Комбіноване кріплення

Комбинированная крепь, включающая податливую арку, состоящую из стоек и верхняков, прижимные элементы и анкеры, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что анкеры выполнены в виде полых цилиндров, в каждом из которых установлен поршень, содержащий внутренние углубления и соосно с ним распорный элемент в виде усеченного конуса, на конце которого выполнен цилиндр с резьбой, причем поршень установлен с возможностью взаимодействия с цилиндром усеченного конуса распорного элемента, при этом звенья арки выполнены одинаковой кривизны, а в узлах соединения звеньев между днищами профилей установлены роликовые платформы. Изобретение относится к горному делу, а именно к средствам крепления подземных выработок, проведенных в слабых породах при интенсивном их смещении. Наиболее близкой к изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является комбинированная крепь (авт.св. СССР № 1484022, кл. Е 21 D 11/ 14, 1987, принята в качестве прототипа). Комбинированная крепь включает установку арки, бурение шпуров, установку анкеров и опорных плит, соединение анкеров с опорной плитой и аркой. Анкер содержит две ветви каната, замок, прижимное устройство и опорную плиту. Замок анкера включает цилиндр с отверстиями, ось, установленную в отверстиях и продольные разрезы, выходящие из отверстий. Смещающиеся породы оказывают давление на опорную плиту и она перемещается в сторону податливой арки, увлекая за собой одну ветвь канатного анкера, которая перетягивается через ось, подвижно закрепленную на цилиндре. Вторая ветвь канатного анкера закреплена на арке и увлекает арку за собой, прижимая ее через забутовку к породному массиву и препятствуя, таким образом, смещению пород. Чем больше величина смещения пород, тем с большим усилием арка крепи прижимается к боковым породам. Недостатком комбинированной крепи по авт. св. № 1484022 является то, что при прижатии арки к боковым породам ее звенья будут деформированы, так как сопротивление в узлах соединения звеньев большее и проскальзывания звеньев в процессе прижатия арки не произойдет. ON Ul О ОО О 26508 Недостатком является то, что сопротивление податливости анкера в замке мало, так как определяется площадь трения поперечной оси о стенки прорезей в цилиндре. Площадь же трения мала, что и определяет малую силу сопротивления смещению поперечной оси. В связи с малым сопротивлением анкера податливость быстро исчерпывается, анкер превращается в жесткий и разрушается, что не обеспечивает повышения эффективности крепления выработки. Недостатком является то, что арка после установки не имеет контакта с боковыми породами. Контакт арки с породами появляется после смещения боковых пород на величину, равную глубине пустоты за крепью. Глубина закрепленной пустоты в большинстве случаев на шахтах ПО "Донецкуголь" равна 30-50 см. При смещении контура пород на величину 30-50 см породы в массиве разрыхляются на глубину до 1 -2 м и предотвратить их смещение в дальнейшем за счет крепи невозможно. Таким образом, крепь, установленная в выработке без прижатия к породному контуру, не обеспечивает уменьшение величины смещения пород, вследствие чего нарушается работоспособность выработки и не обеспечивается достижение поставленной цели. Известен анкер, включающий штангу, опорную плиту, замок, расположенный с одной стороны опорной плиты, и узел податливости, состоящий из металлического конуса, перемещающегося в полой металлической трубе. Концы штанги и трубы расположены с другой стороны опорной плиты, а конус выполнен в виде круглой гайки с конусным углом 20-30° и внешним диаметром на 10-12% большим внутреннего диаметра трубы. Гайка навинчена на штангу до упора с трубой, причем труба установлена с возможностью упора в опорную плиту. Недостатком анкера является то, что его сопротивление в процессе смещения конуса не регулируется. В основу изобретения поставлена задача усовершенствования податливой комбинированной крепи путем повышения ее сопротивления и прижатия звеньев крепи к породному контуру, что обеспечивает уменьшение величины и скорости