Анализ и направления совершенствования способов и средств поддержания выемочных штреков
Объект исследований данной работы – поддержание выемочных штреков металлорамными крепями на угольных шахтах. На основе анализа способов и средств поддержания выемочных штреков сформулирована цель – анализ причин неудовлетворительной работы и рекомендации по улучшению работы арочной металлокрепи и кр...
Saved in:
| Published in: | Геотехнічна механіка |
|---|---|
| Date: | 2014 |
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
2014
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/109529 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Анализ и направления совершенствования способов и средств поддержания выемочных штреков / С.И. Трипольский, В.Н. Скипочка, Н.А. Буряк, Т.Г. Войтович // Геотехнічна механіка: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2014. — Вип. 115. — С. 109-119. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-109529 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Скипочка, С.И. Трипольский, В.Н. Буряк, Н.А. Войтович, Т.Г. 2016-12-01T17:49:58Z 2016-12-01T17:49:58Z 2014 Анализ и направления совершенствования способов и средств поддержания выемочных штреков / С.И. Трипольский, В.Н. Скипочка, Н.А. Буряк, Т.Г. Войтович // Геотехнічна механіка: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2014. — Вип. 115. — С. 109-119. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 1607-4556 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/109529 622.281.001.2 Объект исследований данной работы – поддержание выемочных штреков металлорамными крепями на угольных шахтах. На основе анализа способов и средств поддержания выемочных штреков сформулирована цель – анализ причин неудовлетворительной работы и рекомендации по улучшению работы арочной металлокрепи и крепления выемочных штреков в целом. Показано, что причиной неудовлетворительной работы металлорамной крепи является ее несоответствие требуемому параметру – податливость. Расчетным методом выполнена оценка работоспособности замкового соединения и желобчатой конструкции профиля. Сравнительный анализ параметров металлорамных крепей позволил сделать вывод о нецелесообразности применения в сложных горно-геологических условиях открытых желобчатых профилей. Сделан вывод о необходимости применения комбинированных способов поддержания выемочных штреков, в основе которого должен лежать симбиоз анкерной и металлорамной крепи нового поколения, а также охранной околоштрековой полосы. Определены технические требования для проектирования крепей нового поколения. Об'єкт досліджень даної роботи – підтримання виїмкових штреків металорамним кріпленням на вугільних шахтах. На основі аналізу способів і засобів підтримки виїмкових штреків сформульована мета – аналіз причин незадовільної роботи та рекомендації щодо поліпшення роботи арочного металокріплення та кріплення виїмкових штреків в цілому. Показано, що причиною незадовільної роботи металорамного кріплення є його невідповідність параметру – піддатливість. Розрахунковим методом виконано оцінку працездатності замкового з'єднання і жолобчастої конструкції профілю. Порівняльний аналіз параметрів металорамних кріплень дозволив зробити висновок про недоцільність застосування в складних гірничо-геологічних умовах відкритих жолобчастих профілів. Зроблено висновок про необхідність використання комбінованих способів підтримки виїмкових штреків, в основі яких повинен лежати симбіоз анкерного і металорамного кріплень нового покоління, а також охоронної біляштрекової смуги. Визначено технічні вимоги для проектування кріплень нового покоління. Object of this work is supporting of the gate roads by metal frame supports in the coal mines. Om the basis of analysis of methods and facilities used for gate-road supporting the purpose of the work was formulate: to analyze reasons of unsatisfactory work of and to work out recommendations for improvement of the arched metal-frame supports of the gate roads in general. It is shown that unsatisfactory operation of the metal-frame support is caused by its improper yielding. Functionality of the interlock grooved profile was estimated with the help of calculations. Comparative analysis of the metal-frame supports results in a conclusion that the open grooved profiles cannot be recommended to be used in the complex geological conditions. The conclusion is that for proper supporting the gate roads, it is necessary to apply combined methods, which are based on combination of metal-frame and anchor supports of the new generation and protective ribside pack. Technical requirements are formulated for designing supports of the new generation. ru Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України Геотехнічна механіка Анализ и направления совершенствования способов и средств поддержания выемочных штреков Аналіз та напрямки удосконалення способів та засобів підтримки виїмочних штреків Analysis and improvement of methods and facilities for supporting the gate roads Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Анализ и направления совершенствования способов и средств поддержания выемочных штреков |
| spellingShingle |
Анализ и направления совершенствования способов и средств поддержания выемочных штреков Скипочка, С.И. Трипольский, В.Н. Буряк, Н.А. Войтович, Т.Г. |
| title_short |
Анализ и направления совершенствования способов и средств поддержания выемочных штреков |
| title_full |
Анализ и направления совершенствования способов и средств поддержания выемочных штреков |
| title_fullStr |
Анализ и направления совершенствования способов и средств поддержания выемочных штреков |
| title_full_unstemmed |
Анализ и направления совершенствования способов и средств поддержания выемочных штреков |
| title_sort |
анализ и направления совершенствования способов и средств поддержания выемочных штреков |
| author |
Скипочка, С.И. Трипольский, В.Н. Буряк, Н.А. Войтович, Т.Г. |
| author_facet |
Скипочка, С.И. Трипольский, В.Н. Буряк, Н.А. Войтович, Т.Г. |
| publishDate |
2014 |
| language |
Russian |
| container_title |
Геотехнічна механіка |
| publisher |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Аналіз та напрямки удосконалення способів та засобів підтримки виїмочних штреків Analysis and improvement of methods and facilities for supporting the gate roads |
| description |
Объект исследований данной работы – поддержание выемочных штреков металлорамными крепями на угольных шахтах. На основе анализа способов и средств поддержания выемочных штреков сформулирована цель – анализ причин неудовлетворительной работы и рекомендации по улучшению работы арочной металлокрепи и крепления выемочных штреков в целом. Показано, что причиной неудовлетворительной работы металлорамной крепи является ее несоответствие требуемому параметру – податливость. Расчетным методом выполнена оценка работоспособности замкового соединения и желобчатой конструкции профиля. Сравнительный анализ параметров металлорамных крепей позволил сделать вывод о нецелесообразности применения в сложных горно-геологических условиях открытых желобчатых профилей. Сделан вывод о необходимости применения комбинированных способов поддержания выемочных штреков, в основе которого должен лежать симбиоз анкерной и металлорамной крепи нового поколения, а также охранной околоштрековой полосы. Определены технические требования для проектирования крепей нового поколения.
