CC BY
27
УДК 622.28.042.42 С. В. Мартыненко
ПУТИ РАЗРАБОТКИ КОНСТРУКЦИИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КРЕПЕЙ С НЕТРАДИЦИОННОЙ КИНЕМАТИКОЙ
Семинар № 14
Современное состояние угледобывающей промышленности Украины предполагает широкое применение ресурсосберегающих технологий.
За последние годы, несмотря на закрытие целого ряда нерентабельных шахт, добыча угля стабилизировалась на уровне 80-85 млн.т/год и не имеет тенденции к уменьшению [1]. Об этом свидетельствует опережающая динамика увеличения объемов отраслевого производства ТЭК в первом полугодии 2003 г. по сравнению с соответствующим периодом прошлого года. Если валовой внутренний продукт страны за этот период возрос на 7,5 %, то в ТЭК зафиксировано 12 % возрастания валового объема. Вместе с тем, сохранение темпов добычи непосредственно связано со своевременным проведением и поддержанием в эксплуатационном состоянии значительной протяженности подготовительных выработок, от устойчивости которых зависит вся технологическая цепочка.
Состояние этих выработок на шахтах Государственного предприятия «Добропольеуголь» (Донецкая область) крайне неудовлетворительно. Основная причина - несоответствие проектируемых и используемых конструкций крепей реальным горно-геологическим условиям.
Недостатки металлической арочной крепи не исключают ее достоинств, которые обеспечивают эксплуатационную устойчивость выработки при значительных смещениях породного контура и большом вероятностном разбросе величин и направления приложения внешних нагрузок [2]. Широкое применение металлических рамных конструкций крепи, тенденция перехода на большие поперечные сечения выработок с применением тяжелых типов спец-профиля с увеличением плотности установки является базовой предпосылкой необходимости существенного улучшения конструктивных и рабочих характеристик штрековой крепи. Увеличение сечения выработок не компенсирует возрастания сил горного давления, которое, как известно, прямо пропорционально ширине выработки. В таком случае податливая
крепь, даже при коэффициентах запаса прочности 1,5-1,7, не обеспечивает предотвращения возрастающих с глубиной смещений.
Практика обследования выработок свидетельствует о довольно распространенных случаях, когда несущая способность установленной крепи значительно превышает уровень действующих на нее нагрузок, причем в некоторых случаях нет контакта крепи с окружающим породным массивом по ее периметру на протяжении всего срока службы выработки, а, следовательно, такая крепь выполняет не гру-зонесущую, а лишь ограждающую функцию, и ее запас прочности чрезмерен.
Излишний запас прочности конструкции ведет к перерасходу трудовых и материальных затрат и является резервом ресурсосбережения при сооружении горных выработок. Поэтому разработка крепей новых арочных форм с нетрадиционной кинематикой конструкции, рациональными радиусами соединения стоек и верхняков, унификация их несущих и соединяющих элементов - стратегическое направление ресурсосбережения [3].
Оценивая оптимальность конструкции крепи в целом, можно отметить существенное различие напряженного состояния элементов крепи по ее периметру. В частности, наиболее напряженным (вплоть до исчерпания запаса прочности) участками в крепи на пологом падении пород являются элементы, расположенные со стороны наибольших смещений кровли, тогда как остальные участки имеют излишний запас прочности, что свидетельствует о нерациональном использовании материала в конструкции, поскольку все ее элементы выполнены из одинакового спецпрофиля и большая их часть остается недогруженной даже в момент разрушения крепи. Оптимальным является такое распределение усилий и материала, когда все участки работают с одинаковым запасом прочности (или равноудалены от предельного состояния). Достижение этой цели требует изменения конструкции и управления усилиями в ней в соответствии с конкретным
распределением внешней нагрузки и контактных условий взаимодействия с массивом, что требует качественного информационного обеспечения проектных решений.
При этом следует обязательно учитывать предполагаемый срок службы выработки, так как значительное влияние на потерю несущей способности крепи оказывает коррозия металла, особенно высокая в рудничной атмосфере с интенсивным воздухообменом. Ежегодное разрушение металла по данным работы [4] составляет 5-7 %.
К наиболее перспективным направлениям повышения эффективности металлической арочной крепи авторы работы [5] относят достижение равнонапряженности основных элементов конструкций, снижение их массы, улучшение условий контактирования с окружающим массивом (породным обнажением), обеспечение податливого режима взаимодействия с массивом с предельным отпором, упрощение отдельных узлов и элементов, снижение трудоемкости процессов крепления. Следует также пересмотреть действующие нормативные материалы по определению нагрузки на крепь и разработке паспортов крепления, которые не соответствуют современному уровню науки о горном давлении.
В связи с вышеперечисленным, в Национальном горном университете намечена программа по обоснованию параметров металлической арочной крепи и ее конструктивных элементов пока что применительно к конкретным горно-геологическим условиям шахт ГП « Добропольеуголь».
Первый этап работы предусматривал сбор и систематизацию данных о состоянии подготовительных выработок всех шахт предприятия. В дальнейшем, на основании полученных данных, была разработана классификация типичных разрушений металлической крепи и ее элементов. Отметим, что в настоящее время применяются крепи преимущественно конструкций АП-3 и КМП-А3К [6].
