 6,5 5,0
СВП 19 102,0 24,0 136,0 60,0 9,5 6,0
ШП 21 88,0 7,0 286,2 124,0 7,0 5,0
СВП 22 110,0 25,6 145,5 60,0 11,0 6,2
ШП 26 98,4 8,0 309,2 133,0 8,0 7,0
СВП 27 123,0 29,0 149,5 59,5 13,0 7,1
ШП 32 109,6 10,0 317,6 133,0 10,0 8,0
СВП 33 137,0 32,0 166,0 66,0 14,5 7,9
Таблица 2
Техническая характеристика профилей ШП и СВП
Тип профи- ля Номер профиля Площадь поперечного сече ния,^,см2 Вес 1 п.м, G, кг/м Момент сопротив- 3 ления, см Момент инерции, см4
Wx Wy Jx Jy
ШП 13 20,99 13,46 39,44 66,25 134,12 801,96
СВП 14 18,7 14,7 40,7 46,1 181,0 282,3
ШП 16 17,11 16,51 51,16 87,02 189,31 1133,08
СВП 17 21,73 17,1 50,3 57,9 243,0 382,3
ШП 18 23,95 18,84 65,9 96,58 270,22 1420,28
СВП 19 24,44 19,2 61,3 67,0 322,8 464,0
ШП 21 26,68 20,99 75,45 123,72 332,02 1770,0
СВП 22 27,91 21,9 74,8 77,8 428,6 566,3
ШП 26 33,47 26,33 104,6 165,7 514,64 2561,7
СВП 27 34,37 27,0 100,2 110,5 646,1 731,5
ШП 32 41,82 32,9 142,32 204,87 779,92 3253,3
СВП 33 42,53 33,39 138,5 148,0 999,5 1228,0
32 А.В. Ремезов,
В.В. Егошин
, Д.Н. Макшанкин, В.П. Белов, В. А. Лидер
всех выработок в бассейне с длительным сроком службы.
Металлические рамные крепи изготавливают из специальных взаимозаменяемых профилей СВП 14, СВП17, СВП19, СВП22, СВП27 и СВП33. В Кузбассе предприятия-изготовители используют три типоразмера спецпрофилей СВП17, СВП22 и СВП27.
Металлическая трапециевидная крепь состоит из верх-няка, двух стоек и двух-трех стяжек для соединения друг с другом отдельных рам сечением в свету 5 и 6,8 м2, выполненных соответственно из профилей СВП 17 и СВП22.
Металлическая трехзвенная арочная крепь состоит из отдельных арок, устанавливаемых в выработках с шагом 0,5-1м и соединяемых между собой тре-мя-четырьмя межрамными стяжками из уголка 63х63х5 мм. Арка трехзвенной крепи состоит из дугообразного верхняка и двух дугообразных стоек с подпятниками. Соединение верхня-ка со стойками производится внахлестку при помощи четырех резьбовых замков, включающих скобу, прямую планку и две гайки. Крепь рассчитана на 6 сечений выработок 8; 9; 10; 12,9; 16,2; 19,2 м2. Специальный взаимозаменяемый профиль СВП17 применяется для изготовления арочных крепей выработок сечением в свету 9 и 10 м2, профиль СВП22 - для крепей выработок сечением 10, 12,9 и 16,2 м2, профиль СВП27 -для крепей выработок 12,9; 16,2 и 19,2 м2
Металлические рамные крепи применяются для крепления горизонтальных и наклонных (до 350) породных и пластовых выработок трапециевидной формы при вертикальных смещениях горных пород до 100 мм и арочной формы при вертикальных смещениях горных пород до 350-400 мм.
Применяемые в настоящее время конструкции металлических рамных крепей не удовлетворяют современным требова-
ниям производства. Основными недостатками этих крепей из спецпрофиля СВП является низкая несущая способность в податливом режиме, высокое аэродинамическое сопротивление, низкая устойчивость рам, сравнительно большой объем извлечения излишней горной массы для размещения арок или рам, незначительная площадь поддержания горных пород по контуру выработки, что требует установки рам с уменьшенным шагом.