Об'єкт досліджень даної роботи – підтримання виїмкових штреків металорамним кріпленням на вугільних шахтах. На основі аналізу способів і засобів підтримки виїмкових штреків сформульована мета – аналіз причин незадовільної роботи та рекомендації щодо поліпшення роботи арочного металокріплення та кріплення виїмкових штреків в цілому. Показано, що причиною незадовільної роботи металорамного кріплення є його невідповідність параметру – піддатливість. Розрахунковим методом виконано оцінку працездатності замкового з'єднання і жолобчастої конструкції профілю. Порівняльний аналіз параметрів металорамних кріплень дозволив зробити висновок про недоцільність застосування в складних гірничо-геологічних умовах відкритих жолобчастих профілів. Зроблено висновок про необхідність використання комбінованих способів підтримки виїмкових штреків, в основі яких повинен лежати симбіоз анкерного і металорамного кріплень нового покоління, а також охоронної біляштрекової смуги. Визначено технічні вимоги для проектування кріплень нового покоління.
Object of this work is supporting of the gate roads by metal frame supports in the coal mines. Om the basis of analysis of methods and facilities used for gate-road supporting the purpose of the work was formulate: to analyze reasons of unsatisfactory work of and to work out recommendations for improvement of the arched metal-frame supports of the gate roads in general. It is shown that unsatisfactory operation of the metal-frame support is caused by its improper yielding. Functionality of the interlock grooved profile was estimated with the help of calculations. Comparative analysis of the metal-frame supports results in a conclusion that the open grooved profiles cannot be recommended to be used in the complex geological conditions. The conclusion is that for proper supporting the gate roads, it is necessary to apply combined methods, which are based on combination of metal-frame and anchor supports of the new generation and protective ribside pack. Technical requirements are formulated for designing supports of the new generation.
|
| issn |
1607-4556 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/109529 |
| citation_txt |
Анализ и направления совершенствования способов и средств поддержания выемочных штреков / С.И. Трипольский, В.Н. Скипочка, Н.А. Буряк, Т.Г. Войтович // Геотехнічна механіка: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2014. — Вип. 115. — С. 109-119. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT skipočkasi analizinapravleniâsoveršenstvovaniâsposobovisredstvpodderžaniâvyemočnyhštrekov AT tripolʹskiivn analizinapravleniâsoveršenstvovaniâsposobovisredstvpodderžaniâvyemočnyhštrekov AT burâkna analizinapravleniâsoveršenstvovaniâsposobovisredstvpodderžaniâvyemočnyhštrekov AT voitovičtg analizinapravleniâsoveršenstvovaniâsposobovisredstvpodderžaniâvyemočnyhštrekov AT skipočkasi analíztanaprâmkiudoskonalennâsposobívtazasobívpídtrimkiviímočnihštrekív AT tripolʹskiivn analíztanaprâmkiudoskonalennâsposobívtazasobívpídtrimkiviímočnihštrekív AT burâkna analíztanaprâmkiudoskonalennâsposobívtazasobívpídtrimkiviímočnihštrekív AT voitovičtg analíztanaprâmkiudoskonalennâsposobívtazasobívpídtrimkiviímočnihštrekív AT skipočkasi analysisandimprovementofmethodsandfacilitiesforsupportingthegateroads AT tripolʹskiivn analysisandimprovementofmethodsandfacilitiesforsupportingthegateroads AT burâkna analysisandimprovementofmethodsandfacilitiesforsupportingthegateroads AT voitovičtg analysisandimprovementofmethodsandfacilitiesforsupportingthegateroads |
| first_indexed |
2025-11-24T15:14:58Z |
| last_indexed |
2025-11-24T15:14:58Z |
| _version_ |
1850848558461222912 |
| fulltext |
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №115 109
УДК 622.281.001.2
С. И. Скипочка, д-р техн. наук, профессор,
В. Н. Трипольский, магистр,
Н. А. Буряк, магистр,
Т. Г. Войтович, аспирант
(ИГТМ НАН Украины)
АНАЛИЗ И НАПРАВЛЕНИЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СПОСОБОВ И
СРЕДСТВ ПОДДЕРЖАНИЯ ВЫЕМОЧНЫХ ШТРЕКОВ
С. І. Скіпочка, д-р техн. наук, професор,
В. М. Трипольській, магістр,
М. П. Буряк, магістр,
Т. Г. Войтович, аспірант
(ІГТМ НАН України)
АНАЛІЗ ТА НАПРЯМКИ УДОСКОНАЛЕННЯ СПОСОБІВ ТА ЗАСОБІВ
ПІДТРИМКИ ВИЇМОЧНИХ ШТРЕКІВ
S. I. Skipochka D. Sc. (Tech.), Professor,
V. N. Tripolski, M.S (Tech.),
N. A. Buriyk, M.S (Tech.),
Т. G. Vojtovich, Doctoral Student
(IGTM NAS of Ukraine)
ANALYSIS AND IMPROVEMENT OF METHODS AND FACILITIES FOR
SUPPORTING THE GATE ROADS
Аннотация. Объект исследований данной работы – поддержание выемочных штреков
металлорамными крепями на угольных шахтах. На основе анализа способов и средств под-
держания выемочных штреков сформулирована цель – анализ причин неудовлетворительной
работы и рекомендации по улучшению работы арочной металлокрепи и крепления выемоч-
ных штреков в целом. Показано, что причиной неудовлетворительной работы металлорам-
ной крепи является ее несоответствие требуемому параметру – податливость. Расчетным ме-
тодом выполнена оценка работоспособности замкового соединения и желобчатой конструк-
ции профиля. Сравнительный анализ параметров металлорамных крепей позволил сделать
вывод о нецелесообразности применения в сложных горно-геологических условиях откры-
тых желобчатых профилей. Сделан вывод о необходимости применения комбинированных
способов поддержания выемочных штреков, в основе которого должен лежать симбиоз ан-
керной и металлорамной крепи нового поколения, а также охранной околоштрековой поло-
сы. Определены технические требования для проектирования крепей нового поколения.
