SU1337523A2 - Крепь капитальных горных выработок - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к горному делу и повышает несущую способность крепи путем обеспечени  синхронности работы продольных перегородок (ПП) 7 межремонтного бетонного по са (БП) 6 и шарнирно- податливого узла металлической рамы. При этом ПП 7 выполнены из легкодеформируемого материала, например карбамидного Х лу пи ото- ри иго пенопласта, и гибкого межрамного ограждени . Предел прочности на сжатие еГж материала БП 6 и высота h ПП 7 определ ютс  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 смещени  вмещающих выработку пород; Н и L - высота и ширина выработки до осадка; р - отнощение боковой нагрузки на БП 6 к вертикальной; HI - высота расположени  ПП 7; 0 - толщина БН6;Х (рН)/2- (0,5L-H+Hi) i :2Hi - горизонтальна  реакци  в опоре БП 6. Бокова  податливость БП 6 реализуетс  посредством поворота стенок крепи относительно ПП 7, а вертикальна  - путем деформировани  ПП 7. 1 з. п. ф-лы, 12 ил. /4-/J i (Л 00 СО ел ГчЭ со к

Description

Изобретение относитс  к горному делу, может быть использовано дл  креплени  горизонтальных горных выработок и  вл етс  усовершенствозанием известной крепи капитальных горных выработок по основному авт. св. № 1214934.

Целью изобретени   вл етс  повышение несущей способности крепи путем обеспечени  синхронности работы продольных перегородок межрамного бетонного по са и шарпо отношению к толш,ине стенки двутавра зазор, в который ввод т, а затем обкладывают податливыми прокладками 4 выступающую часть стенки двутаврового верхн ка после чего обе части обоймы ст гивают болтами 5 с гайками до расчетного усили . Между рамами устанавливают зат жки 10 по контуру рамы, а на уровне шарнир- но-податливых узлов между полкой двутавра и зат жками укладывают с напуском на внутнирно-податливого узла металлической рамы. О реннюю поверхность зат жек гибкое меж

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 срабатывани  шарнира); на фиг. 6 - гибкое межрамное ограждение продольных перегородок; на фиг. 7 - объемное изображение узла I на фиг. 1; на фиг. 8 - соедин емые концы сегментов металлической рамы; на фиг. 9 - вид В на 20 фиг. 8; на фиг. 10 - схема боковой податливости межрамного бетонного по са; на фиг. 11 - расчетна  схема нагружени  межрамного бетонного по са; на фиг. 12 - деформационна  характеристика продольных перегородок, выполненных в виде дерев нной прокладки.

Крепь капитальных горных выработок состоит из верхн ка 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. Кажда  часть обоймы имеет V-образное поперечное сечение с отогнутыми наружу ограничител ми. Между каждой частью обоймы и стенкой двутавра устанавливают податливые прокладки 4. В днишах профилей обоймы и в соедин емых концах верхн ка и стойки имеютс  отверсти  под болты 5 с гайками, при помощи которых обе части обоймы соедин ютс  в

25

30

35

рамное перекрытие, например, из стекловолокна . Затек заполн ют межрамное и зак- репное пространство твердеющим составом: сначала возвод т из бетона стенки до уровн  шарнирно-податливого узла рамы, а затем возвод т, например, из карбамидного пенопласта продольные перегородки 7 расчетной высоты, после чего из бетонной смеси возвод т верхнюю (арочную) часть межрамного бетонного по са.

Крепь работает следующим образом.

При вертикальном смешивании пород двутавра верхн ка 1 передают нагрузки на наклонные стенки обоймы 3, а торцы верхней части межрамного бетонного по са передают нагрузки на продольные перегородки, под действием которых как перегородки, так и обоймы деформируютс  совместно, обеспечива  таким образом вертикальную податливость металлобетонной крепи. При полном исчерпании вертикальной податливости наклонные стенки обоймы 3 смыкаютс , а торцы межрамного бетонного по са опираютс  на уплотненную продольную перегородку повышенной жесткости вследствие замыкани  его объема со стороны полости выработки гибким межрамньш ограждением 8. При боковом смещении пород стойки 2 рамы вместе с нижней частью бетонного по са поворачиваютс  вовнутрь выработки, обеспечива  боковую податливость, после чего металлобетонна  крепь работает в более благопри тном жестком режиме вследединый элемент. Крепь содержит также межрамный бетонный по с 6 с продольными пере- 40 ствие уменьшени  вертикальных и боко- городками 7, выполненными, например, из вых нагрузок. При этом обеспечиваетс  совместна  и в одинаковом рабочем режиме работа металлической рамы и межрамного бетонного по са на всех стади х взаимодействи  с породным контуром выработки. Максимальна  несуща  способность крепи достигаетс  при выполнении услови  рав- нопрочности составл ющих ее элементов, т.е. рациональный режим работы металлобетонной крепи такой, при котором нагрузка

почве выработки, и соедин ют их со стойками сг на раму и межрамный бетонный по с распре- ранее установленной рамы посредством жест- дел етс  пропорционально их несущей спо- ких распорок 9. Затем собранный на заводесобности.