Одним из направлений существенного роста эффективности горно-подготовительных работ является снижение трудоемкости и стоимости крепления и поддержания подготовительных выработок. В этой связи вопросы совершенствования металлических рамных крепей горных выработок для улучшения их эксплуатационных качеств и повышения несущей способности, надежности и экономичности являются весьма актуальными.
Для устранения отмеченных недостатков предлагается использовать «Шахтный профиль ШП для изготовления металлических крепей горных выработок», на который выдан авторам В.В.Егошину и Д.Н. Макшан-кину патент на изобретение №2191902. Размеры поперечно -го сечения шахтных профилей и их техническая характеристика приведены в табл. 1 и 2.
Сравнивая размеры поперечного сечения и справочные значения стандартного и нового профилей можно отметить следующее. В шахтном профиле ШП по сравнению с горячекатаным профилем СВП уменьшены высота профиля на 2027,4 мм, толщина фланцев на 15,2-22 мм, толщина днища на 2-5 мм и толщина стенок профиля на 0,1-1,4 мм, но увеличены ширина профиля по фланцам на 121,1-151,6 мм и ширина днища профиля на 50-70,8 мм.
В результате внесенных изменений представилось возможным получить профиль с
более высокими значениями моментов сопротивления по осям Х и У при одновременном снижении площади поперечного сечения на 0,49-1,23 см2 и веса 1 м профиля на 0,36-0,91 кГ. По аналогии с горячекатаным профилем СВП предлагается шесть номеров профиля ШП13, ШП16, ШП18, ШП21, ШП26 и ШП32 взамен профилей СВП14, СВП17, СВП19, СВП22, СВП27 и СВП33, которые на достигнутой глубине разработки сохраняют устойчивость и не изменяют свою геометрическую форму при осадках крепи до 100-300 мм в выработках сечением в свету от 5 до 19,2 м2. Новый профиль проката по основным показателям качества не уступает профилю СВП и может использоваться для изготовления металлических трапециевидных и трехзвенных арочных податливых крепей, предназначенных для крепления и поддержания горизонтальных и наклонных (до 350) породных и пластовых выработок сечением в свету 5-19,2 м2, располагаемых вне зоны и в зоне влияния очистных работ.
Для принятия обоснованного решения и уточнения силовых параметров крепей из профилей ШП и СВП выполнены расчеты несущей способности рам и арок по установленным зависимостям:
а) для металлических трапециевидных рам
р = 5,3 • Е • Сизг . ;
р 100 • Б • В 4^у ’
б) для трехзвенных податливых арок
р = 50 • Е • Wх • Оизг
а Б • (В + 0,2К) • (а + 2Р) ^Жу
где Оизг - предел прочности материала рам или арок на изгиб. Основные несущие элементы рам и арок изготавливают из стали марки Ст.5 с Оизг = 2800 кГ/см2 (28 • 104 кПа);
Б - площадь поперечного сечения рам и арок в свету, м2. Расчет выполняется для выработок сечением в свету 5; 6.8; 9;
Таблица 3
Несущая способность металлических рамных крепей из профиля
СВП
Номер профи- ля Сечение выработки в свету, 8 Типораз- мер крепи Несущая способность крепи, кН
расчетная фактическая
17 5,0 КМТЗ-17 109 103-106
22 6,8 КМТ5-22 131 113-120
17 9,0 А9-17 198 200-206
17 10,0 А10-17 165 179-198
22 10,0 А10-22 323 259-279
22 12,9 А13-22 214 209-229
27 12,9 А13-27 357 310-335
27 16,2 А16-27 243 240-252
27 19,2 А19-27 197 204-216
Таблица 4