Ключевые слова: выемочный штрек, арочная податливая металлокрепь, замковые со-
единения.
Анализ способов охраны и поддержания выемочных штреков, показывает,
что чаще всего в условиях Донбасса охрана выработок ведется целиками (42 %
– вентиляционных и 32 % – откаточных штреков). Бутовыми полосами охраня-
ется соответственно 21 % и 13 % штреков [1].
© С. И. Скипочка, В. М. Трипольский, Н. А. Буряк, Т. Г. Войтович, 2014
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №115 110
Как перспективное техническое решение при бесцеликовой выемке уголь-
ных пластов в условиях больших глубин используют литую полосу, которая
является компромиссным решением между податливой бутовой полосой и же-
сткой охранной конструкцией, выложенной из бетонных блоков, поскольку
чрезмерно жесткая кладка из бетонных блоков инициирует интенсивное пуче-
ние почвы слабых пород, создает дополнительную концентрацию напряжений в
кровле выработки и при достижении критических нагрузок быстро теряет не-
сущую способность. Литая полоса в процессе твердения адаптируется к кон-
тактным условиям в кровле и почве, допускает умеренную податливость при
сохранении несущей способности.
Крепление участковых выработок в подавляющем большинстве случаев
обеспечивается рамными металлокрепями типа КМП-А3 (А4, А5) Р2, КШПУ-М
и др. [2]. Основные характеристики таких крепей – это их несущая способность
и податливость, причем для условий слабых неустойчивых пород второй пара-
метр является превалирующим. Устойчивая и податливая арочная конструкция
таких крепей обеспечивается замковым соединением стоек и верхняка. Прин-
цип работы подавляющего большинства замковых соединений основан на ис-
пользовании сил трения между контактирующими поверхностями. Многолет-
ние наблюдения за поведением податливых замковых соединений показали, что
именно они являются основной причиной неудовлетворительной работы крепи.
В частности было установлено, что:
а) на начальном этапе податливое соединение работает как жесткое;
б) при достижении определенной нагрузки происходит скачкообразное про-
скальзывание спецпрофилей до их заклинивания в соединении;
в) раздельно установленные зажимы перекашиваются, способствуя заклини-
ванию и ограничению податливости крепи, а дальнейшая нарастающая нагруз-
ка деформирует элементы крепи и соединений.
Все это приводит к тому, что силы трения не обеспечивают требуемое рабо-
чее сопротивление крепи в податливом режиме.
Для выяснения и анализа причин таких явлений выполним расчет широко
распространенного замка АП3.030 [3], состоящего из двух хомутов, каждый из
которых содержит скобу, плоскую планку и две гайки. Типовое податливое со-
единение звеньев крепи из спецпрофиля изображено на рис. 1.
1 – наружный профиль; 2 – внутренний профиль; 3 – скоба; 4 – планка;
5 – гайка; P – осевая нагрузка; R – реакция; М – изгибающий момент
Рисунок 1 – Типовое соединение звеньев крепи
PR
1 2
M M
3
5
4
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №115 111
Сопротивление крепи осевой нагрузке Р обеспечивается силами трения ме-
жду элементами соединения. Элементы замка контактируют по нескольким
плоскостям. Вложенные спецпрофили соприкасаются между собой наклонны-
ми стенками создавая клиновый эффект. Планка замка прижата к донышку на-
ружного профиля, а его скобы в двух местах – к фланцам внутреннего профиля.
Полная сила трения в узле зависит от количества скоб в соединении, а сум-
марная сила трения в соединении от натяжения одной скобы равна:
∑F = Fk + Fn + Fc, (1)
где Fk – сила трения в клиновом соединении; Fn – сила трения между план-
кой и днищем профиля; Fc – сила трения между скобой и фланцами внутренне-
го профиля.
Определим силу трения в клиновом соединении. Расчетная схема сил, дей-
ствующих в клиновом соединении, приведена на рис. 2, где обозначено: Sp -
суммарная сила от натяжения скобы; N – сила нормального давления на стенку;
Fk
’ – сила трения вдоль наклонных стенок; 2α – угол при вершине клина.
