Крепь капитальных горных выработок

 

Изобретение относится к горному делу и повышает несущую способность крепи путем обеспечения синхронности работы продольных перегородок (ПП) 7 межремонтного бетонного пояса (БП) 6 и шарнирноподатливого узла металлической рамы. При этом ПП 7 выполнены из легкодеформируемого материала, например карбамидного Х лу пи отори иго пенопласта, и гибкого межрамного ограждения . Предел прочности на сжатие еГж материала БП 6 и высота h ПП 7 определяются по формулам: h L-(2R,U4-6Uff): 3,6НХ Х(Н-Н.) (L-H+ H,) X Хб(Н-Н,)- (рН|-Х)-(1-2)(Н-Н,):Ц: :3(Ь2+8Нд.-4рН- ); где U и Ue - вертикальное и боковое смещения вмещающих выработку пород; Н и L - высота и ширина выработки до осадка; р - отнощение боковой нагрузки на БП 6 к вертикальной; HI - высота расположения ПП 7; 0 - толщина БН6;Х (рН)/2- (0,5L-H+Hi) i :2Hi - горизонтальная реакция в опоре БП 6. Боковая податливость БП 6 реализуется посредством поворота стенок крепи относительно ПП 7, а вертикальная - путем деформирования ПП 7. 1 з. п. ф-лы, 12 ил. /4-/J i (Л 00 СО ел ГчЭ со к

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК дц 4 Е 21 D 11/14,I с

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H ABTGPCHGMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (61) 1214934 (21) 4065294/22-03 (22) 28.03.86 (46) 15.09.87. Бюл. № 34 (75) Г. А. Симанович (53) 622.281.5 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 1214934, кл. Е 21 D 11/14, 1984. (54) КРЕПЬ КАПИТАЛЬНЫХ ГОРНЫХ

ВЫРАБОТОК (57) Изобретение относится к горному делу и повышает несущую способность крепи путем обеспечения синхронности работы продольных перегородок (ПП) 7 межремонтного бетонного пояса (БП) 6 и шарнирноподатливого узла металлической рамы. При этом ПП 7 выполнены из легкодеформируемого материала, например карбамидного, -Я

„„SU„„1337523 A 2 пенопласта, и гибкого межрамного ограждения. Предел прочности на сжатие е материала БП 6 и высота h ПП 7 определяются по формулам: h= 1 (2H,U+ 6UG): 3,6НХ

Х ((Н вЂ” Н|) (1 — Н+ Н )), аж(2о Х

Х о1(Н вЂ” Н )+ (pH — Х)- ((1 — 2) (Н вЂ” Н ):Lj:

: 3(L -+ 8H„.— 4рН- ); где U и & — вертикальное и боковое смещения вмещающих выработку пород; Н и L — высота и ширина выработки до осадка; P — отношение боковой нагрузки на БП 6 к вертикальной;

Н вЂ” высота расположения ПП 7; о — толщина БН6; Х= (P Н)/2 — ((0,51 — H+Hi)

: 2Н вЂ” горизонтальная реакция в опоре БП 6. Боковая податливость БП 6 реализуется посредством поворота стенок крепи относительно ПП 7, а вертикальная — пу- Я тем деформирования ПП 7. 1 з. п. ф-лы, 12 ил.

1337523

Изобретение относится к горному делу, может быть использовано для крепления горизонтальных горных выработок и является усовершенствованием известной крепи капитальных горных выработок по основному авт. св. Хо 1214934.

Целью изобретения является повышение несущей способности крепи путем обеспечения синхронности работы продольных перегородок межрамного бетонного пояса и шарнирно-податливого узла металлической рамы.

На фиг. 1 изображена крепь в поперечном сечении горной выработки; на фиг. 2— разрез А — А на фиг. 1; на фиг. 3 — вид Б на фиг. 1 (вид до осадки крепи); на фиг. 4— то же, после осадки крепи; на фиг. 5 — узел 1 на фиг. 1 (вид,до срабатывания шарнира); на фиг. 6 — гибкое межрамное ограждение продольных перегородок; на фиг. 7— объемное изображение узла 1 на фиг. 1; на фиг. 8 — соединяемые концы сегментов металлической рамы; на фиг. 9 — — вид В на фиг. 8; на фиг. 10 — схема боковой податливости межрамного бетонного пояса; на фиг. 11 — расчетная схема нагружения межрамного бетонного пояса; на фиг. 12 деформационная характеристика продольных перегородок, выполненных в виде деревянной прокладки.

Крепь капитальных горных выработок состоит из верхняка 1 и стоек 2, соединенных шарнирно-податливым узлом, выполненным в виде составной из двух частей обоймы 3 с наклонно расположенными к продольной оси двутавра стенками. Каждая часть обоймы имеет V-образное поперечное сечение с отогнутыми наружу ограничителями. Между каждой частью обоймы и стенкой двутавра устанавливают податливые прокладки 4.

