Рамне зміцнене кріплення

Изобретение относится к горному делу и мЬжет быть использовано при креплении горных выработок в процессе их сооружения и эксплуатации Цель изобретения снижение материалоемкости и трудоемкостии возведения крепи за счет повышения ее равнопрочности и упрощения элемента усиления Для этого оснащают элемент двумя опорными вставками 9 которые устанавливают между прикрепленным посредством соединительных узлов к боковым стойкам верхня ком 2 и отрезком спецпрофиля (СП) 4 Вставки 9 делят СП 4 на равные по длине части К верхняку 2 СП 4 прикреплен с помощью скоб 5 планок 6 и натяжных гаек 7 Кромки СП 4 совмещены с участками нулевых изгибающих моментов в крепи. Между гайками 7 и планками 6 размещены оттарированные на усипме N предварительного н а п р я ж е н и я к р е п и р а з р е з н ы е пружинные шайбы 8 В процессе монтажа с помощью элемента усиления путем затяжки гаек 7 и сжатия пружинных шайб 8 в раме крепи создается предварительное напряжение N = 3WRI 1 где W - осевой момент сопротивления сечения верхняка 2, см , R расчетное сопротивление на изгиб материала верхняка, кг/см , I - длина отрезка СП, см. которое приводит к образованию по всему периметру крепи разгружающих моментов и повышению ее несущей способности 1 з п ф-лы 6 ил. Фиг. 2 1714150 Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при креплении горных выработок в процессе их сооружения и эксплуатации Известны конструкции рамной крепи 5 горных выработок, состоящие из верхняка, соединенного с боковыми стойками в виде арки. Рамы устанавливают в горных выработках на расстоянии 0,5-1,2 м одна от другой и перекрывают затяжкой. 10 Недостатком известных конструкций рамной крепи является значительная их неравнопрочность при работе в условиях неравномерных нагрузок со стороны массива горных пород Это обусловлено т§м, что эле- 15 менты конструкции крепи выполнены с одинаковым поперечным сечением, а при действии неравномерных нагрузок грузонесущая способность крепи исчерпывается на одном участке с наибольшими действующи- 20 ми напряжениями, тогда как остальная большая часть конструкции оказывается недогруженной. Следовательно, грузонесущая способность крепи предопределена работоспособностью лишь одного участка, 25 что приводит к нерациональному расходу материала крепи на малозэгруженных элементах крепи. Известна рамная крепь, включающая верхняк из прямолинейного элемента и ар- 30 матурных стержней в виде шпренгелей. За счет натяжения шлренгелей создают предварительное натяжение верхнчка Недостатки этой крепи - сложность создания и дозировки предварительного на- 35 пряжения верхи яка, что требует проведения этих работ на поверхности, невозможность установки шпренгелей со стержнями и их натяжения нэ уже установленной в выработке крепи, неравномер- 40 ность натяжения различных ветвей напрягающих элементов Это снижает эффективность усиления, приводит к повышению расхода материалов Известна также рамная арочная крепь 45 из спецпрофиля, верхняк которой усилен напрягающей стяжкой, состоящей из двух ветвей и закрепленной с помощью скоб по обесторсны верхняка Недостатками этой конструкции явля- 50 ются сложность монтажа и осуществления предварительного напряжения крепи, загромождение поперечного сечения выработки, невозможность применения в выработках с электровозной контактной от- 55 каткой высокая трудоемкость и недостэточная эффективность усиления крепи, ненадежность работы стяжки в условиях агрессивной и влажной среды. Наиболее близкой к предлагаемой является рамная крепь из спецпрофиля, которая снабжена элементом усиления, выполненным из отрезка желобчатого профиля, прикрепленного к верхняку винтовыми струбцинами, причем для создания предварительного напряжения на заданном участке крепи элемент усиления выполнен с кривизной, отличной от кривизны усиливаемого участка Недостатками такой конструкции крепи являются техническая сложность точного придания необходимой кривизны усиливающему элементу для обеспечения предварительного напряжения крепи, причем оказывается, что даже незначительная деформация верхняка в процессе его монтажа или эксплуатации крепи делает принципиально невозможным предугадать