смещения пород и повышает устойчивость выработки. Поставленная цель достигается тем, что комбинированная крепь, включающая податливую арку, состоящую из стоек и верхняков, прижимные элементы и анке 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 ры, согласно изобретению, снабжена анкерами с полыми цилиндрами, в каждом из которых установлен поршень, содержащий внутренние углубления и соосно с ним распорный элемент в виде усеченного конуса, на конце которого выполнен цилиндр с резьбой, причем поршень установлен с возможностью взаимодействия с цилиндром усеченного конуса распорного элемента, при этом звенья арки выполнены одинаковой кривизны, а в узлах соединения звеньев между днищами профилей установлены роликовые платформы. Новым по отношению к прототипу является то, что в каждом из анкеров установлен поршень с цилиндрическим углублением, распорный элемент в виде усеченного конуса, на конце которого выполнен цилиндр с резьбой, паста в надпоршневом пространстве анкера, звенья арки с одинаковой кривизной, роликовые платформы с намагниченными роликами. Наличие новых существенных признаков, совместно с известными признаками, обеспечивает решение поставленной задачи. Наблюдениями в шахтных условиях установлено, что смещения пород в выработке зависят от величины сопротивления податливой крепи (Черняк И.Л. Влияние сопротивления крепи на смещение. - Уголь Украины, 1974, № 8; Черняк И.Л. Выбор сопротивления крепи в зоне опорного давления. - Уголь Украины, 1983, № 12; Яне Г. Влияние сопротивления крепи на уменьшение сечения выработки. - Глюкауф, 1982, № 25; Киселев А.Е. Влияние сопротивления крепи на состояние пород вокруг выемочных выработок. - Горно-технические проблемы, 1988, с.95-99). На фиг.1 изображена комбинированная крепь до прижатия арки к породному контуру, общий вид; на фиг.2 - податливый узел соединения звеньев арки; на фиг.З - роликовая платформа; на фиг.4 разрез по Б-Б на фиг.2; на фиг.5 - соединение арки с анкерами; на фиг.6 анкер в сборе; на фиг.7 - комбинированная крепь после прижатия аркі* к породному контуру, общий вид. Применение предлагаемой комбинированной крепи 1 рассматривается применительно к горизонтальной выработке, проведенной по слабым породам 2. Арку 1 устанавливают в проходческом забое. После установки арки 1 глубина закрепного пространства 3 равна 0,8-0,5 м. Звенья 4, 5 четырехзвенной арки 1 соединяют узлом податливости 6 на поверхности в шахтной мастерской (фиг.2). Между днищами звеньев 4, 5 устанавливают 26508 роликовую платформу 7, содержащую намагниченные ролики 8 (фиг.З). Величина нахлестки звеньев 4, 5 в узле податливости 6 при сборке звеньев 4, 5 принимается максимальной и равна 0,3-0,7, что зависит от требуемой величины податливости в узле 6. Звенья 4, 5 соединяют хомутами 9, содержащими ролики 10, контактирующие с днищем профиля звена 5, а также ролики 11, контактирующие с бортиками звена 4. Ролики 11 установлены на планке 12 хомута 9, которая установлена на хомуте 9 и закреплена гайками 13. Звенья 4, 5, соединенные узлом податливости 6, образуют верхняк арки 1. Положение звеньев 4, 5 после их соединения в узле податливости 6 фиксируют в необходимом положении путем установки монтажных хомутов 14, 15, контактирующих с торцами звеньев 4, 5. Верхняк, собранный из звеньев 4, 5, доставляют в забой. При монтаже арки учитывают требования действующей инструкции. После сборки арки и соединения ее с анкерами монтажные хомуты 14, 15 снимают и податливый узел 6 готов к работе. В проходческом забое выработки верхняк крепи, собранный из звеньев 4, 5, соединяют с боковыми стойками 16, 17 узлами податливости 18, 19 (фиг.1). Узлы 18, 19 содержат роликовые платформы 7 с намагниченными роликами 8. Положение концов звеньев верхняка и боковых стоек фиксируют установкой монтажных хомутов 20, 21 (фиг.1). После установки арки по ее контуру пробуривают шпуры (на чертежах условно не показаны), в которых закрепляют анкеры 22. Анкеры 22 устанавливают попарно и концы их штоков 33, выступающие в выработку, соединяют скобой 23, содержащей ролик 24, пропуская концы