шарнирно-податливый узел устанавливаютДл  осуществлени  этого режима необна стойке 2 и после размещени  прокла- ходимо, чтобы при одинаковой относитель- док 4 между нижними стенками обоймы 3 ной нагрузке (отношение нагрузки на эле- и выступающей частью стенки двутавровой 55 мент к его несущей способности) на раму стойки 2 ст гивают обоймы 4 посредством и межрамный бетонный по с последние сме- болтов 5. При этом между торцами верхних щались на одинаковую величину, что соответ- стенок обоймы 3 образуетс  увеличенный ствует условию синхронности режимов ракарбамидного пенопласта и гибкого межрамного ограждени  8. Между рамами установлены распорки 9 и зат жки 10. Стойки рамы установлены на опорные плиты И. Торцы соедин емых сегментов рамы выпол- нены со скосами 12.

Крепь возвод т следующим образом. Стойки 2 устанавливают на опорные плиты И, уложенные в лунки, выполненные в

по отношению к толш,ине стенки двутавра зазор, в который ввод т, а затем обкладывают податливыми прокладками 4 выступающую часть стенки двутаврового верхн ка после чего обе части обоймы ст гивают болтами 5 с гайками до расчетного усили . Между рамами устанавливают зат жки 10 по контуру рамы, а на уровне шарнир- но-податливых узлов между полкой двутавра и зат жками укладывают с напуском на внутреннюю поверхность зат жек гибкое меж

0

5

0

5

рамное перекрытие, например, из стекловолокна . Затек заполн ют межрамное и зак- репное пространство твердеющим составом: сначала возвод т из бетона стенки до уровн  шарнирно-податливого узла рамы, а затем возвод т, например, из карбамидного пенопласта продольные перегородки 7 расчетной высоты, после чего из бетонной смеси возвод т верхнюю (арочную) часть межрамного бетонного по са.

Крепь работает следующим образом.

При вертикальном смешивании пород двутавра верхн ка 1 передают нагрузки на наклонные стенки обоймы 3, а торцы верхней части межрамного бетонного по са передают нагрузки на продольные перегородки, под действием которых как перегородки, так и обоймы деформируютс  совместно, обеспечива  таким образом вертикальную податливость металлобетонной крепи. При полном исчерпании вертикальной податливости наклонные стенки обоймы 3 смыкаютс , а торцы межрамного бетонного по са опираютс  на уплотненную продольную перегородку повышенной жесткости вследствие замыкани  его объема со стороны полости выработки гибким межрамньш ограждением 8. При боковом смещении пород стойки 2 рамы вместе с нижней частью бетонного по са поворачиваютс  вовнутрь выработки, обеспечива  боковую податливость, после чего металлобетонна  крепь работает в более благопри тном жестком режиме вслед0 ствие уменьшени  вертикальных и боко- вых нагрузок. При этом обеспечиваетс  совместна  и в одинаковом рабочем режиме работа металлической рамы и межрамного бетонного по са на всех стади х взаимодействи  с породным контуром выработки. Максимальна  несуща  способность крепи достигаетс  при выполнении услови  рав- нопрочности составл ющих ее элементов, т.е. рациональный режим работы металлобетонной крепи такой, при котором нагрузка

боты, податливых элементов металлобетонной крепи. Условие синхронности работы  вл етс  критерием дл  расчета параметров деформационно-осадочного шва межрамного бетонного по са.

Из описанного следуют основные требовани , предъ вл емые к конструкции шар- нирно-податливых элементов металлобетонной крепи.

