Арочне податливе кріплення гірничої виробки

Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для крепления горных выработок в различных и, особенно сложных горно-геологических условиях. Известна арочная податливая крепь горной выработки, содержащая стойки с прямолинейными нижними частями, расположенными под углом к вертикальной оси крепи, и криволинейными верхними частями, а также соединенный с ними податливыми узлами крепления арочный верхняк. Угол наклона криволинейных верхних частей стоек к вертикальной оси крепи в местах их крепления к верхняку равен где Uk - деформация пород кровли, м; Uб- деформация пород в боках выработки, м. Угол наклона прямолинейных нижних частей стоек к вертикальной оси крепи равен Прямолинейные нижние части стоек выполнены с удлиненными концами, длина которых равна где Un - деформация пород почвы, м. Однако в известной крепи геометрия стоек, т.е. кривизна верхних частей и угол наклона нижних прямолинейных частей не в полной мере реализуют грузонесущую способность спецпрофиля, что не обеспечивает высокую устойчивость крепи. Кроме того, в особенно слабых породах (s = 20 кг/см2) в шахтах Западного Донбасса наблюдается явление внедрения стоек крепи в почву, что не учтено при выборе величины удлинения нижних частей стоек, а в результате не обеспечиваются технологические зазоры при эксплуатации. В основу изобретения поставлена задача оптимизировать геометрическую форму стоек так, чтобы максимально реализовать грузонесущую способность спецпрофиля стойки и обеспечить необходимые технологические зазоры при эксплуатации крепи в различных горно-геологических условиях, Поставленная задача решается тем, что в арочной податливой крепи горной выработки, содержащей стойки с прямолинейными нижними частями, расположенными под углом к вертикальной оси крепи, и криволинейными верхними частями, а также соединенный с ними податливыми узлами крепления арочный верхняк, согласно изобретению радиус криволинейных верхних частей стоек равен где К - коэффициент пропорциональности, К = 0,9-1,1; - коэффициент кривизны стойки, RB - радиус верхняка, мм. Угол наклона прямолинейных нижних частей стоек к вертикальной оси крепи равен: а длина прямолинейных нижних частей стоек равна: где К - коэффициент, учитывающий сложность условий эксплуатации крепи; Lo - расчетная номинальная длина прямолинейной нижней части стойки типовой крепи, мм. Признаки, характеризующие изобретение, в совокупности достаточны для обеспечения работоспособности и достижения поставленной задачи, а каждый в отдельности необходим для идентификации и отличия заявляемой крепи от известных в технике, что свидетельствует о существенности приведенных признаков. Новая совокупность признаков за счет усовершенствования геометрической формы и соотношения размеров стоек позволяет в зависимости от горно-геологических условий оптимизировать ее геометрические характеристики и обеспечить высокую грузонесущую способность, устойчивость и необходимые технологические зазоры как для устойчивых так и неустойчивых пород. Формулы (4, 5, 6) определены экспериментально, целесообразность их применения подтверждена опытными образцами. Выбор значения коэффициента пропорциональности в формуле (4) в пределах К = 0,9-1,1 является оптимальным и подтвержден опытным путем. Выбор значения коэффициента К 1,1 также нецелесообразен, поскольку в этом случае это приводит к увеличению радиуса верхних частей стоек и снижает сопротивления крепи боковому горному давлению. Значение коэффициента кривизны стойки в формуле (4) Q = V1,618 определено опытным путем. Так установлено, что рациональное построение конструкции крепи КЩПУ достигается при соблюдении отношения между радиусами стойки и верхняка, определяемым законом пропорциональных отношений (правило золотого сечения) и равном в среднем V1.618. В этом случае наблюдается наиболее равномерное распределение нагрузок по периметру при обеспечении минимальной металлоемкости крепи. Выбор значения наклона прямолинейных нижних частей стоек к вертикальной оси крепи по формуле (5) в пределах /3=7-11° является оптимальным для данной конструкции крепи и определен опытным путем. В этом диапазоне β обеспечивается равномерное распределение нагрузок бакового горного давления при обеспечении необходимого проходного сечения выработки. При значении β 11° увеличиваются габариты крепи, что приводит к неоправданному увеличению металлоемкости крепи при незначительном повышении ее устойчивости. Выбор длины прямолинейных нижних частей стоек по формуле (6) определен на основании экспериментальных данных. Выбор диапазона значений коэффициента в формуле (6) К = 1,2-1,5 является оптимальным при определении длины прямолинейных нижних частей стоек L в сопоставлении с расчетной номинальной длиной этих частей типовой крепи Lo и учитывает два основных фактора. Во-первых, величину деформации пород почвы и величину внедрения стоек крепи в почву под нагрузкой, которая зависит от сложности горно-геологических условий эксплуатации крепи. Во-вторых учтенный процесс внедрения стоек крепи в почву позволяет расширить диапазон податливости крепи, т.