требуемую кривизну элемента усилия. Это значительно снижает эффективность усиления крепи и увеличивает тем самым ее материалоемкость Кроме того, такое усилие крепи сложно по конструкции из-за большого числа деталей входящих в элемент усилия, и трудоемко при монтаже Целью изобретения является снижение материалоемкости и трудоемкости возведения крепи за счет повышения ее равнопрочности и упрощения элемента усиления Указанная цель достигается тем, что известная конструкция рамной усиленной крепи, содержащая стойки и верхняк с прикрепленным к нему скобами предварительно напряженным элементом усиления, снабжена двумя опорными вставками, установленными между верхняком и элементом усиления, концы которого совмещены с участками нулевых изгибающих моментов крепи. Элемент усиления разделен по длине опорными вставками на равные части и подвергнут предварительному напряжению после монтажа рамы крепи, а его центр смещен от оси крепи на угол равный углу падения пород Кроме того с целью контроля предварительного напряжения крепи скобы, прикрепляющие элемент усиления к верхняку, снабжены разрезными пружинными шайбами, установленными под натяжные гайки на скобах и оттарированными на усилие предварительного напряжения крепи, которое определяют по формуле N-3WRI' 1 где W - осевой момент сопротивления веруняка, см ; R - расчетное сопротивление материала верхняка на изгиб, кг/см • ! - длина элемента усиления, см. 1714150 На фиг 1 показана рамная усиленная крепь, общий вид; на фиг. 2 - узел Іна фиг. 1; нафиг 3-сечение А-А на фиг 2: на фиг. *% - эпюра моментов от внешней нагрузки на крепь; на фиг. 5 - эпюра разгружающих 5 моментов в крепи от предварительного напряжения элемента усиления; нэ фиг б суммарная результирующая эпюра моментов при эксплуатации крепи. Рамная усиленная крепь содержит 10 стойки 1 и верхняк 2,прикрепленный к ним соединительным узлом 3. К верхняку 2 прикреплен элемент 4 усиления, выполненный в виде отрезка спецпрофиля с помощью скоб 5V планок б и натяжных гаек 7. Между 15 последними установлены разрезные пружинные шайбы 8. Верхняк 2 и элемент 4 усиления взаимодействуют друг с другом через размещенные между ними две опорные вставки 9, например, из стальной поло- 20 сы, которые разделяют элемент 4 усиления подлине на три равные части. С помощью элемента 4 усиления рама крепи после ее установки в выработке предварительно напряжена усилием, приложенным к скобам 5 25 и определяемым по формуле 1 N-3WRI" , где W - осевой момент сопротивления сече- 30 ния- верхняка 2; R - расчетное сопротивление материала верхнякз 2 на изгиб; I - длина элемента 4 усиления Длина элемента 4 усиления равна рас- 35 стоянию между участками крепи с нулевыми изгибающими моментами, где он и установлен. 8 штреках центр элемента 4 усиления смещен от оси крепи на угол, равный углу падения о пород (при их пологом залега- 40 нии). Рамная усиленная крепь работает следующим образом. В горной выработке устанавливают раму крепи, состоящую от стоек 1 и верхняка 45 2 На основании прогнозируемых параметров проявлений горного давления (интенсивность и направление действия внешней нагрузки q на крепь) определяют эпюру моментов, возникающих в раме крепи от дав- 50 ления горных пород, по которой определяют расположение протяженности и степень загруженности наиболее напряженных элементов и участков крепи В конструкции крепи имеется наиболее 55 нагруженный участок крепи с максимальным моментом Mi и менее нагруженные участки с экстремумами моментов №і и Мз другого знака. Несущая способность крепи зависит от действующих изгибающих мо ментов, так как роль нормальных и поперечных сил не превышает 5-10%. Поэтому усиление рамной крепи преследует цель снижения изгибающих моментов и увеличение осевого момента сопротивления сечения элементов во всей или на части конструкции. Из эпюры моментов (фиг. 4) определяют место установки и требуемую длину элемента 4 усиления, равную расстоянию между участками крепи с нулевыми изгибающими моментами, возникающими при смене знака эпюры моментов вдоль крепи. Элемент 4 усиления требуемой длины с помощью скоб 5, планок 6 и гаек 7 прикрепляют к верхняку 2, разместив между ними