Выбор и расчет параметров структурных схем механизированных крепей поддерживающе-оградительного типа Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

«НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА-2002» СЕМИНАР № 17

© В.П. Полежаев, Н.В. Лазуткина, 2002

УДК 622.285

В.П. Полежаев, Н.В. Лазуткина

ВЫБОР И РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ СТРУКТУРНЫХ СХЕМ МЕХАНИЗИРОВАННЫХ КРЕПЕЙ ПОДДЕРЖИВАЮЩЕ-ОГРАДИТЕЛЬНОГО ТИПА

Э

ффективность работы механизированных крепей определяется, прежде всего, соответствием их технических параметров условиям применения. Поэтому в качестве исходных принимаются параметры, характеризующие горно-геологичес-кие и горнотехнические условия эксплуатации крепи.

Существующие механизированные крепи отличаются большим разнообразием своих конструктивных параметров как по структурной схеме секции, так и по отдельным ее элементам.

Все горно-геологические и горнотехнические факторы оказывают существенное влияние на типоразмер крепи, ее конструктивные параметры, на величину нагрузки на крепи от горного давления и характер ее распределения по ширине призабойной зоны, на устойчивость крепи и эффективность ее работы в рассматриваемых условиях.

В связи с этим в качестве основных исходных параметров для проектирования крепи нами приняты:

1. Параметры пласта: ттт - минимальная вынимаемая мощность пласта, м; ттах -максимальная вынимаемая мощность пласта, м; апл - угол падения пласта, град;

2. Параметры внешней нагрузки на крепь: q - средняя удельная нагрузка на поддерживающий элемент крепи от горного давления, кН/м2; р - коэффициент концентрации нагрузки на завальном конце поддерживающего элемента крепи,

Характер распределения нагрузки на крепь - параболический.

3. Параметр прочностных свойств почвы:

qпр - предельное удельное давление на почву, МПа.

В качестве основных критериев для выбора и расчета параметров крепи приняты:

• минимизация размеров элементов секции;

• минимизация рабочего сопротивления секции, которая может быть достигнута при равенстве реакций в стойках от и с выбором ее ой внешней нагрузки на крепь Р1 = Р2, где Р1 - суммарная реакция забойных стоек секции крепи, кН; Р2 - суммарная реакция стоек завального ряда секции крепи, кН;

• типизация крепи;

• унификация элементов секции крепи.

Для выбора основных конструктивных и силовых параметров крепи разработана программа ЭВМ, алгоритм которой предусматривает ввод исходных и ограничивающих параметров, автоматический выбор и расчет конструктивных и силовых параметров, диалоговый режим работы с вводом при необходимости дополнительных исходных данных и вывод рассчитанных параметров. В качестве исходных параметров так же вводятся главный параметр крепи Нт„ (по параметрическим и типоразмерным рядам крепей) и шаг S установки секций крепи, который должен быть согласован с длиной секции забойного конвейера. Вводятся также ограничивающие параметры (рис. 1):

атт - минимальная величина зазора между забоем и верхняком (козырьком) крепи, м - принимается в пределах 0,05-0,35 м в зависимости от характера кровли и гипсометрии пласта; атах - максимальная величина зазора между забоем и верхняком, м -принимается равной допустимой ширине незакрепленной полосы кровли вдоль забоя; Ьтт - минимально допустимое расстояние между забоем и передним рядом стоек, м - принимается по габаритам добычного и транспортного забойного оборудования с учетом рабочего прохода и шага передвижки секции крепи; Ьтах - максимально допустимое расстояние между забоем и передним рядом стоек, м - зависит от устойчивости пород кровли; Стт

- минимально допустимое расстояние между осями стоек, м

- принимается конструктивно или с учетом рабочего прохода между стойками; стах - максимально допустимое значение расстояния между стойками, м - обычно стах <1.0 м, т.к. его увеличение приводит к росту габаритов крепи; dmin - минимальное значение величины завальной консоли верхняка, м

- выбирается конструктивно, исходя из условия размещения внутренних элементов верхняка, обычно dmin= 0,25...0,3 м;

Рис. 1. Схема взаимодействия крепи с кровлей

dmax - максимальное значение величины завальной консоли верхняка, м - у существующих крепей dmax= 0,7...0,8 м; атіп, атах - соответственно минимально и максимально допустимые значения отношения реакции стоек Р1 и Р2, принимаются атіп = 0,7...0,8; атах = 1,2...1,3.

