Расчет рамной крепи горных выработок на основе применения комплекса программ APM WinMachine Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

© А.Н. Воробьев, И.К. Шаймярдянов, 2004

УДК 681.3.06:622.281.8

А.Н. Воробьев, И.К. Шаймярдянов

РАСЧЕТ РАМНОЙ КРЕПИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ КОМПЛЕКСА ПРОГРАММ АРМ ШММАСНШЕ

Семинар №11

ТЪ озможности применения комплекса

-О программ АРМ ШтМасЫпе в учебном процессе и научных исследованиях при расчете строительных и машиностроительных конструкций были продемонстрированы на прошлогоднем семинаре на примере расчета ферменной конструкции по программе АРМ ШіпТгш8 [1].

Очень мощным средством расчета и проектирования стержневых, пластинчатых, оболо-чечных конструкций и их произвольных комбинаций является модуль расчета АРМ Шіп-БШСшеЗБ. Данный модуль позволяет рассчитывать в общем случае трехмерные стержневые системы с различными соединениями элементов между собой, опорными закреплениями с необходимой подвижностью, в том числе с упругими опорами.

Данный комплекс был использован для расчета рамной конструкции крепи горной выработки применительно к условиям шахт Донского ГОКа, характеризующихся значительным горным давлением в условиях сплошного сводообразования [2]. В работе [2] на основе экспериментально -аналитического метода была найдена нагрузка на раму крепи откаточной выработки шахты «Молодежная». Посредством значительного объема статистической обработки данных она составила при шаге установке рам в 0,5 м: q - вертикальная нагрузка, q =

0,148 МПа;

X - коэффициент бокового распора; Х=0,777. q6 = q*A, = 0,115 МПа.

Расчет начинается с задания

Рис. 1. Расчетная схема крепи

расчетной схемы. В данном модуле расчетная схема задается с использованием встроенного чертежно- графического редактора. Расчетная схема данной конструкции крепи (вид спереди) изображена на рис. 1. В соответствии с типовым паспортом крепления откаточных выработок шахты «Молодежная» Донского ГОКа [2], рама крепи выполнена из СВП-22, верхняк -круговой с радиусом в 1,7 м, стойки - прямые без наклона длиной по 1,6 м. Таким образом, расчетная ширина крепи составила 3,4 м, а высота - 3,3 м. Данная выработка имеет площадь поперечного сечения в свету 9 м2, вчерне - 11,4 м2. Опоры приняты шарнирно неподвижными, что отвечает фактическому закреплению рам в почве выработок. Расчет производился на заданную нагрузку при исчерпании крепи своей податливости, когда она работала в жестком режиме с использованием своей полной несущей способности.

После задания геометрических и механических характеристик рамы крепи и действующей нагрузки производится ее статический

• '■! 1 : : - 1- ■ І і і- ЦІ - і ■ 1 ■ ■ Я + £

ш*^і іі№'ММ-ж, і- з***.

Рис. 2. Карта напряжении и деформации рамной крепи типовой горной выработки шахты «Молодежная» Донского ГОКа

Рис. 3. Деформация стоек в виде раскрытия спецпрофилей

Рис.4. Разрыв хомутов соединения элементов рам

;П -л у «Э п к а — и-и— Й-1Н-- £—.» Я™*-**- 1— 1,— «ищу * + ■ щ:. + Р 1

и р«ЧгМ’1**|НЫ ‘■г-*

ы.

■

—

*я ■ :: Л

Г 1 ?-1

Й1 т. т

* «И||* ■—*1

□ - ~

ш — " 3

м* ш — г=

1 ::

т ■ ЛЛ

у

ш .'.мин ии: ■■■ . • !*■■■! ■ НГ.1Н11

р ЯЛ | * 1 ь з* и!% ■ 41 <

расчет и расчет на устойчивость. В результате статического расчета на основе теории прочности Ми-зеса выдается эпюра распределения наибольших эквивалентных напряжений по поперечным сечениям рамы крепи. Наиболее наглядно она представляется в виде цветной карты напряжений и деформаций, где каждый цвет определяет величину напряжений в соответствии с установленной шкалой. На рис.2 показана карта напряжений и деформаций, отвечающая принятой расчетной схеме.