е. диапазон работоспособности крепи в податливом режиме. Выбор значения коэффициента К 1,5 нецелесообразен, поскольку это приводит к неоправданному увеличению металлоемкости крепи и трудоемкости ее возведения. Изобретение поясняется чертежом, на котором изображен общий вид заявляемой арочной податливой крепи горной выработки. Арочная податливая крепь горной выработки содержит стойки 1 с прямолинейными нижними частями 2, расположенными под углом β к вертикальной оси крепи, и криволинейными верхними частями 3, а также соединенный с ними податливыми узлами крепления 4 арочный верхняк 5. Радиус криволинейных верхних частей 3 стоек 1 равен Rc = K-Q-RB, (4) где К - коэффициент пропорциональности, К = 0,9- 1,1; Q - коэффициент кривизны стойки 1. Q = V1,618; RB - радиус верхняка 5, мм. Угол наклона прямолинейных нижних частей 2 стоек 1 к вертикальной оси крепи равен: /3=7-11°. (5) Длина прямолинейных нижних частей 2 стоек 1 равна: L-K-U, (6) где К - коэффициент, учитывающий сложность условий эксплуатации крепи К= 1,2-1.5; Lo - расчетная номинальная длина прямолинейной нижней части стойки типовой крепи, мм. Крепь возводят следующим образом. После осмотра забоя и сборки породы по периметру выработки производят расчистку места для установки стоек 1. Стойки 1 устанавливают поочередно либо в лунки, либо на опорные плиты и скрепляют межрамными стяжками с ранее установленной смежной рамой. Положение стоек 1 на опорной плите фиксируют упорами. Затем в заданном положении на стойках 1 монтируют арочный верхняк 5, который соединяют податливыми узлами крепления 4 с криволинейными верхними частями 3 стоек 1 с проектной величиной нахлестки 400 мм. При монтаже стойки 1 устанавливают так, чтобы угол наклона прямолинейных нижних частей 2 к вертикальной оси крепи составлял β= 7-11°. Затем вновь установленный верхняк 5 по верхней части свода соединяют межрамной стяжкой с верхняком ранее установленной смежной рамы, производят затяжку боков и кровли с одновременным заполнением пустот. Крепь работает следующим образом. В процессе образования вокруг горной выработки неупругих деформаций происходит всестороннее обжатие крепи нарушенными породами, частичное вдавливание крепи в почву и поднятие (деформация, пучение) почвы на определенную величину. За счет отпора крепи на некоторое время наступает равновесие в системе крепьгорный массив. При этом стойки 1 крепи со стороны горного массива испытывают давление породы, которое воздействует на ее криволинейные верхние части 3 и прямолинейные нижние части 2 и стремится сместить стойки 1 внутрь. Удерживаются стойки 1 от смещения за счет противодействующей силы от распора наклонно расположенных прямолинейных нижних частей 2 стоек. Выбор радиуса кривизны Rc криволинейных верхних частей 3 стоек 1 по формуле (4), определенной экспериментально с учетом закона пропорциональных отношений (правило золотого сечения) обеспечивает наиболее равномерное распределение нагрузки на криволинейной верхней части 3 стойки 1 при минимальной металлоемкости крепи. Кроме того, при ослаблении податливых узлов крепления 4 за счет разных радиусов верхняка 5 и криволинейных верхних частей 3 стоек, предотвращается взаимное скольжение их в месте соединения внахлестку и потеря устойчивости крепи. Выбор угла наклона прямолинейных нижних частей 2 стоек 1 к вертикальной оси крепи по формуле (5) в пределах β = 7-11° является оптимальным для данной конструкции крепи и определен экспериментальным путем. В этом диапазоне угол β обеспечивает равномерное распределение нагрузок бокового горного давления, повышенную устойчивость стоек 1 при обеспечении необходимого проходного сечения выработки. Выбор длины прямолинейных нижних частей 2 стоек 1 по формуле (6) основывается на экспериментальных данных на базе расчетной номинальной длины Lo прямолинейных нижних частей стоек типовой крепи с учетом коэффициента К, учитывающего сложность условий эксплуатации крепи и увеличивающего длину стойки в 1,2-1,5 раза. Это позволяет в зависимости от сложности горно-геологических условий эксплуатации выработки для устойчивых пород для пород средней устойчивости и для неустойчивых пород устанавливать удлиненную в 1,2-1,5 раза стойку для того, чтобы при пучении почвы и внедрении стоек в почву обеспечить достаточную технологическую высоту проходного сечения выработки, где γ - объемный вес породы, т/м3, Η - глубина расположения выработки, м,· s - предел прочности пород на сжатие, т/м2,· Un - вертикальная деформация почвы выработки, мм. Таким образом величины пучения пород почвы и внедрения стоек в почву компенсируются с запасом удлинения прямолинейных нижних частей стоек 1 в 1,2-1,5 раза по сравнению с типовой крепью. Дальнейшее увеличение давления горных пород на крепь воспринимается за счет податливости узлов крепления 4 до момента перехода крепи из податливого режима в жесткий режим работы.