Расстояние между стойками секции крепи выбирается исходя из критериев минимизации при этом принимается с = стіп и d = dmin. Затем, исходя из критерия минимизации рабочего сопротивления крепи (при Р1 = Р2) рассчитывается значение:

4P

/з = с(—— -1) + d (—!— -1)

з

з

(2)

Расчетное значение 1з сравнивается с ограничивающими значениями lзmin и 13тах.

При 1з > 1зтах принимается: 13=1зтах

При 1з < 1зтах корректируются последовательно значения d и с.

При выходе их значений на dmax и стах принимается 1з= Ътт .

Длина верхняка рассчитывается по следующей зависимости:

1в Вз amin ,

где Вз - ширина призабойной зоны: Вз = /з + с + d

(З)

(4)

Затем рассчитывается длина эпюры эквивалентной нагрузки на верхняк:

3Вз

/э =:

P

(5)

Которая проверяется по зазору атах.

При 1э < Вз - атах забойный конец верхняка не контактирует с породами кровли, что требует применения дополнительного поджимного козырька.

Если конец эпюры эквивалентной нагрузки находится между значениями ат„ и атах длина верхняка принимается: 1в = 1э •

Параметры козырька рассчитываются по отдельной подпрограмме для которой требуется ввод дополнительных параметров: 1ш - координата положения шарнира козырька относительно оси передней стойки, м - выбирается конструктивно, исходя из условия расположения шарнирного соединения; 1к - длина поджимного козырька, м - выбирается в зависимости от величины 1ш и предельных значений зазора атт и атах; Рьшп минимальное значение нагрузки на конце козырька, кН - выбирается из условия поддержания пород кровли, склонных к отслаиванию, Ркт^ =15-20 еН; Рктах- максимально возможное усилие на конце козырька из условия сохранения сплошности пород кровли по их прочностным свойствам, кН - для существующих крепей Рктах = 200 кН.

После ввода исходных параметров рассчитываются:

1в = с + d + 1ш - длина жесткой части верхняка, м 1п = 1в + 1к - длина верхняка с козырьком, м и принимается:

Рк = Рк тт (6)

Затем рассчитываются удельные давления на шарнире козырька:

q ,звз зРк

qmin =7Т(—3 - P) - k

2 /в

2luS

(7)

При qmin < 0 принимается qmin = 0 и рассчитывается длина эпюры эквивалентной нагрузки:

/э =— (В3 - Pk-)

э P 3 Sq

(8)

Выбор параметров ограждения и четырехзвенного механизма: при проектировании секции крепи необходимо обеспечивать такие кинематические связи между перекрытием, четырехзвенником и основанием, которые обеспечивали бы необходимую раздвижность гидростоек с одновременной стабильностью расстояния между забоем и козырьком перекрытия. Это достигается рациональным выбором длин и углов наклона звеньев четырехзвенника.

Целью рационального проектирования четырехзвенного механизма механизированных крепей является минимизация разности наибольшего и наименьшего отклонений от плоскости забоя козырька [1, 2]:

ЛХИ=ХЬтах-ХЬтт (9)

На рис. 2 представлена схема секции крепи с обозначением основных параметров четырехзвенника и ограждения. При этом считаем, что между стойками образован проход, а нижний шарнир передних рычагов четырехзвенника исходя из минимизации размеров, расположен на оси завальной стойки [3].

Механизированную крепь свяжем с системой координат XOY (рис. 2).