две опорные вставки 9 так, чтобы элемент 4 усиления был разделен по длине на три равные части. С помощью натяжных гаек 7 и размещенных под ними разрезных пружинных шайб 8 создают предварительное напряжение во всей конструкции крепи. Пружинные шайбы оттарированы на усилие предварительного напряжения, определяемое по формуле N-3WRI" 1 , где W - осевой момент сопротивления сечения верхняка 2; R - расчетное сопротивление материала верхняка 2 на изгибе; I - длина элемента усиления Затяжку гаек 7 производят до полного сжатия разрезных пружинных шайб 8. Усилия напряжения N (фиг. 5) передаются на верхняк 2 через скобы 5 и опорные вставки 9. Это приводит из-за статической неопределенности конструкции крепи к образованию эпюры разгружающих моментов по всему ее периметру Разгружающие моменты противоположны по знаку моментам от внешней нагрузки, возникающим при эксплуатации крепи. В результате наложения этих эпюр результирующие моменты значительно уменьшены, что позволяет увеличить несущую способность конструкции крепи и снизить ее материалоемкость. Благодаря установке между верхняком 2 и элементом 4 усиления опорных вставок 9 появляется возможность усиливать крепь в процессе ее эксплуатации, даже в случае некоторой деформации верхняка 2, обеспечивая заданную величину и распределение напрягающих усилий N и формируя строго определенную эпюру разгружающих моментов предварительного напряжения Две опорные вставки 9 позволяют добиться наиболее оптимальной компенсации эпюры эксплуатационных моментов на участке ус 1714150 ке элемента А усиления его центр следует • сместить от вертикальной оси крепи йа угол, равный углу падения пород. Длину элемента усиления в этом случае следует принять рав5 ной половине длины верхняка 2. Тем самым достигается усиление наиболее нагруженного участка рамной крепи, что способствует повышению ее несущеі". способности. Усилие N предварительного нэпряже10 иия определяется из условия создания в верхняке 2 предельного разгружающего момента на участке между опорными вставками 9, что дает верхнюю границу допустимого предварительного напряже15 ния, исходя из прочности верхняка 2. Тем самыми на остальных участках крепи возникают максимальные разгружающие моменты, что способствует достижению максимальной эффективности усиления 20 конструкции крепи в целом, В процессе загружения крепи горным давлением в элементе 4 усиления возникают пластические шарниры на участках установки опорных вставок 9. поэтому разгружающие моменты, 25 достигая своего предельного значения, в Благодаря тому, что опорные вставки 9 дальнейшем при работе крепи остаются поделят элемент 4 усиления на три разные стоянными, а сам элемент 4, несмотря на части, достигают наиболее полной компенналичие пластических шарниров, сохраняет сации на этом участке эпюры эксплуатациустойчивость благодаря тому, что нэгружеонных моментов, имеющей форму, близкую 30 ние со стороны скоб 5 силами N происходит к квадратичной параболе. Образующаяся в режиме, близком к жесткому, а сам элеэпюра разгружающих моментов в виде прамент усиления закреплен в четырех точках. вильной трапеции с соотношением основаЕсли усилие предварительного напряний 1:3 наиболее полно способна жения создать в верхняке меньше N, то сникомпенсировать параболическую эпюру 35 зятся величины разгружающих моментов в эксплуатационных моментов (см фиг. 4 и 5). крепи и не будет достигнута необходимая Это значительно увеличивает эффективэффективность усиления, ность усиления крепи. Любое другое размеЕсли усилие предварительного напрящение опорных вставок 9 менее жения превышает N, то в верхняке материал благоприятно для компенсации эксплуата- 40 переходит s пластическую стадию деформиционных моментов и приводит к увеличерования, что затрудняет его дальнейшую нию результирующей эпюры моментов. эксплуатацию и повторное использование. Снабжение скоб 5 разрезными пруТо, что концы элемента 4 усиления сожинными шайбами 8, оттарированными на вмещены с ненагруженными участками эпюры эксплуатационных моментов, позво- 45 заранее заданное усилие, исключает ошибляет наиболее полно совместить с ней эпюки при предварительном напряжении крепи ру разгружающих моментов от и заметно упрощает его контроль в процеспредварительного напряжения. Это способсе эксплуатации. Кроме того, разрезные ствует более эффективному повышению непружинные Шайбы 8 компенсируют неизсущей способности крепи, исключает 50 бежные деформации ползучести скоб 5, попоявление участков крепи, где эксплуатацистоянно растянутых усилиями N, что онные моменты будут усилены разгружаюгарантирует постоянство предварительного щими, т.