Адаптивне кріплення зі стяжкою

1. Адаптивне кріплення зі стяжкою, яке складається з окремих арок із спецпрофілю, до складу яких входять верхняк і стійки, що з'єднані внапуск вузлами піддатливості, та гнучких стяжок із металевого каната, які встановлюють у підошві виробки й закріплюють на стійках, яке відрізняється тим, що стійки кріплення шарнірно опираються на опорні башмаки з розвантажуючими консолями, співвідношення довжин яких залежить від відношення бокового та вертикального тиску, котрі прикріплені анкерами до підошви виробки з можливістю переміщення стійок між упорами у поперечному напрямку для створення в арці за рахунок попереднього розпору стяжки й здимання підошви виробки напружень, що протидіють зусиллям від гірського тиску, при цьому гнучку регулювальну стяжку із металевого каната, яка контактує з підошвою виробки і створює механічний опір переміщенням U 2 (19) 1 3 накладок з канавками під тяги [А.С. СССР № 648736, МПК Е21D11/15, опубл. 25.02.79. Бюл. №7]. Недоліком цієї конструкції кріплення є те, що за допомогою такої стяжки можливо управління зусиллями лише у верхняку металевого кріплення, яке не запобігає здиманню порід підошви виробки. Відомий також верхняк для підтримки шахтної покрівлі, який включає гнучкий елемент з опорними кронштейнами під анкера [А.С. СССР №373421, МПК Е21D17/00, Е21D21/00, опубл. 12.03.73. Бюл. №14]. Такий пристрій забезпечує попереднє натягнення підхвату, щільно притискує його до покрівлі виробки і утворює в породах покрівлі стискаючі напруження, що дозволяє значно підвищити стійкість виробки, які закріплені анкерним кріпленням. Відомі також тунельне оброблення, яке складається з залізобетонних блоків, обхоплених арматурними бандажами [А.С. СССР №123181, МПК Е21D11/08, опубл. в 1959. Бюл. №20], та кільцеве жорстке кріплення гірничих виробок, яке складається з окремих сегментів із жолобчатого профілю, обхоплених по периметру натягнутим гнучким елементом (канатом), що покладений у жолоб спецпрофілю з боку масиву гірських порід, кінці якого перехрещені у нижній частині кріплення та жорстко закріплені за межами зони інтенсивної тріщинуватості [А.С. СССР №1361334, МПК E21D11/14, опубл. 23.12.87. Бюл. №47] Незважаючи на те, що лежень цих конструкцій підсилений гнучкою шпренгельною тягою, застосувати такі кріплення для боротьби зі здиманням підошви виробки неможливо, бо вони є жорсткими. Відомий також патент США №2192554 від 5.03.40 p., де залізобетонний верхняк посилено гнучкою тягою аналогічно вказаному вище. В патентах Англії №1151468, США №№3505824, 3601994 і 3509726 та Польщі №46904 наведені засоби підтримки покрівлі підземних виробок шляхом підвищення їх несучої здатності за допомогою гнучких тяг з прокладками і надані варіанти конструкцій закріплення кінцівок цих тяг у породах. Таким чином, широко відомо, що застосування металевих жорстких і гнучких тяг для кріплення підземних виробок сприяє підвищенню несучої здатності як самого кріплення виробок, так і масиву порід, що вміщує виробку. Але, що стосується запобігання здиманню порід підошви виробки, особливо у зоні впливу очисних робіт, наведені кріплення не працездатні. Відомі у практиці кріплення підземних виробок приклади застосування гнучких повздовжніх тяг (канатів). Таке, наприклад кріплення гірничих виробок [А.С. СССР №1703824, МПК Е21D11/14, опубл. 07.01.92. Бюл. №1], яке включає рами, встановлені через інтервали упродовж похилої виробки. Для забезпечення стійкості кріплення і для запобігання сповзанню рам в умовах значних зміщень порід кріплення оснащене канатом, натягненим у покрівлі уздовж виробки і жорстко з'єднаним з кожним верхняком, кінці якого закріплені у незруйнованому масиві порід. До таких технічних рішень належить також шахтне кріплення [А.С. СССР №160310, МПК Е21D11/36, 19/04 опубл. 63549 4 30.11.88. Бюл. №40], у якому сегменти кріплення мають отвори у місцях їх шарнірного з'єднання, через які уздовж виробки протягнуті канати, що виконують роль шарнірів. Всі викладені вище технічні рішення не розв'язують питання посилення конструкції кріплення у зоні впливу очисних робіт і запобігання здиманню порід підошви виробок. Найбільш близьким до корисної моделі за технічною суттю та результатом що досягається, є кріплення виїмкових виробок, до складу якого входять металева піддатлива арка, що складається із верхняка та двох стояків, й гнучкого лежня із суцільного відрізка металевого каната, який встановлюють у підошві виробки з початковим натягом і закріплюють у вигляді двох гілок на стійках за допомогою хомутів, планок та гайок, при цьому обидва кінці каната виводяться з протилежного лаві боку виробки і закріплюють за допомогою планок, шпильок та гайок [Негрій С.