Выбор параметров четырехзвенного механизма и ограждения осуществляется с учетом следующих положений:

• минимальная и максимальная высота крепи выбира-

Рис. 2. Расчетпая схема выбора параметров четырехзвенного механизма крепи: -Хз,уз - координаты верхнего шарпира завальной траверсы, м; x4, y4 - координаты верхнего шарнира забойной траверсы, м; Hmin, Hmax - соответственно минимальная и максимальная конст-руктивпая высота крепи, м; Xh, у5 - координаты завального шарпира верхпяка, м; Xh min, Xh max - критические отклонения завального шарнира верхняка, м;

ется из параметрического ряда;

• параметры у2, ^, хш выбираются исходя из принципа минимизации параметров крепи, основываясь на конструктивных параметрах зарубежных и отечественных поддер-живающе-оградительных крепей (было проанализировано более 40 крепей). Установлено, что координата завального шарнира верхняка (^) изменяется в небольших пределах ^=150-300 мм, координаты нижнего шарнира траверсы изменяются соответственно: у2=100-300 мм и хш=400-600 мм, исходя из выше изложенного принимаем: ^=150 мм, у2=150 мм и хш=500 мм;

• параметры ограждения (1о) и траверсы (г2) находятся при максимальной конструктивной высоте секции. При этом траверса и ограждение не должны вытягиваться в линию. Запас их длины по высоте для большинства крепей составляет А И = 200-400 мм. При расчете длины ограждения (10) и траверсы (г2) нужно учитывать, что длина завальной консоли может быть как меньше координаты нижнего шарнира траверсы do < Хш, так и больше do > Хш ^ = 0, 3-0,7 рис .2), тогда соответственно: X = Хш ^0 или X = d0 -Хш.

Расстояние, соединяющее шарнир завальной консоли и нижний шарнир траверсы 1ш равен:

к

= л/а^+г2"

(10)

Таким образом запас длины ограждения (10) и траверсы (г2) равен:

А^ = 10 + г2 - 1ш (11)

Из формулы (11) и отношения г2/10 = к =0,6-0,8 находим длину ограждения и траверсы:

10 = |а^ + д/(н тах - ^1 - >”1 У + (хш - хк У ^/1 + к; (12)

'2

кл] (н тах _ А1 _ у1 'У + (хш _ ^ У

1 + к

(13)

- параметры Х2 тт, У2 тт выбираются с учетом конструктивных особенностей крепи для каждого из типоразмеров;

- длина завальной консоли верхняка хИ принимается минимальной исходя из конструктивных соображений.

Затем рассчитывается минимальный угол между почвой и задней траверсой крепи:

«тш = ^8((У3 - >1)/(х3 - хш )) (14)

Значение передней траверсы четырехзвенника находится следующим образом:

Г1 = >/(>Ч ->2 У + х4 . (15)

Текущая высота механизированной крепи у5 и отклонение завального шарнира верхняка ХИ от оси ОХ равны:

хк = х3 - /0sin(ч ф); (16)

>5 = >3 + Ь1 + 4)^( Ч ф) (17)

В процессе оптимизации при изменении параметров у2, х2 и И2 происходит изменение геометрии углов и параметров четырехзвенного механизма.

Таким образом сущность оптимизации параметров четырехзвенного механизма механизированной крепи - нахождение минимальной разности наибольшего и наименьшего отклонений завального шарнира верхняка от плоскости забоя на всем протяжении изменения конструктивной высоты крепи от Нтах до Hmin при различных комбинациях оптимизируемых параметров у2, х2, и И2, а так же нахождение соответствующих ему оптимальных величин этих параметров.

Выбор параметров основания длина основания L0 складывается из величины забойного конца хз, расстояния между стойками с и величины завального конца хн (рис. 3).

В связи с этим блок-схема алгоритма выбора параметров предусматривает вывод рассчитанных на предварительном этапе параметров и ввод дополнительных исходных параметров - рис. 3:

хзтт - минимальное значение забойного конца основания, м

- принимается из конструктивных соображений, хзтп = 0,250,3 м; Ьк - расстояние от забоя до крайней кромки кабелеук-ладчика, м - зависит от ширины забойного конвейера и его навесного оборудования; Ьп - расстояние от забоя до края проушины соединения гидроцилиндра передвижения секции с конвейером, м; А - величина допустимого зазора между основанием и проушиной конвейера после передвижки секции крепи, м; t - шаг передвижки секции, м; В0 - ширина основания, м (при катамаранной конструкции основания принимается как суммарная ширина лыж основания).