Несущая способность металлических рамных крепей из профиля
СВП
Номер профиля Сечение выработки в свету,8 Типораз- мер крепи Расчетная несущая способность крепи, кН
16 5,0 КМТЗ-16 80
18 5,0 КМТ3-18 148
18 6,8 КМТ5-18 91
21 6,8 КМТ5-21 113
16 9,0 А9-16 143
18 9,0 А9-18 269
16 10,0 А10-16 119
18 10,0 А10-18 224
21 10,0 А10-21 277
21 12,9 А13-21 184
26 12,9 А13-26 322
26 16,2 А16-26 224
26 19,2 А19-26 181
32 19,2 А19-32 315
10; 12,9; 16,2 и 19,2 м2;
В - ширина рамы или арок в свету по почве выработки. Для выработок сечением в свету 5; 6,8; 9; 10; 12,9; 16,2 и 19,2 м2 ширина рам или арок равна соответственно 3,1; 3,7; 3,815; 4,15; 4,665; 5,655 и 5,855 м;
Я - радиус изгиба стоек арочной крепи, м. Для выработок сечением в свету 9; 10; 12,9;
16.2 и 19,2 м2 радиусы изгиба стоек равны соответственно 2,05; 2,12; 2,775; 3,071 и 3,457 м;
а - центральный угол верх-няка арочной крепи, град. Для арок сечением в свету 9 и 10 м2 центральный угол а = 960, для арок сечением в свету 12,9 м2 центральный угол а = 1030, а для арок сечением в свету 16,2 и 19,2 м2 центральный угол а = 940;
в - центральный угол стоек арочной крепи, град. Для арок сечением в свету 9 и 10 м2 центральный угол в =50°, а для арок сечением в свету 12,9;
16.2 и 19,2 м2 центральный угол в = 490.
В табл. 3 и 4 приведены расчетные и фактические значения несущей способности металлических рамных крепей из профилей ШП и СВП.
Из сравнении результатов расчета табл. 3 и 4 видно, что переход на облегченные профили ШП взамен профилей СВП сопровождается с некоторым снижением несущей способности трапециевидных и арочных рам при значительном улучшении схемы взаимодействия последних с окружающим выработку углевмещающим массивом за счет увеличения площади поддержания горных пород по контуру выработки при одновременном уменьшении расстояния между фланцами крепи смежных рам на 0,13-0,18 м и увеличении предельной устойчивости рам и, как следствие, улучшением условий поддержания выработок. Переход на облегченные профили ШП обеспечивает также снижение затрат на возведение крепи.
Увеличение ширины профиля ШП позволяет уменьшить шаг установки крепи на 0,1-0,15 м. Полученная при этом экономия металла обеспечивает возможность использования сталеполимерных анкеров, устанавливаемых между рамами крепи при сохранении металлоемкости выработок. Принятие этого технического решения позволяет повысить несущую способность комбинированной рамно-
анкерной крепи в 2-3 раза по сравнению с соответствующим профилей типа СВП.
Несущая способность комбинированной крепи, включающей анкеры, расположенные в промежутках между ра-
мами или арками, расстояние между которыми увеличено на 20% по сравнению с шагом установки крепи из профиля СВП, определяется из выражения
Р р + п ■ Ра
Рком =--------------,кН / м,
ком 1,2 ■ Ь
где Рр - несущая способность рамной крепи из профиля ШП;
п - количество анкеров в ряду, устанавливаемых между рамами или арками крепи поддерживающего типа, шт;
Ра - допускаемая нагрузка на сталеполимерную анкерную крепь, кН. Для анкеров, изготовленных из стали Ст.3 допускаемая нагрузка принимается равной 75 кН, а для анкеров из
34
А.В. Ремезов, В В. Егошин|, Д.Н. Макшанкин, В.П. Белов, В.А. Лидер
проката винтового профиля, изготавливаемых из стали А400С - 110 кН.