Г. Обґрунтування параметрів механічного опору породам підошви виїмкових виробок при відпрацюванні лав зворотним ходом: автореф. дис. канд. техн. наук: 05.15.12. захищена 12.04.07 /Негрій Сергій Григорович; ДВНЗ "Донецький національний технічний університет". - Донецьк, 2007]. Таке кріплення призначене для протидії видавлюванню порід підошви виробки, але недоліком цього кріплення є незначний опір здиманню порід підошви, відсутність піддатливості канатів і контролю за їх натягуванням у процесі експлуатації, можливість вдавлювання стояків у м'які породи підошви і, внаслідок цього, пересування хомутів для закріплення канатів догори по стояках. Технічною задачею винаходу є створення такого кріплення гірничих виробок, яке за рахунок встановлення піддатливої стяжки на рівні підошви виробки було б спроможне запобігти здиманню порід та забезпечити управління зусиллями під час експлуатації виробки, а за рахунок застосування закріплених анкерами башмаків із розвантажувальними консолями, створити у арці внутрішні зусилля у напряму, протилежному дії сил гірського тиску. Це дозволить управляти станом виробки під час її експлуатації шляхом адаптації параметрів кріплення до змінних гірничогеологічних та гірничотехнічних умов, а також дасть змогу одночасно знизити витрати матеріалів на кріплення виробок і підвищити їх надійність. Поставлена задача вирішується тим, що адаптивне кріплення зі стяжкою, яке складається з окремих арок із спецпрофілю, до складу яких входять верхняк і стійки, що з'єднані внапуск вузлами піддатливості, та гнучких стяжок із металевого каната, які встановлюють у підошві виробки й закріплюють на стійках, згідно з винаходом, має стійки, які шарнірно опираються на опорні башмаки з розвантажувальними консолями, співвідношення довжин яких залежить від відношення бокового та вертикального тиску, котрі прикріплюють анкерами до підошви виробки з можливістю переміщення стійок між упорами у поперечному напрямку для створення у арці за рахунок попереднього розпору стяжки й здимання підошви виробки напружень, що протидіють зусиллям від гірського тиску, при 5 цьому гнучку регулювальну стяжку із металевого каната, яка контактує із підошвою виробки і створює механічний опір переміщенням порід підошви, оснащують вузлами піддатливості, що з'єднують дві тяги стяжки між собою, й закріплюють на опорних башмаках і стійках без можливості пересування по арці під час здимання підошви. Крім того, згідно з корисною моделлю, регулювальна стяжка на опорних башмаках закріплена за допомогою опорної плитки анкера, що приварена до полок спецпрофілю стійки в місці опору на башмак і має отвори для пропуску канатів. Крім того, згідно з корисною моделлю, опорний башмак з розвантажувальними консолями виготовлений із швелера та оснащений у місці контакту з торцем стійки арки привареними упорами у вигляді відрізків спецпрофілю й ребром жорсткості у місті контакту з зовнішньою поверхнею днища спецпрофілю. Крім того, згідно з корисною моделлю, анкер для фіксації башмака і стяжки розміщують під кутом до поверхні підошви виробки в межах діапазону змінювання напрямку рівнодіючої сили від натягнення гілок каната при випиранні порід підошви. Адаптивне кріплення зі стяжкою пояснюється за допомогою креслень, де на фіг. 1, як приклад, наведений загальний вид кріплення після його монтажу, на фіг. 2 - теж після здимання порід підошви, на фіг. 3 - вид зверху на регулювальну стяжку, на фіг. 4 - вузол опорного башмака з розвантажувальною консоллю усередину виробки. Арка кріплення виготовлена із шахтного спеціального профілю і складається з верхняка 1 і двох бічних стійок 2, що з'єднані вузлами піддатливості 3, котрі включають до свого складу укорочені скоби 4, фігурні планки 5 та затискні гайки 6. Окремі арки кріплення між собою для надання подовжньої стійкості з'єднані трьома міжрамними розпірками 7 із прокатних кутів, що прикріплені до стійок 2 і верхняка 1 за допомогою скоб 8, планок 9 та гайок 10. Міжрамний простір перекривається затяжками 11, які можуть бути дерев'яними, залізобетонними та металевими ґратчастими або сітчастими. Простір між породним контуром 12 виробки і затяжками 11 кріплення заповнюється роздробленою породою 13 або тампонажними розчинами. Для запобігання вдавлюванню спецпрофілю стійок 2 у м'які породи підошви виробки, забезпечення ексцентричного передавання пасивної реакції опору порід підошви на стійки 2, управління розподілом напружень у арці та закріплення регулювальної стяжки 14 кріплення додатково оснащене опорним башмаком 15. До складу опорного башмака 15 входять опорна плита 16 із швелера, який має еліптичний отвір під анкер 17 і встановлений полками вгору, утворюючи напрямлений жолоб у місці шарнірного контакту зі стійкою 2 і формуючи відносно торця