Рисунок 2 – Расчетная схема сил, действующих в клиновом соединении
Если считать, что силы натяжения ветвей скобы параллельны и равны по
величине, тогда суммарная сила Sp, сжимающая профили, будет равна 2S, где S
– сила натяжения одной ветви скобы, а суммарная сила трения Fk – произведе-
нию силы нормального давления на коэффициент трения:
Fk = 2Nμ, (2)
где 2N – суммарная сила нормального давления; µ – коэффициент трения.
Силу нормального давления получим, спроецировав на вертикальную ось
силы, действующие на клин:
Sp - 2Nsinα = 0 → 2N = Sp / sinα. (3)
Подставляя полученное выражение для N в выражение для Fk и вводя обо-
значение μ׳= μ / sinα, получим:
Fk = Sp µ'. (4)
Приведенный коэффициент трения µ' всегда больше, чем истинный коэф-
Fk FkSp
N
2
N
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №115 112
фициент трения µ, т. к. sinα<1.
Из последней формулы следует, что сила трения в клиновом соединении за-
висит от коэффициента трения, силы нормального давления, угла развала спец-
профиля и не зависит от размеров площади контакта. Она всегда направлена
вдоль поверхности контакта в сторону противоположную смещениям профи-
лей.
Определим силы трения на поверхностях контакта планки с днищем наруж-
ного профиля и скобы с фланцами внутреннего профиля. Расчетная схема при-
ведена на рис. 3.
Рисунок 3 – Схема сил, сжимающих спецпрофили
Сумма сил S от натяжения скоб, прижимающая планку к днищу наружного
профиля, равна силе Sp прижимающей скобу к фланцам внутреннего профиля.
Эти силы направлены перпендикулярно к поверхностям контакта:
2 S = Sp → Fp = Fc, (5)
где Fp,, Fc – силы трения между планкой и днищем, скобой и фланцами.
Суммарная сила трения в замковом соединении от натяжения одной скобы
будет равна:
∑F = Sp µ' + 2Sp µ = Sp (µ' + 2 µ). (6)
Если в замковом соединении используют два зажима, тогда суммарная сила
трения в замковом соединении будет в 2 раза больше:
∑Fz = 2 Sp (µ' + 2 µ). (7)
Для упрощения расчета примем некоторые допущения:
- будем условно считать, что спецпрофили абсолютно жесткие и контуры
их поперечных сечений не деформируются под нагрузкой;
- поверхности контакта между элементами ровные и чистые.
Исходные данные для расчета:
а) первоначальное натяжение ветвей скоб принимаем по результатам испы-
таний арочных крепей
S=30 кH; Sp=60 кH;
Sp
SS
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №115 113
б) угол наклона стенки спецпрофиля к вертикальной оси
α=12°; sin12°=0,2079.
в) коэффициенты трения при покое и при скольжении имеют различные
значения. При трении стали по стали примем: µn =0,15 – при покое; µc =0,1 –
при скольжении;
г) µ‘
n = µn / sinα = 0,15 / 0,2079 ≈ 0,7; µ‘
c = µc / sinα = 0,1 / 0,2079 ≈ 0,5,
где, µ‘
n – приведенный коэффициент при покое;
µ‘
c – приведенный коэффициент при скольжении.
Тогда, суммарная сила трения в замковом соединении будет при покое:
∑Fр = 2 Sp (µ‘
n + 2 µn) = 2 · 60(0,7 + 0,3) = 120 кН, (8)
при скольжении:
∑Fs = 2 Sp (µ‘
c + 2 µc) = 2 · 60(0,5 + 0,2) = 84 кН. (9)
Если исключить принятые в расчете допущения и учесть, что крепь собира-
ется в шахтных условиях, а также неравномерность затяжки гаек, то очевидно,
что силы трения в замковом соединении будут еще меньше.
Как показывает расчет, сопротивление крепи зависит от сил трения в замко-
вом соединении и не зависит от типоразмера спецпрофиля. Типовые арочные
крепи с замками, принцип работы которых основан на использовании сил тре-
ния, не создают достаточного подпора смещающимся породам.
Одним из факторов влияющих на работоспособность арочной металлокрепи
является форма поперечного сечения профиля [4-5].
Неудовлетворительную работу крепи можно объяснить несоответствием
прочностных характеристик профилей деформационно-силовым нагрузкам,
действующим на глубоких горизонтах.
Открытые желобчатые профили имеют различные моменты сопротивления
в обеих главных плоскостях. Аналитические и экспериментальные исследова-
ния арочных крепей показали слабое сопротивление спецпрофилей кручению
при сложных пространственных нагрузках. Сравнительные показатели откры-
того профиля СВП 33 и закрытых трубчатых приведены в табл. 1.
Исследованиями прокатных профилей доказано, что наиболее эффективен
замкнутый профиль квадратного сечения при работе на изгиб и кручение.
Замкнутый тонкостенный профиль квадратного сечения по изгибу превышает
СВП в 1,5-2 раза, а по кручению в 16-27 раз. Применение замкнутых профилей
для изготовления арочных крепей позволяет значительно уменьшить расход
металла, т. к. рама крепи из спецпрофиля СВП-33 весит 333 кг, а из квадратного
профиля, при одинаковом сечении выработки, – 222 кг. Практика показывает,
что главной причиной неэффективной работы известных штрековых крепей яв-
ляется несоответствие их конструкции и деформационно-силовых характери-
стик элементов сложному нагружению.
