Способ крепления выработок
Владельцы патента RU 2498074:
Открытое акционерное общество "Уральский научно-исследовательский и проектный институт галургии" (ОАО "Галургия") (RU)
Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при креплении и ремонте горных выработок. Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности крепления за счет применения податливых элементов с большим диапазоном деформирования (вплоть до 50-60%) и ограниченное контролируемое усилие воздействия на металлическую крепь. Способ заключается в определении максимальной величины конвергенции вмещающих пород с учетом проектного срока службы охраняемой выработки, определении величины необходимого минимального зазора между верхняком крепи и породами кровли выработки, монтаже металлической рамной крепи, которую прикрепляют к почве анкерами, установке между верхняком рамной крепи и породами кровли податливого элемента, выполненного в виде круглой металлической трубы. При этом располагают податливый элемент параллельно плоскости верхняка крепи, а параметры податливого элемента определяют по формуле. Податливый элемент закрепляют неподвижно между двумя опорными плитами. При этом плиты расположены параллельно оси трубы. Податливый элемент может состоять из двух труб, установленных взаимно перпендикулярно и неподвижно фиксированных, а пространство между податливым элементом и кровлей выработки заполняют подручным материалом. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при креплении и ремонте горных выработок.
Известен способ крепления горных выработок при помощи металлической рамной крепи и деревянной костровой крепи, размещаемой между верхняком рамной крепи и кровлей выработки (Пат. №2405111, РФ, МПК E21D 11/14, з. №2009133743/03, опубл. 27.11.10, Бюл. №33).
Стандартная деревянная костровая крепь обладает высокой жесткостью, что приводит к возникновению значительных усилий при большой величине конвергенции контура горной выработки в соляных породах и раздавливанию металлической крепи,
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому техническому решению является способ крепления горных выработок в соляных породах, обладающих ползучестью, с применением рамной крепи с податливыми элементами (патент №2387840 РФ, МПК E21D 11/14, з. №2009109331/03, опубл. 27.04.2010, Бюл. №12). В качестве податливых элементов, располагаемых между крепью и породным массивом, используют податливые костры или стойки трения постоянного сопротивления.
Основным недостатком применения данных типов податливых элементов является недостаточный рабочий диапазон деформирования, составляющий не более 30% величины зазора между крепью и породами кровли, что требует выемки дополнительного объема приконтурных пород.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении эффективности крепления за счет применения податливых элементов с большим диапазоном деформирования (вплоть до 50-60%) и ограниченным контролируемым усилием воздействия на металлическую крепь.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе крепления выработок, включающем определение максимальной величины конвергенции вмещающих пород с учетом проектного срока службы охраняемой выработки, определение величины необходимого минимального зазора между верхняком крепи и породами кровли выработки, монтаж металлической рамной крепи, которую прикрепляют к почве анкерами, установку между верхняком рамной крепи и породами кровли податливого элемента, податливый элемент, выполненный в виде круглой металлической трубы, располагают параллельно плоскости верхняка крепи, а параметры податливого элемента определяют по формуле:
где l - длина трубы, м;
Pпр - требуемое усилие перехода податливого элемента (трубы) в режим пластического деформирования, МH;
h - толщина стенки трубы, м;
Dн - наружный диаметр трубы, Dн≥2Δ, м;
[σ] - предел текучести при растяжении-сжатии, МПа.
Податливый элемент закрепляют неподвижно между двумя опорными плитами, расположенными параллельно оси трубы.
Податливый элемент формируют системой из двух труб, установленных взаимно перпендикулярно, которые неподвижно фиксируют.
Пространство между податливым элементом и кровлей выработки заполняют подручным материалом.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 - аксонометрическая проекция податливого трубчатого элемента; на фиг.2 - вертикальный разрез горизонтальной выработки с рамной жесткой крепью, оснащенной податливыми элементами; на фиг.3 - графики нагрузочных характеристик для трубчатого податливого элемента; на фиг.4 - двойной податливый элемент.
На чертежах обозначено: 1 - податливый элемент, 2 - зазор между кровлей выработки и верхняком рамной крепи, 3 - породы кровли выработки, 4 - опорные плиты, 5 - верхняк рамной крепи (двутавр поперечный), 6 - двутавр продольный, 7 - стойка-труба, 5 - затяжка, 9 - анкера, 10 - клин, 11 - подручный материал (бревно), 12 - незаполненное пространство, 13 - зависимость усилие-перемещение при смятии трубы длиной L=80,4 мм, 14 - завнсимость усилие-перемещение при смятии трубы длиной L=129,6 мм.
Способ осуществляется следующим образом.
Первоначально расчетным путем с учетом проектного срока службы охраняемой выработки определяют максимальную величину конвергенции вмещающих пород - Δ. Диаметр податливого элемента 1 (трубы) должен быть не менее двух максимальных величин конвергенции - Dн≥2Δ. Далее, подбирают подходящую трубу минимальной толщины h из имеющегося сортамента с диаметром не ниже расчетного. Определяют с некоторым коэффициентом запаса прочности допустимые усилия Pпр, передаваемые через податливый элемент на металлическую крепь с учетом ее предполагаемых параметров. Окончательно, по формуле рассчитывают длину податливого элемента.