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

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

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

Бокова  LJe податливость межрамного бетонного по са реализуетс  посредством поворота стенок крепи относительно продольной перегородки 7 (фиг. 10), а вертикальна  - путем деформировани  последнего . При нагрузках, близких к несущей способности межрамного бетонного по са, должна произойти его вертикальна  податливость на величину U. Это осуществимо, когда сопротивление деформационно-осадочного шва вертикальной нагрузке близко величине нормального усили  N, возникающего в межрамном бетонном по се в сечении деформационно-осадочного шва при нагрузках на межрамный бетонный по с, равных несущей способности крепи. Дл  определени  величины нормального усили  N построена расчетна  схема (фиг. 11) нагру- жени  межрамного бетонного по са.

При наличии деформационно-осадочных щвов, соедин ющих стенки и свод межрамного бетонного по са, максимальный изгибающий момент находитс  в за.мке свода и равен J

( Н),(1)

где q - вертикальна  нагрузка на межрамный бетонный по с; -отношение боковой нагрузки на межрамный бетонный по с к вертикальной;

L и Н - соответственно ширина и высота выработки;

X - горизонтальна  реакци  в опоре межрамного бетонного по са, выраженна  в дол х нагрузки q.

Величина X определ етс  из услови  равенства момента сил, действующих на стенки межрамного бетонного по са, относительно деформационно-осадочного шва

Y R HI (0,5L- Н+ Hl) Х р -j- - -щ

Расчет свода межрамного бетонного по са осуществл етс  по второму предель- ному состо нию на раскрытие микротрещин в области раст гивающих напр жений. При этом межрамный бетонный по с достигает своей максимальной несущей способности:

15. м

(2)

где асж-предел прочности материала межрамного бетонного по са на сжатие- 20g2

момент сопротивлени  сечени  межрамного бетонного по са по площади действи  напр жений сжати  б - толщина межрамного бетонного по са.

25

Реша  совместно выражени  (1) и (2), получают формулу дл  расчета максимально допустимой вертикальной нагрузки на межрамный бетонный по с:

30

2асж б

3(L-+ 8НХ- -4рЬП

(3)

Нормальное усилие N в сечении деформационно-осадочного шва равно

. H-n,+(fiHf-x)(i-2 Ч-Н1 )

Ы 2с1сжб2- - (4)

3(L +6XH-4pH }

Разделив величину нормального усили  N на толщину б межрамного бетонного по са, получают значение требуемого предела прочности на сжатие асж материала деформационно-осадочного щва, при котором достигаетс  вертикальна  податливость межрамного бетонного по са:

Н-Н, + (рН,х) (1-2-Н- -)

Ос))«б

3(L2+8XHi-4|ЗН2)

(5)

Численный анализ формулы (5) дл  интервалов изменени  основных параметров , наиболее характерных дл  капитальных горных выработок, закрепленных металлобетонной крепью, показывает, что требуе- мый предел прочности на сжатие осж материала деформационно-осадочного шва измен етс  в пределах от 0,10-0,15 до 0,25- 0,30 МПа.

Определив выражени  дл  расчета требуемого предела прочности на сжатие материала деформационно-осадочного шва и установив наиболее характерный интервал изменени  этого параметра, рассматривают механизм деформировани  деформационно-осадочного шва по прототипу (дерев нна  прокладка) и предлагаемой кон- струкци (слой из карбамидного пенопласта ) и на этой основе определ ют их достоинства и недостатки, а также основные рациональные параметры предлагаемой конструкции .

Дл  определени  параметров деформировани  дерев нной прокладки в лабораторных услови х получена деформационна  характеристика дерев нной прокладки при ее нагружении поперек волокон, котора  представл ет собой зависимость относительно деформации Е сжати  прокладки от величины сжимающих напр жений ст (фиг. 2). Характерной особенностью этой зависимости  вл етс  то, что по мере увеличени  деформации за пределами упругости происходит посто нный рост сопротивлени  прокладки сжатию. При этом прокладка не разрушаетс  (за исключением отдельных контурных выколов), а увеличение сопротивлени  происходит за счет обжати  волокон. Исследовани  показали, что дерев нна  проклалТ,ка может служить шарнирным элементом , поскольку ее сопротивление в пределах упругости (без значительных деформаций ) составл ет 3,8-4,0 МПа (фиг. 12). Известно, что сопротивление дерев нной прокладки достигает до 5 МПа и, как правило, ниже предела прочности материала межрамного бетонного по са на сжатие осж 5-15 МПа. Поэтому в первую очередь деформируетс  дерев нна  прокладка как менее жесткое тело. Допустима  величина деформации К|, характеризующа  равенство между реакцией прокладки а и пределом прочности на сжатие осж межрамного бетонного по са, может достигать 20-30% (фиг. 12), что вполне достаточно дл  поворота стенки межрамного бетонного по са на заданную величину боковой податливости. Однако осуществить вертикальную податливость дерев нной прокладки, т.е. наделить ее не только функцией шарнира, но и функцией вертикального податливого элемента практически невозможно, поскольку действующее в сечении деформационно-осадочного шва нормальное усилие N создает напр жение, не превьпиаюилее величины 0,3 МПа, т.е. на пор док ниже, чем сопротивление сжатию дерев нной прокладки даже поперек волокон в пределах упругости . При действии нормального усили  N в дерев нной прокладке возникают исключительно деформации упругого сжати , которые весьма незначительны и не могут обеспечить заданной величины вертикальной податливости межрампого бетонного по са.