Из этой карты видно, что наибольшее эквивалентное напряжение в раме рано 929,7 МПа, что в 4,4 раза превосходит предел прочности (Я = 210 МПа) материала крепи (ст.3). Такое положение не может не привести к катастрофическому положению с креплением подготовительных выработок (штреков скреперования и откаточных выработок) на шахте «Молодежная». Повсеместно рамы крепи сильно деформированы, в некоторых случаях крепь разрушена полностью. Для ее восстановления бурятся горизонтальные шпуры, устанавливаются штанги, под их защитой разбираются завалы и заново возводится крепь, что является очень опасным процессом с точки зрения безопасности производства

тами крепи являются стойки, деформации которых происходят внутрь выработки, а верхняк при этом поднимается. К такому же выводу привели замеры перемещений точек рам крепи в работе [2]. Подъем замка верхняка рамы крепи на первом этапе ввода ее

■■і її- о а

■-1* I I МММНІШІ 1 П* ■\

— М» Л

- ::

1 ::

. ** ■г

На V

т -і*. |ТЁ^£

т. ч*

* в* *3 р—

° ■ 1 в. р

ш ~п | г

л «1» ■1 /

:: - -й ЙГ—

1

» ■ -

■] м

р а и . * 1 і ± 1Л >

работ и экономически дорогостоящими и необоснованными затратами.

Из карты напряжений и деформаций видно, что наиболее нагруженными элемен-

в эксплуатацию объясняется плохой забутовкой выработанного пространства в верхней части рамы. Что касается преимущественного разрушения стоек рам крепи, то это подтверждается многочисленными наблюдениями за состоянием рам крепи в процессе их эксплуатации. Характерные виды разрушения рам крепи показаны на рис. 3, 4.

Для обеспечения безопасных условий возведения и эксплуатации крепи из рассмотренных результатов расчета можно сделать следующие выводы:

1. В сложных условиях повышенного горного давления применение типовых рам

Рис. 5. Карта напряжений и деформаций рамной крепи типовой горной выработки с забутовкой замка верх-няка крепи

крепи неприемлемо. Уменьшение шага установки рам никакого эффекта не дает.

2. Необходимо искать пути повышения несущей способности рам при обеспечении их необходимой податливости при сохранении или незначительном увеличении их материалоемкости.

3. В качестве первейшего условия повышения устойчивости крепи необходима качественная забутовка в местах возможных смещений конструкции в сторону породного массива.

При обеспечении качественной забутовки замка рамы крепи (на расчетной схеме это изобразится в виде упругой опоры с жесткостью С = 10 кН/мм), эпюра напряжений и деформаций изменится в сторону уменьшения их наибольших значений рис. 5. Наибольшее значение напряжений стало 845,99 МПа, что на 9% меньше значений напряжений в крепи без забутовки, однако решающего значения в обеспечении безопасности и надежности эксплуатации это не имеет, поэтому необходимо дополнительное значительное усиление конструкции рамной крепи за счет совершенствования существующих спецпрофи-лей, и улучшения работы при повышении несущей способности узлов податливости.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Воробьев А.Н., Бурчаков Ю.И., Рачек В.М., Третъяков А.П., Шило С.В. Применение комплекса компьютерных программ АРМ 'тМасЫпе - перспективное направление в учебном процессе и научных исследованиях для расчетов строительных конструкций

и деталей машин. - М.: Изд-во МГГУ, Горный информационно-аналитический бюллетень, 2003, № 12.

2. Воробьев А.Н. Обоснование и разработка методов расчета и совершенствования конструкций крепей горных выработок основе теорий арочных систем и тонких оболочек. Дисс. д. т. н. - М., МГГУ, 1993.

— Коротко об авторах

Воробьев А.Н. - доктор технических наук, профессор, Шаймярдянов И.К. — инженер,

Московский государственный горный университет.