Расчет и конструкция рамной крепи горной выработки переменной жесткости Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

А-н С.В

*

Воробьев, Ю.В. Уляш< Шило, 2000

ев,

УДК 622.281.5

А.Н. Воробьев, Ю.В. Уляшев, С.В. Шило

РАСЧЕТ И КОНСТРУКЦИЯ РАМНОЙ КРЕПИ ГОРНОЙ ВЫРАБОТКИ ПЕРЕМЕННОЙ ЖЕСТКОСТИ

Актуальной проблемой разработки месторождений полезных ископаемых подземным способом, особенно в сложных горногеологических условиях, остаётся крепление горных выработок. Наиболее часто применяемая конструкция рамной крепи из специального взаимозаменяемого профиля (СВП) обладает существенными недостатками [1]. Основное направление совершенствования конструкции рамной крепи состоит в увеличении ее несущей способности при сохранении необходимой податливости, определяемой влиянием очистных работ. При этом необходимо повышать как несущую способность самой крепи, так и, что особенно важно, узлов податливости. Это направление естественно развивать научными методами с применением механики подземных сооружений, строительной механики стержневых систем, численных методов математики для расчета на компьютере.

Задача состоит в значительном увеличении несущей способности крепи при сохранении или небольшом увеличении её материалоёмкости.

Одним из путей решения этой задачи ляется обеспечение перераспределения Таблица 1

пряжений в конструкции пи, когда наиболее нагруженные элементы разгружаются, а менее нагруженные -нагружаются. Этому условию отвечает крепь переменной жесткости.

Рассмотрим расчёт рамы крепи на вертикальную нагрузку, когда наиболее нагруженным элементом является верхняк. Расчётная схема данной конструкции изображена на рис. 1.

В силу симметрии система является дважды статически неопределимой с неизвестным опорным моментом М и распором Н. Задача достаточно просто решается методом сил с составлением двух канонических уравнений. Считается, что жесткость при изгибе стойки в к раз больше жесткости верх-няка, т.е. Е1сп=кЕ1в.

Опуская выкладки по определению единичных и грузовых членов системы через интегралы Мора, даем полученные значения искомого момента и распора в зависимости от значения параметра к. Эти значения представлены в табл. 1. Эпюра изгибающих моментов при к=1 изображена на рис. 2. Значения опасного изгибающего момента в замке верх-няка Мз в зависимости от к даны в табл. 2.

Из анализа результатов расчёта (табл. 2) следует, что несущая способность крепи возрастает в 1,36 раза за счет снижения во столько же раз значения изгибающего момента в замке верхняка (тябп 5 ^0,147). При

' 0,108 '

этом, однако, изгибающий момент в пяте верхняка на

сопряжении со стойкой вырос в 2,35 раза

. . 0,342 .

(табл. 4 " ^47).

к 1 2 3 4 5 6 7 8

М 0,147 ОД91 0,228 0,259 0,285 0,308 0,329 0,346

Н 0,25 0,278 0,300 0,318 0,334 0,347 0,355 0,369

Таблица 2

к 1 2 3 4 5 6 7 8

Мз 0,147 0,135 0,128 0,123 0,117 0,114 0,110 0,108

При увеличении жёсткости крепи в 8 раз во столько же раз возрастает осевой момент инерции поперечного сечения рамы крепи. Этому увеличению момента инерции соответствует увеличение момента сопротивления W примерно в 3 раза, например, используя замкнутый коробчатый профиль, о чём будет изложено далее. Такое увеличение момента сопротивления приведёт не к увеличению, а к уменьшению максимальных напряжений в стойках рамы.

Таким образом, несущая способность рамы действительно возрастет в 1,36 раза за счёт увеличения несущей способности верхняка.

Рис. 1. Расчётная схема крепи переменной жёсткости

Рис.2. Эпюра изгибающих моментов в раме крепи при к=1

По результатам рассмотренного расчёта была разработана и запатентована конструкция рамной крепи переменной жёсткости [2]. Данная конструкция изображена на рис. 3.

