Костровая крепь

Изобретение относится к горной промышленности, а именно к костровой крепи, и может быть использовано для крепления горных выработок при разработке соляных месторождений полезных ископаемых. Техническим результатом является повышение податливости деревянной костровой крепи за счет создания балочной системы с перераспределением нагрузок горного давления на среднюю часть элементов костровой крепи. Костровая крепь включает ярусы элементов четырехопорной костровой крепи. Дополнительно она снабжена одним или двумя ярусами податливых элементов костровой крепи, уложенных на элементы жесткой части четырехопорной костровой крепи. При этом податливые элементы смещены к центру костровой крепи, а зависимость между усилием сжатия горным давлением, приходящимся на один угол костровой крепи, и его деформацией определяют из математического выражения. 4 ил.

 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при разработке соляных месторождений полезных ископаемых для крепления горных выработок.

Известна костровая четырехопорная костровая крепь, состоящая из ярусов деревянных элементов, уложенных соосно один на другой до заполнения пространства между кровлей и почвой охраняемой выработки (Попов Г.Н. Технология и комплексная механизация разработки рудных месторождений. - М.: Недра, 1970. - с.142-143, рис.76к).

Недостатком этой крепи является недостаточная податливость крепи, невозможность ее использования при креплении выработок в солевых породах на длительный срок.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому техническому решению является шахтная костровая крепь, состоящая из основных несущих балок и разгрузочного замка, который выполнен из трех балок круглого поперечного сечения, две из которых установлены боковыми сторонами вплотную одна к другой, а третья балка размещена во впадине, образованной первыми двумя балками, причем все три балки скреплены в поперечнике (а.с. 964168, МКИ Е21D 19/00, заявл. 02.03.1981, опубл. 07.10.1982, Бюл. № 37).

Однако эта крепь сложна в изготовлении и не обеспечивает регулируемое сопротивление и значительную податливость.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении податливости деревянной костровой крепи за счет создания балочной системы с перераспределением нагрузок горного давления на среднюю часть элементов костровой крепи.

Указанный технический результат достигается тем, что костровая крепь, включающая ярусы элементов четырехопорной костровой крепи, дополнительно снабжена одним или двумя податливыми ярусами костровой крепи, уложенными на элементы жесткой части четырехопорной костровой крепи, при этом элементы податливых ярусов смещены к центру костровой крепи, а зависимость между усилием сжатия костровой крепи горным давлением и его деформацией определяют из соотношения:

Где Р - усилие сжатия костровой крепи; u - абсолютная деформация костровой крепи; Е - эффективный модуль упругости дерева при изгибе; а - расстояние между осями элементов основания костровой крепи; b - расстояние между осями податливых элементов костровой крепи; d - диаметр деревянного элемента костровой крепи.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежами, где на фиг.1 - схема костровой крепи повышенной податливости; на фиг.2 - вид А на фиг.1; на фиг.3 - вид сверху на костровую крепь повышенной податливости; на фиг.4 - графики нагрузочных характеристик для стандартных и податливых типов костров.

На чертежах: 1-4 - элементы основной (жесткой) части костровой крепи 1-4 ярусов; 5, 6 - элементы податливой части костровой крепи соответственно 5, 6 ярусов; 7 - расстояние между осями элементов жесткой части костровой крепи; 8 - расстояние между осями элементов податливой части костровой крепи; 9 - диаметр элементов костровой крепи; 10 - величина жесткой части; 11 - величина податливой части.

Способ осуществляется следующим образом.

Рассмотрим пример костровой крепи с двумя податливыми ярусами. Костровая крепь состоит из нескольких ярусов четырехопорной костровой крепи, причем она выполнена из двух частей: нескольких ярусов основной (жесткой) части четырехопорной костровой крепи 1-4 и двух ярусов податливых элементов костровой крепи 5, 6, (фиг.1, 2).

Элементы первого яруса 1 укладывают на почву выработки, а на них укладывают поперечные элементы 2 основной части костровой крепи второго яруса 2. При необходимости ярусы элементов основной (жесткой) части костра наращивают один на другой на высоту, равную проектной по допустимому оседанию кровли горной выработки. Элементы основной крепи укладывают на одинаковом расстоянии 7 между осями элементов жесткой части костровой крепи (а).

Затем на верхний элемент основной части костровой крепи, например 2, укладывают элементы податливой части костровой крепи 5, 6, из которых пятый и шестой смещают к центру с расстоянием между осями, равным величине b. Жесткость такой конструкции определяется параметрами а, b и диаметром элементов d.

Количество ярусов податливой части крепи (один или два) по ожидаемому сжатию костра и принимают равным одному или двум диаметрам элементов костра (1d или 2d).

Дадим инженерную оценку жесткости податливого костра, состоящего из четырех жестких и двух податливых ярусов квадратного в плане костра (фиг.1).