штоков через отверстия 25 на концах скобы 23. Скобу 23 закрепляют на штоках 33 гайкой 26. После установки анкеров 22 ч соединения их с аркой путем закрепления на штоках 33 скобы 23, снимают монтажные хомуты 14, 15, 20, 21. После установки арки 1 и соединения ее с анкерами 22 образуется закрепная пустота 3, глубиной 0,3-0,5 м. Для сохранения пород по контуру арки в устойчивом состоянии арку необходимо прижать к породному контуру. Для прижатия арки используют анкеры 22, каждый из которых содержит пустотелый цилиндр 27 с конусным расширением 28 на том его конце, который обращен в сторону массива пород (фиг.6). В конусном расширении 28 соосно установлен распорный эле 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 мент, содержащий цилиндрическую часть 29 и усеченный конус 30. Цилиндрическая часть 29 содержит резьбу, а поверхность усеченного конуса 30 выполнена ребристой. После установки усеченного конуса 30 в конусное расширение 28 ударами молотка усеченный конус 30 закрепляют в конусном расширении 28. Толщина стенок цилиндра 27, величина внешнего и внутреннего диаметров цилиндра 27, длина усеченного конуса 30 и его конусность выбираются так, чтобы для протяжки усеченного конуса 30 внутри цилиндра 27 требовалось приложить к нему усилие в пределах 50-100 кН. В цилиндре 27 установлен поршень 31, в поршне выполнено цилиндрическое углубление 321 с внутренней резьбой. Поршень 31 жестко закреплен на пустотелом штоке 33, в котором выполнено радиальное отверстие 34. Для прижатия звеньев арки к боковым породам, на крепь укладывают затяжку и подают по пустотелому штоку 33 под давлением пасту 35 в надпоршневое пространство анкера. Паста выполнена на основе мела и воды с антикоррозийными добавками. Под давлением пасты 35 поршень 31 перемещается внутри цилиндра 27, увлекая за собой через шток 33 и скобу 23 звено арки. Концы звеньев арки, в процессе прижатия звеньев к породному контуру, проскальзывают в узлах податливости 6, 28, 19, при этом звенья не деформируются и приспосабливаются к неровностям породного контура 2. Ход поршня 31 в цилиндре 27 анкера соответствует глубине закрепной пустоты. Таким образом наличие нового признака "роликовая платформа с намагниченными роликами" обеспечивает проскальзывание концов звеньев арки в узлах податливости, как при прижатии звеньев арки к породному контуру, так и при работе арки в податливом режиме без деформации звеньев арки. В конце хода поршня 31 в цилиндрическую выточку 32 вдвигается цилиндр 29 усеченного конуса 31, т.е. происходит стыковка поршня 31 с усеченным конусом 30. Закрепление поршня 31 на усеченном конусе 30 производят путем вращения штока 33 на 2-3 оборота ключом. Совместно со штоком 33 вращается поршень 31 и навинчивается на цилиндр 29 усеченного конуса 30. После соединения поршня 31 с усеченным конусом 30 арка крепи фиксируется в прижатом к породному контуру 2 положении (фиг.7). 26508 Таким образом, наличие новых существенных признаков "поршень с цилиндрической выточкой и резьбой", "распорный элемент, содержащий усеченный конус с цилиндром и резьбой", "паста в надпоршневом пространстве анкера", обеспечивают прижатие арки к боковым породам и фиксацию арки в состоянии распора. После соединения поршня 31 с усеченным конусом 30 прекращают подачу в анкер 22 пасты 35, завинчивают винт 36 и перекрывают канал в штоке 33 на 1/2 его сечения. После выполнения указанных операций арка фиксируется в состоянии прижатия к породному контуру 2 выработки. Усилие прижатия арки к породному контуру определяют в каждом конкретном случае, что зависит от усилия смещения поршня в каждом анкере и количества анкеров, установленных по контуру арки. Усилие смещения поршня в каждом анкере зависит от площади поршня и давления пасты в надпоршневом пространстве. При площади поршня 10 см 2 и давлении пасты 10 МПа поршень будет перемещаться и притягивать звено арки к породному контуру с усилием 10 кН. При установке по контуру арки 8 анкеров (4 пары) арка будет прижата к породному контуру с усилием 80 кН. Такое усилие прижатия арки 1 к контуру пород 2 препятствует их