В днищах профилей обоймы и в соединяемых концах верхняка и стойки имеются отверстия под болты 5 с гайками, при помощи которых обе части обоймы соединяются в единый элемент. Крепь содержит также межрамный бетонный пояс 6 с продольными перегородками 7, выполненными, например, из карбамидного пенопласта и гибкого межрамного ограждения 8. Между рамами установлены распорки 9 и затяжки 10. Стойки рамы установлены на опорные плиты 11.

Торцы соединяемых сегментов рамы выполнены со скосами 12.

Крепь возводят следующим образом.

Стойки 2 устанавливают на опорные плиты

11, уложенные в лунки, выполненные в почве выработки, и соединяют их со стойками ранее установленной рамы посредством жестких распорок 9. Затем собранный иа заводе шарнирно-податливый узел устанавливают на стойке 2 и после размещения прокладок 4 между нижними стенками обоймы 3 и выступающей частью стенки двутавровой стойки 2 стягивают обоймы 4 посредством болтов 5. При этом между торцами верхних стенок обоймы 3 образуется увеличенный по отношению к толщине стенки двутавра зазор, в который вводят, а затем обкладывают податливыми прокладками 4 выступающую часть стенки двутаврового верхняка после чего обе части обоймы стягивают болтами 5 с гайками до расчетного усилия.

Между рамами устанавливают затяжки

10 по контуру рамы, а на уровне шарнирно-податливых узлов между полкой двутавра и затяжками укладывают с напуском на внут10 реннюю поверхность затяжек гибкое межрамное перекрытие, например, из стекловолокна. Затем заполняют межрамное и закрепное пространство твердеющим составом: сначала возводят из бетона стенки до уровня шарнирно-податливого узла рамы, а затем возводят, например, из карбамидного пенопласта продольные перегородки 7 расчетной высоты, после чего из бетонной смеси возводят верхнюю (арочную) часть межрамного бетонного пояса.

Крепь работает следующим образом.

При вертикальном смешивании пород двутавра верхняка 1 передают нагрузки на наклонные стенки обоймы 3, а торцы верхней части межрамного бетонного пояса передают нагрузки на продольные перегородки, под действием которых как перегородки, так и обоймы деформируются совместно, обеспечивая таким образом вертикальную податливость металлобетонной крепи. При полном исчерпании вертикальной податливости наклонные стенки обоймы 3 смыкаются, а торцы межрамного бетонного пояса опираются на уплотненную продольную перегородку повышенной жесткости вследствие замыкания его объема со стороны полости выработки гибким межрамным ограждением

8. При боковом смещении пород стойки 2 рамы вместе с нижней частью бетонного пояса поворачиваются вовнутрь выработки, обеспечивая боковую податливость, после чего металлобетонная крепь работает в более благоприятном жестком режиме вслед40 ствие уменьшения вертикальных и боковых нагрузок. При этом обеспечивается совместная и в одинаковом рабочем режиме работа металлической рамы и межрамного бетонного пояса на всех стадиях взаимодействия с породным контуром выработки.

Максимальная несущая способность крепи достигается при выполнении условия равнопрочности составляющих ее элементов, т.е. рациональный режим работы металлобетонной крепи такой, при котором нагрузка на раму и межрамный бетонный пояс распределяется пропорционально их несущей способн ости.

Для осуществления этого режима необходимо, чтобы при одинаковой относительной нагрузке (отношение нагрузки на эле мент к его несущей способности) на раму и межрамный бетонный пояс последние смещались на одинаковую величину, что соответствует условию синхронности режимов ра1337523 боты податливых элементов металлобетонной крепи. Условие синхронности работы является критерием для расчета параметров деформационно-осадочного шва межрамного бетонного пояса.

Из описанного следуют основные требования, предъявляемые к конструкции шарнирно-податливых элементов металлобетонной крепи.

1) Для обеспечения максимальной реакции отпора металлобетонной крепи в податливом режиме взаимодействия с породным массивом податливые элементы начинают срабатывать при нагрузке на них, равной или близкой величине несущей способности крепи.

2) Конструктивная податливость элементов металлической рамы и межрамного бетонного пояса должна быть одинаковой по величине и соответствовать заданной величине податливости крепи в целом.

3) Для обеспечения максимальной несущей способности металлобетонной крепи податливые элементы как в рамной крепи, так и в межрамном бетонном поясе должны работать синхронно, т.е. одновременно переходить в податливый режим работы с одинаковой величиной податливости и сопротивлением, равным несущей способности соответствующего элемента.