Используя 2 анкера в комбинации с арочной крепью сечением в свету 9 м2 из профиля ШП16, получаем
143 + 2 • 110 тт ,
Рком =----, 2 08 = 378кН / м
1,2 • 0,8
что в 1,9 раза превышает несущую способность арки из спец-профиля СПВ17 сечением в свету 9 м2. Другими словами при одинаковой металлоемкости сравниваемых крепей комбинированная крепь с профилем ШП обеспечивает существенное повышение несущей способности крепи горных выработок, что является весьма перспективным направлением совершенствования крепи горных выработок. Перспективным направлением развития работы является также переход на более тяжелые профили ШП. Так, с переходом на более тяжелый профиль ШП18 вместо профиля СВП17 повысится несущая способность трапециевидных и арочных рам на 36% при увеличении их массы не более чем на 11%. Поскольку развитие горных работ неизбежно сопровождается увеличением глубины разработки, и как следствие, ухудшением горно-
геологических условий эксплуа-
тации выработок и ростом горного давления рекомендуется в дальнейшем разработать дополнительно параметрический ряд утяжеленных профилей ШП15, ШП23 и ШП28 взамен профилей СВП14, СВП22 и СВП27.
В результате проведенной оценки состояния рассматриваемого вопроса и выполненных расчетов установлено следующее.
1. Предлагаемые шахтные профили ШП могут успешно использоваться для изготовления металлических трапециевидных и трехзвенных арочных податливых крепей сечением в свету 5-19,2 м2 при вертикальных смещениях горных пород соответственно до 100 и 400 мм.
2. Металлические рамы из облегченных широкополочных профилей ШП16, ШП21 и ШП26 обеспечивают улучшение условий поддержания горных выработок и снижения материальных и трудовых затрат на их крепление. Рациональная область применения крепей из профилей ШП16, ШП21 и ШП26 - выработки с умеренным горным давлением (25-50 МПа). В выработках с повышенным горным давлением целесообразно рамной крепи из профиля ШП устанавливать в сочетании с сталеполимерной
анкерной крепью, возводимой между рамами трапециевидной и арочной формы, что позволяет увеличить расстояние между рамами на 10-20% и повысить при меньшей металлоемкости изделия несущую способность крепи в 2-3 раза, что является весьма перспективным направлением дальнейшего развития работы.
3. В связи с неуклонным ростом глубины разработки, ухудшением условий эксплуатации выработок и повышением интенсивности проявлений горного давления рекомендуется в дальнейшем развитие работы по созданию утяжеленных (по сравнению с профилем СВП17) профилей ШП18, ШП23 и ШП28, что обеспечит возможность получения металлических рам с повышенной на 35% несущей способностью.
4. Наряду с перечисленными преимуществами шахтного профиля ШП следует отметить еще одно достоинство, которое выражается в увеличении ширины фланцев, придающих металлическим рамам большую продольную устойчивость и повышенную площадь поддержания горных пород по контуру выработки.
□ Авторы статьи:
Ремезов Анатолий Владимирович
- докт. техн. наук, проф. каф. РМПИ
Егошин Воля Васильевич
- докт. техн. наук, проф. каф. РМПИ
Макшанкин Денис Николаевич
- аспирант каф. РМПИ
Белов Валентин Петрович
- канд. техн. наук, ген. директор ЗАО "КузНИУИ"
Лидер Владимир Алексеевич
- канд. техн. наук , зам. зав. ЦТГР ЗАО "КузНИУИ"
УДК 622.831.32.
В.А. Редькин
СПОСОБ ПРОВЕДЕНИЯ ВЫРАБОТОК БОЛЬШОГО СЕЧЕНИЯ НА УДАРООПАСНЫХ УЧАСТКАХ МАССИВА
С целью предотвращения горных ударов при проведении выработок большого сечения и снижения себестоимости горнопроходческих работ предложен способ, позволяющий снизить удароопасность массива за счет
замены предохранительного целика между параллельными выработками податливой железобетонной перегородкой, образованной при проходке выработки симметричными боковыми уступами.
Предлагаемый способ представлен на рисунке, сущность которого заключается в том, что вместо двух параллельных выработок осуществляют проходку одной выработки увеличенного сечения.