На первом этапе расчета параметров основания принимается :

х3 = х3тт; YN = Yш; Qo = Q - реакция почвы.

Затем рассчитываются длина основания:

L о = хз + с + хн координаты реакции почвы: ^ х3 + Р2с

х 01 ='

Qо

х 02 = L 0 _ х01

к = х 01/

102

(18)

(19)

(20) (21)

В зависимости от координат реакции почвы осуществляется выбор типа эпюры контактных давлений осно-

Рис. 3. Схема взаимодействия основания крепи с почвой

вания на почву и рассчитываются минимальные и максимальные давления на почву.

Рассчитанные максимальные значения удельных давлений на почву сравниваются с предельным значением qnp по почве.

При qomax > qпр корректируется длина основания за счет консолей хз или хн в зависимости от того, на каком конце основания наблюдаются максимальные удельные давления на почву.

При корректировке величины хн ограничений нет и длина основания может быть увеличена в сторону завала до выполнения условия:

Ч 0тах < Чпр (22)

При корректировке забойного конца сначала рассчитывается максимальное значение забойной консоли:

х3тах = 13 - Ьп - Д- 1

(23)

Если при достижении забойной консоли максимального значения условие (22) не выполняется, то увеличивать длину основания в сторону забоя можно только путем корректировки расстояния 1з или путем подъема конвейера над почвой.

Рабочее сопротивление крепи: после расчета параметров основания выводятся все рассчитываемые и выбираемые параметры крепи исходя из которых производится силовой расчет крепи: рассчитываются реакции в стойках и их отношение а:

Р = £ {у (81п - 51в) + чВ (5/в - 8*0-Р- 1В 21; (24)

Р2 = qB3S - Рц

(25)

а = -

(26)

2

При а > а тах возможна корректировка параметров с и d .

При а < а тах возможна корректировка усилия Рк до значения Рктах.

По наибольшей реакции выбирается рабочее сопротивление Рс стойки, как ближайшее большее значение из нормального ряда значений рабочего сопротивления стоек.

Рабочее сопротивление секции крепи:

Qc = Р , (27)

ааа z - число стоек в секции крепи.

Удельное рабочее сопротивление крепи определяется следующим образом:

Яс _ Qc

Чс =

п

BзS

(28)

где Fп - площадь поддерживаемой кровли над рабочим пространством, м2.

Таким образом разработанная методика выбора и расчета основных параметров структурной схемы поддерживаю-ще-оградительных крепей позволяет установить расстояние между стойками, длину верхняка и параметры поджимного козырька, выбрать длину ограждения и основания, а так же оптимизировать параметры четырехзвенного механизма и рассчитать рабочее сопротивление крепи, с точки зрения минимизации размеров крепи, ее рабочего сопротивления и разности наибольшего и наименьшего отклонений козырька от плоскости забоя для заданных горно-геологических условий.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Коровкин Ю.А. Механизированные крепи очистных забоев. - М.: Недра, 1990.-413 с.

2. Хорин В.З. Расчет и конструирование механизированных крепей. -М.: Недра, 1988.-255 с.

3. Полежаев В.П., Женилова Н.В. Выбор и обоснование конструктивных параметров четырехзвенного механизма механизированных крепей //1-я международная научно-практи-ческая конференция «Технологичес-кие проблемы

разработки месторождений минерального сырья в сложных геотехнологических условиях». 25-28 сентября 2000 г. Тезисы докладов / Под. общ. ред. Сарычева; Тул. гос. ун-т. - Тула, изд. ТулГУ, 2000. - 93 с.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ---------------------------------------------------

Полежаев В.П., Лазуткина Н.В. — Тульский государственный технический университет.