Боковая & податливость межрамного бетонного пояса реализуется посредством поворота стенок крепи относительно продольной перегородки 7 (фиг. 10), а вертикальная — путем деформирования последнего. При нагрузках, близких к несущей с»особности межрамного бетонного пояса, должна произойти его вертикальная податливость на величину U. Это осуществимо, когда сопротивление деформационно-осадочного шва вертикальной нагрузке близко величине нормального усилия N, возникаюшего в межрамном бетонном поясе в сечении деформационно-осадочного шва при нагрузках на межрамный бетонный пояс, равных несущей способности крепи. Для определения величины нормального усилия

N построена расчетная схема (фиг. 11) нагружения межрамного бетонного пояса.

При наличии деформационно-осадочных швов, соединяющих стенки и свод межрамного бетонного пояса, максимальный изгибающий момент находится в замке свода и равен

М= 1(1; +ХН вЂ” —, Н), (1) где q — вертикальная нагрузка на межрамный бетонный пояс; у- — отношение боковой нагрузки на межрамный бетонный пояс к вертикальной;

1 и Н вЂ” соответственно ширина и высота выработки;

Х вЂ” горизонтальная реакция в опоре межрамного бетонного пояса, выраженная в долях нагрузки q.

Величина Х определяется из условия равенства момента сил, действуюших на стенки межрамного бетонного пояса, относительно деформационно-осадочного шва

Б.В= Ы Ь /

2Н

Расчет свода межрамного бетонного пояса осуществляется по второму предельному состоянию на раскрытие микротрещин в области растягивающих напряжений.

При этом межрамный бетонный пояс достигает своей максимальной несущей способности:

M асж== ч

W (2) / где асж — предел прочности материала межрамного бетонного пояса на сжатие;

W — 2 — момент сопротивления сечения меж12 рамного бетонного пояса по плошади действия напряжений сжатия, 6- — толщина межрамного бетонного пояса.

Решая совместно выражения (1) и (2), получают формулу для расчета максимально допустимой вертикальной нагрузки на межрамный бетонный пояс:

2а. 6 -

3(L-+ 8НХ вЂ” 4 Н ) (3) Нормальное усилие N в сечении деформационно-осадочного шва равно

35 н — н,+(yHg — х) (E 2-ж: — ж/ — ) Х=2а б и}

g О.<+ я,)(Н вЂ” 1уН ) Разделив величину нормального ус»лия N на толщину 6 межрамного бетонного пояса, получают значение требуемого предела прочности на сжатие а материала деформационно-осадочного шва, при котором достигается вертикальная податливость межрамного бетонного пояса:

Н вЂ” Hi+(рН вЂ” х) (1 — 2 )

L асж (2асж о

3(1 +8XHi — 4рН ) 50 (5)

Численный анализ формулы (5) для»нтервалов изменения основных параметров, наиболее характерных для капитальных горных выработок, закрепленных металлобетонной крепыш, показывает, что требуе55 мый предел прочности на сжатие а- материала деформационно-осадочного шва изменяется в пределах от 0,10 — 0,15 до 0,25—

0,30 МПа.

1337523

Определив выражения для расчета требуемого предела прочности на сжатие материала деформационно-осадочного шва и установив наиболее характерный интервал изменения этого параметра, рассматривают механизм деформирования деформационно-осадочного шва по прототипу (деревянная прокладка) и предлагаемой конструкци (слой из карбамидного пенопласта) и на этой основе определяют их достоинства и недостатки, а также основные ра- 10 циональные параметры предлагаемой конструкции.

Для определения параметров деформирования деревянной прокладки в лабораторных условиях получена деформационная характеристика деревянной прокладки при ее нагружении поперек волокон, которая представляет собой зависимость относительно деформации в сжатия прокладки от величины сжимающих напряжений о. (фиг. 12).

Характерной особенностью этой зависимости 20 является то, что по мере увеличения деформации за пределами упругости происходит постоянный рост сопротивления прокладки сжатию. При этом прокладка не разрушается (за исключением отдельных контурных выколов), а увеличение сопротивле- 25 ния происходит за счет обжатия волокон.

Исследования показали, что деревянная прокладка может служить шарнирным элементом, поскольку ее сопротивление в пределах упругости (без значительных деформаций) составляет 3,8- — 4,0 MIIa (фиг. 12).

Известно, что сопротивление деревянной прокладки достигает до 5 МПа и, как правило, ниже предела прочности материала межрамного бетонного пояса на сжатие о.==5 — 15 МПа. Поэтому в первую очередь деформируется деревянная прокладка как менее жесткое тело. Допустимая величина деформации в, характеризуюгцая равенство между реакцией прокладки o и пределом прочности на сжатие о. межра много бетонного пояса, может достигать 20 — -30 40 (фиг. 12), что вполне достаточно для поворота стенки межрамного бетонного пояса на заданную величину боковой податливости.