При симметричном в плане расположении элементов костровой крепи (фиг.1, 2) жесткость 1-го и 2-го ярусов податливой части (5, 6 на фиг.1, 2) будут приблизительно одинаковы. Именно жесткостью этих элементов и определяются деформационные характеристики костра в целом. Это справедливо при определенных ограничениях на перемещения, прежде всего 2-го яруса податливой части - не более двух диаметров элемента костра.

Жесткость костра зависит от соотношения величин b/а, причем с уменьшением величины b жесткость падает, минимальное значение величины b=d означает, что элементы костра на 3-м и 4-м ярусах расположены вплотную.

Зависимость между усилием, приходящимся на один угол податливого костра, и деформацией (сжатием) всего костра имеет вид:

где Р - усилие сжатия костра; u - абсолютная деформация костра; Е - эффективный модуль упругости дерева при изгибе; b - расстояние между осями элементов основания костра; d - диаметр деревянного элемента костра.

Формула (1) справедлива при u≤1,5d, b/а<1, d/a<0,1-0,15, b≥d. Первое ограничение связано с касанием бревна 2-го яруса почвы, второе и третье ограничение - применимость формул для изгиба балки, последнее ограничение - упоминалось выше.

При b=а податливый костер переходит в стандартный жесткий костер, деформация которого определяется деформацией углов, а не изгибом элементов крепи.

В этом случае зависимость между усилием, приходящимся на один угол стандартного (жесткого) костра, и деформацией (сжатием) угла следующая:

где Е_c - эффективный модуль упругости дерева при сжатии поперек волокон; ε=u/h - относительная деформация костра; h - высота костра.

Формула (2) справедлива до создания усилий, приводящих к необратимому раздавливанию ствола дерева, после этого жесткость костра еще больше увеличивается, при этом он сохраняет свою целостность.

Пример конкретного исполнения для условий рудников ОАО «Уралкалий».

Рассмотрим 4-ярусный податливый костер размерами а=2 м, d=0,2 м, b=0,3 м, который сжимается на величину u=1,5d=0,3 м. Эффективный модуль упругости сосны при изгибе в Е=2500 МПа. Усилие, приходящееся на один угол, вычисляем по формуле (1):

Р_ПК=0,091·10⁶H=9,1 тонны.

Для жесткого стандартного 4-ярусного костра аналогичных размеров (а=2 м, d=0,2 м, h=0,8 м) по формуле (2) для эффективного модуля упругости дерева при сжатии поперек волокон в условиях рудника Е_с=32 МПа получим

Р_СК=0,352·10⁶ Н=35,2 тонны.

Таким образом, для указанных в примере размеров костров, при сжатии их на величину 30 см, податливый костер создает усилие в 3,9 раза меньше, чем стандартный костер.

Из нагрузочных характеристик нескольких видов (см. фиг.4) «жесткой» костровой крепи и костровой податливой двух видов, изготовленных из деревянных элементов длиной по 300 см и диаметром по 18 см с податливыми элементами, расположенными на расстояниях а от 0 до 15 см, видно, что стандартная жесткая крепь, состоящая из шести ярусов, характеризуется резким нарастанием нагрузки от величины сжатия на всем исследуемом диапазоне сжатия, равном 30 см, и составляет постоянную величину (60 кН/см), достигающую 1800 кН. Костер с податливой частью костровой крепи характеризуется более медленным нарастанием нагрузки до 400 кН (до 40 т) в диапазоне сжатия 0-25 см с последующей стабилизацией прилагаемой нагрузки в диапазоне 350-500 кН при сжатии в пределах 25-45 см.

Для обеспечения эксплуатационного состояния горной выработки в течение 30 лет в условиях солевых пород, обладающих ползучестью со скоростью вертикального смещения 1,0 см/год, крепь должна обладать общей податливостью около 30 см. При применении костровой крепи, изготовленной по типу основной части податливой крепи, нагрузка на почву выработки от ползучести пород достигает 1800 кН, что в определенных условиях может привести к разрушению нижележащего породного слоя, расположенного между выработкой с костровой крепью и нижерасположенной выработкой. При применении костровой крепи повышенной податливости расчетная нагрузка на крепь (за 30 лет) достигнет 400-500 кН, что в 4,5-3,6 раза меньше, чем при применении костровой крепи без податливых элементов.

Использование предлагаемого технического решения позволит повысить податливость деревянной костровой крепи за счет создания балочной системы с перераспределением нагрузок горного давления на среднюю часть элементов крепи.

Костровая крепь, включающая ярусы элементов четырехопорной костровой крепи, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена одним или двумя ярусами податливых элементов костровой крепи, уложенных на элементы жесткой части четырехопорной костровой крепи, при этом податливые элементы смещены к центру костровой крепи, а зависимость между усилием сжатия горным давлением, приходящимся на один угол костровой крепи, и его деформацией определяют из соотношения:
,
где Р - усилие сжатия одного угла костровой крепи, Н;
u - абсолютная деформация костровой крепи, м;
Е - эффективный модуль упругости дерева при изгибе, Па;
а - расстояние между осями элементов основания костровой крепи, м;
b - расстояние между осями податливых элементов костровой крепи, м;
d - диаметр деревянного элемента костровой крепи, м.