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №115 114
Таблица 1 – Геометрические и прочностные характеристики профилей
Тип профиля Площадь поперечного
сечения профиля, м²
Момент сопротив-
ления, м³
Момент сопротив-
ления кручению, м³
СВП 33 0,004253 0,0001335 0,00002371
Труба 150х150х5 0,002836 0,00013095 0,0002032
Труба 200х200х6 0,004563 0,0002835 0,0004381
Сравним несущую способность спецпрофиля СВП 27 с податливостью кре-
пи в замковом соединении. Используя формулу условия прочности на одноос-
ное сжатие по известному сечению профиля и его материалу можно определить
допустимую величину нагрузки.
Gmax = [Nmax / s] ≤ [G]; [N] = s· [G], (10)
где [N] – допустимая нагрузка; s – площадь поперечного сечения профиля; [G] –
допустимое напряжение.
Например, при материале профиля – Ст. 5пс; напряжении текучести – 2900
кг/см2; коэффициенте запаса прочности, установленном СНиП, – 3, допустимая
нагрузка для шахтного профиля СВП 27 составит 330 кН, для профиля СВП 33
– 400 кН. Т. е. нагрузка, которую может выдержать профиль при одноосном на-
гружении, в 3-4 раза больше сил трения в узле податливости. Это подтвержда-
ет, что силы трения в замковом соединении недостаточны для удержания про-
дольных сил, действующих на крепь.
Кроме продольной силы, действующей в замковом соединении, на работу
крепи влияет изгибающий момент, который возникает при перекосе рамы
(вследствие неравномерности нагрузки на нее и динамики при обрушении ос-
новной кровли в лаве). На рис. 1 видно, что момент воспринимается скобами
крепи. На скобу действует сила от предварительной затяжки и сила растяжения
от изгибающего момента. Определим предельную нагрузку [P] при которой
происходит обрыв гайки по формуле:
[P]=GТ · sp, (11)
где GТ - минимальный предел текучести; sp – площадь поперечного сечения
прутка.
Для примерного расчета определим предельную нагрузку для скобы из
прутка диаметром 26 мм. Материал скобы – Ст. 3пс, GТ=2500 кг/см2, s = 5,3 см3.
Получим [P]=2500 · 5,3=13250 кг (≈ 13 т). Учитывая, что предварительная за-
тяжка гаек равна 3 т, обрыв гайки произойдет при нагрузке 10 т, а предельная
нагрузка [Рpr] на обрыв двух гаек составит 20 т.
Как показывают наблюдения, в узле податливости происходит не только об-
рыв гаек, но и разрыв днища стойки на участке контакта его с днищем верхняка
из-за различных радиусов верхняка и стоек, а также перекосов рам. Определим
необходимый момент сопротивления спецпрофиля по предельной нагрузке от
изгибающего момента. Схема нагрузок приведена на рис. 4.
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №115 115
Рисунок 4 – Схема нагрузок от изгибающего момента.
Момент сопротивления при изгибе профиля определим по формуле:
Wx = [Ppr] · l / 4Giz. (12)
При расчете примем профиль СВП из материала Ст.5, для которого расстоя-
ние от оси нижней скобы до конца стойки l = 45 см, Giz =1600 кг/см2. Тогда
Wx = 20000 · 45 / 4 · 1600 = 140 см3. Если сравнить спецпрофили по моменту со-
противления, то приблизительно такую характеристику имеют СВП 33 для ко-
торого Wx=133,5 см3, лотковый 36 (Германия) – Wx=136 см3, колоколобразный
36 – Wx=125,5 см3.
Т. е. открытые желобчатые профили не способны выдержать без разруше-
ния сложные нагружения от изгиба и кручения. Простое перенесение опыта
крепления выемочных штреков в новые, более сложные условия глубоких го-
ризонтов, оказалось не эффективным. Как показывают наблюдения за поведе-
нием арки при испытаниях ее на стенде, на первом этапе работы податливое со-
единение работает как жесткое до тех пор, пока продольная сила в узле не пре-
взойдет силу трения покоя. Затем происходит резкое проскальзывание верхняка
относительно стойки, которое сопровождается перекосом скоб относительно
планок, что приводит к заклиниванию замка. На участке податливости концы
спецпрофилей взаимодействуют с разными условиями взаимного скольжения,
что нарушает работу в податливом режиме.
Резкое уменьшение сил трения в замковом соединении объясняет скачкооб-
разное проскальзывание спецпрофилей и потерю несущей способности крепи.
Наблюдаемый дальнейший рост сопротивления крепи происходит за счет
прочностных характеристик элементов соединения. Скобы растягиваются,
планки деформируются и, как показали обследования, после испытаний на
трущихся поверхностях происходит разрушение металла. При этом замечено,
что начало проскальзывания в замках происходит при разных нагрузках и на
разную величину.
Шахтные наблюдения за поведением крепи показывают, что в зоне отработ-
ки лавы происходит перекос рам. Это явление можно объяснить перераспреде-
лением сил действующих на крепь. Максимальные нагрузки направлены со
стороны работающей лавы. Перекос рам крепи приводит к ограничению подат-
ливости и повороту верхняка относительно стойки в замке расположенном со
стороны массива. С ростом нагрузки происходит разрыв нижнего хомута и от-
рыв днища на конце стойки. Одновременно происходит выполаживание верх-
няка с изгибом, кручением и раскрытием профиля. Одной из причин заклини-
вания элементов в узле податливости является установка их на криволинейных
участках крепи.