На основании произведенных расчетов определяют величину необходимого минимального зазора 2 между верхняком 5 рамной крепи и породами кровли выработки 3, обеспечивающую сохранность выработки на расчетный период и осуществляют проходку выработки с выбранными параметрами. Минимальный зазор должен обеспечивать установку податливого элемента 1 с опорными плитами 4.
Затем в выработке устанавливают металлическую рамную крепь, представляющую собой систему из поперечных (верхняк рамной крепи) 5 и продольных 6 двутавров и стоек-труб 7 (фиг.2). Рамную крепь прикрепляют к почве анкерами 9. Между верхняком рамной крепи 2 и породами кровли выработки 3 устанавливают податливый элемент 1. Предварительно на верхняк рамной крепи должно быть установлено покрытие (затяжка) 8, достаточное для задержки возможных отслоившихся (разрушившихся) элементов породы в кровле в результате конвергенции (фиг.2).
Податливый элемент 1 выполнен в виде круглой металлической трубы (фиг.1) с параметрами, определяемыми по формуле:
где l - длина трубы, м;
Pпр - требуемое усилие перехода податливого элемента (трубы) в режиме пластического деформирования, МН;
h - толщина стенки трубы, м;
Dн - наружный диаметр трубы, м;
[σ] - предел текучести при растяжении-сжатии, МПа.
Определяющим параметром податливого элемента 1 является его длина, вычисляемая по формуле при прочих заданных параметрах, т.к. усилие, передаваемое податливым элементом на крепь, пропорционально его длине.
Податливый элемент неподвижно фиксируют, например, расклинивают, при помощи деревянного клина 10 между верхняком крепи и породами кровли (фиг.2), при этом ось трубы располагают параллельно плоскости верхняка крепи.
Податливый элемент при монтаже закрепляют неподвижно, например, приваривают, между двумя опорными плитами, установленными параллельно оси трубы. Опорные плиты выполнены из металла (в конкретном случае, толщиной 5 мм).
В процессе горных работ на выработку воздействует горное давление, в результате чего происходит деформация пород кровли и, соответственно, крепи. В случае использования предлагаемого податливого элемента в составе крепи, он первым подвергается деформации. Податливый элемент (труба) постепенно деформируется и приобретает вид эллипса, рамная крепь сохраняет целостность. Опорные плиты обеспечивают надежную фиксацию податливого элемента между крепью и кровлей выработки.
На фиг.3 показаны экспериментальные зависимости усилие-перемещение при сжатии стальной трубы с пределом текучести 340 МПа и пределом прочности 440 МПа. Наружный диаметр трубы Dн=89,6 мм; толщина стенки h=3,65 мм; длина трубы L=80,4 мм (линия 13) и L=129,6 мм (линия 14). Таким образом, при переходе податливого элемента в пластическое состояние усилие, передаваемое им на крепь, остается почти постоянным (возрастает не более чем в 1,5 раза) вплоть до деформации податливого элемента на 50% диаметра.
В случае, если рассчитанный зазор значительно превышает диаметр податливого элемента (трубы), можно использовать систему из двух труб, при этом их устанавливают взаимно перпендикулярно (фиг.4) и соединяют между собой конструктивные элементы. Собранный податливый элемент также фиксируют (расклинивают) между крепью и кровлей выработки. В случае одинакового диаметра податливых элементов при расчете их длины в первом приближении может использоваться та же формула.
Кроме того, при незаполненных пространствах 12 между податливым элементом и кровлей закрепляемой выработки, его заполнение возможно любым подручным материалом 13, например, бревнами. В этом случае возникает дополнительная податливость за счет деформации бревен.
Использование предлагаемого технического решения позволит передавать контролируемую допустимую нагрузку на рамную крепь в течение периода эксплуатации выработки, и соответственно уменьшить объем горнопроходческих работ, а также повысит эффективность крепления выработок в соляных породах.
1. Способ крепления выработок, включающий определение максимальной величины конвергенции вмещающих пород с учетом проектного срока службы охраняемой выработки, определение величины необходимого минимального зазора между верхняком крепи и породами кровли выработки, монтаж металлической рамной крепи, которую прикрепляют к почве анкерами, установку между верхняком рамной крепи и породами кровли податливого элемента, отличающийся тем, что податливый элемент, выполненный в виде круглой металлической трубы, располагают параллельно плоскости верхняка крепи, а параметры податливого элемента определяют по формуле:
где l - длина трубы, м;
Рпр - требуемое усилие перехода податливого элемента (трубы) в режим пластического деформирования, МН;
h - толщина стенки трубы, м;
DH - наружный диаметр трубы, DH≥2Δ, м;
Δ - максимальная величина конвергенции вмещающих пород;
[σ] - предел текучести при растяжении-сжатии, МПа.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что податливый элемент закрепляют неподвижно между двумя опорными плитами, расположенными параллельно оси трубы.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что податливый элемент формируют системой из двух труб, установленных взаимно перпендикулярно, которые неподвижно фиксируют.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что пространство между податливым элементом и кровлей выработки заполняют подручным материалом.