е. возникновение опасности напряжения во времени. Этому же способперенапряжения и разрушения элементов ствует упругая деформация консоли элеменкрепи. Поскольку нагружение крепи в штре-- 55 та усиления на длине t/З от скобы 5 до кообраэиых выработках происходит по норопорной вставки 9. Таким образом, предламали к напластованию пород, т.е. задано гаемая крепь характеризуется надежностью направление внешней нагрузки q в условисохранения заданного предварительного ях отсутствия данных по прогнозируемым напряжения, простотой его конструктивнопараметрам горного давления, при установго исполнения, монтажа и эксплуатации элетановкм элемента 4 усиления. Если устанавливать только одну вставку 9 между верхняком 2 и элементом 4 усиления, то эпюра разгружающих моментов формируется на этом участке в виде треугольника, что не соответствует близкой к параболической форме эпюре эксплуатационных моментов, а это снижает эффективность их компенсации, т.е. степень усиления крепи. Если установить больше двух опорных вставок 9 (три, четыре и т.д.), то распределение напрягающих усилий между опорными вставками 9 вдоль элемента 4 усиления становится неуправляемым из-за статической неопредепимости такой системы взаимодействия элемента 4 с верхияком 2 и оказывается зависимой от случэйн ых факторов (различие а толщине опорных ставок 9, местных деформаций и искривлений верхняка 2 и усиливающего элемента 4 и т.д.). Поэтому некоторые опорные вставки 9 будут пережаты, а некоторое разгружены, что может совершенно исказить эпюру разгружающих моментов из участке усиления, а это снизит эффективность усилия крепи. 1714150 мента усиления, что способствует высокой эффективности повышения работоспособности крепи. Предложенная конструкция рамной усиленной крепи проста в изготовлении и при установке, требует низких трудозатрат, характеризуется низкой материалоемкостью. Усиление крепи может производиться не только при ее возведении, но и в процессе ее эксплуатации, причем для усиления пригодны и рамы крепи с деформированным верхняком. Грузонесущая способность крепи при этом повышается в, 2-2,5 раза, а материалоемкость снижается в 1,5-2 раза. значительно повышается надежность и работоспособность крепи. Экономическая эффективность достигается за счет экономии дефицитного металла, сокращения числа рам на единицу длины выработки в 1,5-2 раза, уменьшения трудозатрат на возведение крепи в 2-2,5 раза и стоимости крепления выработки в 1.3-1,5 раза, снижения расходов на ремонт и перекрепления горных выработок, что в целом способствует улучшению технико-экономических показателей в шахтном и подземном строительстве 10 присоединены элементы усиления из отрезков профиля, а также узлы соединения, о т л и ч э ю щ з я с я тем, что. с целью снижения материалоемкости и трудоемкости возведе5 ния крепи за счет повышения ее равнопрочности и упрощения элемента усиления, последний снабжен двумя опорными вставками, размещенными между верхняком и отрезком спецпрофиля, кромки которого со10 вмещены с участками нулевых изгибающих моментов, возникающих в верхняке. при этом опорные вставки делят отрезок спецпрофиля на равные по длине части, а элемент усиления подвергнут предварительному на15 пряжению, определяемому по формуле N = 3WRI"1, где W - осевой момент сопротивления сече20 ния веркняка, см ; R - расчетное сопротивление на изгиб материала верхняка, кг/см , 1 - длина отрезка спецпрофиля, см. 2. Крепь по п. 1. о т л и ч а ю щ а я с я 25 тем, что скобы снабжены разрезными пружинными шайбами, установленными под натяжными гайками и оттарированными на Формула изобретения усилие N предварительного напряжения 1. Рамная усиленная крепь включаюкрепи. щая стойки и еерхняк, к которому скобами 1714150 Фаз