P
P
l
M
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №115 116
Очевидно, что несущую способность арочной крепи определяет узел подат-
ливости. Типовые податливые соединения, принцип которых основан на ис-
пользовании сил трения, нельзя отнести к жестким соединениям, соединениям с
постоянным сопротивлением или нарастающим подпором. Реальная несущая
способность крепи значительно отличается от расчетных данных, приведенных
в ее технической характеристике.
Основные причины неудовлетворительной работы арочной металло-
крепи:
- конструкции податливых узлов не обеспечивают требуемого сопротивле-
ния, а силы сопротивления в узле не соответствуют несущей способности спец-
профиля;
- отсутствует нарастающий подпор;
- срабатывание узлов податливости происходит при различных нагрузках,
поэтому смещение спецпрофилей происходит скачкообразно с потерей несу-
щей способности;
- П-образные скобы не обеспечивают направленного смещения спецпро-
филей;
- неодновременность моментов срабатывания узлов податливости приво-
дит к перекосу рам как поперек, так и вдоль выработки;
- несовпадение направления податливости крепи с главной направленно-
стью смещения пород;
- неудачное решение по установке замков на криволинейных участках и в
зонах максимальных нагрузок;
- открытый желобчатый профиль по прочностным характеристикам не со-
ответствует деформационно-силовым нагрузкам;
- не полностью используется несущая способность спецпрофиля по пери-
метру рамы, что ведет к завышению расхода металла, поскольку рама изготов-
ляется из одинакового спецпрофиля;
- отсутствие начального контакта установленной рамы с контуром выра-
ботки ведет к смещению пород кровли без подпора, трещинообразованию по-
род кровли;
- деформированная крепь после эксплуатации лишь частично пригодна для
восстановления и повторного использования.
При разработке способов и средств поддержания выемочных штреков, пре-
жде всего, необходимо учесть тот факт, что на глубоких горизонтах рост давле-
ния и смещений носит незатухающий во времени характер на протяжении всего
срока эксплуатации выработки. На больших глубинах нагрузка на крепь не за-
висит от размеров выработки и от прочности пород на растяжение, зато зависит
от прочности пород на сжатие, угла внутреннего трения пород и резко повыша-
ется при увеличении глубины разработки, жесткости крепи и снижается при
росте зоны разрушения пород вокруг выработки. Это явление можно объяснить
самоорганизацией разрушенных пород с образованием свода пород. Поэтому
выбор способов и средств поддержания выработок носит индивидуальный ха-
рактер и применим только в конкретных условиях. В каждом конкретном слу-
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №115 117
чае необходимо знать характер, величину и направление основных нагрузок и
смещений.
Накопленный к настоящему времени объем знаний позволяет сделать вы-
вод, что для поддержания выработки в рабочем состоянии необходимо приме-
нять комбинированный способ с применением базовой рамной податливой кре-
пи, околоштрековой полосы, анкерной крепи и средств укрепления породного
массива. Кроме основной арочной крепи на наиболее нагруженных участках,
которые определяются шахтными наблюдениями, необходимо применять крепи
усиления.
Оценивая оптимальность конструкции арки в целом, можно отметить суще-
ственные различия напряженного состояния элементов по ее периметру. Суще-
ствующие рамные крепи предусматривают использование одного и того же
спецпрофиля по всему периметру арки, что противоречит условиям нагружения
рамы. В результате участок крепи, ограниченный пределами действия активной
нагрузки, оказывается перегруженным, тогда как остальные участки сохраняют
невостребованный запас прочности. Несоответствие реальной несущей способ-
ности крепи фактическому распределению внешней нагрузки со стороны пород
приводит к нерациональному использованию несущей способности профилей,
что приводит к увеличению расхода металла. Оптимальной конструкции крепи
можно достичь, применяя различные материалы или изменяя площади попе-
речных сечений и их профиль в зависимости от изменения внешней нагрузки
по периметру арки.
Анализируя вышеизложенное, можно сделать выводы, что для крепления
выемочных штреков необходимо применять комбинированную систему, со-
стоящую из арочной податливой крепи (как основной), анкеров, литой полосы
и средств усиления. Формирование системы необходимо начинать с установки
анкеров, сразу после обнажения массива до установки арок. Анкера необходи-
мо устанавливать под углом 70-75° в сторону массива и не менее 45° к напла-
стованию. Для перераспределения нагрузок между рамами поверх верхняков
должны быть уложены деревянные прогоны, длина которых должна перекры-
вать не менее трех рам. Монтаж основной арочной крепи необходимо выпол-
нить с принудительным начальным распором. Вначале необходимо установить
верхняк, а затем стойки, что позволит уменьшить забутовочное пространство.
Арочная податливая крепь должна отвечать следующим требованиям:
- арка крепи должна быть незамкнутой и выполнять поддерживающую
функцию;
- податливость арки должна быть с нарастающим подпором;
- верхняк рамы должен иметь эллиптическую или близкую к ней форму с
ориентацией большой полуоси в направлении наибольших смещений;
- стойки арки должны быть удлинены на величину пучения почвы;
- задавливание стоек в почву необходимо считать как одну из технических
характеристик арки;
- размер арки по высоте должен обеспечивать технологический процесс при
ее полной посадке за счет податливости;
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №115 118
- металлопрофиль арки должен быть замкнутым прямоугольного или круг-
лого сечения;
- арка крепи по периметру должна иметь различные прочностные характери-
стики в зависимости от нагрузок действующих на отдельных ее участках;
- в конструкции арки могут применяться различные материалы: металл, же-
лезобетон, дерево и др.;
- общая податливость арки должна соответствовать прогнозируемым смеще-
ниям кровли и величине заглубления стоек в почву;
- арка крепи не должна переходить в жесткий режим работы;
- принцип работы податливого узла должен быть основан не на использова-
нии сил трения, а на деформации податливого элемента;
- податливые узлы должны располагаться на прямолинейных участках с ми-
нимальной нагрузкой и обеспечивать телескопическую направленность.