Крепь состоит из рам, каждая из которых включает верхняк 1 и соединённые с ним через узлы податливости 2 прямолинейные стойки 3. Верхняк 1 выполнен из гнутого открытой частью к породе отрезка спецпрофи-ля, стойки 3 - из прямолинейных отрезков холодногнутого коробчатого профиля. Такое выполнение верхняка не вызывает изменения технологии его гнутья. Узел податливости 2 образован посредством размещения концов спецпрофиля верхняка 1 в полости коробчатого профиля стоек 3 с распором фланцами спецпрофиля в стенку короба 4 путём, например, пропущенных через стенку коробчатого профиля 4 винтов 5 и пластины, закрепленной на торцевой части спецпро-филя 1, при этом концы верхняка 1 на величину податливости крепи и высоту узла податливости (рис. 3) выполнены прямолинейными, а пластина закреплена по длине прямолинейной части. Распор регулируется за счёт вкручивания винтов 5 в приваренные к стенке профиля 4 гайки 6 и пропуска винтов 5 через отверстия 7 до упора в пластину 8. Высота узлов податливости 2 предлагаемой конструкции равна 300-400 мм, величина расчётного смещения в зависимости от сложности горно-геологических условий может составлять 300-1000 мм. Размеры коробчатого профиля 3 и спецпрофиля 1 назначаются в соответствии с расчётом и возможностью выполнения конструкции при фиксации концов спецпрофиля 1 в полости коробчатого профиля 3.

Эффективность конструкции состоит в том, что за счёт выполнения рам переменной жёсткости происходит перераспределение усилий с разгрузкой верхняка 1 и передачей основных изгибающих и крутящих моментов на стойки 3. Кручение стоек возникает при изгибе от депланации их поперечных сечений [3]. При этом за счёт увеличения момен-

тов инерции при изгибе и кручении несущая

Рис. 3. Рамная крепь горной выработки по патенту РФ № 2065966

способность рам возрастает в 1,5-2 раза на изгиб и в 3-4 раза на кручение. Кроме того, данное выполнение узлов податливости 2 обеспечивает значительное увеличение их несущей способности за счёт направленного смещения верхняка 1 в полостях стоек 3. Для ещё большего увеличения несущей способности рам стойки 3 целесообразно заделать в почве, например, посредством омо-ноличивания в бетоне 9 (рис. 3).

Для конкретных условий определение рациональных параметров данной крепи выполняется на основе строительной механики стержневых систем, как это было сделано ранее.

Возводится крепь в призабойной части при соеденении верхняка 1 через узлы податливости 2 со стойками 3. Перед сборкой к торцевым частям спецпрофиля верхняка 1 на его концах приваривают пластины В, а верхние концы стоек выполняют с отверстиями 7 и соосно к ним приваренными гайками 5.

Регулируемость сопротивления действию горного давления при смещении верхняка 1 в полостях стоек 3 достигается посредством изменения силы трения между элементами рамы в узлах податливости 2 за счёт изменения распора и количества болтов 5.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Воробьев А.Н. Обоснование и разработка методов расчета и совершенствования крепей горных выработок на основе теорий арочных систем и тонких оболочек. Дис-

сертация доктора технических наук, М. МГГУ, 1993.

2. Воробьев А.Н., Федунец Б.И., Тихомиров К.Л. Патент РФ №2065966. Крепь горной выработки. Бюл.№ 24 от

27.08.96 г.

3. Феодосьев В.Н. Сопротивление материалов. Учебник для вузов, М., Наука, 1974 г.

У" " " " " " " " " " " " " " "у

Воробьев А.Н. - профессор, доктор технических наук, кафедра «Теоретическая и прикладная механика», Московский государственный горный университет.

Уляшев Ю.В. - Московский государственный горный университет.

Шило С.В. - НТЦ «Конструктор».