смещению, что обеспечивает повышение устойчивости выработки. Работа предлагаемой крепи. Давление смещающихся пород передается на звенья 4, 5, а затем, через скобу 23, шток 33 и поршень 31 на распорный элемент, включающий цилиндр с усеченным конусом 31. Под влиянием давления смещающихся пород напряжения в стенках цилиндра 27, контактирующих с усеченным конусом 30, увеличиваются и при достижении предела пластичности стенки цилиндра 27 раздвигаются и усеченный конус 30 перемещается вдоль цилиндра 27. Экспериментами установлено, что распорный элемент с цилиндром и усеченным конусом перемещается в цилиндре, если к нему приложить усилие 100 кН, при этом внутренний диаметр цилиндра 27 равен 25 мм, толщина стенок его равна 3 м, длина усеченного конуса равна 50 мм, а больший диаметр конуса равен 31 мм. При смещении распорного элемента внутри цилиндра 27 прижатие звеньев 16, 17 к породному контуру уменьшается и звенья смещаются на величину, равную величине перемещения распорного элемента внутри цилиндра 27, концы звеньев при 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 8 этом проскальзывают в узлах податливости 18, 19, содержащих роликовые платформы. В условиях большого бокового давления происходит смещение звеньев 4, 5 в узле податливости 6. После смещения звеньев давление на них уменьшается, уменьшается и величина напряжений в стенках цилиндра 27 по контуру контакта с усеченным конусом, так как все звенья связаны с анкерами 22. При уменьшенных напряжениях в стенках цилиндра 27 пластическое деформирование стенок прекращается, что и приводит к прекращению движения распорного элемента внутри цилиндра. Наступает состояние равновесия системы порода-анкер-арка. Продолжительность состояния равновесия зависит от конкретных условий разработки - глубины заложения выработки, прочности пород, наличия выработанного пространства и других факторов. Величину ожидаемого смещения пород рассчитывают по действующей в отрасли методике. При новом увеличении нагрузки на звенья арки цикл смещения пород, арки и распорного элемента в цилиндре анкера повторяется. Величина смещения породного контура при использовании предлагаемой крепи в 4 раза меньше, чем в серийной арочной крепи, так как предлагаемая крепь имеет сопротивление равное 800 кН при работе в податливом режиме, что в 4 раза выше, чем сопротивление серийной крепи Регулирование величины смещения звеньев в узлах податливости необходимо из-за неравномерного смещения породного контура выработки. Неравномерность смещения породного контура зависит от наличия с одной стороны выработки выработанного пространства лавы, которое и определяет повышенное смещение пород. В тех узлах соединения звеньев крепи, которые размещены ближе к выработанному пространству происходит повышенное смещение звеньев в узлах податливости, что приводит к перекосу арки и ее разрушению. Для уменьшения смещения звеньев перекрывают канал 37 в штоке 33, например, завинчивая винт 36, что уменьшает проходное сечение в канале штока 33. Известно, что чем меньше проходное сечение канала, тем большее усилие требуется приложить для выдавливания пасты 35 из надпоршневого пространства анкера. Таким образом смещение звеньев уменьшается при завинчивании винта 36. 10 26508 Для увеличения смешения звеньев винт 36 вывинчивают, проходное сечение канала 37 штока увеличивается и паста 35 выдавливается при меньшем давлении, приложенном к звеньям арки крепи. Таким образом наличие нового признака "паста в надпоршневом пространст ве" позволяет регулировать смешение звеньев крепи. w Л Использование предлагаемой комоинированной крепи уменьшает скорость и величину смешения контура пород, что позволяет уменьшить площадь поперечного сечения выработки при ее проведении и уменьшить затраты на ее проведение и поддержание на 20-25%. -22 фиг. і Узел Я б Фиг. 2. б 26508 ФиеЛ 26508 Фиг. 7 Упорядник Техред М. Келемеш Коректор О. Обручар Замовлення 513 Тираж Підписне Державне патентне відомство України, 254655, ГСП, Київ-53, Львівська пл м 8 Відкрите акціонерне товариство "Патент", м. Ужгород, вул. Гагаріна, 101