CC BY
25
© И.К. Шаймярдянов, 2005
УДК 622.281.8 И.К. Шаймярдянов
ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕМЕНТОВ РАМ НА НЕСУЩУЮ СПОСОБНОСТЬ КРЕПЕЙ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК
Семинар № 11
ТЪ работе [1] были изложены основ-
-Я-М ные направления совершенствования, в частности, рамных крепей горных выработок. В их основу был положен критерий рациональности [2] - обеспечение максимальной несущей способности конструкций крепей при минимально возможной материалоемкости. В результате проведенных исследований [1] в соответствии с этим критерием были определены следующие направления совершенствования рамных крепей горных выработок:
1. Придание рамам крепи горной выработки рационального (безмоментного) очертания или наиболее близкого к нему, что будет определяться возможностью изготовления и возведения такой крепи.
2. Представление рамных крепей горных выработок в виде пространственных систем и совершенствование в этом направлении методов их расчета на основе достижений строительной механики, механики подземных сооружений и метода конечных элементов решения данных задач на основе применения современных компьютерных программ типа АРМ ШтВШсШгеЗБ.
3. Уменьшение изгибающих моментов в поперечных сечениях перегруженных элементов рам крепи направленным перераспределением усилий посредством изменения жесткостей на изгиб элементов рам, введение в конструкцию дополнительных усиливающих элементов, варьированием типами опорных закреплений, расклинкой крепи в породный массив в расчетных местах.
4. Придание элементам рамных крепей из СВП замкнутого поперечного сечения путем объединения профильных элементов фланцами друг к другу либо замены СВП на коробчатый профиль по ГОСТ 8639-82.
5. Повышение эффективности работы рамных крепей в податливом режиме посредством совершенствования узлов податливости рам и замены их, где это нужно, на шарнирные соединения.
Рассмотрим некоторые моменты из перечисленных в возможности их влияния на несущую способность рамных крепей горных выработок при расчете по программе АРМ ШтВШсШгеЗБ.
Важным направлением увеличения несущей способности крепей при наименьшей материалоемкости является придание их очертаниям рационального (безмоментного) очертания [1].
Из строительной механики стержневых систем [2] известно, что при действии равномерно распределенной вертикальной нагрузки таким очертанием является парабола второго порядка. При выполнении рам крепей, воспринимающих такую нагрузку, их очертания целесообразно приближать к параболам второго порядка. Примером рациональности таких сводов является, например, свод предельного равновесия М.М. Прото-дьяконова [3].
Для примера влияния очертания крепи на ее несущую способность рассмотрим конструкцию полукругового очертания. Для круглого сечения крепи ее безмоментное состояние будет при действии одинаковой равномерно распределенной нагрузки по взаимно перпендикулярным направлениям.
Сравнение напряженных состояний проведем при действии равномерной вертикальной нагрузки и равномерных взаимно перпендикулярных нагрузок.
Расчетная схема программы АРМ Шт-БШсШгеЗВ показана на рис. 1.
I *- ............ ■ . ••• ■ ■ ---- >■----■ч т* г--'11 ;- 1г*иИ- тШЯ
Рис. 1. Расчетная схема крепи полукругоеого очертания
1тт Ш *т . Г*а(.~ЯШПшШЖ _ ■—
■ «Г X )1>Н' • ' ■’ ■ " ■"* 4 • ч
Рис. 4. Расчетная схема рамы крепи с горизонтальной податливостью опор
Рис. 2. Карта напряжений и деформаций в раме крепи полукругоеого очертания при действии равномерной вертикальной нагрузки
р** *1.1 11 1. ■ эра ► ь д р — - Г*» 51 4 4, о £ - ■ 1- ^ - А Т( “ . .
У п
1 = ■ ■
"
* Ир
ЫН с
Л тп э 1
- Г
п
- 1
1» *■ ■И'-гТМг-М Мх.
■ т ,■ Г - 1 А* |Р* 1 -■ * - 1 ^ ?г» ■ ■ ! ■
Рис. 3. Карта напряжений и деформаций в раме крепи полукругоеого очертания при действии равномерно распределенных взаимно перпендикулярных нагрузок
Рис. 5. Карта напряжений и деформаций в раме крепи с горизонтальной податливостью опор
Геометрические характеристики рамы крепи соответствуют спецпрофилю СВП-33, вертикальная нагрузка q = 0,5 МН/м. В программе АРМ
ШтБШсШгеЗБ нагрузка автоматически раскладывается на радиальную и касательную составляющие к контуру рамы (рис. 1). Ширина рамы равна 3 м, высота - 1,5 м. В качестве опорных закреплений приняты неподвижные шарниры. Результаты расчета в виде карты эквивалентных напряжений и деформаций в раме крепи показаны на рис. 2.
Как видно из рис. 2, наибольшие напряжения равны 240,2 МПа, что превосходит предел прочности ст. 3, равного 210 МПа. Данные напряжения расположены у опорных закреплений.
Рассмотрим такую же раму при действии равномерных нагрузок во взаимно перпендикулярных направлениях, или, что то же самое, на равномерную радиальную нагрузку. Рас-
четная схема отличается только видом нагрузки, поэтому ее не приводим. Карта напряжений и деформаций показана на рис. 3.
Наибольшие напряжения, как видно из рис. 3, равны 186,4 МПа, что существенно меньше предела прочности. Несущая способность крепи повысилась, таким образом, на 30 %.
В обоих расчетных случаях опорными закреплениями являлись неподвижные шарниры, что увеличивало напряженные состояния по сравнению с круговым очертанием крепи. Это объясняется большей податливостью диаметральных сечений при круговом очертании крепи.
Для выявления влияния типа закреплений рамы на ее напряженно-деформиро-ванное состояние дадим возможность шарнирам сдвигаться в горизонтальном направлении с определенным сопротивлением. В расчетной схеме данной программы это сопротивление задается в виде дополнительных упругих опор. Расчетная схема такой крепи показана на рис. 4.
Расчет по программе АРМ Шт81;ис1ш'е3В проводился на взаимно перпенди-кулярные
1. Воробьев А.Н Обоснование и разработка ме-
тодов расчета и совершенствования конструкций крепей горных выработок на основе теорий арочных систем и тонких оболочек. Дисс. докт. техн. наук, М., 1993.
равномерные нагрузки, что отвечает рациональности сечения крепи. Жесткость упругих опор принималась равной 2 кН/мм. Карта напряжений и деформаций в раме крепи показана на рис. 5. Наибольшие эквивалентные напряжения здесь еще уменьшились на 10 % и составили 172,5 МПа.
Таким образом, при креплении горных выработок для обеспечения их наибольшей несущей способности существенная роль принадлежит очертанию рамы крепи и типу их опорных закреплений. На примере крепи полукругового очертания показано, что изменяя эпюру нагрузки и тип опорных закреплений при той же материалоемкости крепи ее несущую способность можно увеличить до 40 %.
В работе [1] доказано, что при известных вертикальных и горизонтальных нагрузках на крепь горных выработок, рациональным очертанием крепи является эллипс с соотношением полуосей, равным корню квадратному из коэффициента бокового распора с ориентацией большей полуоси в сторону большего давления.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
2. Бурчаков Ю.И., Гнедин В.Е., Денисов В.М. Строительная механика: Учебное пособие для студентов вузов. - М.: Высшая школа, 1983.
3. Протодьяконов М.М. Давление горных пород на рудничную крепь. (теория рудничного крепления). Екатеринослав, 1907.
— Коротко об авторах
Шаймярдянов ИК - инженер, Московский государственный горный университет.