0

5

0

5

0

5

0

5

Таким образом, дерев нна  прокладка в силу характерных механических свойств ее материала не может выполн ть функции податливого элемента, следовательно, способствует резкому увеличению нагрузки на межрамный бетонный по с.

При выборе рациональной конструкции деформационно-осадочного шва одним из определ ющих требований  вл етс  обеспечение им вертикальной подталивости межрамного бетонного по са на заданную величину , равную величине податливости металлической рамы. Дл  этого необходимо, чтобы материал деформационно-осадочного шва обладал пределом прочности на сжатие асж в пределах 0,1-0,3 МПа. Такой прочностью обладает карбамидный пенопласт МБП-Б. Этот материал имеет значительную податливость -- коэффициент сжати  К 0,9, что позвол ет при небольшой его толщине достигать необходимой вертикальной податливости. К преимуществам карбамидного пенопласта следует отнести также и его деформационную характеристику, котора  обеспечивает достаточно посто нную реакцию сопротивлени  материала при его сжатии, т.е. при работе межрамного бетонного по са в режиме податливости деформационно-осадочные швы деформируютс  с посто нным сопротивлением.

Рациональна  высота деформационно- осадочного щва из карбамидного пенопласта определ етс  из услови , что при сжатии сло  до значени  коэффициента сжати  К 0,9 его вертикальное смещение должно быть равно заданной величине U. Поскольку податливый слой деформируетс  под воздействием двух факторов - поворота стенки и вертикального г еремещени  свода межрамного бетонного по са, необходимую величину вертикальной податливости сло  представл ют в виде двух слагаемых

U2 U6+Ui,(6)

где Us - требуемое значение вертикальной податливости межрамного бетонного по са;

LJ - вертикальное перемещение по внут- ренной поверхности межрамного бетонного по са при его боковой податливости на величину Uf,. Величина Ui равна

,, бУб ТБГ

(7)

5

где и б-требуемое значение боковой податливости межрамного бетонного по са.

Учитыва , что осева  лини  поперечного сечени  податливого сло  проходит под углом а к вертикали, получают

U2

h

Kcosa

(8)

коэффициент сжати  карбамидного пенопласта;

угол наклона осевой линии сечени  податливости сло  к вертикали . расчетной схеме (фиг. 11)

-Н ,

Н-Н,

(9)

Реша  совместно выражени  (6) - (9), получают формулу дл  расчета рационального значени  высоты h деформационно- осадочного шва из карбамидного пенопласта

h

2HiU+ бУб

3,6Н, ,) (L-Н+Н,) , (10)

Claims (1)

1. Крепь капитальных горных выработок по авт. св. № 1214934, отличающа с  тем, что, с целью повыщени  несущей способности крепи путем обеспечени  синхронности работы продольных перегородок межности на сжатие осж и высота продольной перегородки /г определ ютс  по формулам:

8U6

/7 LСТсж 2осжб3 ,6HiV(//-Я,) {L-H+ HI

Н-Н +(§,H,-X( )

7Г

0

5

3(L--8ЯХ-4рЯ-)

где и lJt - соответственно вертикальное и боковое смещени  вмещающих выработку пород; - соответственно высота и ширина выработки до осадки; Р -отношение боковой нагрузки на межрамный бетонный по с к вертикальной;

Яи1

у- R-Hi (0.5L-Н+Н|)- Р 22Hi

горизон

4

// /// /// /// 7// /// / /// х/:} ухх /// 7/у /// /// /у/ ///

4

/:} ухх /// 7/у /// /// /у/ ///

17

фиг.1

duff6

дидб

cpus.3

Фаг.5

дуиг.6

фие7

срие.8

виде

JZ

фиг.З

дзие. JO

фиг. 11

If иf. 12