–––––––––––––––––––––––––––––––
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Радченко, В. В. Совершенствование способов охраны подготовительных выработок в Донбассе
/ В. В. Радченко, Е. С. Чуприна // Уголь Украины. – 1991. – № 11. – С. 30-34.
2. Усаченко, Б. М. Охрана подготовительных выработок глубоких горизонтов шахт Западного
Донбасса / Б. М. Усаченко, В. Я. Кириченко, А. В. Шмиголь. – М.: ЦНИИЭИуголь, 1992. – 167 с.
3. Усаченко, Б. М. Опыт охраны магистральных и выемочных штреков на глубоких горизонтах /
Б. М. Усаченко, В. Я. Кириченко, А. В. Шмиголь. – ЦНИИЭИуголь, 1992. – 43 с.
4. Компанеец, В.Ф. Новые специальные профили проката для крепей горных выработок / В. Ф.
Компанеец, А. А. Сытник, Ф. С. Зигаев // Шахтное строительство. – 1988. – №10. – С. 15-17.
5. Литвинский, Г.Г. Исследование эффективности прокатных профилей для рамной крепи горных
выработок / Г. Г. Литвинский, Э. В. Фесенко // Уголь Украины. – 2012. – №11. – С. 11-14.
REFERENCES
1. Radchenko, V. V. and Chuprina, E. S. (1991) “Perfection of the methods preparatory works protection
in Donbass”, Coal of Ukraine, no.11, pp. 30-34.
2. Usachenko, B. M., Kirichenko, V. Ya. and Shmigol, A. V. (1992), Okhrana podgotovitelnykh
vyrabotok glubokich gorizontov shacht Zapadnogo Donbassa [Protection of preparatory workings deep hori-
zons of the Western Donbass mines], CSIIEIcoal, Moscow, Russia.
3. Usachenko, B. M., Kirichenko, V. Ya. and Shmigol, A. V. (1992), Opyt okhrany magistralnykh i
vyemochnykh chtrekov na glubokich gorizontakh [Experience protection of the main and excavation in
the deep horizons], CSIIEIcoal, Moscow, Russia.
4. Kompaneez, V. F., Cytnik, A. A. and Zygaev, F. C. (1988), “New special profiles of rolling for
mining supports”, Mine construction, no.10, pp. 15-17.
5. Litvinskij, G. G. and Fesenko, E. V. (2012) “Research of rolling profiles effectiveness for frame
support mining”, Coal of Ukraine, no.11, pp. 11-14.
–––––––––––––––––––––––––––––––
Об авторах
Скипочка Сергей Иванович, доктор технических наук, профессор, заведующий отделом меха-
ники горных пород Института геотехнической механики им. Н.С. Полякова Национальной академии
наук Украины (ИГТМ НАН Украины), Днепропетровск, Украина, skipochka@ukr.net
Трипольский Валерий Николаевич, магистр, ведущий специалист в отделе механики горных
пород, Институт геотехнической механики им. Н.С. Поляков Национальной академии наук Украины
(ИГТМ НАНУ), Днепропетровск, Украина, igtm.nanu@yandex.ru
Буряк Николай Афанасьевич, магистр, ведущий специалист в отделе механики горных пород,
Институт геотехнической механики им. Н.С. Поляков Национальной академии наук Украины (ИГТМ
НАНУ), Днепропетровск, Украина, igtm.nanu@yandex.ru
Войтович Татьяна Геннадьевна, аспирант в отделе механики горных пород, Институт геотех-
нической механики им. Н.С. Поляков Национальной академии наук Украины (ИГТМ НАНУ), Днеп-
ропетровск, Украина, vojtovich.leonid@yandex.ru
mailto:skipochka@ukr.net/�
mailto:leonid@yandex.ru�
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №115 119
About the authors
Skipochka Sergej Ivanovitch, Doctor of Technical Sciences (D. Sc), Professor, Head of Department of
Rock Mechanics, The Polyakov Institute of Geotechnical Mechanics of the National Academy of Science of
Ukraine (IGTM, NASU), Dnepropetrovsk, Ukraine, skipochka@ukr.net
Tripolski Valerij Nikolaevich, Master of Science, Principal Specialist in Rock Mechanics Department,
M.S. Polyakov Institute of Geotechnical Mechanics under the National Academy of Sciences of Ukraine
(IGTM, NASU), Dnepropetrovsk, Ukraine, igtm.nanu@yandex.ru
Burjak Nikolaj Afanasievich, Master of Science, Principal Specialist in Rock Mechanics Department,
M.S. Polyakov Institute of Geotechnical Mechanics under the National Academy of Sciences of Ukraine
(IGTM, NASU), Dnepropetrovsk, Ukraine, igtm.nanu@yandex.ru
Vojtovich Tatiana Gennadievna, Doctoral Student in the Department in Rock Mechanics Department,
M.S. Polyakov Institute of Geotechnical Mechanics under the National Academy of Sciences of Ukraine
(IGTM, NASU), Dnepropetrovsk, Ukraine, vojtovich.leonid@yandex.ru
–––––––––––––––––––––––––––––––
Анотація. Об'єкт досліджень даної роботи – підтримання виїмкових штреків металорам-
ним кріпленням на вугільних шахтах. На основі аналізу способів і засобів підтримки виїмко-
вих штреків сформульована мета – аналіз причин незадовільної роботи та рекомендації щодо
поліпшення роботи арочного металокріплення та кріплення виїмкових штреків в цілому. По-
казано, що причиною незадовільної роботи металорамного кріплення є його невідповідність
параметру – піддатливість. Розрахунковим методом виконано оцінку працездатності замко-
вого з'єднання і жолобчастої конструкції профілю. Порівняльний аналіз параметрів метало-
рамних кріплень дозволив зробити висновок про недоцільність застосування в складних гір-
ничо-геологічних умовах відкритих жолобчастих профілів. Зроблено висновок про необхід-
ність використання комбінованих способів підтримки виїмкових штреків, в основі яких по-
винен лежати симбіоз анкерного і металорамного кріплень нового покоління, а також охо-
ронної біляштрекової смуги. Визначено технічні вимоги для проектування кріплень нового
покоління.