Однако осуществить вертикальную податливость деревянной прокладки, т.е. наделить ее не только функцией шарнира, но и 4> функцией вертикального податливого элемента практически невозможно, поскольку действующее в сечении деформационно-осадочного шва нормальное усилие М создает напряжение, не превышающее величины

0,3 МПа, т.е. на порядок ниже, чем сопро- тивление сжатию деревянной прокладки даже поперек волокон в пределах упругости. Г1ри действии нормального усилия М в деревянной прокладке возникают исклк)чительно деформации упругого сжатия, которые весьма незначительны и не могут обеспечить заданной величины вертикальной податливости межрам ного бетонного пояса.

1-12 = 1-16+ 1-) I (6) где Up — требуемое значение вертикальной податливости межрамного бетонного пояса;

Ut — вертикальное перемещение по внутренной поверхности межра много бетонного пояса при его боковой податливости на величину Ur,.

Величина Ut равна (7) где Uo — требуемое значение боковой податливости межрамного бетонного пояса.

Учитывая, что осевая линия поперечного сечения податливого слоя проходит под углом а к вертикали, получают

1-) 2

Ксовсс (8) Таким образом, деревянная прокладка в силу характерных механических свойств ее материала не может выполнять функции податливого элемента, следовательно, способствует резкому увеличению нагрузки на межрамный бетонный пояс.

При выборе рациональной конструкции деформационно-осадочного шва одним из определяющих требований является обеспечение им вертикальной подталивости межрамного бетонного пояса на заданную величину, равную величине податливости металлической рамы. Для этого необходимо, чтобы материал деформационно-осадочного шва обладал пределом прочности на сжатие о. в пределах 0,1 — 0,3 МПа. Такой прочностью обладает карбамидный пенопласт МБП вЂ” Б. Этот материал имеет значительную податливость — коэффициент сжатия К=0,9, что позволяет при небольшой его толщине достигать необходимой вертикальной податливости. К преимуществам карбамидного пенопласта следует отнести также и его деформационную характеристику, которая обеспечивает достаточно ttoстоянную реакцию сопротивления материала при его сжатии, т.е. при работе межрамного бетонного пояса в режиме податливости деформационно-осадочные швы деформируются с постоянным сопротивлением.

Рациональная высота деформационноосадочного шва из карбамидного пенопласта определяется из условия, что при сжатии слоя до значения коэффициента сжатия К= 0,9 его вертикальное смещение должно быть равно заданной величине U.

Поскольку податливый слой деформируется под воздействием двух факторов — поворота стенки и вертикального перемещения свода межрамного бетонного пояса, необходимую величину вертикальной податливости слоя представляют в виде двух слагаемых

1337523

cosa= 2 (9) 10

10) гор изон

2Н

Формула изобретения

7 где К=0,9 — коэффициент сжатия карбамидного пенопласта; а — угол наклона осевой линии сечения податливости слоя к вертикали.

Согласно расчетной схеме (фиг. 11) Решая совместно выражения (6) — (9), получают формулу для расчета рационального значения высоты h деформационноосадочного шва из карбамидного пенопласта

1. Ке

Крепо капитальных горных выработок по авт. св. № 1214934, отличающаяся тем, что, с целью повышения несущей способности крепи путем обеспечения синхронности работы продольных перегородок межрамного бетонного пояса и шарнирно-податливого узла металлической рамы, продольные перегородки выполнены из легкодеформируемого материала, причем предел проч8 ности на сжатие и. и высота продольной перегородки h определяются по формулам:

2H U

3,6Нii/(H — Hi) (1 — H+ Hi

Н вЂ” Н +фН вЂ” Х) (1 — -2 Н вЂ” -) осж (2осж 6

3 (L — 8НХ вЂ” 4р Н- ) гдеУи& — с — оответственно вертикальное и боковое смещения вмещающих выработку пород;

HnL — соответственно высота и ширина выработки до осадки; р — отношение боковой нагрузки на межрамный бетонный пояс к вертикальной; тальная реакция в опоре межрамного бетонного пояса;

Н, — высота расположения деформационно-осадочного шва; о. и о — соответственно предел прочности на сжатие материала межрамного бетонного пояса и его толщина. и, Крепь по п. 1, отличающаяся тем, что, в качестве легкодеформируемого материала использован карбамидный пенопласт.

1337523

1337523

1337523

Составитель Л. Чистова

Редактор М. Бандура Тех ред И. Верес Корректор И. Муска

Заказ 4107/29 Тираж 454 Подписное

ВНИИГ1И Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, )К--35, Раушская наб., д. 4!5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Г!роектная, 4