стійки 2 розвантажувальну консоль, спрямовану до середини виробки; зовнішній 18 та внутрішній 19 упори, що виготовлені із відрізків спецпрофілю і розміщені усередині швелера для фіксації крайніх положень стійки 2 при її переміщенні під дією натягнення стяжки 14; ребро жорсткості 20, приварене до швелера опорної плити 16 і внутрішнього упора 19 в місці контакту башмака 15 з зовнішньою поверхнею днища 63549 6 спецпрофілю стійки 2; опорної плитки 21 анкера 17, яка складається з двох накладок 22 і 23 із канавками під канати, та шайби 24 і гайки 25. За рахунок консолі реактивний тиск порід підошви прикладений до стійки 2 з ексцентриситетом є, що дозволяє сформувати у арці згинальний момент, протилежний моменту дії гірського тиску. При цьому напрямок розташування консолі і її розмір залежать від співвідношення сил бокового і вертикального гірського тиску на арку. Регулювальна стяжка 14 для управління розподілом напружень у арці і утворення механічного опору породам підошви виробки під час їх випирання складається із двох гілок каната, які закріпленні за допомогою планки 26, що приварена ззовні до стійки 2, по обидва боки спецпрофілю, розпірки 27 та вузлів 28 піддатливості, що складаються із двох накладок 29 і 30 з канавками під канати, між якими за допомогою болта 31 затиснуті спряжені тяги стяжки 14. Після пропускання гілок каната через отвори у планці 26, закріплення за допомогою накладок 22 і 23 опорної плитки 21 анкера 17 й затягування гайки 25 тяги стяжки 14 попарно з'єднують між собою вузлами піддатливості 28. Натягнення каната стяжки 14 забезпечується гідроциліндром 32 з манометром для реєстрації зусилля, після чого між гілками каната встановлюється розпірка 27, а гідроциліндр 32 демонтується. Потрібне зусилля натягнення стяжки 14 регулюється шляхом зміни сил натиснення тяг у вузлі піддатливості 28. Анкер 17 для фіксації башмака 15 і стяжки 14 розміщують у шпурі 33 під кутом до поверхні підошви виробки таким чином, щоб він розташовувався у межах діапазону змінювання напрямку рівнодіючої сили 34 від натягнення каната з зафіксованим та змінним кутом нахилу при випиранні порід підошви. Після монтажу гнучкої регулювальної стяжки 14, вона контактує з підошвою виробки і створює розпірне зусилля на стійці 2 та механічний опір переміщенням порід підошви. Фіксований кут нахилу каната  регулюється за рахунок змінювання висоти його закріплення на стійці 2 та відстані до місця закріплення каната на башмаці 15, а мінливий кут нахилу  залежить від величини зміщення порід підошви виробки. Під час здимання підошви сила натягнення канату зростає, нижня частина стійки 2 переміщується усередину виробки, до самого упора 19, а арка кріплення в цілому вигинається і переміщується у напрямку попереднього контуру 12, ущільнюючи матеріал забутівки 13 і утворюючи додатковий опір зміщенням порід. У результаті зустрічних зміщень масиву порід і елементів арки та збільшення їх контакту в роботу системи «кріплення - масив» включається у більшій мірі опірність самих гірських порід, а у арці за рахунок дії стяжки 14 формуються напруження, протилежні за напрямком зусиллям від гірського тиску. Тим самим, зміщення порід підошви виробки відіграють позитивну роль, тобто гнучка регулювальна стяжка 14 перерозподіляє зусилля таким чином, щоб складова гірського тиску з боку підошви виробки протидіяла тиску порід навколо усієї арки. Якщо діюче у стяжці 14 зусилля досягне граничної величини, то вузол піддатливо 7 сті 28 спрацьовує. Таким чином, стяжка 14 постійно завантажена зусиллям, яке потрібне для перерозподілу напружень у арці. При спрацюванні вузлів піддатливості 3, що з'єднують верхняк 1 і бокові стійки 2, розпір арки можливо повторити шляхом застосування гідроциліндра 32, або шляхом збільшення довжини розпірки. Теж саме можна зробити і після підривання підошви, якщо зміщення порід будуть перевищувати допустиму величину. Створюючи за рахунок стяжки 14 механічний опір породам підошви, зруйнованим внаслідок геомеханічних процесів, тим самим змінюються їх 63549 8 деформаційні і міцнісні параметри (коефіцієнт розпушування, кут внутрішнього тертя, залишкова міцність, модуль деформації та інші), що дозволяє максимально використовувати власну несучу здатність масиву порід, що вміщують виробку. Тим самим, завдяки запропонованому кріпленню сили гірського тиску діють самі проти себе. Більш того, таке адаптивне кріплення спроможне пристосовуватися до проявів гірського тиску, утікаючи від підвищення навантажень, перерозподіляючи їх у раціональний спосіб, прямуючи, таким чином, до рівноважного стану з масивом гірських порід, що вміщує виробку. 9 Комп’ютерна верстка Мацело В. 63549 Підписне 10 Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601