Работы по обеспечению устойчивости подготовительных выработок, особенно, пройденных вприсечку к отработанному пространству, выполняются повсеместно и практически на всех участках - это и усиление металлической крепи деревянными трапецевидными конструкциями, анкерование пород кровли, установка ремонтин, подрывка почвы и т.п. Однако если в устье выработок иногда наблюдается практически идеальное состояние, то, чем
меньше становится расстояние до лавы, тем чаще встречаются изгибы стоек, выполажива-ния верхняков, значительные смещения в замках податливости, зачастую значительно превышающие допустимые 300 мм. Таким образом, вход в лаву со стороны вентиляционных штреков ограничивается, либо вовсе становится невозможным, что, естественно, не отвечает требованиям правил ТБ. Такая ситуация требует, как указывалось выше, огромного количества материально-людских затрат на ликвидацию. Вывод один - необходимо изменять, оптимизировать конструкции штрековых крепей.
Этому и посвящены были аналитические исследования, краткий перечень которых приводится ниже.
Вначале нами были рассмотрены стандартная расчетная схема двухшарнирной крепи с симметричным и несимметричным загружени-ем, а также влияние коэффициента несиммет-рии внешней нагрузки на несущую способность крепи. Далее проведено обоснование рационального геометрического очертания металлической крепи (криволинейной и прямолинейной части) при симметричном загруже-нии, сравнение полученных формул для стандартной крепи и криволинейного очертания (симметричное загружение), а также сравнение геометрии с существующими крепями - стандартной, КШПУ, овоидальной, АП-3 и т.п.
Помимо этого, рассматривались и точечные нагрузки, имитирующие работу анкера, стяжки, крепкого контакта, учет неполного контакта с породным контуром (качества забутовки), работа замковых соединений и т.д.
Суперпозиция нагрузок и учет конкретных горно-геологических условий позволили обосновать новую геометрию крепежной рамы и параметры замкового соединения. В настоящее время ведется окончательная проверка правильности проведенных исследований, подготовка технической документации и согласование мест для натурных экспериментов по проверке работоспособности предложенных решений.
Выводы
Качественные изменения условий эксплуатации рамных крепей обусловлены рядом объективных обстоятельств: увеличением глубины разработки, использованием новых видов очистной, проходческой и транспортной техники и др. Поэтому к податливым крепям предъявляются повышенные требования,- прежде всего к параметрам рабочей характеристики. В то же
время, широко применяемые в отечественной практике типы рамных крепей не претерпели сколько-нибудь заметных изменений ни в части номенклатуры конструкций, ни в части параметров рабочих характеристик. По этой причине широко применяемые крепи традиционных типов в большинстве случаев не соответствуют новым условиям применения.
Для удобства рассмотрения и анализа новые технические решения целесообразно рассматривать в первую очередь по двум основным направлениям: изменения типа рамной конструкции и изменения замковых соединений и узлов податливости. Технические решения, направляемые на повышение основных кинематических и силовых параметров крепи
1. Вугільна промисловість України в І півріччі 2003 р. (видобуток вугілля та проведення виробок). Уголь Украины. - 2003. - №8. - С. 56.
2. Мартыненко С.В. Исследование систем со случайными недетерминированными параметрами. Наукові праці ДонНТУ: Серія гірничо-геологічна. - Донецьк: ДонНТУ. - 2002. - Вип.54. - С. 131-133.
3. Мартыненко С.В. Підвищення несучої здатності металевого кріплення шляхом його конструктивного удосконалення. Сб. научн. тр. НГУ №17, т.2. -Днепропетровск: РИК НГУ, 2003. - С. 59-64.
теснейшим образом связаны также с общей проблемой ресурсосбережения, а их использование позволяет получить весьма значительный эффект на всех стадиях сооружения выработки, ее эксплуатации и также при отработке запасов с высокой интенсивностью.
Направленность новых конструктивных решений имеет целью повышение силовых характеристик при конструктивной податливости до 1000 мм и более. Первоочередными и решающими мероприятиями при этом являются изменения формы сечения крепей в направлении приближения к полуэллипсу и модернизация замковых соединений путем включения в их конструкцию стабилизаторов режима работы.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
4. Компанец В.Ф. Совершенствование сталей для крепей и защита их от коррозии. Уголь Украины. 1995. - №9. - С. 16-18.
5. Литвинский Г.Г., Гайко Г.И., Кулдыркаев Н.И. Стальная рамная крепь горных выработок. - К.: Техніка, 1999. - 216 с.
6. Кириченко В.Я., Сугаренко ГГ., Сальников Ю.В., Алиев НА. Технические решения при разработке новых типов рамных крепей горных выработок. Сб. научн. трудов НГУ № 17, том.2. - Днепропетровск: РИК НГУ, 2003. - С.84-90.
— Коротко об авторах -------------------------------
Мартыненко С.В. — Национальный горный университет, Украина.
------------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ УРО РАН
ЗАКИРОВ Утилизация низкопотенциального тепла источ- 25.00.20 к.т.н.
Дамир ников в горной промышленности для тепло-
Данирович снабжения угольных шахт