Ключові слова: виїмковий штрек, аркове податливе металокріплення, замкові з'єднання.
Abstract. Object of this work is supporting of the gate roads by metal frame supports in the
coal mines. Om the basis of analysis of methods and facilities used for gate-road supporting the
purpose of the work was formulate: to analyze reasons of unsatisfactory work of and to work out
recommendations for improvement of the arched metal-frame supports of the gate roads in general.
It is shown that unsatisfactory operation of the metal-frame support is caused by its improper yield-
ing. Functionality of the interlock grooved profile was estimated with the help of calculations.
Comparative analysis of the metal-frame supports results in a conclusion that the open grooved pro-
files cannot be recommended to be used in the complex geological conditions. The conclusion is
that for proper supporting the gate roads, it is necessary to apply combined methods, which are
based on combination of metal-frame and anchor supports of the new generation and protective rib-
side pack. Technical requirements are formulated for designing supports of the new generation.
Keywords: gate road, arched yielding metal support, interlocks.
Статья поступила в редакцию 25.02.2014
Рекомендовано к публикации д-ром техн. наук Т.А. Паламарчук
mailto:skipochka@ukr.net/�
mailto:vojtovich.leonid@yandex�
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №115 120
УДК 622.273.217.4
М.М. Кононенко, канд. техн. наук, доцент,
М.В. Петльований, канд. техн. наук
(ДВНЗ «НГУ»)
С.А. Зубко, інженер
(ЗАТ «ЗЗРК»)
НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНИЙ СТАН ГІРСЬКОГО МАСИВУ
НАВКОЛО
КАМЕР ДРУГОЇ ЧЕРГИ ВІДПРАЦЮВАННЯ
М.Н. Кононенко, канд. техн. наук, доцент,
М.В. Петлёваный, канд. техн. наук
(ГВУЗ «НГУ»)
С.А. Зубко, инженер
(ЗАО «ЗЖРК»)
НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ГОРНОГО
МАССИВА ВОКРУГ КАМЕР ВТОРОЙ ОЧЕРЕДИ ОТРАБОТКИ
M.N. Kononenko, Ph.D. (Tech.), Associate Professor,
M.V. Petlyovany, Ph.D. (Tech.)
(SHEЕ “NMU”)
S.A. Zubko, M.S.(Tech.)
(CJSC “ZZhRK”)
STRESS-STRAIN STATE OF THE MINE MASSIF AROUND THE
CHAMBERS OF THE SECOND STAGE OF MINING
Анотація. Виконані аналітичні дослідження напружено-деформованого стану масиву
навколо камер другої черги відпрацювання за допомогою термодинамічного методу. Актуа-
льністю досліджень є те, що вилучення запасів руд з камер другої черги відпрацювання здій-
снюється як правило, в оточенні закладного масиву, при цьому спостерігаються найбільші
показники втрат і збіднення руди закладним матеріалом. У зв’язку з цим інтерес представляє
дослідження НДС закладного масиву для встановлення шляхів підвищення його стійкості.
Розроблено розрахункову схему моделювання термодинамічних процесів у масиві гірських
порід навколо камер для подальшого дослідження полів напружень навколо камери та вияв-
лення закономірностей зміни радіальних напружень у масиві закладки, що оточує камеру. До
моделювання брали камеру з усередненими геотехнічними умовами поверху 740-840 м: гли-
бина розташування очисної камери, кут падіння покладу, горизонтальна потужність покладу,
міцність на стиск гірських порід висячого, лежачого боків і закладки. У результаті дослі-
дження встановлено області розтягуючих напружень у породах лежачого боку, у масиві руди
та закладки, а також їх параметри (розміри, максимальні значення напружень), отримані ем-
піричні рівняння залежностей радіальних напружень від відстані до камер другої черги від-
працювання L. Встановлено області руйнівних деформацій і їх розміри у масиві закладки, що
оточує очисні камери другої черги відпрацювання поверху 740-840 м. Отримані максимальні
значення напружень, що діють у масиві закладки, які перевищують межу його міцності на
розтяг та призводять до його руйнування у очисний простір камер другої черги.
__________________________________________________________________________
© М.Н. Кононенко, М.В. Петлеванный, С.А. Зубко, 2014
|